Сили поверхневого натягу
Поверхневий натяг має подвійний фізичний зміст - енергетичний (термодинамічний) і силовий (механічний).
Енергетичне (термодинамічне) визначення: поверхневий натяг - це питома робота збільшення поверхні при її розтягуванні за умови сталості температури.
Силове (механічне) визначення: поверхневий натяг - це сила, що діє на одиницю довжини лінії, яка обмежує поверхню рідини.
Сила поверхневого натягу спрямована по дотичній до поверхні рідини, перпендикулярно до ділянки контура, на який вона діє і пропорційна довжині цієї ділянки. Коефіцієнт пропорційності γ - сила, яка припадає на одиницю довжини контуру - називається коефіцієнтом поверхневого натягу. Він вимірюється в (ньютонах на метр) Н/м.Але більш правильно дати визначення поверхневого натягу, як енергії (Дж) на розрив одиниці поверхні (м ).
Для зменшення сил поверхневого натягу використовуються поверхнево-активні речовини.
Зміст
[сховати]Тиск під викривленою поверхнею
Поверхневий натяг призводить до появи додаткового тиску під викривленою поверхнею рідини. Цей тиск визначається рівнянням Юнга-Лапласа
- \Delta P = \sigma \left(\frac{1}{R_x} + \frac{1}{R_y} \right),
де R_x і R_y — два локальні радіуси кривизни поверхні, \sigma — коефіцієнт поверхневого натягу.
Термодинаміка
Робота, необхідна для збільшення поверхні рідини:
- \ dA \ = \ \sigma dS
Зміна вільної енергії дорівнює роботі, виконаній над тілом при ізотермічному процесі. Звідти при постійних температурі та тиску, маємо
- \sigma = \left( \frac{\partial F}{\partial S} \right)_{T,P}
де \ F є вільною енергію, а \ S є площею поверхні.
Вільна енергія визначається з рівняння \ F \ = \ H \ - \ TE, де \ H це — ентальпія та \ E це — ентропія. З цього ми можемо отримати значення частинної похідної ентропії по температурі:
- \left( \frac{\partial S}{\partial T} \right)_{S,P}=-E^{S}
Бачимо, що поверхнева енергія (на відміну від вільної поверхневої енергії) залежить не лише від коефіцієнту поверхневого натягу, а також від його похідної за температурою. Це видно у рівнянні:
- H^S\ =\ \sigma - T \left( \frac {\partial \sigma}{\partial T} \right)_P
Таблиця сили поверхневого натягу для різних рідин
Дані наведені у дин/см = 10-3 Н/м (при температурі 20 °C)
- Азотна кислота 70% 59,4
- Анілін 42,9
- Ацетон 23,7
- Бензол 29,0
- Вода 72,86
- Гліцерин 59,4
- Нафта 26
- Ртуть 465
- Сірчана кислота 85% 57,4
- Етиловий спирт 22,8
- Оцтова кислота 27,8
- Етиловий ефір 16,9
Дивіться також
Література
- Світлий Ю. Г., Білецький В. С.. Гідравлічний транспорт (монографія). — Донецьк: Східний видавничий дім, Донецьке відділення НТШ, «Редакція гірничої енциклопедії», 2009. — 436 с. ISBN 978-966-317-038-1
