Вивчення залежності поверхневого натягу від температури - документ - стор

ВИВЧЕННЯ ЗАЛЕЖНОСТІ ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГНЕННЯ ВІД ТЕМПЕРАТУРИ

II. Коротка теорія роботи

Рідини і тверді тіла, на відміну від газів, знаходяться в конденсованому стані, коли атоми або молекули речовини пов'язані між собою. Середній енергії теплового руху недостатньо для мимовільного розриву зв'язку з цим, тому конденсована тіло зберігає свій об'єм. Однак на відміну від твердих кристалічних тіл, рідини під дією зовнішніх сил можуть легко змінювати свою форму, при цьому їх обсяг залишається практично незмінним.

Співвідношення між середньою кінетичної енергією молекул (), яка є мірою інтенсивності їх хаотичного руху, і потенційною енергією взаємодії між молекулами (), яка визначає можливий порядок в їх просторовому розташуванні, є вирішальним фактором для освіти агрегатного стану речовини.

Тверде тіло утворюється за умови, що (переважає порядок). У газоподібному стані, де, панує безлад. У разі рідини, коли обидва вкладу порівнянні -, ми маємо найскладнішу ситуацію. Зазвичай вважають, що в рідині є якась впорядкованість в найближчому оточенні молекул (так званий ближній порядок), при відсутності далекого порядку.

Характерною особливістю всіх тіл, що знаходяться в конденсованому стані, є наявність у них вільних поверхонь, що обмежують їх обсяг. Так, обсяг рідини, налитої в посудину, завжди обмежений стінками судини і газом (зазвичай над поверхнею рідини знаходиться насичений пар і газоподібний повітря).

На кордонах розділу молекули рідини знаходяться в умовах, відмінних від умов всередині об'єму рідини. Ця відмінність пов'язана з різною щільністю газу і рідини (або твердого тіла). Наприклад, при нормальному атмосферному тиску і температурі 100 ° С щільність води дорівнює, а водяної пари, тобто в 1600 разів менше. Це означає, що в одиниці об'єму води в 1600 разів більше молекул, ніж в одиниці об'єму водяної пари (щільність є добуток маси молекули на концентрацію молекул). Якщо врахувати, що обсяг пропорційний кубу лінійних розмірів, то відстані між молекулами пара в (1600) 1/3  12 разів більше, ніж відстані між молекулами води при тих же умовах.

Аналогічний результат виходить і для інших речовин. При цьому виявляється, що відстані між молекулами в рідкому і твердому стані відрізняються мало (всього лише на кілька відсотків), в той час як в газах відстані між ними (при не дуже великих тисках) на порядок більше.

Міжмолекулярні сіливзаімодействія відіграють визначальну роль в утворенні і властивості конденсованих середовищ. Що стосується поверхневих явищ, то для них важлива різниця в молекулярних силах в межують середовищах: газ / рідина. газ / тверде тіло. рідина / газ.

Молекулярні сили мають ряд цікавих особливостей. По-перше, це короткодействующие сили, які проявляються лише на відстанях, порядку ефективних розмірів самих молекул. Починаючи з деякої відстані (яке називається радіусом молекулярного дії), взаємодією молекул можна знехтувати. Радіус молекулярного дії має величину порядку 10 -9 м, що не перевищує декількох діаметрів молекули. У газах, де відстані між молекулами приблизно на порядок більше, ніж в рідинах або твердих тілах, дією молекулярних сил можна в більшості випадків знехтувати.

Сили тяжіння (), які проявляються в радіусі молекулярного дії, при подальшому зближенні молекул на відстані близько лінійних розмірів самих молекул змінюються силами відштовхування (), які вибувають з відстанню значно швидше сил тяжіння. Зазвичай вважають, що сили тяжіння - а сили відштовхування -, так що результуюча сила має вигляд:

де і постійні, що характеризують дані молекули (рис. 1).

Рис.1. Залежність сил тяжіння (), відштовхування ()

і результуючої сили () від відстані між молекулами

Молекулярні сили мають електричне походження, причому основний внесок дає дипольномувзаємодія молекул. Багато молекули (в тому числі і молекула води) мають електричними дипольними моментами під час відсутності електричного поля. Це так звані полярні молекули з несиметричним будовою. Для симетричних молекул джерелом межмолеку лярного тяжіння є взаємодія миттєвих диполів (природа цього ефекту - квантовомеханічна).

Поверхня розділу між фазами (рідина / пар) являє собою перехідний шар, в якому щільність змінюється від щільності рідини до щільності пара. При звичайних температурах цей шар тонкий (його товщина вимірюється кількома молекулярними діаметрами), при підвищенні температури перехідний шар збільшується.

Молекули в поверхневому шарі знаходяться в умовах, відмінних від умов всередині рідини: всередині рідини вони оточені з усіх боків такими ж молекулами, а поблизу поверхні мають однакових з ними сусідів лише з одного боку (рис. 2).

Рис.2. Молекули поблизу поверхні і всередині рідини

З урахуванням отріцательності потенційної енергії взаємодії молекул виявляється, що молекули в поверхневому шарі повинні мати велику енергію в порівнянні з молекулами всередині рідини.

Таким чином, поверхневий шар має надлишкову енергією, обумовленої відмінністю міжмолекулярних взаємодій в обох фазах. Різниця між енергією всіх молекул (обох середовищ) поблизу поверхні розділу і тією енергією, яку ці молекули мали б, якби вони знаходилися всередині рідини, називається поверхневою енергією.

Очевидно, що поверхнева енергія пропорційна площі поверхні розділу S:

Коефіцієнт називається коефіцієнтом поверхневого натягу (або просто поверхневий натяг).

