Pintajännitys, aineen (nestemäinen tai kiinteä faasi) halu vähentää potentiaalienergiansa ylimäärää rajapinnassa toisen faasin kanssa (pintaenergia). Se määritellään työksi, joka kuluu vaiherajapinnan yksikköpinta-alan luomiseen (mitta J / m 2). Toisen määritelmän mukaan pintajännitys- faasierotuspintaa rajoittavan ääriviivan yksikköpituuteen liittyvä voima (mitta N/m); tämä voima vaikuttaa tangentiaalisesti pintaan ja estää sen spontaanin lisääntymisen.
Pintajännitys- nesteen pintakerroksen tärkein termodynaaminen ominaisuus kaasufaasin tai muun nesteen rajalla. Pintajännitys eri nesteiden rajalla omalla höyryllään vaihtelee suuresti: nesteytettyjen matalalla kiehuvien kaasujen yksiköistä useisiin tuhansiin mN/m sulaisiin tulenkestäviin aineisiin. Pintajännitys lämpötilasta riippuvainen. Monille yksikomponenttisille ei-assosioituneille nesteille (vesi, sulat suolat, nestemäiset metallit), jotka ovat kaukana kriittisestä lämpötilasta, lineaarinen riippuvuus täyttyy hyvin:
missä s ja s 0 - pintajännitys lämpötiloissa T ja T 0, vastaavasti, α≈0,1 mN/(m K) - lämpötilakerroin pintajännitys. Pääasiallinen säätelytapa pintajännitys on käyttää pintaa vaikuttavat aineet(pinta-aktiivinen aine).
Pintajännitys liittyy moniin fysiikan, fysikaalisen ja kolloidisen kemian sekä sähkökemian yhtälöihin.
Se määrittelee seuraavat suuret:
1. kapillaaripaine, missä r 1 ja r 2 - pinnan pääkaarevuussäteet ja kylläisen höyryn paine r r kaarevan nestepinnan yli: , missä r- pinnan kaarevuussäde, R on kaasun vakio, V n on nesteen moolitilavuus, s 0 - paine tasaisella pinnalla (Laplacen ja Kelvinin lait, katso Kapillaariilmiöt).
2. Kostutuskulma θ nesteen kosketuksessa kiinteään pintaan: cos , missä on kiinteän aineen ominais vapaa pintaenergia rajapinnassa kaasun ja nesteen kanssa, - pintajännitys nesteet (Youngin laki, katso kostutus).
3. Pinta-aktiivisen aineen adsorptio, jossa μ on adsorboituneen aineen kemiallinen potentiaali (Gibbsin yhtälö, katso Adsorptio). Laimeille liuoksille missä Kanssa- pinta-aktiivisten aineiden moolipitoisuus.
4. Pinta-aktiivisen aineen adsorptiokerroksen tila nestepinnalla: (s s + a/A2)·( A- b)=k T, missä p s\u003d (s 0 -s) - kaksiulotteinen paine, s 0 ja s - vastaavasti pintajännitys puhdas neste ja sama neste adsorptiokerroksen läsnä ollessa, a- vakio (analogisesti van der Waalsin vakion kanssa), A on pintakerroksen pinta-ala yhtä adsorboitua molekyyliä kohti, b on 1 nestemolekyylin peittämä alue, k- Boltzmannin vakio (Frumkin-Volmer-yhtälö, katso Pinta-aktiivisuus).
5. Sähkökapillaarinen vaikutus:- d s/ d f \u003d r s, missä r s on pintavarauksen tiheys, f on elektrodin potentiaali (Lipmanin yhtälö, katso Sähkökapillaariset ilmiöt).
6. Uuden vaiheen kriittisen ytimen muodostustyö WC. Esimerkiksi höyryn homogeenisen kondensoitumisen aikana paineessa , missä s 0 - höyrynpaine nesteen tasaisen pinnan yläpuolella (Gibbsin yhtälö, katso Uusi faasin muodostuminen).
7. Kapillaariaaltojen pituus l nesteen pinnalla: , missä ρ on nesteen tiheys, τ on värähtelyjakso, g- painovoiman kiihtyvyys.
8. Pinta-aktiivisella kerroksella varustettujen nestekalvojen elastisuus: kimmomoduuli , missä s- kalvoalue (Gibbsin yhtälö, katso Ohut kalvot).
