на что затрачивается работа при увеличении поверхности жидкости

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Для увеличения поверхности жидкости необходимо затратить работу на преодоление притяжения молекул внутрь жидкости, причем величина этой работы, которая затрачивается на одну молекулу, может быть определена. [16]

Для увеличения поверхности жидкости нужно преодолеть сиЛу1 внутреннего давления и совершить определенную механическую, работу. [17]

Поэтому увеличение поверхности жидкости связано с затратой дополнительной энергии. Эта дополнительная энергия и должна быть доставлена при испарении с вогнутой поверхности. [18]

При увеличении поверхности жидкости часть ее молекул переходит из глубины на поверхность, при этом совершается работа против сил / и потенциальная энергия поверхностного слоя возрастает. [19]

При увеличении поверхности жидкости ее температура понижается, так как при нагревании поверхностное натяжение уменьшается. [20]

При увеличении поверхности жидкости некоторое число молекул из объема жидкости должно быть поднято в поверхностный слой. Для этого необходимо затратить работу, причем если процесс образования поверхности происходит изотермически, то потенциальная поверхностная энергия равна с обратным знаком энергии, затраченной на ее образование. [21]

При увеличении поверхности жидкости ничего подобного не наблюдается. [22]

Работа по увеличению поверхности жидкости на 1 сад2 называется поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение, в частности, приводит к образованию сферических форм капельно-жидких структур. [23]

Совершенная при увеличении поверхности жидкости работа вызвала увеличение энергии поверхностного слоя жидкости. [24]

Заметим, что для увеличения поверхности жидкости необходимо затратить работу, связанную с преодолением сил, обусловливающих внутреннее давление. Работа при обратимом и изотермическом пррцессе, необходимая для создания единицы поверхности, равна удельной свободной энергии поверхности. [25]

Мы видели, что увеличение поверхности жидкости связано с затратой работы. Поэтому чем меньше поверхность жидкости, тем более устойчиво ее состояние. Этим обусловливается, например, шарообразная форма капель, так как шар обладает наименьшей поверхностью при данном объеме. [28]

Заметим, что для увеличения поверхности жидкости необходимо затратить работу, связанную с преодолением сил, обусловливающих внутреннее давление. Работа при обратимом и изотермическом пррцессе, необходимая для создания единицы поверхности, равна удельной свободной энергии поверхности. [29]

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Увеличение поверхности жидкости требует затраты некоторой работы. [2]

Увеличение поверхности жидкости сопровождается возникновением новых участков разреженного поверхностного слоя. При этом должна быть совершена работа против сил притяжения между молекулами. Эта работа представляет собой поверхностную энергию. [3]

Увеличение поверхности жидкости в результате ее распыления увеличивает скорость сушки. [6]

Увеличению поверхности жидкости соответствует переход части молекул из более удаленных от поверхности слоев на поверхность жидкости, связанный с затратой некоторой работы. [8]

Поэтому увеличение поверхности жидкости требует затраты некоторой работы. Энергия, которую нужно сообщить жидкости для увеличения поверхности жидкой фазы, равна коэффициенту поверхностного натяжения о жидкости. [9]

Для увеличения поверхности жидкости необходимо затратить некоторую работу. Величина этой работы, отнесенная к 1 см2 поверхности вещества, и есть поверхностное натяжение; оно равно максимальной полезной работе, затрачиваемой на образование единицы поверхности. [10]

Для увеличения поверхности жидкости необходимо совершить работу против сил поверхностного натяжения. [11]

Поэтому увеличение поверхности жидкости связано с затратой дополнительной энергии. Эта дополнительная энергия и должна быть доставлена при испарении с вогнутой поверхности. [13]

Для увеличения поверхности жидкости требуется затратить некоторую работу. [14]

Для увеличения поверхности жидкости необходимо затратить работу на преодоление притяжения молекул внутрь жидкости, причем величина работы, затрачиваемой на одну молекулу, может быть определена. [15]

