Površinski napon. Pojam površinske energije i površinske napetosti Kolika je energija površinskog sloja tečnosti
Rice. 9.3. Djelovanje međumolekulskih sila u zapremini i na površini
Rezultanta svih ovih sila jednaka je 0. Molekul koji se nalazi na površini doživljava privlačenje samo od unutrašnjih molekula (gas zbog svog razrijeđenog stanja slabo interaguje), rezultanta ovih sila je usmjerena unutar tijela, tj. jasno je izražena tendencija uvlačenja površinskih molekula u tijelo; površina tijela izgleda kao da je u napetom stanju i teži da se skuplja. Kako djelovanje sila na površinske molekule nije kompenzirano, takvi molekuli imaju slobodnu površinsku energiju. Hajde da damo definiciju.
Slobodna površinska energija – ovo je višak energije molekula površinskog sloja u odnosu na molekule koji se nalaze unutar DE = E* – E avg.
Ova energija ovisi o prirodi tvari faza u kontaktu, o temperaturi i području razdvajanja faza.
S – površina međufazne površine, m 2 ;
s je koeficijent proporcionalnosti, koji se naziva koeficijent površinskog napona (ili jednostavno površinski napon), J/m 2.
Kao što znate, svaki sistem teži minimalnoj potrošnji energije. Za smanjenje slobodne površinske energije (F s = sS), sistem ima dva načina: smanjiti površinsku napetost s ili
područje međufaznog interfejsa S.
Smanjenje s javlja se tijekom adsorpcije tvari na čvrstim i tekućim površinama (tj pokretačka snaga adsorpcija), kada se jedna tečnost širi preko druge.
Želja za smanjenjem površine S dovodi do spajanja čestica dispergovane faze, do njihovog uvećanja (istovremeno se smanjuje specifična površina), tj. To je razlog termodinamičke nestabilnosti disperznih sistema.
Težnja tekućine da smanji svoju površinu dovodi do činjenice da teži da poprimi oblik kugle. Matematički proračuni pokazuju da sfera ima najmanju površinu pri konstantnoj zapremini, tako da čestice tekućine poprimaju sferni oblik, osim ako ove kapi nisu spljoštene gravitacijom. Kapljice žive na površini imaju oblik kuglica. Sferni oblik planeta također se pripisuje djelovanju površinskih sila.
Površinski napon
Fizičko značenje koeficijent (koeficijenata) površinskog napona se može tumačiti sa različitih tačaka gledišta.
1. Slobodna površinska energija (specifična površinska energija)
Iz izraza 9.3. trebalo bi
[J/m 2 ], (9.4)
gdje je F s – slobodna površinska energija, J;
Ovo implicira fizičko značenje s je slobodna površinska energija molekula površinskog sloja na površini od 1 m2 (ili na drugoj jedinici površine), tj. specifična površinska energija.
Što je veći koeficijent s, veća je površinska energija (vidi tabelu 9.1.).
2. Radite na stvaranju nove površine
Pošto je energija mjera performansi, zamjenom F s sa W, dobivamo:
[J/m 2 ], (9,5)
gdje je W rad na kreiranju novog faznog interfejsa, J;
S – površina interfejsa, m2.
Iz izraza 9.5 slijedi da s je rad koji se mora obaviti da bi se površina međufaza povećala za jednu jedinicu u izotermnim uslovima sa konstantnom zapreminom tečnosti(tj. prenijeti odgovarajući broj tečnih molekula iz zapremine u površinski sloj).
Na primjer, kada se tečnost poprska, obavlja se rad koji se pretvara u slobodnu površinsku energiju (kada se prska, fazna granica se višestruko povećava). Isti rad se troši i pri drobljenju čvrstih materija.
Budući da je površinska napetost povezana s radom utrošenim na razbijanje međumolekulskih veza prilikom prijenosa molekula iz mase u površinski sloj, očito je da je površinska napetost mjera sila međumolekularne interakcije unutar tekućine. Što je tečnost polarnija, to je jača interakcija između molekula, jači su površinski molekuli uvučeni prema unutra, veća je vrijednost s.
Od tečnosti najveća vrijednost s blizu vode (vidi tabelu 9.1.). To nije slučajno, jer se između molekula vode formiraju prilično jake vodikove veze. U nepolarnim ugljovodonicima postoje samo slabe disperzione interakcije između molekula, tako da je njihova površinska napetost niska. Vrijednost s je još veća za tečnu živu. Ovo ukazuje na značajnu međuatomsku interakciju (i veliku količinu slobodne površinske energije).
Čvrste tvari karakterizira visoka s vrijednost.
Površinska sila
Postoji i tumačenje sile površinske napetosti. Na osnovu dimenzije koeficijenta površinskog napona J/m 2 možemo pisati
dakle, površinski napon je površinska sila primijenjena po jedinici dužine konture koja ograničava površinu i ima za cilj smanjenje međufaza.