Pintajännitys mitataan monille puhtaille aineille ja seoksille (liuokset, sulatteet) laajalla lämpötila- ja koostumusalueella. Koska pintajännitys erittäin herkkä epäpuhtauksille, eri menetelmillä tehdyt mittaukset eivät aina anna samoja arvoja.
Tärkeimmät mittausmenetelmät ovat seuraavat:
1. kostutusnesteiden nousu kapillaareissa. Nostokorkeus, jossa on nesteen ja syrjäytyneen kaasun tiheyden välinen ero, ρ on kapillaarin säde. Määritelmän tarkkuus pintajännitys kasvaa suhteen pienentyessä ρ/α (α on nesteen kapillaarivakio).
2. Kaasukuplan maksimipaineen mittaus (Rehbinder-menetelmä); laskenta perustuu Laplacen yhtälöön. Kun kupla puristetaan nesteeseen kalibroidun kapillaarin, jonka säde on r, läpi ennen erotushetkeä, paine p m =2σ/r
3. Punnitusmenetelmä (stalagmometria): (Tate-yhtälö), missä G- kokonaispaino n pisaroita, jotka irronneet painovoiman vaikutuksesta säteisen kapillaariputken leikkauksesta r. Tarkkuuden parantamiseksi oikea puoli kerrotaan korjauskertoimella, joka riippuu r:stä ja pisaratilavuudesta.
4. Levytasapainotusmenetelmä (Wilhelmy-menetelmä). Upotettaessa levyä, jossa on poikkileikkauskehä L kostutusnesteeseen levyn paino, missä G 0 - levyn kuivapaino.
5. Menetelmä renkaan repimiseksi irti (Du Nuy -menetelmä). Säteisen lankarenkaan repiminen irti R nesteen pinnalta vaaditaan voimaa
6. Istuva pudotusmenetelmä. Kastumattomalle alustalle tapahtuvan pudotuksen profiili määritetään ehdolla, että hydrostaattisten ja kapillaaripaineiden summa on vakio. Pudotusprofiilin differentiaaliyhtälö ratkaistaan numeerisella integroinnilla (Bashfort-Adams -menetelmä). Mittaamalla pudotusprofiilin geometriset parametrit sopivien taulukoiden avulla he löytävät pintajännitys.
7. Pyörivä pudotusmenetelmä. Pisara nestettä, jonka tiheys on r 1, laitetaan putkeen raskaamman (tiheys r 2) nesteen kanssa. Kun putki pyörii kulmanopeudella ω, pisara venyy akselia pitkin ja saa suunnilleen säteen sylinterin muodon r. Laskentayhtälö: . Menetelmää käytetään pienten mittaamiseen pintajännitys kahden nesteen rajapinnassa.
Pintajännitys on määräävä tekijä monissa teknologisissa prosesseissa: vaahdotus, huokoisten materiaalien kyllästäminen, pinnoitus, pesuvaikutus, jauhemetallurgia, juottaminen jne. pintajännitys painottomuudessa tapahtuvissa prosesseissa.
konsepti pintajännitys esitteli ensimmäisenä J. Segner (1752). XIX vuosisadan ensimmäisellä puoliskolla. idean perusteella pintajännitys kehitettiin matemaattinen teoria kapillaariilmiöistä (P. Laplace, S. Poisson, K. Gauss, A. Yu. Davidov). XIX vuosisadan toisella puoliskolla. J. Gibbs kehitti pintailmiöiden termodynaamisen teorian, jossa ratkaiseva rooli on pintajännitys. XX vuosisadalla. sääntelymenetelmiä kehitetään pintajännitys pinta-aktiivisten aineiden ja sähkökapillaaristen vaikutusten avulla (I. Langmuir, P.A. Rebinder, A.H. Frumkin). Nykyajan ajankohtaisten ongelmien joukossa on molekyyliteorian kehitys pintajännitys erilaisia nesteitä (mukaan lukien sulat metallit), pinnan kaarevuuden vaikutus pintajännitys.
Tällä oppitunnilla puhumme nesteistä ja niiden ominaisuuksista. Nykyfysiikan näkökulmasta nesteet ovat vaikein tutkimuskohde, koska kaasuihin verrattuna ei voida enää puhua mitättömästä molekyylien välisestä vuorovaikutusenergiasta, eikä kiinteisiin aineisiin verrattuna voida puhua järjestetystä vuorovaikutusenergiasta. nestemolekyylit (nesteessä ei ole pitkän kantaman järjestystä) . Tämä johtaa siihen, että nesteillä on useita mielenkiintoisia ominaisuuksia ja niiden ilmenemismuotoja. Yhtä tällaista ominaisuutta käsitellään tällä oppitunnilla.
