Формулата за повърхностната енергия на течност. Енергията на повърхностния слой на течността

Молекулите в течност имат кинетичната енергия на топлинното движение и потенциалната енергия на междумолекулното взаимодействие. За да се премести молекула от дълбочината на течността към повърхността, трябва да се извърши работа за преодоляване на силата на молекулярното налягане. Тази работа се извършва от молекулата поради запаса от кинетична енергия и се използва за увеличаване на нейната потенциална енергия. Следователно, молекулите на повърхностния слой имат допълнителна потенциална енергия в сравнение с молекулите вътре в течността. Тази допълнителна потенциална енергия, притежавана от молекулите на повърхностния слой, се нарича повърхностна енергия.

Ако повърхността на течността се разтегне, тогава все повече и повече нови молекули ще излязат на повърхността и потенциалната енергия на повърхностния слой ще се увеличи. Следователно повърхностната енергия е пропорционална на площта на самата повърхност на течността (фиг. 4).

където НОе работата на силата на повърхностното напрежение; Фе силата на повърхностно напрежение; д х– разтягане на филма; д С– промяна в повърхността на филма.

От този израз може да се даде още едно определение на коефициента на повърхностно напрежение.

Коефициентът на повърхностно напрежение е равен на свободната повърхностна енергия на единица повърхност. В този случай мерната единица е [a]=[J/m 2 ].

Примесите в течността имат голямо влияние върху повърхностното напрежение. Например разтвореният във вода сапун намалява повърхностното напрежение до 0,045 N/m, докато захарта или солта го увеличават. Веществата, които променят повърхностното напрежение, се наричат повърхностно активен. Те включват масло, сапун, алкохол.Това явление се обяснява с междумолекулни взаимодействия между молекулите. Ако взаимодействието между молекулите на самата течност е по-голямо, отколкото между молекулите на течността и примеса, тогава примесните молекули се изтласкват към повърхността и концентрацията на примеса на повърхността е по-голяма; отколкото по обем, което води до намаляване на повърхностното напрежение.

Повърхностноактивните вещества се използват широко при рязане на метали, пробиване на скали и др., тъй като разрушаването на скалите в тяхно присъствие е по-лесно, като се адсорбират върху повърхността на твърдо тяло, те проникват вътре в микропукнатини и допринасят за по-нататъшното развитие на тези пукнатини в дълбочина .

Почти всички физически и химични процесив природата са свързани с взаимодействието между атомите. Величината на междуатомните сили определя физикохимичните свойства на газообразните, течните и твърдите вещества. Процесите на овлажняване и капилярно протичане на течности върху повърхността на твърдо или течно тяло също се дължат на наличието на вътрешни и повърхностни силови полета в тях. Проявата на тези сили предизвиква взаимодействия между молекулите вътре и на повърхността на течността. Изолирана молекула, разположена вътре в течността на разстояние от радиуса на действие на молекулярните сили, привлича околните молекули и едновременно с това е под въздействието на тези молекули. Резултатът от всички сили е нула, в резултат на това молекулата вътре в течността е в равновесие. Когато една молекула се движи към повърхността на разстояние, по-малко от радиуса на действие на молекулярните сили, условието за нейното равновесие ще бъде различно.

Молекулите на течност, разположени на повърхността на нейния интерфейс с газ, изпитват много по-голямо привличане от страната на течността, отколкото от страната на газовата среда, която се характеризира с ниска плътност. В резултат на това възниква сила, насочена вътре в течността, която има тенденция да премести нейните молекули от повърхността към дълбочината. Повърхността на течността се държи като плътно опънат гумен филм. Образува се повърхностен слой, който оказва натиск върху течността. Дебелината на този слой е приблизително 10 A. Енергията на молекулите в близост до интерфейса е по-висока, отколкото вътре в течността. Свободната енергия на повърхностния слой е насочена във всички точки, перпендикулярни на повърхността и има тенденция да я намали до минимум. Ако върху течността не действат други сили, тя приема формата на топка, т.е. тела с най-малка повърхност за даден обем.