Postojanje ove sile jasno je ilustrovano Dupreovim iskustvom. Pomični kratkospojnik je pričvršćen za čvrsti žičani okvir (slika 9.2). U okviru je razvučena sapunska folija (pozicija 1). Za rastezanje ovog filma do položaja 2 potrebno je primijeniti silu F 1 kojoj se suprotstavlja sila površinskog napona F 2. Ova sila je usmjerena duž površine (tangencijalno), okomito na konturu koja ograničava površinu. Za film na sl. 9.2 ulogu dijela kola igra pokretni skakač.
Rice. 9.3. Djelovanje sila površinskog napona
Dakle, sile površinskog napona imaju sljedeća svojstva:
1) ravnomerno raspoređeni duž linije za razdvajanje faza;
Površinska napetost se javlja na svim sučeljima. U skladu sa stanjem agregacije ovih faza uvedene su sljedeće oznake:
s LG (na granici tekućina-gas)
s Ž1-Ž2 (na granici dve tečnosti koje se ne mešaju)
s T-G (na granici čvrstog plina)
s T-L (na interfejsu čvrsto-tečnost)
Vrijednosti koeficijenata površinskog napona nekih supstanci na granici sa zrakom i na nekim granicama međutečnosti date su u tabeli. 9.3.
Površinska napetost na granici tečnost–gas i tečnost–tečnost može se odrediti direktno eksperimentalno. Metode za određivanje površinske napetosti na granici s čvrstim tijelom temelje se na indirektnim mjerenjima.
Metode za određivanje površinske napetosti dijele se u tri grupe: statičke, polustatičke i dinamičke.
Statičke metode određuju površinski napon praktično nepokretnih površina, formiranih mnogo prije početka mjerenja i stoga u ravnoteži sa zapreminom tekućine. Ove metode uključuju metodu kapilarnog podizanja i metodu sjedećeg ili visećeg pada (mjehurića).
Dinamičke metode se zasnivaju na činjenici da su neke vrste mehaničkih utjecaja na tekućinu praćene periodičnim istezanjem i sabijanjem njene površine, na koju utječe površinska napetost. Ove metode određuju neravnotežnu vrijednost s. Dinamičke metode uključuju metode kapilarnih valova i oscilirajućih mlaza.
Polustatična Riječ je o metodama za određivanje površinskog napona međupovršine koja nastaje i periodično se ažurira tokom procesa mjerenja (metoda maksimalnog tlaka mjehurića i stalagmometrijska metoda), kao i metode otkidanja prstena i uvlačenja ploče. Ove metode omogućavaju određivanje ravnotežne vrijednosti površinskog napona ako se mjerenja izvode u takvim uvjetima da je vrijeme u kojem se formira interfejs značajno duže od vremena potrebnog za uspostavljanje ravnoteže u sistemu.
Tabela 9.3
Površinska napetost (specifična površinska energija)
neke supstance na granici sa vazduhom (298 K)
| Supstanca | s, mJ/m 2 | Supstanca | s, mJ/m 2 | |
| Tečnost | Čvrste materije | |||
| Heksan | 18,4 | led (270 K) | ||
| Oktan | 21,8 | Kvarc | ||
| Etanol | 22,0 | MgO | ||
| Petrol | 25,0 | Aluminijum | ||
| Benzen | 28,2 | Iron | ||
| Sirćetna kiselina | 27,8 | Tungsten | ||
| Mravlja kiselina | 36,6 | dijamant | ||
| Anilin | 43,2 | Polimeri | ||
| Voda | 71,95 | Politetrafluoroetilen | 18,5 | |
| Merkur | 473,5 | Polietilen | 31,0 | |
| Tečnost - tečnost | Polistiren | 33,0 | ||
| Benzen - voda | 34,4 | Polivinil hlorid | 40,0 | |
| Anilin - voda | 4,8 | Pleksiglas | 38,0 | |
| Hloroform - voda | 33,8 | Emajl K-2 | 31,7 |
Metoda kapilarnog podizanja
Porast tečnosti u kapilari (ako tečnost dobro vlaži zidove kapilara) je uzrokovan površinskom napetošću. Postoji sljedeći odnos između površinske napetosti i visine podizanja tekućine u kapilari (slika 9.4)
, (9.7)
gdje je s površinski napon; h je visina stuba tečnosti; r 2 i r 1 – gustine tečne i zasićene pare; g – ubrzanje slobodan pad; q – kontaktni ugao; r je radijus kapilare.
Za izvođenje eksperimenta potrebni su vam: kapilara promjera 0,2-0,3 mm; posuda u koju se sipa ispitna tečnost; katetometar za mjerenje visine dizanja tekućine (preciznost ± 1 µm) i uređaj za osvjetljavanje meniskusa.
Najveću poteškoću izaziva mjerenje kontaktnog ugla q. Stoga je ovu metodu najpogodnije koristiti za tekućine za koje je q = 0 0.
 |
Rice. 9.4. Podizanje tečnosti u kapilari
Ovaj uslov je ispunjen za vodu i mnoge organske tečnosti. Pošto je cos 0 0 = 1, izraz (9.7) je pojednostavljen i može se koristiti za izračunavanje s. Metoda kapilarnog porasta jedna je od najpreciznijih metoda za određivanje površinske napetosti.