Ensin keskustellaan erityisominaisuuksista, joita nesteen pintakerroksen molekyyleillä on verrattuna massassa oleviin molekyyleihin.
Riisi. 1. Pintaläheisen kerroksen molekyylien ja nesteen pääosan molekyylien välinen ero
Tarkastellaan kahta molekyyliä A ja B. Molekyyli A on nesteen sisällä, molekyyli B sen pinnalla (kuva 1). Molekyyliä A ympäröivät muut nestemolekyylit tasaisesti, joten molekyylien välisen vuorovaikutuksen piiriin joutuvista molekyyleistä molekyyliin A vaikuttavat voimat kompensoituvat tai niiden resultantti on nolla.
Mitä tapahtuu molekyylille B, joka sijaitsee nesteen pinnalla? Muista, että nesteen yläpuolella olevien kaasumolekyylien pitoisuus on paljon pienempi kuin nestemolekyylien pitoisuus. Molekyyliä B ympäröivät toiselta puolelta nestemolekyylit ja toiselta puolelta erittäin harvinaiset kaasumolekyylit. Koska siihen vaikuttaa paljon enemmän molekyylejä nesteen puolelta, kaikkien molekyylien välisten voimien resultantti suunnataan nesteen sisään.
Siten, jotta molekyyli pääsisi nesteen syvyydestä pintakerrokseen, on suoritettava työtä kompensoimattomia molekyylien välisiä voimia vastaan.
Muista, että työ on muutos potentiaalienergiassa otettuna miinusmerkillä.
Tämä tarkoittaa, että pintakerroksen molekyyleillä on ylimääräistä potentiaalienergiaa verrattuna nesteen sisällä oleviin molekyyleihin.
Tämä ylimääräinen energia on nesteen sisäisen energian komponentti ja sitä kutsutaan pintaenergiaa. Se määritellään ja mitataan, kuten mikä tahansa muu energia, jouleina.
Ilmeisesti mitä suurempi nesteen pinta-ala, sitä enemmän sellaisia molekyylejä, joilla on ylimääräistä potentiaalienergiaa, ja siten sitä suurempi pintaenergia. Tämä tosiasia voidaan kirjoittaa seuraavaksi suhteeksi:
,
missä on pinta-ala ja suhteellisuustekijä, jota kutsumme pintajännitys, tämä kerroin luonnehtii yhtä tai toista nestettä. Kirjoitetaan tälle suurelle tiukka määritelmä.
Nesteen pintajännitys (nesteen pintajännityskerroin) on fysikaalinen suure, joka luonnehtii tiettyä nestettä ja on yhtä suuri kuin pintaenergian suhde nesteen pinta-alaan
Pintajännityskerroin mitataan newtoneina jaettuna metrillä.
Pohditaan, mistä nesteen pintajännityskerroin riippuu. Aluksi on muistettava, että pintajännityskerroin luonnehtii molekyylien vuorovaikutuksen ominaisenergiaa, mikä tarkoittaa, että tätä energiaa muuttavat tekijät muuttavat myös nesteen pintajännityskerrointa.
Joten pintajännityskerroin riippuu:
1. Nesteen luonne ("haihtuvien" nesteiden, kuten eetterin, alkoholin ja bensiinin, pintajännitys on pienempi kuin "haihtumattomien" - vesi, elohopea ja nestemäiset metallit).