При решаване на практически задачи е трудно да се работи с повърхностната енергия на течността, поради което се въвежда по-проста концепция за коефициента на повърхностно напрежение s, който е числено равен на силата на повърхностно напрежение на единица дължина на течния повърхностен слой и действащи в посока, перпендикулярна на тази права

s = F / L (5.1)

където F е силата на повърхностно напрежение, N; L е дължината на свободната повърхност на течността, върху която действа силата на повърхностно напрежение F, m.

Нееквивалентността на молекулярното взаимодействие на фазовата граница и прибирането на повърхностните молекули в течността причиняват появата на сила. Тази сила действа тангенциално, изчислява се за единица дължина на периметъра, който ограничава повърхността на течността, и се нарича повърхностно напрежение.

Тъй като повърхностното напрежение действа тангенциално към повърхността на течността, нейният повърхностен слой (SL) винаги ще бъде равен и гладък, върху него няма издатини. Повърхностното напрежение се измерва в N/m или дин/см. За вода е равно на 72,75 * 10 -3 N / m при 20 ° C, или 72,75 mN / m (милинютон на метър).

Некомпенсирано молекулярно взаимодействие, тенденцията на PS молекулите да се изтеглят в течността, както и полученото повърхностно напрежение на течността на границата с друга течност (сLJ)или с газообразна среда (сzhg),са склонни да намалят повърхността на течността до минимален размер. Сферата има най-малката повърхност за даден обем. Сферична повърхност може да се наблюдава в относително малки капки от някои течности, като живак, върху парафиново стъкло. Това явление се използва за получаване на сферични частици от метални прахове чрез пръскане на течен метал. За да се увеличи повърхността на течността, трябва да се изтеглят нови частици от нейния обем към повърхността, т.е. да извършват работа срещу силите, които карат повърхността на течността да стане като филм и се наричат ​​сили на повърхностно напрежение. От това следва, че намаляването на повърхността на течността трябва да бъде придружено от намаляване на безплатна енергия, т.е. това е спонтанен процес. Това обяснява факта, че свободната течност, суспендирана във въздуха, има тенденция да приема формата на сферични капки, т.к. сфера с даден обем има най-малка повърхност. По същата причина малките течни капки се сливат в по-големи при контакт – при същия обем повърхността на голяма капка е по-малка от няколко малки. Стойността на повърхностната енергия на течността и промяната под действието на нейната форма на капчици зависят от естеството на взаимодействащите вещества, които влизат в контакт на фазовата граница. Колкото по-близка е стойността на тяхната повърхностна енергия, толкова по-ниска е получената повърхностна енергия на повърхността.

Повърхностното напрежение може да се прояви като сила.

Както можете да видите, стойността s горяможе да се разглежда като енергия на единица повърхност (площ) и като сила на единица дължина от периметъра на повърхността. По отношение на размерите те са еднакви. Наистина ли,

s = E / S = m l 2 t -2 / l 2 = m l t -2 / l = F / l (5.2)

Тук E е енергия; S - площ; м- размерът на масата; l - размер на дължината; t е измерението на времето.

Така единицата за специфична свободна повърхностна енергия е J/m 2, а единицата за повърхностно напрежение е N/m. За еднокомпонентна течност, като вода, числените стойности на повърхностното напрежение и специфичната свободна повърхностна енергия са равни. За течности, съдържащи няколко вещества, няма такова съвпадение. Разликата между повърхностното напрежение и специфичната свободна повърхностна енергия е незначителна и в повечето случаи тези понятия се идентифицират. Понякога, за да се подчертае енергийният аспект при образуването на нова повърхност, размерът на повърхностното напрежение се дава в mJ / m 2.

