Модул 5: Повърхностни явления в течности

Самоподготовка по Физика
за кандидат-студенти и матура

Профилирана подготовка – Модул 5, Тема 2: Повърхностни явления в течности

Съдържание на темата:

Свойства на течностите
Вижте подточките
Особености на молекулния строеж на течностите
Вижте подточките
Повърхностен слой на течностите
Вижте подточките
Мокрене и немокрене
Вижте подточките
Капилярни явления
Вижте подточките

Тестови задачи от изпити:

Софийски университетМатура

Теория

I. Свойства на течностите:

Свойствата се менят в широки граници – Физичните свойства на течности при различни условия се менят в широки граници. При едни условия могат да са близки до свойствата на твърди тела, а при други – до свойствата на газовете.
Имат голяма плътност – Плътността на течностите е много голяма (по това свойство се приближават до твърдите тела). Затова течностите имат собствен обем и може да смятаме, че практически са несвиваеми.
Нямат собствена форма – Течностите заемат формата на съда, в който са поставени (по това свойство се приближават до газовете).

II. Особености на молекулния строеж на течностите:

Близко разположение на частиците – Само най-близките частици са подредени по определен начин (по подобен начин са подредени частиците в аморфно твърдите тела).
Движение на частиците – Движението на градивните частици на течностите е много по-сложно, отколкото в твърдите тела и газовете. Частиците на течностите, подобно на частиците на твърдите тела, трептят около дадено равновесно положение известно време, след това със скок преминават в ново равновесно положение (и така те сменят съседите си). Средното време, което частицата пребивава в дадено равновесно положение, се нарича време на релаксация (време на отседнал живот на частицата). То зависи от температурата и налягането. С повишаване на температурата това време намалява и това повишава подвижността на течностите.
Взаимодействие между частиците – Приема се, че дадена молекула от течността взаимодейства само с молекулите, намиращи се в сфера с център съвпадащ с избраната молекула и радиус r, наречен радиус на молекулно действие (Фиг. 1). Големината на радиуса на молекулно действие е от порядъка на няколко ефективни диаметъра на молекулата.

III. Повърхностен слой на течностите:

Свободна повърхност – Повърхността, разделяща течността от парите ѝ.
Повърхностен слой – Нека имаме молекула А, която се намира на достатъчно разстояние от повърхността на течността и от стените на съда (Фиг. 1). Тогава от всички страни тази молекула ще я обкръжават средно еднакъв брой други молекули, т.е. разпределението на съседите ѝ вътре в сферата на молекулно действие е равномерно. Тогава резултантната сила , която действа на избраната молекула, ще бъде равна на нула. Положението се изменя, ако молекулата се намира на разстояние r от повърхността (т. В или т. С от Фиг. 1). Тогава в сферата на молекулно действие ще влизат молекули както от течността, така и от газовата фаза над течността. В газовата фаза концентрацията на частиците е много по-малка, отколкото при течностите. Поради това резултантната сила , която действа на молекулата ще бъде различна от нула и ще бъде насочена навътре към течността, перпендикулярно на свободната повърхност. Този слой, в който резултантната сила е различна от нула, се нарича повърхностен слой.
Молекулно налягане (кохезионно налягане) – Молекулите от повърхностния слой на течността, с дебелина равна на радиуса r на молекулното действие, действат със сили върху по-долните слоеве на течността. Тези сили, отнесени за единица площ от свободната повърхност, се наричат молекулно (или кохезионно) налягане. Това налягане може да има високи стойности, например за водата е около 10¹⁰ Ра. Под неговото действие течностите се оказват свити, което обяснява малката им свиваемост под действието на външни сили.
Форма на повърхностния слой – Тъй като молекулите от повърхностния слой действат върху по-долните с определена сила, то те притежават допълнителна потенциална енергия. Затова повърхностният слой наподобява еластична ципа, която се стреми да се свие до най-малката си повърхност, за да достигне състояние на минимална потенциална енергия. При отсъствие на външни сили течностите приемат сферична форма, защото тя отговаря на минимална свободна повърхност (минимална потенциална енергия). Затова при липса на гравитация течностите се намират във вид на капки със сферична форма. Когато на една течност действа и друга сила, например силата на тежестта, тя заема форма, съответстваща на минимум на пълната енергия. В най-често срещаният случай това е формата на съда, в който се намира течността.
Сила на повърхностно напрежение – От казаното по-горе следва, че повърхностният слой може да се разгледа като ципа с дължина Δl, която действа на останалата течност със сила ΔF. Тази сила се нарича сила на повърхностно напрежение. Силата на повърхностно напрежение ΔF е насочена по допирателната към повърхността и е перпендикулярна на повърхността.
Коефициент на повърхностно напрежение:
- Първо определение за коефициент на повърхностно напрежение – Отношението на големината на силата на повърхностно напрежение ΔF към дължината на повърхността Δl, на която тя действа, се нарича коефициент на повърхностно напрежение (отбелязва се с гръцката буква σ – сигма):
  (1):
- Второ определение за коефициент на повърхностно напрежение – Коефициентът на повърхностно напрежение σ може да се дефинира и чрез работата ΔA, която трябва да се извърши, за да се увеличи свободната повърхност с ΔS:
  (2):
- Мерна единица за коефициент на повърхностно напрежение – От формула (1) следва, че мерната единица за повърхностно напрежение е [N/m] (нютон на метър).
- От какво зависи коефициента на повърхностно напрежение – Коефициентът на повърхностно напрежение зависи от вида на течността, от наличието на примеси, от температурата и др.
Повърхностно активни вещества – Изискването за минимум на потенциалната енергия на свободната повърхност е причина химичният състав на разтворите да се различава от този в обема на течността. Вещества, чието абсорбиране в повърхностния слой на течността води до намаляване на коефициента на повърхностно напрежение σ, т.е. намаляват повърхностното напрежение, се наричат повърхностно активни вещества.

