Povrchové napětí: 7 důležitých faktorů s ním souvisejících

by

Soudržnost a přilnavost

Nejprve se pokusíme porozumět některým pojmům užitečným při studiu povrchového napětí. Liquid má vlastnosti jako soudržnost. Soudržnost je vlastnost, ve které jedna molekula kapaliny přitahuje další bližší molekulu. Přilnavost je vlastnost, ve které jsou molekuly tekutiny přitahovány kontaktem s pevným povrchem. Stručně řečeno, můžeme říci, že síla mezi podobnými molekulami je soudržnost a síla mezi odlišnými molekulami je adheze.

Vezměme si příklad.

Pokud upustíme kapku rtuti na jakýkoli povrch, pokusí se vytvořit kapičku, protože soudržnost je vyšší než adhezní síla. Zjistíte, že kapka Merkuru se nelepí na pevný povrch. Merkur se bude snažit držet dál od pevného povrchu; nezvlhčí pevný povrch.

Nyní si vezmeme další příklad, pokud vezmeme v úvahu, že částice vody padají na povrch. Rozloží se po celém betonovém povrchu. Stává se to proto, že v tomto případě je adhezní síla významnější než kohezní síla. Úhel kontaktu mezi kapalinou a pevným povrchem může popisovat smáčení a smáčení povrchu.

Povrchové napětí
Smáčení a smáčení kapaliny úvěr Hisoki

Viz výše uvedený obrázek, kde kapalný plyn a pevný povrch propojují kapalinu s pevným povrchem, pokud je úhel menší než 90 stupňů (π / 2). Smáčení povrchu se zvyšuje se zmenšováním úhlu. Pokud je úhel větší než 90 stupňů, kapalina nenavlhne pevný povrch. Úhel závisí na povaze povrchu, typech kapaliny, pevném povrchu a čistotě.

Pokud vezmeme v úvahu, že čistá voda přichází do styku s povrchem čistého skla. Úhel je v tomto případě 0 (nula) stupňů. Přidáme-li do vody nečistoty: Úhel se s přidáním nečistot zvětší. Jak jsme již diskutovali, Merkur je nesmáčivá kapalina, takže úhel leží od 130 do 150 stupňů.

Povrchové napětí

V kapalině molekuly leží pod volným povrchem. Každá molekula kapaliny přitahuje molekulu poblíž. Síla molekulární soudržnosti je stejná ve všech směrech. Všechny síly jsou stejné velikosti a opačné ve směru. Takže to bude zrušeno v kapalině. Může to být důvod pro rovnováhu v kapalině. V kapalině není přítomna žádná výsledná síla.

Předpokládejme, že jsme považovali nejvyšší molekuly kapaliny ležící na volném povrchu, protože víme, že nad nimi nejsou žádné molekuly kapaliny. Tady je tedy přitahují kapalné molekuly ležící pod nimi. Tato molekula kapaliny s volným povrchem pocítí uvnitř kapaliny tažnou sílu. Tato síla působí jako elastická síla. Vyzývá se výdaj na jednotku plochy povrchu povrchové napětí.

Povrchové napětí označuje Sigma (σ). Povrchové napětí se vyskytuje na rozhraní kapalina-plyn, rozhraní kapalina-kapalina. Důvodem povrchového napětí je intermolekulární přitažlivost kvůli soudržnosti.

Pochopme to do hloubky zvážením několika praktických příkladů,

  • Viděli jste kapičky kapaliny sférického tvaru. Důvodem jeho sférického tvaru je povrchové napětí.
  • Možná si všimnete, že pokud do sklenice důkladně nalijeme vodu. I když je sklenice naplněna, stále můžeme přidat trochu vody nad limit sklenice.
  • Předpokládejme, že budeme experimentovat s tenkou skleněnou trubicí na vodní hladině. Rychle si všimneme vzestupu a deprese kapiláry uvnitř tenké skleněné trubice.
  • Ptáci mohou pít vodu z vodního útvaru v důsledku povrchového napětí.

Ačkoli tlak a gravitační síla jsou vyšší než síla povrchového napětí, síla povrchového napětí hraje důležitou roli, když jsou volné plochy a malé rozměry. Jednotka povrchového napětí je N / m. Velikost povrchového napětí závisí na následujících faktorech:

  • Druh kapaliny
  • Typ okolního stavu plyn, kapalina nebo pevná látka
  • Kinetická energie molekul
  • Teplota molekul

Pokud zvýšíme teplotu látky jako kapaliny, mezimolekulární přitažlivost klesá, protože se zvětšuje vzdálenost mezi molekulami. Povrchové napětí závisí na intermolekulární přitažlivosti (soudržnosti). Hodnota povrchového napětí pro kapalinu se bere pro vzduch jako okolní médium,

Povrchové napětí pro rozhraní vzduch-voda je 0.073 N / m.