Трябва да се отбележи, че специфичната свободна повърхностна енергия не е специална форма на енергия, а представлява излишната енергия на единица повърхност, която молекулите на повърхността имат поради своето положение. В допълнение към специфичните разграничават свободната повърхностна енергия. Ако терминът "специфичен" се отнася до единица площ, тогава терминът "свободен" се отнася до цялата повърхност. В този случай думата "повърхност" обикновено се пропуска, което означава, че свободната енергия се отнася до интерфейса.

Повърхностното напрежение може да се изрази и като работа, необходима за увеличаване на повърхността на течност с 1 повърхностна единица. Стойността на повърхностното напрежение на течността зависи от естеството на средата, с която тя граничи. Повърхностното напрежение често се нарича граница с въздуха и се означава с.

Повърхностното напрежение е вектор, чийто модул има размерност N/m. Повърхностната енергия е скаларна величина и изразява работата, необходима за образуване на нова повърхност. По отношение на течност понятията за повърхностно напрежение и повърхностна енергия са количествено равни.

Повърхностното напрежение или като цяло повърхностното напрежение се дължи на факта, че частиците на течност изпитват предпочитано привличане на една от фазите. При разглежданото взаимодействие на молекулите, самата течност има основно влияние върху PS, докато втората фаза, в случая газообразната атмосфера, има незначителен ефект върху PS. Колкото по-изразена е тази асиметрия на силовите полета, толкова по-голямо е повърхностното напрежение. В случаите, когато разликата в силовите полета се проявява в по-малка степен, повърхностното напрежение има ниски стойности. В разтвори частиците със силни силови полета изместват частици с по-слаби силови полета към повърхността. Увеличаването на концентрацията им в PS води до намаляване на повърхностното напрежение. Ако отделни компоненти на взаимодействащи системи, например легиращи елементи в сплави, имат силово поле, близко по стойност силово полеоснови на сплавта, тези компоненти са почти равномерно разпределени и са разтвори, чиито свойства са близки до идеалните.

За еднокомпонентните системи коефициентът на повърхностно напрежение на границата твърдо-вакуум има максимална стойност, на границата на границата на течно-наситена пара има по-ниска стойност, а на интерфейса твърдо-течност коефициентът на повърхностно напрежение има най-малка стойност .

Разпръскването на течност и овлажняването на повърхността на твърдо вещество от тях се придружава от увеличаване на повърхността, свързано с преодоляване на силите на повърхностното напрежение.

Интензивността на процеса на намокряне на повърхността на металите може да бъде приблизително оценена от количеството енергия, освободена при този процес.

Намокрянето оказва значително влияние върху процесите на сцепление между два метала, единият от които е в твърда, а другият в течна фаза. Това е отличителен белег на запояване, но при условия на заваряване има голямо влияние върху качеството на заварените съединения. Така че формата на заваръчния шев и следователно силата на вибрации зависи от омокряемостта на метала от стопилката. заварени съединения. Нежелано явление е прилепването на течни капки към основния метал - залепване на пръски. Това явление особено често се наблюдава при заваряване във въглероден диоксид, тел с флюс без флюс, с ръчно електродъгово заваряване. Решаваща роля играе адхезията между течната стопилка и твърдия метал в процеси, които заемат междинна позиция между заваряване и запояване - медно покритие, алуминиране и др. Необходимо условиеустановяване на метална връзка между атомите на твърд и течен метал е сближаването на атомите, което се постига чрез намокряне на твърдо вещество с течност. От енергийна гледна точка, такова намокряне ще се случи спонтанно само ако работата на силите на привличане между течността и твърдия метал (работа на сцепление) е равна или по-голяма от работата на силите на привличане на течните частици една към друга (сплотена работа).

Омокрянето зависи от химическия афинитет между контактуващите метали и преди всичко от тяхната взаимна разтворимост. Металите, които образуват взаимни разтвори или химични съединения и имат общи фази на диаграмата на състоянието, обикновено имат добра взаимно омокряемост. По правило металите са добре намокрени от собствената си стопилка. Металите, неразтворими един в друг, най-често имат лоша взаимна омокряемост (Fe - Pb, Al - Pb, Cu - Pb). Омокрянето също се подобрява при по-ниски разлики в точките на топене.

