Felületi feszültség: 7 ehhez kapcsolódó fontos tényező

Kohézió és tapadás

Mindenekelőtt megpróbálunk megérteni néhány, a felületi feszültség vizsgálatában hasznos kifejezést. A folyadéknak olyan tulajdonságai vannak, mint a kohézió. Kohézió egy olyan tulajdonság, amelyben egy folyadékmolekula vonz egy másik molekulát. Tapadás egy olyan tulajdonság, amelyben a folyadékmolekulákat a vele való szilárd felületi érintkezés vonzza. Röviden azt mondhatjuk, hogy a hasonló molekulák közötti erő kohézió, a különböző molekulák közötti erő pedig adhézió.

Vegyünk egy példát.

Ha higanycseppet csepegtetünk bármely felületre, az cseppben próbál képződni, mert a kohézió nagyobb, mint a tapadási erő. Értesítést kap arról, hogy a higanycsepp nem tapad a szilárd felületre. A Merkúr megpróbál távol maradni a szilárd felülettől; nem nedvesíti be a szilárd felületet.

Most vegyünk egy másik példát, ha figyelembe vesszük, hogy a vízrészecskék a felszínre hullanak. Az egész betonfelületen szétterül. Ez azért történik, mert a tapadóerő nagyobb, mint a kohéziós erő ebben az esetben. A folyadék és a szilárd felület érintkezési szöge leírhatja a felület nedvesedését és nem nedvesedését.

Felületi feszültség
Folyadék nedvesítése és nem nedvesítése hitel Hisoki

Tekintse meg a fenti ábrát, ahol a folyékony gáz és a szilárd felület találkozik a folyadékkal, ha a szög kisebb, mint 90 fok (π/2). A felület nedvesedése a szög csökkenésével növekszik. Ha a szög nagyobb, mint 90 fok, a folyadék nem nedvesíti meg a szilárd felületet. A szög a felület jellegétől, a folyadék típusától, a szilárd felülettől és a tisztaságtól függ.

Ha figyelembe vesszük, hogy tiszta víz érintkezik a tiszta üvegfelülettel. A szög ebben az esetben 0 (nulla) fok. Ha szennyeződéseket adunk a vízhez: A szög növekszik a szennyeződések hozzáadásával. Amint már említettük, a Merkúr nem nedvesítő folyadék, így a szög 130 és 150 fok között van.

Felületi feszültség

Folyadékban a molekulák a szabad felület alatt helyezkednek el. Minden folyadékmolekula vonzza a közeli molekulát. A molekuláris kohéziós erő minden irányban azonos. Minden erő azonos nagyságú és ellentétes irányú. Tehát folyadékban törlődik. Ez lehet az oka a folyadék egyensúlyának. A folyadékban nincs eredő erő.

Tegyük fel, hogy a szabad felületen fekvő folyadék legfelső molekuláit vettük figyelembe, mivel tudjuk, hogy nincsenek felettük folyékony molekulák. Tehát itt az alattuk elhelyezkedő folyékony molekulák vonzzák őket. Ez a szabad felületű folyadékmolekulák érezni fogják a húzóerőt a folyadék belsejében. Ez az erő rugalmas erőként működik. A felület egységnyi területére elhasznált ún felületi feszültség.

A felületi feszültséget Sigma (σ). Felületi feszültség a folyadék-gáz határfelületen, a folyadék-folyadék határfelületen lép fel. A felületi feszültség hátterében a kohézióból adódó intermolekuláris vonzás áll.

Mélyrehatóan értsük meg néhány gyakorlati példán keresztül,

  • Gömb alakú folyadékcseppet látott. Gömb alakú formájának oka a felületi feszültség.
  • Észreveheti, ha alaposan felöntjük a vizet a pohárba. Még ha meg is van töltve a pohár, akkor is adhatunk hozzá egy kis vizet az üveghatár felett.
  • Tegyük fel, hogy egy vékony üvegcsővel fogunk kísérletezni a víz felszínén. Egy vékony üvegcső belsejében gyorsan észrevehetünk egy kapilláris emelkedést és süllyedést.
  • A madarak felületi feszültség miatt vizet ihatnak a víztestből.

Bár a nyomás és a gravitációs erő nagyobb, mint a felületi feszültség, a felületi feszültségnek fontos szerepe van, ha szabad felület és kis méretek vannak. A felületi feszültség mértékegysége N/m. A felületi feszültség nagysága a következő tényezőktől függ:

  • Folyadék típusa
  • A környező állapotú gáz, folyékony vagy szilárd állapotú
  • A molekulák mozgási energiája
  • A molekulák hőmérséklete

Ha növeljük az anyag, például a folyadék hőmérsékletét, az intermolekuláris vonzás csökken, mivel a molekulák közötti távolság nő. A felületi feszültség az intermolekuláris vonzástól (kohézió) függ. A folyadék felületi feszültségének értékét a levegőre mint környező közegre vesszük,

A levegő-víz határfelület felületi feszültsége a 0.073 N/m.