Najkarakterističnije svojstvo tečnosti, koje je razlikuje od gasa, jeste da na granici sa gasom tečnost formira slobodnu površinu, čije prisustvo dovodi do pojave posebne vrste fenomena koji se naziva površina. Svoj izgled duguju posebnim fizičkim uslovima u kojima se molekuli nalaze blizu slobodne površine.
Svaki molekul tekućine podložan je privlačnim silama molekula koji ga okružuju, a koji se nalaze od nje na udaljenosti od oko 10 -9 m (radijus molekularnog djelovanja). Po molekulu M 1 koji se nalazi unutar tečnosti (slika 1), deluju sile iz istih molekula, a rezultanta ovih sila je bliska nuli.
Za molekule M 2 rezultantne sile su različite od nule i usmjerene su u tekućinu, okomito na njenu površinu. Dakle, svi molekuli tečnosti koji se nalaze u površinskom sloju se uvlače u tečnost. Ali prostor unutar tečnosti zauzimaju drugi molekuli, dakle površinski sloj stvara pritisak na tečnost (molekularni pritisak).
Za pomicanje molekula M 3, koji se nalazi direktno ispod površinskog sloja, na površini, potrebno je raditi protiv sila molekularnog pritiska. Posljedično, molekuli u površinskom sloju tekućine imaju dodatnu potencijalnu energiju u odnosu na molekule unutar tekućine. Ova energija se zove površinska energija.
Očigledno, što je veća slobodna površina, veća je površinska energija.
Neka se površina slobodne površine promijeni za Δ S, dok se površinska energija promijenila u \(~\Delta W_p = \alpha \Delta S\), gdje je α - koeficijent površinskog napona.
Pošto je za ovu promjenu potrebno raditi
\(~A = \Delta W_p ,\) zatim \(~A = \alpha \cdot \Delta S .\)
Stoga \(~\alpha = \frac(A)(\Delta S)\) .
SI jedinica površinske napetosti je džul po kvadratnom metru(J/m2).
Koeficijent površinske napetosti- količina koja je brojčano jednaka radu molekularnih sila kada se slobodna površina tečnosti promeni za jedan tokom izotermnog procesa.
Pošto svaki sistem, prepušten sam sebi, teži da zauzme poziciju u kojoj je njegova potencijalna energija najniža, tečnost teži da skuplja slobodnu površinu.
Površinski sloj tečnosti ponaša se kao rastegnuti gumeni film, tj. stalno nastoji smanjiti svoju površinu na najmanju moguću veličinu za dati volumen.
Primjer: Kap tečnosti u bestežinskom stanju ima sferni oblik.
Književnost
Aksenovich L. A. Fizika u srednja škola: Theory. Zadaci. Testovi: Udžbenik. dodatak za ustanove koje pružaju opšte obrazovanje. okoliš, obrazovanje / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - P. 178-179.
1Razmatra se pitanje predviđanja i formiranja koeficijenta trenja u pokretnim odvojivim spojevima. Kao alat za kontrolu vrijednosti potrebnog koeficijenta trenja, predlaže se energija “upumpana” u površinski sloj spojnih površina. Zasićenje površinskog sloja energijom nastaje tokom realizacije tehnološkog procesa izrade određenog dela u svim fazama proizvodnje, od kreiranja radnog komada do završne operacije. Pretpostavlja se da se dobije najniža vrijednost Za određivanje koeficijenta trenja spojenih površina potrebna je minimalna razlika u energijama njihovih površinskih slojeva. Kontrola trenja korištenjem metoda tehnoloških utjecaja omogućit će nam da se približimo rješavanju problema glatkog kretanja dodirnih površina i preciznosti pozicioniranja. Predloženi pristup će nam omogućiti da poboljšamo moderne dizajne proizvoda i izbjegnemo značajne ekonomske troškove.
energija površinskog sloja
koeficijent trenja
tehnološki uticaj
1. Kragalsky I.V., Mikhin N.M. Jedinice trenja mašina: Imenik. – M.: Mašinstvo, 1984. – 280 str., ilustr.
2. Musokhranov M.V., Antonyuk F.I., Kalmykov V.V. Površinska energija i proces postavljanja dodirnih površina // Nauka i obrazovanje: Elektronska znanstveno-tehnička publikacija. 2014. – br. 11. URL: http://technomag.bmstu.ru/doc/737377.html (datum pristupa: 12.01.2015.).
3. Musokhranov M.V., Antonyuk F.I., Kalmykov V.V. Određivanje vrijednosti površinske energije kroz radnu funkciju elektrona // Savremena pitanja nauka i obrazovanje: Elektronski Science Magazine. 2014. – br. 6. URL: http://www.science-education.ru/120-16036 (datum pristupa: 15.01.2015.).
4. Musokhranov M.V. Tehnološko osiguranje kvaliteta površinskog sloja vodećih elemenata mašinstva: dis. dr.sc. tech. nauke – M. 2006. – Str. 65.