2. Lämpötila (mitä korkeampi lämpötila, sitä pienempi pintajännitys).
3. Pintajännitystä alentavat pinta-aktiiviset aineet (pinta-aktiiviset aineet), kuten saippua tai pesujauhe.
4. Nesteen vieressä olevan kaasun ominaisuudet.
Huomaa, että pintajännityskerroin ei riipu pinta-alasta, koska yhdelle yksittäiselle pinta-alan molekyylille on täysin yhdentekevää, kuinka monta samaa molekyylejä on ympärillä. Kiinnitä huomiota taulukkoon, joka näyttää eri aineiden pintajännityskertoimet lämpötilassa:
Taulukko 1. Nesteiden pintajännityskertoimet ilman rajalla, at
Joten lähellä pintakerroksen molekyyleillä on ylimääräinen potentiaalienergia verrattuna nesteen suurimmassa osassa oleviin molekyyleihin. Mekaniikan aikana osoitettiin, että mikä tahansa järjestelmä pyrkii minimiin potentiaalisen energian. Esimerkiksi tietyltä korkeudelta heitetty ruumis pyrkii putoamaan alas. Lisäksi tunnet olosi paljon mukavammaksi makuulla, koska tässä tapauksessa kehosi massakeskus sijaitsee mahdollisimman matalalla. Mihin halu vähentää sen potentiaalista energiaa nesteen tapauksessa johtaa? Koska pintaenergia riippuu pinta-alasta, se tarkoittaa, että on energeettisesti epäedullista, että nesteellä on suuri pinta-ala. Toisin sanoen vapaassa tilassa neste pyrkii minimoimaan pintansa.
Tämä on helppo varmistaa kokeilemalla saippuakalvolla. Jos lankakehys kastetaan saippualiuokseen, siihen muodostuu saippuakalvo, joka saa sellaisen muodon, että sen pinta-ala on minimaalinen (kuva 2).
Riisi. 2. Figuurit saippualiuoksesta
Voit varmistaa pintajännitysvoimien olemassaolon yksinkertaisella kokeella. Jos lanka on sidottu lankarenkaaseen kahdesta kohdasta ja siten, että langan pituus on jonkin verran suurempi kuin langan kiinnityspisteitä yhdistävän jänteen pituus ja lankarengas kastetaan saippuaan liuoksessa (kuva 3a), saippuakalvo kiristää renkaan koko pintaa ja lanka asettuu saippuakalvolle. Jos nyt kalvo katkeaa langan toiselta puolelta, langan toiselle puolelle jäänyt saippuakalvo kutistuu ja venyttää lankaa (kuva 3b).
Riisi. 3. Kokeile pintajännitysvoimien havaitsemista
Miksi näin kävi? Tosiasia on, että päälle jäävä saippualiuos eli neste pyrkii pienentämään pinta-alaansa. Näin lanka vedetään ylös.
Olemme siis vakuuttuneita pintajännitysvoiman olemassaolosta. Nyt opetellaan laskemaan se. Tehdään tätä varten ajatuskokeilu. Lasketaan lankarunko, jonka toinen sivu on liikkuva, saippualiuokseen (kuva 4). Venytetään saippuakalvoa, joka vaikuttaa rungon liikkuvalle puolelle voimalla. Poikkipalkkiin vaikuttaa siis kolme voimaa - ulkoinen voima ja kaksi pintajännitysvoimaa kalvon kutakin pintaa pitkin. Käyttämällä Newtonin toista lakia voimme kirjoittaa sen
Riisi. 4. Pintajännitysvoiman laskeminen
Jos poikkipalkki siirtyy ulkoisen voiman vaikutuksesta etäisyyden verran, tämä ulkoinen voima toimii
Luonnollisesti tämän työn suorituksesta johtuen kalvon pinta-ala kasvaa, mikä tarkoittaa, että myös pintaenergia kasvaa, jonka voimme määrittää pintajännityskertoimen avulla:
Pinta-alan muutos puolestaan voidaan määrittää seuraavasti:
missä on vaijerikehyksen liikkuvan osan pituus. Tämän perusteella voimme kirjoittaa, että ulkoisen voiman työ on yhtä suuri
Yhdistämällä oikeat osat (*) ja (**) saamme pintajännitysvoiman lausekkeen:
Siten pintajännityskerroin on numeerisesti yhtä suuri kuin pintajännitysvoima, joka vaikuttaa pintaa rajoittavan viivan yksikköpituus
Olemme siis jälleen kerran nähneet, että neste pyrkii ottamaan sellaisen muodon, että sen pinta-ala on minimaalinen. Voidaan osoittaa, että tietyllä tilavuudella pallon pinta-ala on minimaalinen. Siten, jos muut voimat eivät vaikuta nesteeseen tai niiden vaikutus on pieni, nesteellä on taipumus saada pallomainen muoto. Joten esimerkiksi vesi käyttäytyy ilman painovoimaa (kuva 5) tai saippuakuplia (kuva 6).
Riisi. 5. Vesi ilman painovoimaa
Riisi. 6. Saippuakuplat
Pintajännitysvoimien läsnäolo voi myös selittää, miksi metallineula "makaa" veden pinnalla (kuva 7). Pinnalle varovasti asetettu neula muuttaa sen muotoa, mikä lisää tämän pinnan pinta-alaa. Siten syntyy pintajännitysvoima, joka pyrkii vähentämään tällaista pinta-alan muutosta. Pintajännityksen tuloksena oleva voima suunnataan ylöspäin ja se kompensoi painovoimaa.