A felületi feszültség értéke a hőmérséklet emelkedésével csökken.

hajszálér

Ha egy keskeny csövet mártunk a vízbe, a víz egy bizonyos szinten felemelkedik a cső belsejében. Ezt a csőtípust a kapilláris cső, és ezt a jelenséget kapilláris hatásnak nevezik. A kapilláris hatás másik neve a meniszkusz effektus.

A kapilláris hatás a felületi feszültségnek köszönhető. A kapilláris emelkedés és depresszió a kohézió és adhéziós intermolekuláris vonzás miatt következik be. A cső felülete és a vízmolekula közötti adhéziós erő nagyobb, mint a vízmolekulák közötti kohéziós erő. Emiatt a vízmolekulák homorú alakban figyelhetők meg a cső felületén.

A folyadék súlya kis átmérőjű csőben emelkedik vagy süllyed

= ( A cső területe * Emelkedés vagy süllyedés ) * ( fajsúly ​​)

= (π/4 *d2*h) w

A felületi feszültség erő függőleges összetevője

= σ cosθ * kerülete

= σ cosθ * πd

Ha figyelembe vesszük az egyensúlyt, akkor a felfelé irányuló erő kiegyenlíti a lefelé irányuló erőt, így az erő összetevője a következőképpen adható meg:

( π/4 * d2 *h * w ) = σ cosθ * πd

H = ( 4 σ cosθ/ wd )

kapilláris 1
Kapilláris cső

Szögből megfigyelhető, hogy ha a szög 0 és 90 fok között van, akkor az értéke h pozitív, homorú alak kialakulása és kapilláris emelkedés. Ha a szög 90 és 180 fok között van, a h negatív, konvex alakzat kialakulása és kapilláris depresszió.

Ha a folyadék higany, akkor a hatás teljesen ellentétes. A Merkúr esetében a kohéziós erő jelentősebb, mint a tapadási erő. Emiatt a higanymolekulák konvex alakot alkotnak a cső felületén.

A kapilláris hatás fordítottan arányos a cső átmérőjével. Ha el akarja kerülni a kapilláris hatást, akkor ne válasszon kis átmérőjű csövet. Vízhez a minimális csőátmérő ajánlott, a Mercuryé pedig az 6 mm. A cső belsejében lévő felületnek tisztának kell lennie.

Párolgás

A párolgás a folyékony halmazállapotúból gázhalmazállapotúvá történő átalakulás. A működési sebesség a folyadék nyomásától és hőmérsékletétől függ.

Vegyünk egy példát,

Tegyük fel, hogy a folyadék a zárt edényben van. Ebben az edényben a gőzmolekulák nyomást gyakorolnak. Ezt gőznyomásnak nevezik. Ha a gőznyomás csökkenni kezd, akkor a molekula nagyon gyorsan elkezd távozni a folyadék felszínéről, ezt a jelenséget ún. forró.

Forrás közben a buborékok a folyadék belsejében képződnek. Ez a buborék a magasabb nyomású zóna közelében halad, és a nagyobb nyomás miatt összeesik. Ezek az összeomló buborékok lényegesen nagyobb nyomást fejtenek ki 100 atmoszférikus nyomás körül. Ez a nyomás mechanikai eróziót okoz a fémen. Ezt a hatást általában ún kavitáció. A hidrodinamikus gépek tanulmányozása és tervezése szükséges a kavitáció figyelembevételével.

A kavitációnak mindkét oldala előnyös és nem előnyös. Mint tudjuk, hogy a kavitáció eróziót okoz a fémben, ezért ez nem előnyös

Néhány új kutatási terület a közelmúltban azt sugallja, hogy a hidrodinamikus kavitáció hasznos bizonyos vegyi és szennyvízkezelésben. Tehát itt a hidrodinamikus kavitáció előnyös koncepció.

A folyadék gőznyomása erősen függ a hőmérséklettől: A hőmérséklet emelkedésével nő. 20°C-os hőmérsékleten a víz gőznyomása az 0.235 N / cm2. A Merkúr gőznyomása 1.72*10-5 N / cm2.

Ha el akarjuk kerülni a kavitációt a hidraulikus gépekben: Ne engedjük, hogy a folyadék nyomása a gőznyomás alá csökkenjen a helyi hőmérsékleten.

Sokszor gondolhattad már, hogy miért használják a higanyt a hőmérőben és a manométerben. Miért nem más folyadék?

A válaszod itt van; a higany gőznyomása a legalacsonyabb nagy sűrűséggel. Alkalmassá teszi a Mercury-t hőmérőben és manométerben való használatra. 

Keresse meg a kapilláris hatást egy 4 mm átmérőjű csőben. Amikor a folyadék víz

Kérdések és válaszok

1) Mi a különbség a kohézió és az adhézió között?

A kohézió a molekulák vonzási ereje ugyanazon anyag között, míg az adhézió a különböző anyagok molekulái közötti vonzás.

2) A Merkúrt próbálják távol tartani a felszíntől, miért?

A Merkúrban a kohéziós erő nagyobb, mint a tapadási erő. Emiatt a higanyt nem nedvesítő folyadéknak nevezik.

3) Milyen feltétele van a folyadéknak a felülettel való nedvesedésének és nem nedvesedésének?