Характеристики на течното състояние на материята

Свойства на течностите

Както знаете, веществото в течно състояние запазва обема си, но приема формата на съда, в който се намира. Запазването на обема на течността се обяснява с наличието на привличащи сили между молекулите. Тези сили на междумолекулно взаимодействие задържат молекулата на течността около нейното временно равновесно положение за около s, след което тя прескача до ново временно равновесно положение приблизително на разстояние от нейния диаметър. Времето между два скока на молекула от едно равновесно положение в друго се нарича време на уреден живот. Това време зависи от вида на течността и температурата. При нагряване средното време на уреден живот намалява. Поради възможността за доста свободно движение на молекулите една спрямо друга, течностите са течни, така че нямат постоянна форма, а приемат формата на съд.

Ако в течност се отдели много малък обем, тогава през времето на уреден живот в нея съществува подредено подреждане на молекули, сякаш ядрото на кристална решетка. Тогава тази подредба се разпада, но възниква на друго място. Ето защо е обичайно да се казва, че в течност има близък ред в подреждането на молекулите, но липсва далечен ред.

Течностите показват диапазон механични свойства, приближавайки ги до твърди тела, отколкото до газове. Те включват еластичност (при краткотрайна експозиция), крехкост (т.е. способност за счупване), ниска свиваемост. Друга съществена разлика от газовете: в газовете кинетичната енергия на молекулите е много по-голяма от потенциалната им енергия, докато в течностите потенциалната и кинетичната енергия са приблизително равни.

На повърхността на течност, близо до границата, разделяща течността и нейната пара, взаимодействието между течните молекули се различава от взаимодействието на молекулите в обема на течността. За да илюстрирате това твърдение, разгледайте фиг. 20 . Молекула 1, заобиколена от всички страни от други молекули на същата течност, изпитва средно същото привличане към всички свои съседи. Резултатът от тези сили е близък до нула. Молекула 2 изпитва по-малко привличане нагоре от молекулите на парите и по-голямо привличане надолу от течните молекули. В резултат на това молекулите, разположени в повърхностния слой, са засегнати от насочената надолу резултат Рсили, които обикновено се приписват на единичната площ на повърхностния слой.

За да прехвърлите молекули от дълбочината на течността към нейния повърхностен слой, е необходимо да се извърши работа за преодоляване на силата Р.Тази работа е във възход повърхностна енергия, т.е. излишната потенциална енергия, притежавана от молекулите в повърхностния слой в сравнение с тяхната потенциална енергия в останалата част от обема на течността.

Нека да обозначим потенциалната енергия на една молекула в повърхностния слой, - потенциалната енергия на молекулата в обема на течността, – броя на молекулите в повърхностния слой на течността. Тогава повърхностната енергия е

Коефициент на повърхностно напрежение(или просто повърхностно напрежение) на течност се нарича промяна в повърхностната енергия с изотермично увеличение на повърхността с една единица:

където е броят на молекулите на единица площ от повърхността на течността.

Ако повърхността на течността е ограничена от периметъра на омокряне, тогава коефициентът на повърхностно напрежение е числен равно на силата, действащ на единица дължина на периметъра на омокряне и насочен перпендикулярно на този периметър:

къде е дължината на периметъра на омокряне, – сила на повърхностно напрежение, действаща върху дължината на периметъра на омокряне. Силата на повърхностно напрежение се намира в равнина, допирателна към повърхността на течността.

Намаляването на повърхностната площ на течността намалява повърхностната енергия. Условието за стабилно равновесие на течността, като всяко тяло, е минималната потенциална повърхностна енергия. Това означава, че при липса на външни сили течността трябва да има най-малка повърхност за даден обем. Такава повърхност е сферична повърхност.