Riisi. 7. Neula veden pinnalle
Pipetin toimintaperiaate voidaan selittää samalla tavalla. Pisara, johon painovoima vaikuttaa, vedetään alas, mikä lisää sen pinta-alaa. Luonnollisesti syntyy pintajännitysvoimia, joiden resultantti on painovoiman suunnan vastainen ja jotka eivät anna pisaran venyä (kuva 8). Kun painat pipetin kumikorkkia alas, luot ylimääräistä painetta, joka auttaa painovoimaa, jolloin pisara putoaa alas.
Riisi. 8. Kuinka pipetti toimii
Otetaan toinen esimerkki sieltä Jokapäiväinen elämä. Jos kastat siveltimen vesilasiin, sen karvat pörröistyvät. Jos nyt otat tämän harjan pois vedestä, huomaat, että kaikki karvat ovat juuttuneet toisiinsa. Tämä johtuu siitä, että harjaan tarttuvan veden pinta-ala on tällöin minimaalinen.
Ja vielä yksi esimerkki. Jos haluat rakentaa kuivan hiekkalinnan, et todennäköisesti onnistu, koska hiekka murenee painovoiman vaikutuksesta. Jos hiekka kuitenkin kostutetaan, se säilyttää muotonsa hiekkajyvien välisen veden pintajännityksen vuoksi.
Lopuksi huomautamme, että pintajännityksen teoria auttaa löytämään kauniita ja yksinkertaisia analogioita ratkaistaessa monimutkaisempia fyysisiä ongelmia. Esimerkiksi kun pitää rakentaa kevyt ja samalla vahva rakenne, saippuakuplissa tapahtuvan fysiikka tulee apuun. Ja oli mahdollista rakentaa ensimmäinen riittävä malli atomiytimestä vertaamalla tätä atomiydintä varautuneen nesteen pisaraan.
Bibliografia
- G. Ya. Myakishev, B. B. Bukhovtsev, N. N. Sotsky. "Fysiikka 10". - M.: Koulutus, 2008.
- Ya. E. Geguzin "Kuplat", Kvant-kirjasto. - M.: Nauka, 1985.
- B. M. Yavorsky, A. A. Pinsky "Fundamentals of Physics", osa 1.
- G. S. Landsberg "Fysiikan perusoppikirja", osa 1.
- Nkj.ru ().
- Youtube.com().
- Youtube.com().
- Youtube.com().
Kotitehtävät
- Kun olet ratkaissut tämän oppitunnin tehtävät, pystyt valmistautumaan GIA:n kysymyksiin 7, 8, 9 ja yhtenäisen valtiokokeen kysymyksiin A8, A9, A10.
- Gelfgat I.M., Nenashev I.Yu. "Fysiikka. Tehtäväkokoelma arvosana 10 "5.34, 5.43, 5.44, 5.47 ()
- Määritä tehtävän 5.47 perusteella veden ja saippualiuoksen pintajännityskerroin.
Lista kysymyksistä ja vastauksista
Kysymys: Miksi pintajännitys muuttuu lämpötilan mukaan?
Vastaus: Lämpötilan noustessa nesteen molekyylit alkavat liikkua nopeammin, ja siksi molekyylit voivat helpommin voittaa mahdolliset vetovoimat. Tämä johtaa pintajännitysvoimien vähenemiseen, jotka ovat potentiaalisia voimia, jotka sitovat nesteen pintaa lähellä olevan kerroksen molekyylejä.
Kysymys: Riippuuko pintajännityskerroin nesteen tiheydestä?
Vastaus: Kyllä, sillä nesteen pintakerroksen molekyylien energia riippuu nesteen tiheydestä.
Kysymys: Millä tavoilla voidaan määrittää nesteen pintajännityskerroin?
Vastaus: Koulukurssilla tutkitaan kahta menetelmää nesteen pintajännityskertoimen määrittämiseksi. Ensimmäinen on langanrepäisymenetelmä, jonka periaate on kuvattu tehtävässä 5.44 alkaen kotitehtävät, toinen on tehtävässä 5.47 kuvattu pisaroiden laskentamenetelmä.
Kysymys: Miksi saippuakuplat romahtavat jonkin ajan kuluttua?