5. Suslov A.G. Kvaliteta površinskog sloja mašinskih delova. – M.: Mašinstvo, 2000. – 320 str.
6. Suslov A.G., Dalsky A.M. Scientific Basics tehnologije mašinstva. – M.: Mašinostroenie, 2002. – 684 str.
Prisutnost u referentnoj literaturi standardiziranih podataka za različite slučajeve rasporeda dijelova koji se spajaju, čini se, u potpunosti rješava problem njihovog rada. Istovremeno, postaje očito da se u ovom slučaju pri projektovanju površina mašinskih dijelova, kako trljajući tako i koji čine stacionarne parove spojnih dijelova, vrlo približno karakteriziraju. Efekat posledica tehnološkog uticaja, kao i mnoge prirodna svojstva kinematski parovi se uopšte ne uzimaju u obzir. Energija površinskih slojeva u najboljem scenariju samo navedeno, ali se ne koristi u praksi. Kao rezultat toga, mogu postojati slučajevi grešaka u dizajnu i, kao rezultat, određeni ekonomski troškovi. Određivanje ovakvih troškova zahteva posebne proračune u odnosu na pojedine parove delova i mašine u celini.
Utjecaj energije površinskog sloja na koeficijent trenja
U ogromnoj većini slučajeva, za funkcioniranje parova trenja pokušavaju stvoriti strukture s relativno niskim koeficijentom trenja. To obično dovodi do nekih poboljšanja dizajna. U drugim slučajevima potreban je relativno visok koeficijent trenja, koji se može nazvati koeficijentom prianjanja s vrijednošću većom od jedan, a tada element za vođenje igra posebnu ulogu u određivanju položaja dijela u prostoru. Tako dizajn postaje savršeniji.
Situacija s korištenjem koeficijenta trenja u njegovom najopćenitijem obliku konvencionalno je prikazana na Sl. 1. Najčešće se koristi koeficijent f1, preuzet iz referentne literature. U isto vrijeme, stvarni koeficijent trenja može se pokazati jednakim f1′, jer će se svakako manifestirati utjecaj mikrogeometrije i energije površinskog sloja. U drugom slučaju, iz istih razloga, koeficijent trenja može biti jednak f1″. Ali dizajner je uvjeren da u njegovom slučaju vrijedi koeficijent f1.
Određivanje stvarnih vrijednosti koeficijenata trenja, kao i osiguranje njihovih vrijednosti tehnološkim metodama do potrebnih, prioritetni je zadatak moderna tehnologija mašinstvo i instrumentarstvo.
Rice. 1. Konvencionalni prikaz upotrebe koeficijenata trenja. Tipičan slučaj je kada koeficijenti fluktuiraju u intervalu Δ: Δ= f1″ - f1′
Za kinematičke parove strojeva važno je u praksi stalno smanjivati koeficijente trenja. Potreba za tim određena je sljedećim okolnostima:
Smanjenje koeficijenata uvijek dovodi do ekonomskih koristi, što zauzvrat ima blagotvoran učinak na vrijednosti koeficijenata efikasnosti proizvoda;
Numeričko određivanje ekonomskih koristi ne izaziva poteškoće. To je posebno jasno uočeno prilikom stvaranja industrije ležajeva, kada je trenje klizanja zamijenjeno trenjem kotrljanja;
Problem nesmetanog kretanja dodirnih dijelova. Već sama priroda profila trljajućih površina predodređuje prisustvo takozvanih povremenih oscilacija elemenata u njihovom relativnom kretanju. Svaki pokret je uvijek neujednačen, grčeviti. Smanjenje vrijednosti koeficijenta trenja uvijek će povećati ujednačenost kretanja;
Zahtjevi za tačnost pozicioniranja. To se posebno odnosi na cijeli smjer u elektrotehnici vakuuma. Istovremeno, istraživanja posvećena koeficijentima trenja kako u običnoj atmosferi tako iu vakuumu su od velikog interesa. Preciznost pozicioniranja jedan je od najvažnijih pokazatelja kvaliteta mašina sa programski kontrolisan, koji se koristi ne samo u mašinstvu.
Sinergijski pristup sudaru dvije mikroizbočine dodirnih površina zahtijeva posebnu pažnju. Međutim, čak i ovdje, smatrajući vlastiti sudar kao bifurkaciju, koeficijent trenja se može koristiti kao svojevrsno oruđe za formiranje postbifurkacijskog samoorganizirajućeg prostora. Takav proces se može proširiti na cijelu površinu dodirnih dijelova.
Tradicionalno, kontakt se smatra rezultatom zahvaćanja i deformacije međusobno ugrađenih hrapavosti (mikrohrapavosti) dvije površine koje se spajaju. Prema ovoj hipotezi, što je manja hrapavost, tj. što se temeljitije obrađuju površine za trljanje, to će biti manji koeficijent trenja.
Ova tačka gledišta se vrlo dobro uklapa u umove dizajnera i tehnologa. Međutim, u svjetlu razmatranja pitanja kontaktnih dijelova, potrebno je fokusirati se na dijagram na Sl. 2. Relativnim kretanjem dijelova Dg i prisustvom sile Q nastaju elastoplastična stanja na mjestima mikrokontakata hrapavosti. Gotovo uvijek dolazi do deformacije mikropovršina, uprkos činjenici da su uglovi β (prema dijagramu na slici 2) mali i ne prelaze skoro 35...40°, ovisno o načinu obrade. Jedan par konjugiranih mikroizbočina vrlo je konvencionalno prikazan u deformiranom obliku.