Например: Сапунът и перилните препарати са пример за повърхностно активни вещества. След абсорбирането си в повърхностния слой на течността, те намаляват повърхностното напрежение на водата около 1, 5 – 2 пъти.
Повърхностно пасивни вещества – Вещества, които увеличават σ (за водата такива са сол, захар).

Бележка:

Намаляването (или увеличаването) на свободната повърхност НЕ е свързано с промяна на разстоянията между частиците, както при разтягане на пружина, а с намаляване (или увеличаване) на броя на частиците в повърхностния слой (тези частици идват от останалата течност.

Допълнително налягане – Досега разглеждахме повърхностен слой, който е хоризонтален. На Фиг. 2 е показана сферична капка течност с радиус r. При стремежът на свободната повърхност на капката да се свие, тя предизвиква появата на допълнително налягане p. За да изчислим това допълнително налягане p, капката мислено се разделя на две полукълба Поради силите на повърхностно напрежение двете полукълба се притискат едно към друго. Може да се изчисли, че когато свободната повърхност на течността има сферична форма с радиус r и коефициентът на повърхностно напрежение σ, то силите на повърхностно напрежение създават допълнително налягане, което се изчислява от формулата:
(3):

Посоката на това допълнително налягане е към центъра на кривината на повърхността.

В зависимост от формата на свободната повърхност допълнителното налягане е различно:
- Увеличаване на допълнителното налягане под изпъкнали повърхности – Ако външното налягане е p₀, то при изпъкнали повърхности (Фиг. 3) налягането под повърхността е p₀ + p, т.е. то е по-голямо от външното налягане p₀. Това означава, че при изпъкнали повърхности силите на повърхностното напрежение се стремят да свият течността.
- Намаляване на допълнителното налягане под вдлъбнати повърхности – Ако външното налягане е p₀, то при вдлъбнати повърхности (Фиг. 4) налягането под повърхността е p₀ – p, т.е. то е по-малко от външното налягане p₀. Това означава, че при вдлъбнати повърхности силите на повърхностното напрежение се стремят да разтегнат течността.