Відомо, що будь-яка система прагне досягти стану з найменшою потенційною енергією. Саме тому крапельки рідини (або бульбашки газу) прагнуть прийняти сферичну форму, при якій площа поверхні мінімальна. У певному сенсі, тонкий поверхневий шар діє на зразок гумової оболонки, що оточує обсяг рідини. Виникаючі в цьому шарі поверхневі сили, спрямовані уздовж поверхні. завжди прагнуть привести до скорочення поверхні розділу. Однак, на відміну від пружної плівки, натяг якої зростає при розтягуванні плівки, величина поверхневого натягу рідини не змінюється при зміні площі поверхні.

Поряд з «енергетичним» визначенням можна ввести «силове» визначення поверхневого натягу. Фізичний сенс «силового» визначення полягає в наступному: коли поверхня рідини обмежена лінією, або контуром довжини l (периметром змочування), то на цей контур, перпендикулярно до нього, діє сила поверхневого натягу (F), яка лежить в площині, дотичній до поверхні рідини. і спрямована в бік зменшення її площі. Коеффіціентомповерхностного натягу називається відношення цієї сили до довжини контуру:

Для ілюстрації вищесказаного можна розглянути наступний простий приклад. Уявімо собі плівку рідини, натягнуту на дротяну рамку, одна із сторін якої (з довжиною l) може вільно переміщатися (рис. 3).

Мал. 3. Плівка рідини, натягнута на рамку.

Завдяки прагненню поверхні зменшуватися, на зволікання буде діяти сила, яку на рухомої частини рамки можна безпосередньо виміряти. Ця сила визначається похідною від потенційної енергії по координаті уздовж напрямку дії сили:

Так як площа поверхні однієї сторони плівки дорівнює то (порівняй з формулою (2)). Це і є сила, що діє на відрізок l рамки, яка обумовлена ​​поверхневий натяг на одній стороні плівки (так як плівка має дві сторони, то всього на відрізок l діє вдвічі більша сила). Знак мінус показує, що ця сила спрямована всередину поверхні плівки.

Поверхневий натяг залежить від природи дотичних середовищ і їх стану. Для порівняння нижче наведені значення поверхневого натягу на межі рідина / пар для різних речовин (при температурі 20 ° С):

Підкреслимо ще раз, що поверхневий натяг характеризує відмінність в молекулярних взаємодіях в обох фазах, що утворюють поверхню розділу. Тому необхідною і достатньою умовою існування поверхні розділу (а, отже, і поверхневого натягу) є, по-перше, наявність молекулярних сил тяжіння, що призводять до конденсації, і, по-друге, відмінність у величині цих сил в межують фазах.

Величина поверхневого натягу може сильно змінюватися при введенні в рідину домішок. Існує цілий клас так званих поверхнево-активних речовин (ПАР). здатних адсорбуватися на поверхні розділу фаз, з відповідним зниженням їх поверхневого натягу. Для води такими речовинами є, наприклад, різні мила.

Поверхневий натяг на межі поділу нафту / вода в середньому близько (Н / м). Для збільшення нафтовіддачі пластів часто потрібно знизити міжфазне натяг. Ефективним методом є метод заводнення пластів розчинами ПАР або нагнітання в пласт лужних вод, які сприяють утворенню натрієвих мил поблизу поверхні розділу вода / нафта і тим самим зменшенню поверхневого натягу нафти на кордоні з водою.

Введення в пласт вуглекислого газу СО2 (розчиненого у воді або в рідкому вигляді), завдяки чому відбувається взаємне розчинення вуглекислоти в нафти і вуглеводнів в рідкому СО2. також призводить до зниження міжфазного натягу.

Розглянемо тепер залежність поверхневого натягу від температури. З підвищенням температури спостерігається зменшення коефіцієнта поверхневого натягу на межі рідина / пар. Це викликано тим, що з підвищенням температури щільність пара над рідиною зростає (завдяки посиленню процесу випаровування), а щільність рідини зменшується (хоча і не настільки істотно, як для пара). В результаті, різниця в їх щільності зменшується, а, отже, зменшується і різниця в молекулярних взаємодіях в межують фазах.

Якщо при малій щільності газу (в порівнянні з щільністю рідини) можна було знехтувати взаємодією молекул поверхневого шару з молекулами пара (див. Рис.2), то тепер ця взаємодія стає дедалі помітнішою. Нарешті, при критичній температурі. коли порівнюються щільності рідкої і газової фаз, відмінність між рідиною і парою взагалі зникає. При цьому зникає межа розділу фаз, і коефіцієнт поверхневого натягу стає рівним нулю.

Якщо поверхня розділу фаз не плоска, то по обидва боки викривленою поверхні існує різниця тисків, викликана поверхневий натяг. Це додатковий тиск називається поверхневим або капілярним тиском ().

Величина цього надлишкового тиску залежить від кривизни поверхні і визначається формулою Лапласа:

тут і - головні радіуси кривизни поверхні. Для різних поверхонь маємо:

Для плоскої поверхні рідини сили поверхневого натягу, спрямовані уздовж поверхні, не створюють додаткового тиску: тиск всередині рідини дорівнює зовнішньому тиску. Для опуклої поверхні (наприклад, крапля рідини в повітрі) прагнення поверхні до зменшення призводить до стиснення краплі, і тиск усередині рідини виявляється більше тиску навколишнього повітря. У разі увігнутої поверхні рідини (бульбашка газу в рідині) тиск всередині рідини виявляється менше, ніж усередині газового бульбашки (цей випадок ілюструється на рис. 4). Взагалі, надлишковий тиск завжди є в тій із двох дотичних середовищ, в бік якої поверхня розділу увігнута.