Источник

Сила поверхностного натяжения

ст. преподаватель кафедры физики ДВГГУ

Сила поверхностного натяжения

Жидкость обладает рядом свойств: расстояние между молекулами небольшое, молекулы взаимодействуют друг с другом и при этом практически не сжимаются. Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Ближайшие молекулы жидкости расположены упорядочено, но с ростом расстояния, порядок быстро нарушается, такое строение называется – ближний порядок. Молекулы жидкости большую часть времени совершают колебания около положения равновесия (10-12 колебаний в секунду). Примерно через 100 колебаний молекулы перескакивают из одного положения в другое. В отсутствие внешних сил перескоки хаотические. Под действием внешней силы перескоки становятся направленными и жидкость течет в направлении действия силы. Эти свойства определяют поведение жидкости на границе раздела между жидкостью и газом, а также на границе раздела между жидкостью и твердым телом.

Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Молекулы в пограничном слое жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же жидкости не со всех сторон. Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимно скомпенсированы. Любая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости (силами, действующими на данную молекулу жидкости со стороны молекул газа (или пара) можно пренебречь). В результате появляется некоторая равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости. Если молекула переместится с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу.

Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (то есть увеличить площадь поверхности жидкости), надо затратить положительную работу внешних сил ΔAвнеш, пропорциональную изменению ΔS площади поверхности: ΔAвнеш = σ ΔS, где коэффициент σ называется коэффициентом поверхностного натяжения (σ > 0) или просто поверхностным натяжением.

Коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу: .

В СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м2) или в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м2).

Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией. Потенциальная энергия Ep поверхности жидкости пропорциональна ее площади: Ep = Aвнеш = σ S.

Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Т. е. всякая система самопроизвольно переходит в состояние, при котором ее потенциальная энергия минимальна. Значит жидкость должна самопроизвольно переходить в такое состояние, при котором площадь её свободной поверхности имеет наименьшую величину. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. Поскольку при одном и том же объеме наименьшая площадь поверхности у шара, то жидкость в состоянии невесомости принимает форму шара.

По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Силы, действующие в горизонтальной плоскости и стягивающие поверхность жидкости, называют силами поверхностного натяжения.

Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (то есть от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости.

Некоторые жидкости, как, например, мыльная вода, обладают способностью образовывать тонкие пленки. Всем хорошо известные мыльные пузыри имеют правильную сферическую форму – в этом тоже проявляется действие сил поверхностного натяжения.

Если в мыльный раствор опустить проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна, то вся она затянется пленкой жидкости.

Подвижная сторона проволочной рамки в равновесии под действием внешней силы и результирующей сил поверхностного натяжения. Силы поверхностного натяжения стремятся сократить поверхность пленки, поэтому мыльная пленка поднимет подвижную рамку вверх на Δx. Для равновесия подвижной стороны рамки к ней нужно приложить внешнюю силу.

Если под действием силы перекладина переместиться на Δx, то будет произведена работа Aвнеш = FвнешΔx = ΔEp = σΔS, где ΔS = 2LΔx – изменение площади поверхности обеих сторон мыльной пленки (L – ширина рамки).

Так как модули сил и одинаковы, можно записать Fк Δx = σ2LΔx или . Коэффициент поверхностного натяжения σ численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность.

Поверхностное натяжение это физическая величина, равная отношению силы поверхностного натяжения F, приложенной к границе поверхностного слоя жидкости и направленной по касательной к поверхности, к длине L этой границы.

Коэффициент поверхностного натяжения σ зависит

1. от рода жидкости;

2. от наличия примесей;

Силы поверхностного натяжения определяют форму и свойства капель жидкости, мыльного пузыря. Эти силы удерживают на поверхности воды стальную иглу и насекомое водомерку, удерживают влагу на поверхности ткани.

Чем меньше поверхностное натяжение, тем легче вода проникает в ткань (у воды – 72,8 мН/м, у мыльного раствора – 25 мН/м).

Вблизи границы между жидкостью, твердым телом и газом форма свободной поверхности жидкости зависит от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела (взаимодействием с молекулами газа (или пара) можно пренебречь).