Vastaus: Tosiasia on, että hetken kuluttua painovoiman vaikutuksesta kupla paksunee pohjassa kuin yläosassa, ja sitten haihtumisen vaikutuksesta se jossain vaiheessa romahtaa. Tämä johtaa siihen, että koko kupla, kuten ilmapallo, romahtaa kompensoimattomien pintajännitysvoimien vaikutuksesta.
Määritelmä 1
Pintajännitys on nesteen ryntäys pienentämään omaa vapaata pintaansa eli vähentämään ylimääräistä potentiaalienergiaa kaasufaasista erottumisen rajalla.
Elastisilla ominaisuuksilla ei ole ainoastaan kiinteitä fyysisiä kappaleita, vaan myös itse nesteen pinta. Jokainen on elämässään nähnyt, kuinka saippuakalvo venyy pienillä puhalluskuplilla. Saippuakalvossa esiintyvät pintajännitysvoimat pitävät ilmaa tietyn ajan, samalla tavalla kuin venytetty kumirakko pitää ilmaa jalkapallossa.
Pintajännitys esiintyy pääfaasien rajapinnalla, esimerkiksi kaasumaisen ja nestemäisen tai nestemäisen ja kiinteän aineen rajapinnalla. Tämä johtuu suoraan siitä, että nesteen pintakerroksen alkuainehiukkaset kokevat aina erilaisen vetovoiman sisältä ja ulkoa.
Tätä fysikaalista prosessia voidaan tarkastella esimerkkinä vesipisarasta, jossa neste liikkuu itsestään ikään kuin se olisi elastisessa kuoressa. Tässä nestemäisen aineen pintakerroksen atomit vetäytyvät omiin sisäisiin naapureihinsa voimakkaammin kuin ulkoisiin ilmahiukkasiin.
Yleensä pintajännitys voidaan selittää äärettömän pienellä tai alkeistyöllä $\sigma A$, joka on tehtävä nesteen kokonaispinta-alan kasvattamiseksi äärettömän pienellä määrällä $dS$ vakiolämpötilassa $dt$.
Nesteiden pintajännityksen mekanismi
Kuva 2. Skalaaripositiivinen arvo. Author24 - online-vaihto opiskelijapaperit
Neste, toisin kuin kiinteät aineet ja kaasut, ei pysty täyttämään koko astian tilavuutta, johon se asetettiin. Höyryn ja nestemäisen aineen välille muodostuu tietty rajapinta, joka toimii erityisolosuhteissa verrattuna toiseen nestemassaan. Tarkastellaan havainnollistavampaa esimerkkiä kahta molekyyliä $A$ ja $B$. $A$-hiukkanen on itse nesteen sisällä, $B$-molekyyli on suoraan sen pinnalla. Ensimmäistä alkuainetta ympäröivät tasaisesti muut nesteen atomit, joten molekyylien välisen vuorovaikutuksen alueelle joutuvista hiukkasista molekyyliin vaikuttavat voimat aina kompensoituvat, eli toisin sanoen niiden resultanttiteho on nolla.
$B$-molekyyliä kehystävät toiselta puolelta nestemolekyylit ja toiselta puolelta kaasuatomit, joiden lopullinen pitoisuus on paljon pienempi kuin nesteen alkuainehiukkasten yhdistelmä. Koska paljon enemmän molekyylejä vaikuttaa $B$-molekyyliin nesteen puolelta kuin ihanteellisen kaasun puolelta, kaikkien molekyylien välisten voimien resultanttia ei voida enää rinnastaa nollaan, koska tämä parametri on suunnattu nesteen tilavuuden sisään. aine. Jotta molekyyli nesteen syvyydestä päätyisi pintakerrokseen, on siis tehtävä työtä kompensoimattomia voimia vastaan. Ja tämä tarkoittaa, että lähellä pintaa olevat atomit, verrattuna nesteen sisällä oleviin hiukkasiin, on varustettu ylimääräisellä potentiaalienergialla, jota kutsutaan pintaenergiaksi.
Pintajännityskerroin
Kuva 3. Pintajännitys. Author24 - online-vaihto opiskelijapaperit
Määritelmä 2
Pintajännityskerroin on fyysinen indikaattori, joka luonnehtii tiettyä nestettä ja on numeerisesti yhtä suuri kuin pintaenergian suhde nesteen vapaan väliaineen kokonaispinta-alaan.
Fysiikassa pintajännityskertoimen mittauksen perusyksikkö SI-konseptissa on (N)/(m).
