Tensi; n felületes az l-ben; folyadékok
Ezen az oldalon elmagyarázzák a folyadék felületi feszültségének fogalmát, és két kifejezést írnak le az említett fizikai nagyság mérésére.
Du Nouy módszere az egyik legismertebb. Az alumínium gyűrűre gyakorolt további erőt éppen abban a pillanatban mérik meg, amikor a folyadéklap elszakad.
A második egy egyszerű módszer a felületi feszültség relatív mérésére a cseppek képződése alapján.
Egy folyadékban minden molekula kölcsönhatásba lép a körülötte lévőkkel. A molekuláris erők hatássugara viszonylag kicsi, felöleli a legközelebbi szomszédos molekulákat. Minőségileg meg fogjuk határozni a benne lévő molekula interakciós erőinek eredményét
- A, a folyadék belseje
- B, a felszín közelében
- C, a felszínen
Tekintsünk egy (vörös színű) molekulát egyensúlyban lévő folyadékban, távol a szabad felülettől, például A. A szimmetria szerint az azt körülvevő (kék színű) molekulákból származó összes vonzó erő eredője nulla.
Másrészt, ha a molekula B-ben van, mivel kevesebb molekula van fent, mint lent, akkor a szóban forgó molekulát a folyadék belseje felé irányított erőnek érik.
Ha a molekula C-ban van, akkor az interakciós erők eredője nagyobb, mint a B esetben.
Az interakciós erők hatására a folyadék szabad felülete közelében elhelyezkedő molekulák erővé válnak a folyadék belseje felé.
Mivel minden mechanikus rendszer hajlamos spontán elfogadni a legalacsonyabb potenciális energia állapotát, nyilvánvaló, hogy a folyadékok a lehető legkisebb felületet mutatják kifelé.
Felületi feszítési együttható
A kohézió miatti felületi energia az ábrán látható eszköz segítségével meghatározható.
A dupla derékszögű hajlított huzalhoz és az AB csúszóhuzathoz egy szappanlapot ragasztanak. Annak megakadályozására, hogy a lemez kohéziós erők miatt összehúzódjon, F erőt kell kifejteni a csúszó vezetékre.
Az F erő független a lap x hosszától. Ha a csúszóhuzalt Δx hosszúságúra toljuk el, akkor a külső erők FΔx munkát végeztek, amelyet a rendszer belső energiájának növelésébe fektetnek be. Mivel a lap felülete ΔS = 2dΔx-vel változik (a 2-es tényező annak a ténynek köszönhető, hogy a lapnak két oldala van), ami azt jelenti, hogy a folyadék belsejében lévő molekulák egy része az újonnan létrehozott felületre költözött, a ennek következtében növekvő energia.
Ha γ-nak nevezzük a területegységre eső energiát, akkor ezt ellenőrizni fogjuk
F Δ x = γ Δ S γ = F 2 d
A területegységre eső felületi energiát vagy a felületi feszültséget J/m 2 vagy N/m értékben mérjük.
A felületi feszültség függ a folyadék természetétől, a körülvevő környezettől és a hőmérséklettől. Általában a felületi feszültség a hőmérséklet függvényében csökken, mivel a kohéziós erők a növekvő termikus keverés mellett csökkennek. A külső környezet hatása megérthető, mivel a környezet molekulái vonzó hatással vannak a folyadék felületén elhelyezkedő molekulákra, ellensúlyozva a folyadék molekuláinak hatásait.
Folyadékok felületi feszültsége 20 ° C-on
| Olivaolaj | 33.06 |
| Víz | 72.8 |
| Etilalkohol | 22.8 |
| Benzol | 29.0 |
| Glicerin | 59.4 |
| Petróleum | 26.0 |
Forrás: Manual de Física, Koshkin N. I., Shirkevich M. G . Editorial Mir (1975)
A felületi feszültség hatásainak bemutatása
Vizsgáljuk meg az A és B pontok által hegesztett két különböző sugarú gyűrűből összeállított huzal alakját, kiküszöbölve a belső huzalt. Az A és B közötti d távolságnál nagyobb s hosszúságú akkord egyesíti mindkét pontot. A kötéllel ellátott drótfigurát szappanos oldatba merítjük (világoskék színben), és a fogantyúnál fogva függőlegesen helyezkedik el. Megjelenése megegyezik a bal oldali ábrával.
Az alsó részen kilyukad, a húr azonnal megfeszül, feltételezve az s hosszúságú és r sugarú ív alakját. Lásd a jobb oldali ábrát
A kerület ívének geometriáját tanulmányozzuk, a harmadik ábrán
s = r θ d = 2 r sin (θ 2)
Ismerve az akkord s hosszát és az A és B közötti d távolságot, megoldjuk az r sugarat.
d = 2 r sin (s 2 r)
Például, ha s = rπ/2 (r sugarú negyed negyedív), d = 2 r sin (π 4) = 2 r
Általánosságban meg kell oldanunk egy transzcendens egyenletet r-ben, numerikus eljárások alkalmazásával.
A kötél feszültsége
A húr T feszültségének kiszámításához figyelembe vesszük a húr ívének egy végtelen kis részét, amely dθ szöget zár be, így ds = r · d.
A kötél bal és jobb oldali része a T feszültségével megegyező erőt fejt ki az említett elemre, érintő irányban, amint az az ábrán látható. E két erő eredője dT = T dθ.