Если капли воды поместить на поверхность чистого стекла, то они будут растекаться, а если на жирную поверхность, то они примут форму, близкую к форме шара.

Если силы взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела больше сил взаимодействия между молекулами самой жидкости, то жидкость смачивает поверхность твердого тела (случай с каплями воды на стекле).

В этом случае жидкость подходит к поверхности твердого тела под некоторым острым углом θ, характерным для данной пары жидкость – твердое тело. Угол θ называется краевым углом.

Краевой угол – угол между поверхностью твердого тела и касательной к поверхности жидкости в точке соприкосновения.

Если силы взаимодействия между молекулами жидкости превосходят силы их взаимодействия с молекулами твердого тела, то жидкость не смачивает поверхность твердого тела (случай с каплями воды на жирной поверхности, ртутью на стекле)

В этом случае краевой угол θ оказывается тупым (рис. 1).

При смачивании θ 0 (тупой). При полном смачивании θ = 0, при полном несмачивании θ = 180°.

Искривленная поверхность жидкости в узких цилиндрических трубках или около стенок сосуда называется мениском.

Поверхность смачивающей жидкости вблизи твердого тела поднимается, и мениск – вогнутый. У несмачивающей жидкости её поверхность вблизи твердого тела несколько опускается, и мениск – выпуклый.

Особенно хорошо наблюдается искривление мениска жидкости в тонких трубках, называемых капиллярами.

Если в сосуд с жидкостью опустить капилляр, то жидкость в нем поднимется или опустится на некоторую высоту h.

Так как площадь поверхности мениска больше, чем площадь внутреннего сечения трубки, то под действием молекулярных сил искривленная поверхность жидкости стремится выпрямиться и этим создает дополнительное давление pл, которое при смачивании (вогнутый мениск) направлено от жидкости, а при несмачивании (выпуклый мениск) – внутрь жидкости. Величина этого давления была определена французским физиком Лапласом, поэтому его называют лапласовским давлением.

Лапласовское давление – дополнительное давление, которое создается искривленной поверхностью жидкости.

При смачивании (вогнутый мениск) оно направлено от жидкости, а при несмачивании (выпуклый мениск) – внутрь жидкости.

Для сферической формы свободной поверхности жидкости с радиусом R лапласовское довление выражается формулой

Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра – капиллярах.

Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, несмачивающие – опускаются.

Подъем смачивающей жидкости в капилляре.

На рисунке изображена капиллярная трубка некоторого радиуса r, опущенная нижним концом в смачивающую жидкость плотности ρ.

Отсюда следует: ρhπr2g = σ2πr cos θ

При полном смачивании θ = 0, cos θ = 1. В этом случае

При полном несмачивании θ = 180°, cos θ = –1 и, следовательно, h p21, суммарное давление направлено вниз, и давление нижнего мениска, компенсируя его, должно быть направлено вверх, то есть он будет вогнутым. Во втором случае оба давления приблизительно равны: p1=p22, так что нижний мениск будет плоским. В третьем случае p1

Источник

Природа поверхностной энергии. Поверхностное натяжение

» data-shape=»round» data-use-links data-color-scheme=»normal» data-direction=»horizontal» data-services=»messenger,vkontakte,facebook,odnoklassniki,telegram,twitter,viber,whatsapp,moimir,lj,blogger»>

Природа поверхностной энергии. Поверхностное натяжение. ТЕРМОДИНАМИКА МЕЖФАЗНОЙ ПОВЕРХНОСТНОСТИ

Наиболее важной характеристикой поверхности является поверхностное натяжение а.

Поверхностное натяжение – это избыточная энергия, приходя­щаяся на единицу площади поверхности:

Физическая природа поверхностного натяжения в нескомпенсированности поля межмолекулярных сил на межфазных поверхностях.

Поверхностное натяжение характеризует различия в интенсивности межмолекулярных взаимодействий граничащих фаз. Чем сильнее межмолекулярные связи в веществе, тем больше поверхностное натяжение на его межфазной поверхности.