Rice. 2. Šema interakcije mikrohrapavosti dodirnih dijelova
Manifestacija energetskog polja je prikazana konvencionalno strelicama tako da svaki spojeni dio prenosi odgovarajući dio energije drugom dijelu. Zauzvrat, drugi dio, koji također ima energetski potencijal, prenosi energiju prvog dijela. Međusobni prijenos energija šematski je prikazan punim i tačkastim strelicama. Očigledno je da se i deformacija mikroizbočina i prijenos energije uvijek dešavaju, čak i kada postoji mali razmak između dodirnih površina. Iskustvo pokazuje da kod vrlo glatkih, „čisto“ poliranih površina, sile trenja ne samo da se ne smanjuju, već se značajno povećavaju. Primjer je efekat lijepljenja pri spajanju blokova mjerača.
Pretpostavljena ovisnost energetskog stanja i koeficijenta trenja može se prikazati na primjeru gdje je proučavan moment zaglavljivanja dviju trljajućih površina iste hrapavosti Ra = 0,08 μm, čija je vrijednost dobivena različitim tehnološkim operacijama. Na sl. 3. Prvi stupac dijagrama ilustruje da pri brušenju dvije dodirne površine s periferijom točka duž predviđenog kretanja, sila Q pri kojoj nastaje moment zaglavljivanja iznosi 1,8 MPa. Drugi stupac dijagrama ilustruje trenutak lijepljenja kada površina tla dođe u kontakt sa struganom površinom. Treći - dvije strugane površine. Četvrti je polirana površina i površina obrađena lappingom. Peto - dvije prizemne površine. Šesti je samljeven i strugan. V - smjer brzine kretanja. Dijagram pokazuje da se Q mijenja više od 3 puta. Njegova promjena je zbog različitih vrijednosti koeficijenta trenja. Pošto je hrapavost svih površina identična, očigledno jesu različit nivo energija dobijena od tehnološkog uticaja.
Rice. 3. Utjecaj metode obrade na trenutak zaglavljivanja
Dakle, na osnovu svega navedenog, kontakt se mora posmatrati ne samo kao rezultat zahvatanja mikroizbočina, već i uzimajući u obzir sile energetske interakcije koje se manifestuju u interakciji dvije površine. Za vrlo male razmake i razmake između dijelova, nekoliko površinskih molekula spojenih dijelova intenzivnije razmjenjuje akumuliranu energiju, čime se mijenja priroda interakcije - koeficijent trenja. Ova hipoteza vjerovatno može potpunije objasniti prirodu i uzrok trenja koji nastaje kao rezultat interakcije pažljivo obrađenih površinskih slojeva dijelova strojarstva.
Pojava različitih matematičkih zavisnosti ima pozitivan značaj jer nam omogućava da povežemo parametre fizike. solidan, suprotno i dizajnu i tehnologiji. Istovremeno, očigledno je da je direktno korišćenje predstavljenih naučnih podataka u praksi otežano zbog nedostatka numeričke vrijednosti na raspolaganju preduzećima. Neophodan je nastavak započetih radova, kao i kreiranje metodologije za određivanje energetskih komponenti koeficijenata trenja, prvenstveno za precizno inženjerstvo.
Veliki naučni interes uzrokuje proces prijenosa energije, ovisno o razmaku između mikroizbočina i plastične deformacije, što dovodi do intenzivne izmjene energije u kontaktnim područjima dijelova koji se spajaju. To se obično u najvećoj mjeri događa na površinama čiji su parametri hrapavosti 0,1< Ra < 2,5 мкм, а радиусы кривизны микронеровностей 30-670 мкм, толщина деформированного слоя 17-58 мкм. И вероятно, обмен энергией идет по принципу перетекания ее из «объемов» с veliki iznos- na manje.
Zaključak
Shodno tome, da bi se stvorio najmanji koeficijent trenja, potrebno je, kao što slijedi iz gore navedenog, da razlika u vrijednostima energije trljajućeg para bude minimalna. Najbolja opcija je kada su energije dijelova iste, a razlika nula.
Recenzenti:Astahov M.V., doktor tehničkih nauka, profesor, šef Odsjeka za primijenjenu mehaniku, Filijala Kaluga Federalne državne budžetske obrazovne ustanove visokog stručnog obrazovanja „Moskovska država Technical University njima. N.E. Bauman", Kaluga;
Shatalov V.K., doktor tehničkih nauka, profesor, šef katedre za tehnologije obrade materijala, Kaluški ogranak Moskovskog državnog tehničkog univerziteta. N.E. Bauman", Kaluga.
Rad je primljen u red urednika 12.02.2015.
