Napięcie powierzchniowe: 7 ważnych czynników z tym związanych

by

Spójność i przyczepność

Przede wszystkim staramy się zrozumieć pewne terminy przydatne w badaniach napięcia powierzchniowego. Ciecz ma właściwości takie jak kohezja. Spójność to właściwość, w której jedna cząsteczka cieczy przyciąga inną, bliższą cząsteczkę. Przyczepność jest właściwością, w której cząsteczki płynu są przyciągane przez kontakt z powierzchnią stałą. Krótko mówiąc, możemy powiedzieć, że siłą między podobnymi cząsteczkami jest kohezja, a siłą między odmiennymi cząsteczkami jest adhezja.

Weźmy przykład.

Jeśli upuścimy kroplę rtęci na jakąkolwiek powierzchnię, spróbuje ona uformować się w kroplę, ponieważ kohezja jest wyższa niż siła adhezji. Otrzymasz informację, że kropla rtęci nie przykleja się do twardej powierzchni. Merkury będzie próbował trzymać się z dala od stałej powierzchni; nie zwilża twardej powierzchni.

Teraz weźmy inny przykład, jeśli weźmiemy pod uwagę cząsteczki wody spadające na powierzchnię. Rozpłynie się na całej powierzchni betonu. Dzieje się tak, ponieważ w tym przypadku siła adhezji jest bardziej znacząca niż siła kohezji. Kąt kontaktu cieczy z powierzchnią ciała stałego może opisywać zwilżanie i brak zwilżania powierzchni.

Napięcie powierzchniowe
Zwilżanie i niezwilżanie cieczy kredyt Hisoki

Patrz powyższy rysunek, gdy ciekły gaz i powierzchnia ciała stałego stykają się z cieczą w miejscu, w którym powierzchnia ciała stałego jest mniejsza niż 90 stopni (π / 2). Zwilżanie powierzchni rośnie wraz ze zmniejszaniem się kąta. Jeśli kąt jest większy niż 90 stopni, ciecz nie zwilży stałej powierzchni. Kąt zależy od rodzaju powierzchni, rodzaju cieczy, powierzchni ciała stałego i czystości.

Jeśli weźmiemy pod uwagę, że czysta woda styka się z czystą szklaną powierzchnią. W tym przypadku kąt wynosi 0 (zero) stopni. Jeśli dodamy do wody zanieczyszczenia: Kąt wzrośnie wraz z dodaniem nieczystości. Jak już omówiliśmy, Merkury jest cieczą niezwilżającą, więc kąt wynosi od 130 do 150 stopni.

Napięcie powierzchniowe

W cieczy cząsteczki leżą poniżej wolnej powierzchni. Każda cząsteczka cieczy przyciąga cząsteczkę w pobliżu. Siła kohezji molekularnej jest taka sama we wszystkich kierunkach. Wszystkie siły mają taką samą wielkość i są przeciwne w kierunku. Więc zostanie anulowany w płynie. Może to być przyczyną równowagi w cieczy. W cieczy nie występuje siła wypadkowa.

Załóżmy, że rozważaliśmy najwyższe cząsteczki cieczy leżące na wolnej powierzchni, ponieważ wiemy, że nie ma nad nimi żadnych cząsteczek cieczy. Więc tutaj są przyciągane przez leżące pod nimi cząsteczki cieczy. Te wolne cząsteczki cieczy na powierzchni będą odczuwać siłę ciągnięcia wewnątrz cieczy. Ta siła działa jak siła sprężysta. Nazywa się wydatkowany na jednostkę powierzchni powierzchni napięcie powierzchniowe.

Napięcie powierzchniowe jest oznaczone przez Sigma (σ). Napięcie powierzchniowe występuje na granicy faz ciecz-gaz, granicy ciecz-ciecz. Przyczyną napięcia powierzchniowego jest przyciąganie międzycząsteczkowe spowodowane kohezją.