С термодинамической точки зрения, поверхностное натяжение определяется частной производной от любого термодинамического потенциала по величине площади межфазной поверхности при постоянстве других параметров. Используя потенциал Гиббса (G), можно записать

где р – давление; Т- температура; п. – число молей компонентов.

Поверхностная энергия является частью свободной энергии системы в целом. В самопроизвольных процессах эта энергия мо­жет быть снижена либо за счет уменьшения площади поверхнос­ти и изменения ее формы, либо за счет снижения поверхностного натяжения.

Факторы, влияющие на поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение на границе раздела фаз между жид­костью и газом определяют следующие факторы: химическая при­рода вещества, температура, природа граничащих фаз, наличие примесей, заряд поверхности, кривизна поверхности жидкости.

Энергия межмолекулярных взаимодействий зависит от температуры, а значит, имеет выраженную температурную зависимость.

Взаимосвязь поверхностного натяжения, температуры и пол­ной поверхностной энергии (внутренней энергии поверхностного слоя) U_s выражается уравнением Гиббса – Гельмгольца:

Рис. 2.1. Зависимость поверхностного натяжения жидкостей от температуры: вода (У), глицерин (2), нитробензол (3), гексан (4).

С повышением температуры поверхностное натяжение уменьшается, а теплота образования единицы площади поверхности увеличивается. Это объясняется тем, что с повышением температуры расстояние между молекулами в жидких телах увеличивается, и соответственно равнодействующая межмолекулярных сил (и, следовательно, поверхностное натяжение) уменьшается. С помощью температурного коэффициента можно определить поверхностное натяжение при любой температуре, если известно значение поверхностного натяжения при какой-то температуре, т. е.

Появление кривизны поверхности из-за стремления системы

к минимуму поверхностной энергии ведет не только к изменению площади межфазной поверхности, но и к появлению избыточного давления внутри фаз. Взаимосвязь между избыточным внутренним давлением в теле и кривизной его поверхности выражается урав­нением Лапласа:

Искривление поверхности вызывает повышение или пониже­ние давления в фазе по сравнению с плоской поверхностью фазы такого же химического состава. Очевидно, что это приводит к из­менению термодинамических параметров вещества, которые опре­деляют его физические свойства и реакционную способность. По­нятие термодинамическая реакционная способность вещества характеризует его способность изменять химический или фазо­

вый состав, т. е. вступать в химическую реакцию или переходить в новую фазу (например, испаряться или конденсироваться, раст­воряться).

У тел с искривленной поверхностью меняется не только внут­реннее давление, но и его свободная энергия

Уравнение показывает, что приращение реакционной способ­ности пропорционально 1/r- кривизне поверхности или дисперс­ности. Чем выше кривизна поверхности или дисперсность, тем выше ее влияние на реакционную способность.

При переходе из газообразного состояния в жидкое

гдер – давление пара над искривленной поверхностью; p_s– давление пара над плоской поверхностью.

Тогда уравнение, записанное для сферической поверхности, на­зывается уравнением капиллярной конденсации Кельвина (Томсона):

Из анализа данного уравнения можно сделать вывод о том, что при положительной кривизне жидкости (капля в невесомости или на поверхности твердого тела при отсутствии или неполной сма­чиваемости) над ней создается повышенное по сравнению с плос­кой поверхностью давление пара, т. е. испаряется больше жидкос­ти. При отрицательной кривизне (жидкость, смачивающая капил­ляр) количество испарившейся жидкости в равновесии с ее паром будет меньше по сравнению с плоской поверхностью; иными слова­ми, конденсация будет происходить при меньшем давлении паров.

При появлении кривизны поверхности и увеличении степени дисперсности уменьшается и температура фазовых переходов.

Свободная энергия единицы поверхности и поверхностное натяжение

3.1. Поверхностные свойства веществ

Если взять частицу внутри жидкости и, рассматривая ее как точку, провести сферу радиуса действия межчастичных сил, то за промежуток времени, больший по сравнению с периодом собственных колебаний, на частицу будут действовать силы, одинаковые во всех направлениях.