С повишаване на температурата на течността и нейното приближаване към критичния коефициент на повърхностно напрежение клони към нула. Далеч от коефициентът s намалява линейно с повишаване на температурата. За да се намали повърхностното напрежение на течност, към нея се добавят специални примеси (повърхностно активни вещества), които се намират на повърхността и намаляват повърхностната енергия. Те включват сапуни и други детергенти, мастни киселини и други подобни.

Тъй като молекулите на течността, които са в нейния повърхностен слой, се изтеглят в течността, тяхната потенциална енергия е по-голяма от тази на молекулите вътре в течността. До този извод може да се стигне и ако си припомним, че потенциалната енергия на взаимодействието на молекулите е отрицателна (§ 2.4) и вземем предвид, че молекулите в повърхностния слой на течността на фиг. 10.1) взаимодействат с по-малко молекули, отколкото молекулите вътре в течността

Тази допълнителна потенциална енергия на молекулите на повърхностния слой на течността се нарича свободна енергия; благодарение на него може да се извърши работата, свързана с намаляване на свободната повърхност на течността. Напротив, за да изведем молекулите вътре в течността до нейната повърхност, е необходимо да се преодолее противопоставянето на молекулярните сили, т.е. да се извърши работата, която е необходима за увеличаване на свободната енергия на повърхностния слой на течността. Лесно е да се види, че в този случай промяната в свободната енергия е право пропорционална на промяната в площта на свободната повърхност на течността

Тъй като имаме

И така, работата на молекулярните сили А с намаляване на площта на свободната повърхност на течността е права. пропорционално Но тази работа трябва да зависи и от вида на течността и външните условия, например от температурата. Тази зависимост се изразява с коефициента .

Стойността а, която характеризира зависимостта на работата на молекулярните сили, когато площта на свободната повърхност на течността се променя от вида на течността и външните условия, се нарича коефициент на повърхностно напрежение на течността (или просто повърхност напрежение) и се измерва чрез работата на молекулярните сили, когато площта на свободната повърхност на течността намалява с единица:

Нека изведем единицата за повърхностно напрежение в SI:

В SI единицата a се приема за такова повърхностно напрежение, при което молекулните сили извършват работа от 1 J, намалявайки площта на свободната повърхност на течността с .

Тъй като всяка система спонтанно преминава в състояние, в което нейната потенциална енергия е минимална, течността трябва спонтанно да премине в състояние, в което нейната свободна повърхност има най-малка стойност. Това може да се покаже с помощта на следния експеримент.

На тел, огънат под формата на буквата P, е подсилена подвижна напречна греда I (фиг. 10.2). Така получената рамка се затяга със сапунен филм, спускайки рамката в сапунен разтвор. След отстраняване на рамката от разтвора, напречната греда I се движи нагоре, т.е. молекулярните сили всъщност намаляват площта на свободната повърхност на течността. (Помислете къде отива освободената енергия.)

Тъй като топката има най-малката повърхност за същия обем, течността в състояние на безтегловност приема формата на топка. По същата причина малките капки течност имат сферична форма. Формата на сапунените филми върху различни рамки винаги съответства на най-малката свободна повърхност на течността.

Тема: "Характеристики на течното състояние на материята"

Характеристики на течното състояние на материята

Течността е агрегатно състояние на вещество, междинно между газообразно и течно. Запазването на обема в течността доказва, че между нейните молекули действат привличащи сили, т.е. разстоянието между течните молекули е по-малко от радиуса на молекулярното действие.

Ако около някоя течна молекула е описана сфера на молекулярно действие, тогава вътре в тази сфера ще има центрове на много други молекули, които ще взаимодействат с тази молекула. Тези сили на взаимодействие поддържат молекулата на течността близо до нейното временно равновесно положение от приблизително 10 -12 - 10 -10 , след което тя прескача в ново временно равновесно положение приблизително на разстоянието от нейния диаметър.

Между преходите течните молекули осцилират около положението на временното равновесие. Времето между два прехода на молекула от едно равновесно положение в друго се нарича уредено време на живот(≈ 10 -11 s). Това време зависи от вида на течността и температурата.