Tämä arvo riippuu suoraan seuraavista:
- nesteen luonne ("haihtuvien alkuaineiden, kuten alkoholin, eetterin, bensiinin, pintajännityskerroin on paljon pienempi kuin "haihtumattomien elementtien - elohopea, vesi" osalta);
- nestemäisen aineen lämpötila (mitä korkeampi lämpötila, sitä pienempi lopullinen pintajännitys);
- tietyn nesteen vieressä olevan ihanteellisen kaasun ominaisuudet;
- stabiilien pinta-aktiivisten elementtien, kuten pesujauheen tai saippuan, läsnäolo, jotka voivat vähentää pintajännitystä.
Huomautus 1
On myös huomattava, että pintajännitysparametri ei riipu vapaan nesteväliaineen alkuperäisestä pinta-alasta.
Mekaniikasta tiedetään myös, että sen sisäisen energian minimiarvo vastaa aina järjestelmän muuttumattomia tiloja. Tämän fysikaalisen prosessin ansiosta nestekappale saa usein muodon, jonka pinta-ala on minimaalinen. Jos vieraat voimat eivät vaikuta nesteeseen tai niiden vaikutus on erittäin pieni, sen elementit ovat vesipisaran tai saippuakuplan muodossa olevan pallon muodossa. Samoin vesi alkaa käyttäytyä ilman painovoimaa. Neste liikkuu siten, että sen pääpintaan tangentiaalisesti vaikuttavia tekijöitä vähentäisi tätä väliainetta. Näitä voimia kutsutaan pintajännitysvoimiksi.
Siksi pintajännityskerroin voidaan määritellä myös pintajännitysvoiman perusmoduuliksi, joka yleensä vaikuttaa vapaata nestemäistä väliainetta rajoittavan alkuperäisen ääriviivan pituusyksikköä kohti. Näiden parametrien läsnäolo saa nestemäisen aineen pinnan näyttämään venytetyltä elastiselta kalvolta sillä ainoalla erolla, että kalvon vakiovoimat riippuvat suoraan sen järjestelmän pinta-alasta ja pintajännitysvoimat itse pystyvät työskennellä itsenäisesti. Jos laitat pienen ompeluneulan veden pinnalle, pinta taipuu ja estää sitä uppoamasta.
Ulkoisen tekijän toiminta voi kuvata kevyiden hyönteisten, kuten vesijuoksujen, liukumista vesistöjen koko pinnalla. Näiden niveljalkaisten jalka muuttaa veden pintaa, mikä lisää sen pinta-alaa. Tämän seurauksena syntyy pintajännitysvoima, joka pyrkii vähentämään tällaista pinta-alan muutosta. Resultanttivoima suuntautuu aina yksinomaan ylöspäin kompensoiden painovoiman vaikutusta.
Pintajännityksen tulos
Pintajännityksen vaikutuksesta pienet määrät nestemäistä väliainetta pyrkivät ottamaan pallomaisen muodon, mikä ihannetapauksessa vastaa pienintä arvoa ympäristöön. Pallomuotoisen konfiguraation lähentäminen saavutetaan mitä enemmän, sitä heikommat alkuperäiset painovoimat, koska pienillä pisaroilla pintajännitysvoimaindeksi on paljon suurempi kuin painovoiman vaikutus.
Pintajännitystä pidetään yhtenä tärkeimmät ominaisuudet käyttöliittymät. Se vaikuttaa suoraan fysikaalisten kappaleiden ja nesteiden hienojen hiukkasten muodostumiseen niiden erottamisen aikana sekä alkuaineiden tai kuplien fuusioimiseen sumuissa, emulsioissa, vaahdoissa ja adheesioprosesseissa.
Huomautus 2
Pintajännitys määrittää tulevien biologisten solujen ja niiden pääosien muodon.
Tämän fyysisen prosessin voimien muutos vaikuttaa fagosytoosiin ja alveolaarisen hengitysprosesseihin. Tämän ilmiön ansiosta huokoiset aineet voivat pidättää valtavan määrän nestettä jopa ilmahöyrystä pitkään Kapillaariilmiöitä, joihin liittyy kapillaarien nestepinnan korkeuden muutoksia verrattuna nesteen tasoon leveämmässä astiassa. erittäin yleinen. Näiden prosessien kautta määritetään veden nousu maaperässä, kasvien juuristoa pitkin, biologisten nesteiden liikkuminen pienten putkien ja suonien järjestelmän läpi.