Следовательно, силовое поле атомов или молекул в объеме жидкости симметрично. Частицы в глубине и на поверхности имеют разные силовые поля. На поверхности жидкости частица будет испытывать преимущественное притяжение со стороны жидкой фазы. Если вторая фаза — пар или газ, то силами взаимодействия со стороны другой фазы можно пренебречь. Если вторая фаза — жидкость, то равнодействующая будет другая.

В общем случае межчастичные силы на межфазной границе несимметричны. Наличие такой асимметрии силового поля приводит к тому, что появляется равнодействующая, направленная перпендикулярно поверхности. Под действием этой силы поля частица втягивается вглубь жидкости. Если частицы уподобить шарикам, то перемещение подвижных частиц жидкости можно проиллюстрировать следующим рис. 3.3:

Когда частица из поверхностного слоя уйдет в объем жидкости, между оставшимися двумя соседними частицами будут действовать силы притяжения. Силы притяжения между частицами В и С сближают поверхностные частицы, поэтому жидкость самопроизвольно сокращает свою поверхность. Такой характер поведения жидкости обусловлен ее текучестью. Если на жидкость не действуют никакие другие силы, то жидкость принимает форму сферы, обладающей минимальной поверхностью. Если же действуют силы тяжести, то форма жидкости может быть другой. При малом объеме жидкости поверхностные силы намного превосходят силы тяжести и жидкость собирается в сферическую капельку. По мере увеличения объема жидкости эти силы становятся соизмеримыми и получается приплюснутая капля. В случае большого объема жидкости силы тяжести значительно больше поверхностных сил и жидкость принимает форму сосуда.

Если увеличивать поверхность жидкости, то на это увеличение нужно затрачивать работу: δА — работа увеличения поверхности на dω. При обратимом изотермическом процессе эта работа максимальна и равна убыли свободной энергии системы: δАмакс = –dF. Изменение свободной энергии, отнесенной к единице поверхности при постоянных объеме и температуре (V, T = const), называется свободной энергией единицы поверхности, или поверхностным натяжением.

F Работа δА отрицательна, так как работу совершаем мы, а не система. Размерность поверхностного натяжения:

Энергия на единицу поверхности. Эти размерности можно преобразовать:

Сила, действующая на поверхности жидкости, направленная по касательной к этой поверхности. Эту силу называют поверхностным натяжением — это сила на единицу длины, действующая по касательной к поверхности. Количественно свободная энергия единицы поверхности жидкости равна поверхностному натяжению, однако отождествлять их нельзя. Энергия — это скалярная величина, а сила — векторная. Они совпадают только в изотропных средах. В анизотропных средах (кристаллах) эти характеристики могут существенно отличаться. В кристаллических телах сила — не вектор, а тензор. Вектор можно задать тремя числами, а тензор определяется числовой матрицей, т. е. набором чисел. Если этих чисел три, то имеем вектор r (x, y, z). Если состояние напряженное, то надо знать напряжение по различным направлениям.

Натяжение в общем случае нужно рассматривать как тензор. Поэтому в кристаллах нельзя отождествлять свободную энергию и поверхностное натяжение. В жидкости они совпадают количественно, и обычно в литературе их отождествляют:

Поверхностное натяжение жидкостей обычно определяют на границе с их собственным насыщенным паром или инертным газом. Величина свободной энергии зависит от свойств жидкости и является вполне определенной. Поверхностное натяжение жидкости — ее свойство, ее характеристика при данной температуре. Натяжение на границе двух конденсированных фаз (ж1‑ж2, ж‑тв) зависит от свойств каждой жидкости и является их совместной характеристикой. Поэтому его называют межфазным натяжением. Размерность та же.

Для конденсированных фаз при малых давлениях F ≈ G, и обычно технологи пользуются энергией Гиббса. F (V, T), G (P, T) — в скобках записаны независимые переменные.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример 2.1.

Пример 2.2.

Пример 2.3.

Пример 2.4.

По экспериментальным данным (табл. 2.1) температурной зависимости поверхностного натяжения найти температурный коэффициент.

Источник