Tensiune de suprafata

Tensiunea superficială este o caracteristică termodinamică a interfeței dintre două faze aflate în echilibru , determinată de activitatea formării izotermocinetice reversibile a unei unități de suprafață a acestei interfețe, cu condiția ca temperatura, volumul sistemului și potențialele chimice ale tuturor componentelor . în ambele faze rămân constante.

Tensiunea superficială are o dublă semnificație fizică - energie (termodinamică) și forță (mecanică). Definiția energiei (termodinamice): tensiunea superficială este munca specifică de creștere a suprafeței atunci când aceasta este întinsă, cu condiția ca temperatura să fie constantă. Definiția forței (mecanice): tensiunea superficială este o forță care acționează pe unitatea de lungime a unei linii care limitează suprafața unui lichid [1] .

Forța de tensiune superficială este direcționată tangențial la suprafața lichidului, perpendicular pe secțiunea conturului pe care acționează și este proporțională cu lungimea acestei secțiuni. Coeficientul de proporționalitate - forța pe unitatea de lungime a conturului - se numește coeficient de tensiune superficială. În SI, se măsoară în newtoni pe metru. Dar este mai corect să definim tensiunea de suprafață ca energie în jouli per unitate de rupere a suprafeței (m²). În acest caz, apare un sens fizic clar al conceptului de tensiune superficială. $\gamma$

În 1983, s-a dovedit teoretic și confirmat prin date din cărțile de referință [2] că conceptul de tensiune superficială a unui lichid face parte fără ambiguitate din conceptul de energie internă (deși specific: pentru moleculele simetrice apropiate de forma sferică). Formulele prezentate în acest articol de jurnal permit unor substanțe să calculeze teoretic valorile tensiunii superficiale a unui lichid din alte proprietăți fizice și chimice, de exemplu, din căldura de vaporizare sau din energia internă [3] [4] ).

În 1985, o viziune similară asupra naturii fizice a tensiunii superficiale ca parte a energiei interne în rezolvarea unei alte probleme fizice a fost publicată de W. Weisskopf în SUA [5] .

Tensiunea superficială apare la interfața dintre corpurile gazoase , lichide și solide. De obicei, termenul „tensiune superficială” se referă la tensiunea superficială a corpurilor lichide la interfața lichid-gaz. În cazul unei interfețe lichide, tensiunea superficială poate fi considerată și ca o forță care acționează pe unitatea de lungime a conturului suprafeței și care tinde să reducă suprafața la minim pentru volume de fază date.

Un instrument pentru măsurarea tensiunii superficiale se numește tensiometru .

Manifestări

Deoarece o creștere a suprafeței interfeței lichid-gaz necesită performanța muncii, lichidul „tinde” să-și reducă suprafața:

în imponderabilitate, o porțiune din lichid capătă o formă sferică (o sferă are cea mai mică suprafață dintre toate corpurile de același volum). Același lucru se întâmplă și cu o picătură de lichid plasată în interiorul altui lichid, nemiscibil, cu primul lichid de aceeași densitate ( experimentul lui Platon ).
un jet de apă laminar formează un cilindru, care apoi se sparge în picături sferice din cauza instabilității Rayleigh-Plateau .
obiectele mici cu o densitate medie mai mare decât densitatea lichidului sunt capabile să „plutească” pe suprafața lichidului, deoarece greutatea lor este echilibrată de forța tensiunii superficiale.
unele insecte (de exemplu, striders de apă ) sunt capabile să se deplaseze prin apă, ținându-se de suprafața acesteia din cauza forțelor de tensiune superficială.
Pe multe suprafețe, denumite neumezibile ( hidrofobe ), apa (sau alt lichid) se adună în picături.

Teorie

Suprafața

Suprafața unui lichid are energie liberă :

{\mathcal {E}}_{surf}=\sigma S,

unde este coeficientul tensiunii superficiale,

\sigma

S

este suprafața totală a lichidului [6] .

Deoarece energia liberă a unui sistem izolat tinde la minim, lichidul (în absența câmpurilor externe) tinde să capete o formă care are o suprafață minimă. Astfel, problema formei unui lichid se reduce la o problemă izoperimetrică în condiții suplimentare date (distribuție inițială, volum etc.). O picătură liberă tinde să ia forma unei mingi , dar în condiții inițiale mai complexe, problema formei suprafeței lichidului devine matematic extrem de complexă.