Bibliografska veza
Musokhranov M.V., Kalmykov V.V., Malyshev E.N., Zenkin N.V. ENERGIJA POVRŠINSKOG SLOJA METALA KAO ALAT UTICAJA NA VISINU KOEFICIJENTA TRENJA // Osnovna istraživanja. – 2015. – br. 2-2. – str. 251-254;URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=36797 (datum pristupa: 14.07.2019.). Predstavljamo Vam časopise koje izdaje izdavačka kuća "Akademija prirodnih nauka"
(molekularna fizika i termodinamika)
Mjerenje omjera
površinski napon tečnosti.
Oprema : dinamometar, pokretna šolja vode, omča.
Kratka teorija.
Čestice tekućine (atomi, molekuli, joni), poput molekula plina, vrše kontinuirane haotične oscilacije oko ravnotežnog položaja, a prosječna kinetička energija tih oscilacija određuje temperaturu tijela. “Sloboda” ovih kretanja ograničena je silama interakcije između čestica, međutim, one se povremeno mogu kretati, skakati s jednog mjesta na drugo. Prema tome, tečnost ima svojstvo tečnosti. Ti isti skokovi objašnjavaju proces difuzije u tekućini. Kada se zagreju, tečnosti se šire, ali je njihov temperaturni koeficijent zapreminskog širenja mnogo manji od koeficijenta gasova pri konstantnom pritisku. Zbog malih razmaka između čestica, tečnosti su slabo kompresibilne. Najkarakterističnija karakteristika tečnosti, koja je razlikuje od gasova, jeste da tečnost formira slobodnu površinu na granici sa gasom ili parom. Zbog toga, na primjer, voda u posudi zauzima samo dio volumena koji je određen njenom masom i gustinom, dok plinovi zauzimaju cijeli volumen koji im se daje.
Razmotrimo svojstva površine tečnosti. Molekuli koji se nalaze u površinskom sloju tečnosti nalaze se u različitim uslovima u odnosu na molekule unutar tečnosti. Svaki molekul tekućine, okružen sa svih strana drugim molekulima, podložan je privlačnim silama koje se brzo smanjuju s rastojanjem (slika 1); stoga, počevši od određene minimalne udaljenosti, sile privlačenja između molekula mogu se zanemariti. Ova udaljenost (oko 10 -9 m) naziva se radijus molekularnog djelovanja r , i sfera radijusa r – sfera molekularnog djelovanja.
Molekuli na površini tečnosti iu njenoj dubini nalaze se u različitim uslovima. Razmotrimo molekul koji se nalazi u debljini tečnosti - molekul A(Sl. 1). Na dati molekul će utjecati samo oni njegovi susjedi koji su unutar sfere molekularnog djelovanja radijusa r. Sile kojima ovi molekuli djeluju na molekulu A, su usmjereni u različitim smjerovima i u prosjeku su kompenzirani, tako da je rezultujuća sila koja djeluje na molekul unutar tekućine iz drugih molekula jednaka nuli.
Situacija je potpuno drugačija ako je molekul IN nalazi se od površine na udaljenosti manjoj od r. IN u ovom slučaju sfera molekularnog djelovanja samo je djelimično locirana unutar tečnosti. Iznad površine tečnosti nalazi se para, čija je gustina višestruko manja od gustine tečnosti (na temperaturama ispod kritične), pa se interakcija molekula pare sa molekulima tečnosti može zanemariti. Zato je rezultujuća sila F, primijenjen na svaki molekul površinskog sloja, nije jednak nuli i usmjeren je u tekućinu. dakle, rezultirajuće sile svih molekula površinskog sloja vrše pritisak na tekućinu, koji se naziva molekularnim.
Ukupna energija čestica tekućine sastoji se od energije njihovog haotičnog (toplinskog) kretanja i potencijalne energije uzrokovane silama međumolekularne interakcije. Da bi se molekul pomaknuo iz dubine tekućine do površinskog sloja, rad mora biti uložen. Ovaj rad se obavlja zbog kinetičke energije molekula i ide na povećanje njihove potencijalne energije. Dakle, molekuli u površinskom sloju tečnosti imaju veću potencijalnu energiju od molekula unutar tečnosti. Što je veća površina tečnosti, više molekula ima višak potencijalne energije. Ova dodatna energija koju posjeduju molekuli u površinskom sloju tekućine, tzv površinska energija, proporcionalno površini sloja
,
(1)
gdje je σ – koeficijent površinskog napona, što je specifična površinska energija sloja.
Površinska energija je jedna od vrsta unutrašnje energije koja je odsutna u plinovima, ali je dostupna u tekućinama i čvrstim tvarima.
Molekuli koji se nalaze na površini tečnosti će težiti da se "uvuku" u tečnost. Zbog termičkog kretanja, mali dio molekula ponovo izlazi na površinu. Povlačenje molekula prema unutra se dešava brže od kretanja molekula prema površini. Međutim, svi molekuli ne mogu ući unutra, pa je broj preostalih molekula na površini takav da je površina minimalna za datu zapreminu tekućine. Površina tečnosti će se skupljati sve dok ne nastupi dinamička ravnoteža, tj. sve dok broj molekula koji napuštaju površinski sloj i vraćaju se u njega u isto vrijeme ne bude isti. Budući da je stanje ravnoteže karakterizirano minimalnom potencijalnom energijom, tekućina će, u odsustvu vanjskih sila, poprimiti takav oblik da za dati volumen ima minimalnu površinu, tj. oblik lopte.