Zrozummy to dogłębnie, rozważając kilka praktycznych przykładów,

  • Widziałeś płynną kroplę o kulistym kształcie. Przyczyną jego kulistego kształtu jest napięcie powierzchniowe.
  • Można zauważyć, że jeśli dokładnie wlewamy wodę do szklanki. Nawet jeśli szklanka jest wypełniona, nadal możemy dodać trochę wody powyżej granicy szklanki.
  • Załóżmy, że będziemy eksperymentować z cienką szklaną rurką na powierzchni wody. W cienkiej szklanej rurce szybko zauważymy wzrost i obniżenie kapilarne.
  • Ptaki mogą pić wodę z akwenu ze względu na napięcie powierzchniowe.

Chociaż ciśnienie i siła grawitacji są wyższe niż siła napięcia powierzchniowego, siła napięcia powierzchniowego odgrywa ważną rolę w przypadku wolnej powierzchni i małych wymiarów. Jednostką napięcia powierzchniowego jest N / m. Wielkość napięcia powierzchniowego zależy od następujących czynników:

  • Rodzaj cieczy
  • Rodzaj otaczającego gazu, cieczy lub ciała stałego
  • Energia kinetyczna cząsteczek
  • Temperatura cząsteczek

Jeśli zwiększymy temperaturę substancji takiej jak ciecz, przyciąganie międzycząsteczkowe maleje, ponieważ zwiększa się odległość między cząsteczkami. Napięcie powierzchniowe zależy od przyciągania międzycząsteczkowego (kohezji). Wartość napięcia powierzchniowego cieczy przyjmuje się dla powietrza jako ośrodka otaczającego,

Napięcie powierzchniowe połączenia powietrze-woda wynosi 0.073 N / m.

Wartość napięcia powierzchniowego maleje wraz ze wzrostem temperatury.

Kapilarna

Jeśli wąska rurka zostanie zanurzona w wodzie, woda podniesie się w rurce do określonego poziomu. Ten typ rury nazywa się a kapilara, a to zjawisko nazywa się efektem kapilarnym. Inną nazwą efektu kapilarnego jest efekt łąkotki.

Efekt kapilarny jest spowodowany siłą napięcia powierzchniowego. Wzrost i depresja naczyń włosowatych zachodzą z powodu kohezji i adhezji międzycząsteczkowego przyciągania. Siła adhezji między powierzchnią rurki a cząsteczką wody jest wyższa niż siła kohezji między cząsteczkami wody. Z tego powodu cząsteczki wody można obserwować w kształcie wklęsłym na powierzchni rury.

Ciężar cieczy podnosi się lub obniża w rurce o małej średnicy

= (Powierzchnia rury * wzrost lub spadek) * (ciężar właściwy)

= (π / 4 * d2* h) w

Pionowa składowa siły napięcia powierzchniowego

= σ cosθ * obwód

= σ cosθ * πd

Jeśli weźmiemy pod uwagę równowagę, wówczas siła skierowana w górę równoważy siłę działającą w dół, więc składnik siły jest podany jako:

(π / 4 * d2 * h * w) = σ cosθ * πd

H = (4 σ cosθ / wd)

kapilara 1
Kapilara

Z kąta można zaobserwować, że jeśli kąt wynosi od 0 do 90 stopni, wartość h ma pozytywny, wklęsły kształt i wznios kapilarny. Jeśli kąt wynosi od 90 do 180 stopni, plik h ma negatywny, wypukły kształt i zagłębienie naczyń włosowatych.

Jeśli płynem jest rtęć, efekt jest całkowicie odwrotny. W przypadku rtęci siła kohezji jest bardziej znacząca niż siła adhezji. Z tego powodu cząsteczki rtęci tworzą wypukły kształt na powierzchni rurki.

Efekt kapilarny jest odwrotnie proporcjonalny do średnicy rurki. Jeśli chcesz uniknąć efektu kapilarnego, nie powinieneś wybierać rurki o małej średnicy. Minimalna średnica rury jest zalecana dla wody, a rtęć jest 6 mm. Powierzchnia wewnątrz rurki powinna być czysta.

parowanie

Odparowanie definiuje się jako zmianę stanu z ciekłego na gazowy. Szybkość pracy zależy od ciśnienia i temperatury cieczy.