Hodnota povrchového napětí klesá s rostoucí teplotou.

Kapilára

Pokud se do vody ponoří úzká trubice, bude voda v trubici stoupat na určité úrovni. Tento typ trubice se nazývá a kapilární trubicea tento jev se nazývá kapilární efekt. Další název kapilárního efektu je efekt menisku.

Kapilární účinek je způsoben silou povrchového napětí. Kapilární vzestup a deprese se dějí z důvodu mezimolekulární přitažlivosti soudržnosti a adheze. Adhezní síla mezi povrchem trubice a molekulou vody je vyšší než kohezní síla mezi molekulami vody. Z tohoto důvodu lze molekuly vody na povrchu trubice pozorovat v konkávním tvaru.

Hmotnost kapaliny stoupající nebo stlačované v trubce s malým průměrem

= (Plocha trubky * Vzestup nebo pád) * (měrná hmotnost)

= (π / 4 * d2* h) w

Svislá složka síly povrchového napětí

= σ cosθ * obvod

= σ cosθ * πd

Pokud vezmeme v úvahu rovnováhu, pak síla vzhůru vyvažuje sílu dolů, takže složka síly je dána jako,

(π / 4 * d2 * h * w) = σ cosθ * πd

H = (4 σ cosθ / wd)

kapilára 1
Kapilární trubice

Z úhlu lze pozorovat, že pokud je úhel mezi 0 a 90 stupni, hodnota h je pozitivní, konkávní tvarování a kapilární vzestup. Pokud je úhel mezi 90 a 180 stupni, h je negativní, konvexní tvarování a kapilární deprese.

Pokud je kapalinou Merkur, pak je účinek zcela opačný. V případě rtuti je síla soudržnosti významnější než síla adheze. Z tohoto důvodu tvoří molekuly rtuti na povrchu trubice konvexní tvar.

Kapilární účinek je nepřímo úměrný průměru trubice. Pokud se chcete vyhnout kapilárnímu efektu, neměli byste zvolit trubku s malým průměrem. U vody se doporučuje minimální průměr trubice, u Mercury ano 6 mm. Povrch uvnitř trubice by měl být čistý.

Vypařování

Odpařování je definováno jako změna stavu z kapalného na plynný. Rychlost provozu závisí na tlaku a teplotě kapaliny.

Zvažte jeden příklad,

Předpokládejme, že kapalina je uvnitř uzavřené nádoby. V této nádobě mají molekuly páry určitý tlak. Říká se tomu tlak páry. Pokud tlak páry začne klesat, pak začne molekula velmi rychle opouštět povrch kapaliny, je tento jev znám jako vařící.

Při varu se bubliny tvoří uvnitř kapaliny. Tato bublina se pohybuje v blízkosti zóny vyššího tlaku a zhroutí se v důsledku vyššího tlaku. Tyto kolabující bubliny vyvíjejí výrazně vyšší tlak kolem 100 atmosférického tlaku. Tento tlak způsobuje mechanickou erozi na kov. Obvykle se tento efekt nazývá Kavitace. Je nutné studovat a navrhovat hydrodynamické stroje s ohledem na kavitaci.

Kavitace má obě strany prospěšné i nevýhodné. Jak víme, že kavitace způsobuje erozi v kovu, je tedy nepříznivá

Některé nové oblasti výzkumu v poslední době naznačují, že hydrodynamická kavitace je užitečná pro určité chemické čištění a čištění odpadních vod. Zde je tedy hydrodynamická kavitace prospěšným konceptem.

Tlak páry kapaliny pevně závisí na teplotě: Zvyšuje se se zvyšováním teploty. Při teplotě 20 ° C je tlak par vody 0.235 N / cm2. Tlak par rtuti je 1.72 * 10-5 N / cm2.

Pokud se chceme vyhnout kavitaci v hydraulických strojích: Neměli bychom dovolit, aby tlak kapaliny klesl pod tlak par při místní teplotě.

Možná jste si mnohokrát pomysleli, proč se Merkur používá uvnitř teploměru a manometru. Proč ne jiná tekutina?

Vaše odpověď je zde; Merkur má nejnižší hodnotu tlaku par s vysokou hustotou. Díky tomu je Merkur vhodný pro použití v teploměru a manometru. 

Najděte kapilární efekt v tubě o průměru 4 mm. Když je kapalinou voda

Otázky a odpovědi

1) Jaký je rozdíl mezi soudržností a adhezí?

Soudržnost je přitažlivá síla molekul mezi stejnou hmotou, zatímco adheze je přitažlivost mezi molekulami odlišné hmoty.

2) Merkur se snaží držet dál od povrchu, proč?