R 
Razmotrimo dio površine tekućine omeđen zatvorenom konturom a b c d(Sl. 2).
Želja da se ovo područje steže dovodi do toga da djeluje na područja koja ga graniče sa silama raspoređenim duž cijele konture. Ove snage su pozvani sile površinskog napona: sila koja djeluje duž površine tekućine okomito na liniju koja ograničava ovu površinu i teži da je svede na minimum.
Ako na kolo djeluje vanjska sila F 1 , nastojeći povećati površinu konture pomicanjem sekcije ab na daljinu dx na novu poziciju a" b" , tada će posao biti obavljen:
,
(2)
ovdje se uzima u obzir da 
prema Newtonovom III zakonu, gdje F- sila površinske napetosti tečnosti koja teži održavanju stanja tečnosti u ravnoteži.
Prema zakonu održanja energije 
- rad je jednak promeni energije površine tečnosti, tj. promjena površinske energije. dakle,
.
(3)
Izjednačimo desne strane jednadžbi (2) i (3), uzimajući u obzir da 
, Gdje ℓ
- dužina konture:
, dakle,
.
(4)
Formula (4) je formula za izračunavanje sile površinskog napona.
Vrijednost σ naziva se koeficijent površinske napetosti. Njegovo fizičko značenje može se odrediti pomoću formula (3) i (4):
Jedinice koeficijenta površinske napetosti:
.
Koeficijent površinskog napona zavisi od vrste tečnosti, njene temperature i stepena čistoće supstance. Na primjer, površinski aktivne tvari smanjuju koeficijent površinske napetosti.
Čvrste materije i tečnosti imaju interfejs sa susednim fazama. Stanje molekula supstance u zapremini faze i u površinskom sloju nije isto. Glavna razlika je u tome što površinski sloj molekula čvrste ili tečne tvari ima višak Gibbsove energije u odnosu na molekule u masinoj fazi. Prisustvo površinske Gibbsove energije nastaje zbog nepotpune kompenzacije međumolekularnih privlačnih sila među molekulima površinskog sloja zbog njihove slabe interakcije sa susjednom fazom.
Razmotrimo djelovanje molekularnih sila na molekul u dubini i na površini tekućine na primjeru dvofaznog sistema tekućina-vazduh (slika 1)
sile različitih vrijednosti, budući da su ukupne privlačne sile jedinice zapremine tečnosti mnogo veće od sile jedinice zapremine vazduha.
Rezultirajuća sila P molekule B usmjerena je prema dolje okomito na površinu tekućine. Svi molekuli površinskog sloja tečnosti su pod uticajem takvih nekompenzovanih sila.
Posljedično, potencijalna energija molekula na granici je veća od potencijalne energije molekula unutar faze. Ove razlike u energetskom stanju svih molekula površinskog sloja karakterizira slobodna površinska energija G s.
Slobodna površinska energija naziva se termodinamička funkcija koja karakterizira energiju međumolekularne interakcije čestica na granici s česticama svake od kontaktnih faza. Slobodna površinska energija ovisi o broju čestica na međufaznoj površini, te je stoga direktno proporcionalna površini međufazne površine i specifičnoj energiji međufazne interakcije:
gdje je σ površinska napetost ili specifična slobodna površinska energija, koja karakterizira energiju međufazne interakcije po jedinici površine međufazne granice; S je područje faznog interfejsa.
Iz jednačine (1) slijedi:
Površinski napon σ je važna karakteristika svake tečnosti. Fizičko značenje površinske napetosti može se izraziti u energiji i sili.
Prema energetskom izrazu, površinska napetost je površinska Gibbsova energija po jedinici površine. U ovom slučaju, σ je jednak radu utrošenom na formiranje jedinice površine. Jedinica za energiju za σ je .
Definicija sile površinske napetosti je formulirana na sljedeći način: σ je sila koja djeluje na površinu tangencijalno na nju i koja teži da smanji slobodnu površinu tijela na najmanju moguću granicu za dati volumen. U ovom slučaju, jedinica za σ je .
U heterogenim sistemima, interfejs po jedinici mase je veoma mali. Stoga se vrijednost površinske Gibbsove energije G s može zanemariti.
Prema drugom zakonu termodinamike, Gibbsova energija sistema spontano teži minimumu. Za pojedinačne tekućine, smanjenje površinske Gibbsove energije provodi se uglavnom zbog redukcije površine (spajanje malih kapi u veće, sferni oblik tekućih kapi u suspenziji). U otopinama može doći i do smanjenja površinske Gibbsove energije zbog promjene koncentracije komponenti u površinskom sloju.
Površinska energija i površinska napetost ovise o temperaturi, prirodi okolnog medija, prirodi i koncentraciji otopljenih tvari.