Rozważ jeden przykład:

Załóżmy, że ciecz znajduje się w zamkniętym naczyniu. W tym naczyniu cząsteczki pary mają pewne ciśnienie. Nazywa się to prężnością pary. Jeśli ciśnienie pary zaczyna spadać, to cząsteczka zaczyna bardzo szybko opuszczać powierzchnię cieczy, zjawisko to jest znane jako wrzenie.

Podczas gotowania bąbelki tworzą się wewnątrz cieczy. Bąbel ten przemieszcza się w pobliżu strefy wyższego ciśnienia i zapada się z powodu wyższego ciśnienia. Te zapadające się pęcherzyki wywierają znacznie wyższe ciśnienie około 100 ciśnienia atmosferycznego. To ciśnienie powoduje mechaniczną erozję metalu. Powszechnie ten efekt jest nazywany Kawitacja. Konieczne jest zbadanie i zaprojektowanie maszyn hydrodynamicznych z uwzględnieniem kawitacji.

Kawitacja ma obie strony korzystne i niekorzystne. Jak wiemy, kawitacja powoduje erozję metalu, jest więc niekorzystna

Niektóre nowe obszary badawcze sugerują ostatnio, że kawitacja hydrodynamiczna jest przydatna w niektórych procesach oczyszczania chemicznego i ścieków. Tak więc kawitacja hydrodynamiczna jest korzystną koncepcją.

Prężność par cieczy jest silnie zależna od temperatury: rośnie wraz ze wzrostem temperatury. W temperaturze 20 ° C ciśnienie pary wodnej wynosi 0.235 N / cm2. Prężność par rtęci wynosi 1.72 * 10-5 N / cm2.

Jeśli chcemy uniknąć kawitacji w maszynach hydraulicznych: nie powinniśmy dopuścić do spadku ciśnienia cieczy poniżej ciśnienia pary w lokalnej temperaturze.

Wiele razy mogłeś pomyśleć, dlaczego Merkury jest używany w termometrze i manometrze. Dlaczego nie inny płyn?

Twoja odpowiedź jest tutaj; rtęć ma najniższą wartość prężności par przy dużej gęstości. Jego marka Mercury nadaje się do stosowania w termometrze i manometrze. 

Znajdź efekt kapilarny w rurce o średnicy 4 mm. Kiedy ciecz jest wodą

Pytania i Odpowiedzi

1) Jaka jest różnica między kohezją a adhezją?

Kohezja to siła przyciągania cząsteczek między tą samą materią, podczas gdy adhezja to przyciąganie między cząsteczkami innej materii.

2) Merkury próbuje trzymać się z dala od powierzchni, dlaczego?

W rtęci siła kohezji jest większa niż siła adhezji. Z tego powodu rtęć nazywana jest cieczą niezwilżalną.

3) Jaki jest warunek zwilżenia i nie zwilżenia cieczy powierzchnią?

Ciecz zwilża stałą powierzchnię jest mniejsza niż 90 stopni. Jeśli kąt jest większy niż 90 stopni, wówczas ciecz nie zwilży stałej powierzchni.

4) Wyjaśnij, czym jest napięcie powierzchniowe

Cząsteczki cieczy na wolnej powierzchni są przyciągane przez cząsteczki cieczy leżące pod nimi. Te wolne cząsteczki cieczy na powierzchni będą odczuwać siłę ciągnięcia wewnątrz cieczy. Ta siła działa jak siła sprężysta. Wydatki na jednostkę powierzchni nazywa się napięciem powierzchniowym. Napięcie powierzchniowe jest oznaczone przez Sigma (σ). Napięcie powierzchniowe występuje na granicy faz ciecz-gaz, granicy ciecz-ciecz. Przyczyną napięcia powierzchniowego jest przyciąganie międzycząsteczkowe spowodowane kohezją.

5) Podaj kilka praktycznych przykładów napięcia powierzchniowego.

  • Można zauważyć, że jeśli dokładnie wlewamy wodę do szklanki. Nawet jeśli szklanka jest wypełniona, nadal możemy dodać trochę wody powyżej granicy szklanki.
  • Załóżmy, że będziemy eksperymentować z cienką szklaną rurką na powierzchni wody. W cienkiej szklanej rurce łatwo zauważyć wzrost i obniżenie kapilarne.
  • Ptaki mogą pić wodę z akwenu ze względu na napięcie powierzchniowe.