Näet sen ilmentymän aina, kun katsot vettä hitaasti tippuvan sieltä hana. Vesikalvo tulee ulos hanasta ja alkaa venyä, kuten ohut kumikuori, sen sisältämän nesteen painon alaisena. Tämä hanan aukkoon kiinnitetty kalvo pitenee vähitellen, kunnes sen paino tulee yhtäkkiä liian suureksi. Kalvo ei kuitenkaan katkea, koska leikkuri rikkoutuisi ylikuormitettuna. Sen sijaan se "liukuvaa" pois hanan häntäluukista ja ikään kuin syleilee pienen määrän vettä, muodostaa vapaasti putoavan pisaran. Olet epäilemättä havainnut useammin kuin kerran, että putoavat pisarat ottavat melkein pallomaisen muodon. Jos ulkoisia voimia ei olisi, ne olisivat tiukasti pallomaisia. Se, mitä havainnoit, on yksi ilmentymistä veden epätavallisesta kyvystä "kutistua", "itsetiivistyä" tai toisin sanoen sen kyvystä koheesiokykyyn (koheesioon). Hanasta tippuva vesipisara supistuu pieneksi palloksi, ja kaikista mahdollisista geometrisista kappaleista pallon pinta-ala on pienin annetulla tilavuudella.Tarttumisesta johtuen veden pintaan muodostuu jännitystä, ja veden pinnan murtamiseen tarvitaan fyysistä voimaa, ja kummallista kyllä, melko paljon. Häiritsemättömälle vedenpinnalle mahtuu vettä paljon "raskaampia" esineitä, kuten teräsneula tai partakoneen terä, tai joitain hyönteisiä, jotka liukuvat veden läpi ikään kuin se ei olisi nestettä, vaan kiinteä kappale.
Kaikista nesteistä elohopeaa lukuun ottamatta vedellä on suurin pintajännitys.
Nesteen sisällä molekyylien vetovoima toisiinsa on tasapainossa. Mutta ei pinnalla. Syvemmällä sijaitsevat vesimolekyylit vetävät alas ylimmät molekyylit. Siksi vesipisaralla on tapana kutistua niin paljon kuin mahdollista. Pintajännitysvoimat vetivät sitä yhteen.
Fyysikot laskivat tarkalleen, mikä paino tulisi ripustaa kolmen senttimetrin paksuiseen vesipatsaaseen, jotta se rikkoutuisi. Paino tarvitsee valtavan - yli sata tonnia! Mutta silloin vesi on poikkeuksellisen puhdasta. Sellaista vettä ei luonnossa ole. Siinä on aina jotain. Anna ainakin pienen, mutta vieraiden aineiden rikkoa lenkkejä vesimolekyylien vahvassa ketjussa, ja niiden väliset koheesiovoimat vähenevät.
Jos elohopeapisaroita levitetään lasilevylle ja vesipisaroita parafiinilevylle, hyvin pienet pisarat ovat pallon muotoisia, kun taas suuremmat litistyvät hieman painovoiman vaikutuksesta. 
Tämä ilmiö selittyy sillä, että elohopean ja lasin sekä parafiinin ja veden välillä syntyy houkuttelevia voimia (adheesio), jotka ovat pienempiä kuin itse molekyylien välillä (koheesio). Kun vesi joutuu kosketuksiin puhtaan lasin kanssa ja elohopea metallilevyn kanssa, havaitsemme melkein virka-asujen jakelu molemmista aineista levyillä, koska lasin ja vesimolekyylien sekä metalli- ja elohopeamolekyylien väliset vetovoimat ovat suuremmat kuin yksittäisten vesi- ja elohopeamolekuleiden välinen vetovoima. Tätä ilmiötä, jossa neste jakautuu tasaisesti kiinteän aineen pinnalle, kutsutaan kostutukseksi. Tämä tarkoittaa, että vesi kastelee puhtaan lasin, mutta ei kastele parafiinia. Kostuvuus voi tietyssä tapauksessa osoittaa pinnan kontaminaatioasteen. Esimerkiksi puhtaasti pestyllä lautasella (posliini, keramiikka) vesi leviää tasaisesti, puhtaasti pestyssä pullossa seinämät peittyvät tasaisesti vedellä, mutta jos pinnalla oleva vesi on pisaroiden muodossa, se viittaa siihen, että vesi leviää tasaisesti. astia on peitetty ohuella kerroksella ainetta, joka ei kastele vettä. , useimmiten rasvaa.