Formula lui Laplace

Luați în considerare o peliculă lichidă subțire a cărei grosime poate fi neglijată. Într-un efort de a minimiza energia sa liberă, filmul creează o diferență de presiune din diferite părți. Astfel se explică formarea bulelor de săpun : filmul este comprimat până când presiunea din interiorul bulei nu depășește valoarea atmosferică cu valoarea presiunii suplimentare a tensiunii superficiale a filmului. Presiunea suplimentară într-un punct de pe suprafață depinde de curbura medie în acest punct și este dată de formula Laplace :

\Delta p=\sigma K=\sigma \left({1 \over R_{1}}+{1 \over R_{2}}\right).

Iată razele curburelor principale într-un punct. Au același semn dacă centrele de curbură corespunzătoare se află pe aceeași parte a planului tangent în punctul respectiv și au un semn diferit dacă se află pe laturi diferite. De exemplu, pentru o sferă, centrele de curbură în orice punct de pe suprafață coincid cu centrul sferei, deci: $R_{1,2}$

R_{1}=R_{2}=R,

\Delta p={2\sigma \over R}.

Pentru cazul suprafeței unui cilindru circular cu raza , avem: $R$

R_{1}=R,~~~R_{2}=\infty ,

\Delta p={\sigma \over R}.

Deoarece trebuie să fie o funcție continuă pe suprafața filmului, prin urmare, alegerea părții „pozitive” a filmului într-un punct stabilește în mod local partea pozitivă a suprafeței în puncte suficient de apropiate. $\Delta p$

Din formula Laplace rezultă că o peliculă de săpun liber întinsă pe un cadru de formă arbitrară și care nu formează bule va avea o curbură medie egală cu 0.

Dependența de temperatură

Pe măsură ce temperatura crește, tensiunea superficială scade și este egală cu zero la temperatura critică. Cea mai cunoscută dependență empirică a tensiunii superficiale de temperatură a fost propusă de Lorand Eötvös , așa-numita regulă Eötvös . În prezent, sa obținut concluzia dependenței teoretice a tensiunii superficiale de temperatura din regiune până la temperaturile critice, confirmând regula Eötvös [7] .

Modalități de a determina

Metodele de determinare a tensiunii superficiale sunt împărțite în statice și dinamice. În metodele statice, tensiunea superficială este determinată la o suprafață formată care este în echilibru. Metodele dinamice sunt asociate cu distrugerea stratului de suprafață. În cazul măsurării tensiunii superficiale a soluțiilor (în special polimeri sau agenți tensioactivi), trebuie utilizate metode statice. În unele cazuri, echilibrul la suprafață poate apărea în câteva ore (de exemplu, în cazul soluțiilor concentrate de polimeri cu vâscozitate mare). Metodele dinamice pot fi aplicate pentru a determina tensiunea superficială de echilibru și tensiunea superficială dinamică. De exemplu, pentru o soluție de săpun după amestecare, tensiunea superficială este de 58 mJ/m², iar după decantare - 35 mJ/m². Adică, tensiunea superficială se modifică. Până la stabilirea unui echilibru, acesta va fi dinamic.

Metode statice:

Metodă de măsurare a înălțimii meniscului într-un capilar .
metoda Wilhelmy .
Metoda picăturii sesile.
Metodă de determinare prin forma unei picături suspendate.
Metoda picăturii rotative.

Metode dinamice:

Metoda Du Nouy (metoda ruperii inelului).
Stalagmometrică sau metoda de numărare a picăturilor.
Metoda de presiune maximă a bulelor.
Metoda cu jet oscilant.
Metoda undei staţionare.
Metoda undelor calatorii.

Metode

Metodele de măsurare complet standardizate sunt descrise în ASTM , GOST etc. relevante.

Metoda de picătură rotativă

Esența metodei este măsurarea diametrului unei picături de lichid care se rotește într-un lichid mai greu [8] . Această metodă de măsurare este potrivită pentru măsurarea valorilor scăzute sau ultra-scăzute ale tensiunii interfațale. Este utilizat pe scară largă pentru microemulsii, măsurarea eficacității substanțelor tensioactive (surfactanți) în producția de ulei și, de asemenea, pentru determinarea proprietăților de adsorbție .