Ve Merkuru je kohezní síla větší než adhezní síla. Z tohoto důvodu se Merkur nazývá zvlhčovací kapalinou.

3) Jaký je stav pro smáčení a smáčení kapaliny s povrchem?

Kapalina navlhčí pevný povrch je menší než 90 stupňů. Pokud je úhel větší než 90 stupňů, kapalina nenavlhne pevný povrch.

4) Vysvětlete povrchové napětí

Molekuly kapaliny na volném povrchu přitahují molekuly kapaliny ležící pod nimi. Tato molekula kapaliny s volným povrchem pocítí uvnitř kapaliny tažnou sílu. Tato síla působí jako elastická síla. Výdaje na jednotku plochy povrchu se nazývají povrchové napětí. Povrchové napětí označuje Sigma (σ). Povrchové napětí se vyskytuje na rozhraní kapalina-plyn, rozhraní kapalina-kapalina. Důvodem povrchového napětí je intermolekulární přitažlivost kvůli soudržnosti.

5) Uveďte několik praktických příkladů povrchového napětí.

  • Možná si všimnete, že pokud do sklenice důkladně nalijeme vodu. I když je sklenice naplněna, stále můžeme přidat trochu vody nad limit sklenice.
  • Předpokládejme, že budeme experimentovat s tenkou skleněnou trubicí na vodní hladině. Můžeme snadno zaznamenat vzestup a pokles kapiláry uvnitř tenké skleněné trubice.
  • Ptáci mohou pít vodu z vodního útvaru v důsledku povrchového napětí.

6) Jaká je jednotka povrchového napětí?

Jednotka povrchového napětí je N / m.

7) Uveďte hodnotu povrchového napětí pro rozhraní vzduch-voda a vzduch-rtuť při standardním tlaku a teplotě.

Povrchové napětí pro rozhraní vzduch-voda je 0.073 N / m.

Povrchové napětí pro rozhraní vzduch-rtuť je 0.480 N / m.

8) Jaký je kapilární efekt?

Pokud je úzká trubice ponořena do vody, bude voda stoupat uvnitř trubice na určité úrovni. Tento typ trubice se nazývá kapilární trubice a tento jev se nazývá kapilární efekt.

9) Existuje nějaký vztah mezi kapilárním efektem a povrchovým napětím? Pokud ano, co?

Ano. Kapilární účinek je způsoben silou povrchového napětí. Kapilární vzestup a deprese se dějí kvůli mezimolekulární přitažlivosti soudržnosti a adheze.

10) Definujte: Vaření, kavitace

Vaření: Bubliny páry se tvoří uvnitř kapaliny v důsledku změny teploty a tlaku. Var je změnou stavu) z kapaliny na páru.

Kavitace: Tvorba parní bubliny uvnitř strojního zařízení v důsledku tlaku kapaliny klesá pod tlak nasycených par.

Otázky s možností označení více odpovědí

1) U smáčecí kapaliny by úhel kontaktu θ měl být ________

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

2) U nesmáčivé kapaliny by úhel kontaktu θ měl být ________

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

3) Hodnota povrchového napětí klesá s __________

(a) Konstantní tlak

(B) Zvýšení teploty

(c) Zvýšení tlaku

d) Pokles teploty

4) Pokud leží hodnotový úhel mezi 0 a 90, co se stane v kapilárním efektu?

 () h je pozitivní s konkávním tvarováním

(b) h je záporné s konkávním tvarováním

(c) h je záporné s konvexním tvarováním

(d) h je pozitivní s konvexním tvarováním

5) Proč se rtuť používá v teploměru a manometru?

(a) Vysoký tlak par a nízká hustota

(b) Vysoký tlak par a vysoká hustota

(c) Nízký tlak par a nízká hustota

(D) Nízký tlak par a vysoká hustota

6) Co je přibližně kolabující tlak bublin v kavitačních jevech?

(a) Kolem 20 atmosférického tlaku

(b) Kolem 50 atmosférického tlaku

(c) Kolem 75 atmosférického tlaku

(D) Kolem 100 atmosférického tlaku

7) Jaká je hodnota tlaku par vody při teplotě 20 ° C?

a) 0.126 N / cm2

(b) 0.513 N / cm2

(C) 0.235 N / cm2

(d) 0.995 N / cm2

8) Jaká je hodnota tlaku par rtuti při teplotě 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

Proč investovat do čističky vzduchu?

Tento článek vás seznámí s pojmem povrchové napětí, kapilární efekt, kavitace, odpařování a jeho účinky. Některé praktické příklady jsou zahrnuty v tomto článku, aby to představovaly prakticky. Bylo vynaloženo úsilí, aby jste korelovali koncept mechaniky tekutin s každodenním životem.

Chcete-li se dozvědět více o mechanice tekutin, prosím klikněte zde.