6) Jaka jest jednostka napięcia powierzchniowego?

Jednostką napięcia powierzchniowego jest N / m.

7) Podaj wartość napięcia powierzchniowego dla granicy faz powietrze-woda i powietrze-rtęć przy standardowym ciśnieniu i temperaturze.

Napięcie powierzchniowe na granicy faz powietrze-woda wynosi 0.073 N / m.

Napięcie powierzchniowe dla interfejsu powietrze-rtęć wynosi 0.480 N / m.

8) Jaki jest efekt kapilarny?

Jeśli wąska rurka zostanie zanurzona w wodzie, woda podniesie się w rurce do określonego poziomu. Ten typ rurki nazywany jest rurką kapilarną, a zjawisko to nosi nazwę efektu kapilarnego.

9) Czy istnieje związek między efektem kapilarnym a napięciem powierzchniowym? Jeśli tak, to co?

Tak. Efekt kapilarny jest spowodowany siłą napięcia powierzchniowego. Wzrost i depresja naczyń włosowatych zachodzą z powodu kohezji i adhezji przyciągania międzycząsteczkowego.

10) Zdefiniuj: wrzenie, kawitacja

Wrzenie: pęcherzyki pary tworzą się wewnątrz cieczy w wyniku zmian temperatury i ciśnienia. Wrzenie to zmiana stanu) z cieczy na parę.

Kawitacja: tworzenie się pęcherzyków pary wewnątrz maszyny na skutek ciśnienia cieczy spada poniżej ciśnienia pary nasyconej.

Pytania wielokrotnego wyboru

1) W przypadku cieczy zwilżającej kąt kontaktu θ powinien wynosić ________

(a) 0 (b) θ <π / 2                           (c) θ> π / 2 (d) Brak

2) W przypadku cieczy niezwilżającej kąt kontaktu θ powinien wynosić ________

(a) 0 (b) θ <π / 2 (c) θ> π / 2                            (d) Brak

3) Wartość napięcia powierzchniowego spada wraz z __________

(a) Stałe ciśnienie

(B) Wzrost temperatury

(c) Wzrost ciśnienia

(d) Spadek temperatury

4) Jeśli kąt wartości mieści się w przedziale od 0 do 90, to co się dzieje w efekcie kapilarnym?

 (A) h jest pozytywny z wklęsłym kształtem

(b) h jest ujemne z wklęsłym kształtem

(c) h jest ujemne z wypukłym kształtem

(d) h jest dodatnia z wypukłym kształtem

5) Dlaczego rtęć jest używana w termometrze i manometrze?

(a) Wysoka prężność par i mała gęstość

(b) Wysoka prężność par i wysoka gęstość

(c) Niska prężność par i mała gęstość

(D) Niska prężność par i wysoka gęstość

6) Co to jest ok. zapadające się ciśnienie pęcherzyków w zjawiskach kawitacji?

(a) Około 20 ciśnienia atmosferycznego

(b) około 50 ciśnienia atmosferycznego

c) około 75 ciśnienia atmosferycznego

(D) Około 100 ciśnienia atmosferycznego

7) Jaka jest wartość prężności pary wodnej w temperaturze 20 ° C?

(a) 0.126 N / cm2

(b) 0.513 N / cm2

(C) 0.235 N / cm2

(d) 0.995 N / cm2

8) Jaka jest wartość prężności par rtęci w temperaturze 20 ° C?

(a) 1.25 * 10-5 N / cm2

(B) 1.72 * 10-5 N / cm2

(c) 1.5 * 10-5 N / cm2

(d) 1.25 N / cm2

Wnioski

Ten artykuł ma na celu zrozumienie pojęcia napięcia powierzchniowego, efektu kapilarnego, kawitacji, parowania i jego skutków. W tym artykule zamieszczono kilka praktycznych przykładów, aby przedstawić to w praktyce. Podjęto starania, aby skorelować koncepcję mechaniki płynów z codziennym życiem.

Aby dowiedzieć się więcej na temat mechaniki płynów, proszę kliknij tutaj.