IV. Мокрене и немокрене:

Ъгъл на мокрене – Да разгледаме капка течност, поставена върху хоризонтална твърда повърхност (Фиг. 5). В случая има три гранични повърхности: твърдо тяло-течност, течност-въздух и твърдо тяло-въздух. Условието за механично равновесие на системата е сумата от потенциалната енергия на граничните повърхности и гравитационната потенциална енергия на течността да е минимална. Това условие определя и формата на капката течност. Ъгълът θ между допирателната към повърхността на твърдото тяло и допирателната към повърхността на течността, отчитан навътре към течността, се нарича ъгъл на мокрене (Фиг. 5).
Мокреща течност – Когато θ < 90° (Фиг. 5 – а), течността се нарича мокреща. При θ = 0° имаме пълно мокрене. В този случай е енергетически по-изгодно да съществува гранична повърхност твърдо тяло-течност, тъй като тя има най-малка потенциална енергия. Затова течността неограничено се разтича по твърдото тяло, стремейки се да покрие максимална площ.
Немокреща течност – При ъгли на мокрене θ > 90° (Фиг. 5 – б), течността се нарича немокреща. В този случай граничната повърхност твърдо тяло-течност притежава най-голяма потенциална енергия и системата се стреми да намали тази повърхност. Ако θ = 180° имаме пълно немокрене, то граничната повърхност се свива в точка и течността се отделя от твърдото тяло.
Немокренето води до някои странни на пръв поглед явления.

Например: Намазани с мазнина игла или бръснарско ножче се задържат на повърхността на водата, тъй като поради немокренето пълното им потапяне във водата е свързано с увеличаване на повърхностната енергия, което не се компенсира от намаляването на потенциалната енергия. По същата причина насекомите могат да се движат по водната повърхност без да потъват.

Бележка:

Мокренето и немокренето са относителни свойства. Например водата мокри стъклото, но не мокри парафина. Живакът не мокри стъклото, но мокри желязна повърхност.

V. Капилярни явления:

Понятие за капилярност – Изменението на равнището на течности в тесни тръбички или цепнатини, предизвикано от повърхностното напрежение, се нарича капилярност. В по-широк смисъл капилярните явления включват всички ефекти, свързани със съществуването на повърхностно напрежение.

Мениск – В капилярни тръбички изкривяването на повърхността на течността може да обхване цялата повърхност на течността. Такива изкривени повърхности се наричат мениски.
Капилярност при мокрещи течности – Да разгледаме широк съд с течност, в който е потопена тясна тръбичка (капилярка) с радиус a, която се мокри от течността. Ще използваме формулата за допълнителното налягане под сферична повърхност на течност (формула 3), за да определим височината h, на която се издига течността в капилярката (фиг. 6). Тъй като течността е мокреща (ъгълът на мокрене е θ < 90°), свободната ѝ повърхност в точка А ще е вдлъбната. Това означава, че в т. А налягането ще е по-малко и ще се определя от формулата (3). Това намалено налягане ще издигне течността на височина h. Тази височина h ще бъде такава, че хидростатичното налягане на стълба течност с височина h да компенсира намалението на налягането поради изкривената повърхност. Така стигаме до равенството:

Ако θ е ъгълът на мокрене, то огънатата повърхност (менискът) на течността може да се разглежда като част от сферична повърхност (Фиг. 6) с радиус

Заместваме в горната формула и определяме височината h, на която се издига мокреща течност в капилярка с радиус a:

(4):
Капилярност при немокрещи течности – Когато течността е немокреща (ъгълът на мокрене е θ > 90°, т.е. cos θ < 0), свободната ѝ повърхност в точка А ще е изпъкнала. Това означава, че в т. А налягането ще е по-голямо, а височината h е отрицателна, т.е. равнището на течността в капилярката е по-ниско от това в широкия съд (Фиг. 7) или течността ще слезе в капилярката.
Бележка:
От формула (4) се вижда, че колкото по-малък е радиусът a на капилярката, толкова по-голяма е стойността на височината h.

Върни се нагоре Начало Предходен Следващ

Вижте още

Самоподготовка

Предстоят ви изпити или матура по Математика или Физика, но не сте убедени, че сами ще се справите. Учебен център „СОЛЕМА“ ви предоставя следните програми и тестове към тях:

МАТЕМАТИКА

Кандидат-студенти

Матура

10 клас

7 клас

ФИЗИКА

Кандидат-студенти

Матура