Колкото по-висока е температурата на течността, толкова по-кратко е времето за утаяване. По време на уреден живот повечето молекули се държат в равновесните си позиции и само няколко имат време да се преместят в ново равновесно положение през това време. За по-дълго време повечето от течните молекули имат време да променят местоположението си.

Ако в течност е изолиран малък обем, тогава през времето на уреден живот в нея има подредено подреждане на молекулите, подобно на подреждането им в кристалната решетка на твърдо тяло. След това се разпада и възниква на друго място.

По този начин цялото пространство, заето от течността, сякаш се състои от множество ядра от кристали, които се разпадат на някои места, но възникват на други. Това означава, че в малък обем течност се наблюдава подредено подреждане на молекулите, а в голям обем се оказва хаотично.

Тези. в течност има близък ред в подреждането на молекулите и няма далечен ред.Този вид течност се нарича квазикристална(подобен на кристал).

Свойства на течността:

1. еластичност(ако времето на действие на силата върху течността е кратко). Ако пръчката се удари рязко в повърхността на водата, пръчката може да се счупи или да излети от ръката, или камъкът да отскочи от повърхността на водата.

2. течливост(ако времето на излагане на течността е дълго) Например, ръката лесно прониква във водата.

3. крехкостс краткотраен ефект на сила върху воден поток.

4. сила(малко по-малко, отколкото за твърдите вещества). Якостта на опън на водата е 2,5∙10 7 Pa.

5. свиваемостмного малък. С повишаване на налягането с 1 атм. обемът на водата се намалява с 50 ppm.

6. кавитация- рязко срутване на кухини вътре в течността при интензивно въздействие върху нея, например по време на въртене на витлата или разпространение на ултразвукови вълни в течността. Кавитацията причинява бързо износване на витлата.

По време на прехода на вещество от твърдо в течно състояние настъпва по-малко рязка промяна в свойствата, отколкото при прехода от течно към газообразно.

означава, свойствата на течното състояние на материята са по-близки до свойствата на твърдото състояние, отколкото до свойствата на газообразното състояние.

Повърхностен течен слой

Нека разберем как се различават действията на молекулярните сили вътре в течността и на нейната повърхност. Средна стойност на резултантната на молекулните сили, приложени към молекула М 1, който е вътре в течността, е близо до нула.

При молекулите ситуацията е различна. М 2и М 3разположени в повърхностния слой на течността. Нека опишем сфери на молекулярно действие около молекулите с радиус r m(≈ 10 -9 m). След това за молекулата М 2 ще има много молекули в долното полукълбо (тъй като отдолу има течност) и много по-малко в горното полукълбо (защото отгоре има пара и въздух).

Така че за молекула М 2резултат от молекулярните сили на привличане в долното полукълбо R Fмного повече от резултата на молекулярните сили в горното полукълбо Р П.

Сила Р Пе малък и може да се пренебрегне. Резултатът от молекулярните сили на привличане, приложени към молекулата М 3по-малко, отколкото за една молекула M 2,тъй като се определя само от действието на молекулите в засенчената област. Важно е, че резултантите за молекулите М 2и М 3насочени в течността перпендикулярно на нейната повърхност.

ориз. 20

Така всички молекули, разположени в повърхностния слой с дебелина, равна на радиуса на молекулно действие (фиг. 20), се изтеглят в течността.

Но пространството вътре в течността е заето от други молекули, така че повърхностният слой създава натиск върху течността, което се нарича молекулярно налягане . Невъзможно е да се определи емпирично молекулярното налягане, т.к действа не върху тяло, потопено в течност, а върху самата течност.

Теоретичните изчисления показаха, че молекулярното налягане е високо (за водата е 11∙10 6 Pa, а за етера е 1,4∙10 8 Pa). Сега е ясно защо е трудно да се компресира течност. Всъщност за това е необходимо да се създаде налягане от същия порядък като молекулярното налягане на самата течност. А това е много трудно.