A folyadék nedvesíti a szilárd felületet 90 fok alatt. Ha a szög nagyobb, mint 90 fok, akkor a folyadék nem nedvesíti a szilárd felületet.

4) Magyarázza el a felületi feszültséget!

A szabad felületen lévő folyékony molekulákat az alattuk elhelyezkedő folyékony molekulák vonzzák. Ez a szabad felületű folyadékmolekulák érezni fogják a húzóerőt a folyadék belsejében. Ez az erő rugalmas erőként működik. A felület egységnyi területére fordított összeget felületi feszültségnek nevezzük. A felületi feszültséget Sigma (σ). Felületi feszültség a folyadék-gáz határfelületen, a folyadék-folyadék határfelületen lép fel. A felületi feszültség hátterében a kohézióból adódó intermolekuláris vonzás áll.

5) Mondjon néhány gyakorlati példát a felületi feszültségre!

  • Észreveheti, ha alaposan felöntjük a vizet a pohárba. Még ha meg is van töltve a pohár, akkor is adhatunk hozzá egy kis vizet az üveghatár felett.
  • Tegyük fel, hogy egy vékony üvegcsővel fogunk kísérletezni a víz felszínén. Egy vékony üvegcső belsejében könnyen észrevehetünk egy kapilláris emelkedést és süllyedést.
  • A madarak felületi feszültség miatt vizet ihatnak a víztestből.

6) Mi a felületi feszültség mértékegysége?

A felületi feszültség mértékegysége N/m.

7) Adja meg a felületi feszültség értékét a levegő-víz és a levegő-higany határfelületre standard nyomáson és hőmérsékleten.

A levegő-víz határfelület felületi feszültsége 0.073 N/m.

A levegő-higany határfelület felületi feszültsége 0.480 N/m.

8) Mi a kapilláris hatás?

Ha a keskeny csövet a vízbe mártják, a víz egy bizonyos szinten felemelkedik a cső belsejében. Az ilyen típusú csövet kapilláriscsőnek, ezt a jelenséget pedig kapilláris hatásnak nevezik.

9) Van-e összefüggés a kapilláris hatás és a felületi feszültség között? Ha igen, mit?

Igen. A kapilláris hatás a felületi feszültségnek köszönhető. A kapilláris emelkedés és depresszió a kohézió és adhéziós intermolekuláris vonzás miatt következik be.

10) Határozza meg: Forrás, Kavitáció

Forrás: A folyadék belsejében gőzbuborékok keletkeznek a hőmérséklet és a nyomás változása miatt. A forralás halmazállapotváltozás) folyadékból gőzbe.

Kavitáció: A gép belsejében a folyadék nyomása miatt kialakuló gőzbuborék a telített gőznyomás alá csökken.

Feleletválasztós kérdések

1) Nedvesítő folyadék esetén a θ érintkezési szög ________ legyen

(a) 0 (b) θ < π/2                           (c) θ >π/2 (d) Nincs

2) Nem nedvesítő folyadék esetén a θ érintkezési szögnek ________

(a) 0 (b) θ < π/2 (c) θ >π/2                            d) Nincs

3) A felületi feszültség értékének csökkenése __________

a) Állandó nyomás

(B) Hőmérséklet emelkedés

(c) Nyomásnövekedés

d) A hőmérséklet csökkenése

4) Ha az értékszög 0 és 90 között van, akkor mi történik kapilláris hatás esetén?

 (1) h pozitív homorú alakképzéssel

(b) h negatív homorú alakzattal

(c) h negatív konvex alakzattal

(d) h pozitív konvex alakzattal

5) Miért használnak higanyt a hőmérőben és a manométerben?

a) Magas gőznyomás és alacsony sűrűség

b) Magas gőznyomás és nagy sűrűség

(c) Alacsony gőznyomás és alacsony sűrűség

(D) Alacsony gőznyomás és nagy sűrűség

6) Mi kb. buborékok összeeső nyomása kavitációs jelenségekben?

(a) Körülbelül 20 atmoszférikus nyomás

(b) Körülbelül 50 atmoszférikus nyomás

(c) Körülbelül 75 atmoszférikus nyomás

(D) 100 körüli atmoszférikus nyomás

7) Mekkora a víz gőznyomása 20°C hőmérsékleten?

a) 0.126 N/cm2

(b) 0.513 N/cm2

(C) 0.235 N/cm2

(d) 0.995 N/cm2

8) Mekkora a higany gőznyomása 20°C-on?

a) 1.25* 10-5 N/cm2

(B) 1.72 * 10-5 N / cm2

c) 1.5* 10-5 N/cm2

(d) 1.25 N/cm2

Következtetés

Ezt a cikket azért mutatjuk be, hogy megértse a felületi feszültség, a kapilláris hatás, a kavitáció, a párolgás fogalmát és hatásait. Néhány gyakorlati példa ebben a cikkben található, hogy ezt a gyakorlatban ábrázolja. Arra törekedtünk, hogy a folyadékmechanikai koncepciót korrelálja a mindennapi életével.

Ha többet szeretne megtudni a folyadékmechanikáról, kérjük kattints ide.