Metoda lui Du Nuy (metoda ruperii inelului)

Metoda este clasică. Esența metodei decurge din nume. Un inel din sârmă de platină al cărui plan este paralel cu suprafața lichidului este ridicat încet din lichidul care îl umezește, forța în momentul separării inelului de suprafață este forța tensiunii superficiale și poate fi transformată în suprafață. energie. Metoda este potrivită pentru măsurarea tensiunii superficiale a agenților tensioactivi, a uleiurilor de transformatoare etc.

Metoda undelor capilare

Când un lichid este perturbat de o placă oscilantă aflată pe suprafața sa, undele capilare se propagă de-a lungul suprafeței lichidului . Dacă o cuvă cu un lichid este iluminată cu o sursă de lumină pulsată (stroboscop) cu o frecvență de fulger egală cu frecvența de oscilație a plăcii de perturbare, atunci se va observa un model de undă staționară vizual. Pe baza lungimii de undă măsurată, tensiunea superficială poate fi calculată folosind formula:

\sigma ={\frac {\rho \lambda ^{2}}{4\pi ^{2}}}(2\pi \nu ^{2}\lambda -g),

unde este tensiunea superficială;

\sigma

\rho

este densitatea lichidului;

\lambda

este lungimea de undă;

\nu

este frecvența de oscilație a plăcii;

g

- accelerarea gravitației.

Tensiunea superficială a unor lichide la interfața cu aerul

Substanţă	Temperatura °C	Tensiune superficială (10 −3 N/m)
Soluție apoasă de clorură de sodiu 6 M	douăzeci	82,55
Clorura de sodiu	801	115
Glicerol	treizeci	64,7
Staniu	400	518
Acid azotic 70%	douăzeci	59.4
Anilină	douăzeci	42.9
Acetonă	douăzeci	23.7
Benzen	douăzeci	29,0
Apă	douăzeci	72,86
Glicerol	douăzeci	59.4
Ulei	douăzeci	26
Mercur	douăzeci	486,5
Acid sulfuric 85%	douăzeci	57.4
Etanol	douăzeci	22.8
Acid acetic	douăzeci	27.8
eter etilic	douăzeci	16.9
soluție de săpun	douăzeci	43

Manifestări

Bule de sapun
Margaretă
Fotografia arată efectul, numit „ lacrimi de vin ”
Picătură de apă pe o frunză
Vrac pe marginea bălților și a asfaltului uscat
Apa curge pe suprafața uscată de asfalt

Vezi și

Link -uri

[www.xumuk.ru/colloidchem/19.html Metode pentru determinarea tensiunii superficiale]
Videoclip despre natura fizică a tensiunii superficiale a unui lichid ca parte a energiei interne Copie de arhivă din 20 decembrie 2020 la Wayback Machine (rusă)

Note

↑ Summ B. D. Fundamentele chimiei coloidale
↑ (Articol: Journal of Physical Chemistry. 1983, Nr. 10, pp. 2528-2530) . Consultat la 16 februarie 2014. Arhivat din original pe 21 februarie 2014. (nedefinit)
↑ Khaidarov G. G., Khaidarov A. G., Mashek A. Ch. Natura fizică a tensiunii superficiale a unui lichid // Buletinul Universității din Sankt Petersburg. Seria 4 (Fizică, Chimie) 2011. Numărul 1. p.3-8. (link indisponibil) . Data accesului: 16 februarie 2014. Arhivat din original la 22 februarie 2014. (nedefinit)
↑ Khaidarov G. G., Khaidarov A. G., Mashek A. Ch., Mayorov E. E. Efectul temperaturii asupra tensiunii superficiale // Buletinul Universității din Sankt Petersburg. Seria 4 (Fizică, Chimie). 2012. Numărul 1. pp. 24-28. (link indisponibil) . Data accesului: 16 februarie 2014. Arhivat din original la 22 februarie 2014. (nedefinit)
↑ Weisskopf VF American Journal of Physics 53 (1985) 19-20.; VF Weisskopf, Jurnalul American de Fizică 53 (1985) 618-619.
↑ Rețineți că un film, ca peretele unui balon de săpun, are două fețe, astfel încât suprafața lichidului este de două ori mai mare decât suprafața filmului.
↑ Jurnalul „Buletinul Universității din Sankt Petersburg”, 2012, nr. 1, p. 24-28
↑ SITE100 Tensiometru . Consultat la 19 noiembrie 2008. Arhivat din original pe 3 aprilie 2009. (nedefinit)