Adsorpcija, njeni osnovni pojmovi i vrste
Adsorpcija naziva se koncentracija (zgušnjavanje) supstanci na granici. Supstanca koja adsorbuje drugu supstancu naziva se adsorbent (slika 2). Naziv adsorbovane supstance zavisi od njenog položaja u odnosu na adsorbent. Ako je tvar u nekom volumenu i može se adsorbirati (njegov kemijski potencijal je μ V, a koncentracija c), tada se naziva adsorptivni. Ista tvar u adsorbiranom stanju (njen hemijski potencijal već postaje jednak μ B, a koncentracija - sa B) nazvat će se adsorbat. Drugim riječima, za označavanje položaja adsorbirane supstance, koriste se termini adsorptivni(prije adsorpcije) i adsorbat(nakon adsorpcije).
tečnost ili gas (vidi sliku 2). Neki molekuli s površine mogu se vratiti u volumen. Obrnuti proces adsorpcije se naziva desorpcija.
U zavisnosti od stanja agregacije adsorbenta i adsorbenta, razlikuje se adsorpcija na granici čvrste materije i gasa (S-G), tečnosti i gasa (L-G) i čvrstog i tečnog (S-L).
Razmotrimo kao primjer neke procese adsorpcije.
Aktivni ugljen ima značajnu poroznost i povećan kapacitet adsorpcije, te dobro adsorbira isparljive tvari. Masti i proteini sadržani u mlijeku se adsorbiraju na granici voda-vazduh i smanjuju površinski napon vode sa 73 na 45-60 mJ/m2. Pročišćavanje biljnih ulja od tvari za bojenje, tzv. proces izbjeljivanja, provodi se pomoću bentonitnih glina koje djeluju kao adsorbent. Na osnovu adsorpcije, tečnosti se pročišćavaju i bistre.
Adsorpcija gasova na uglju se dešava na granica T-G, masti i proteini – na granica Zh-G, i tvari za bojenje na bentonit - duž granice dva kondenzirana tel T-J. Štoviše, u prvom slučaju, molekuli plina ili pare se adsorbiraju na čvrstoj površini, au drugom i trećem slučaju tvar otopljena u tekućini djeluje kao adsorbat. Tokom svih ovih procesa, supstance su koncentrisane na granici.
Karakterizira višak adsorbata u površinskom sloju u odnosu na njegovu površinsku količinu u ovom sloju pretjerano, odnosno tzv Gibbsova adsorpcija(G). Pokazuje koliko se koncentracija adsorbata povećala kao rezultat adsorpcije:
gdje je N količina adsorbata u adsorpcijskom sloju kada njegova koncentracija na površini odgovara koncentraciji u masnoj fazi.
Kada koncentracija adsorbata na površini adsorbenta značajno premašuje njegovu koncentraciju u zapremini, tj. sa B >>c, onda se vrijednost N može zanemariti i može se pretpostaviti da
U slučaju adsorpcije na granici tekućina-gas i adsorpcije na čvrstim glatkim površinama, vrijednosti G i A određuju se u odnosu na jediničnu površinu međufazne površine, tj. dimenzija G i A će biti mol/m2.
Za čvrsti i posebno porozni praškasti adsorbens koji ima značajnu faznu granicu, adsorpcija se izražava u odnosu na jediničnu masu adsorbenta, tj. u ovom slučaju, veličine G i A imaju dimenziju mol/kg.
Dakle, vrijednost adsorpcije za i-tu komponentu
gdje je n i višak broja molova adsorbata i-te komponente na površini u odnosu na njegov sadržaj u zapremini; B – površina interfejsa, m2; m – masa poroznog praškastog adsorbenta, kg.
U slučaju adsorpcije jedne komponente, jednadžbe su pojednostavljene:
(6)
Adsorpcija na granici tečnost-gas, tečnost-tečnost.
Gibbsova adsorpciona jednačina
Kada se rastvore u vodi, surfaktanti se akumuliraju u površinskom sloju; surfaktanti su, naprotiv, koncentrirani u zapremini rastvora. U oba slučaja, distribucija tvari između površinskog sloja i unutrašnjeg volumena podliježe principu minimalne Gibbsove energije: na površini se pojavljuje supstanca koja daje najmanju moguću površinsku napetost pod datim uvjetima. U prvom slučaju to su molekuli surfaktanta, u drugom molekuli rastvarača (vode). Dolazi do adsorpcije.
Razlika u koncentracijama u površinskom sloju i volumenu otopine dovodi do pojave sila osmotskog tlaka i procesa difuzije, koji teži izjednačavanju koncentracija u cijelom volumenu.
Kada će smanjenje površinske energije povezano s iscrpljivanjem ili obogaćivanjem površinskog sloja otopljenom tvari biti uravnoteženo suprotnim silama osmotskog tlaka (ili kada su kemijski potencijali otopljene tvari i otapala u površinskom sloju jednaki njihovim kemijskim potencijalima u rasuti rastvor). U sistemu će nastupiti pokretna ravnoteža koju karakteriše određena razlika u koncentracijama između površinskog sloja i zapremine rastvora.
Višak ili nedostatak otopljene tvari u površinskom sloju, po jedinici površine. Označeno sa G, naziva se Gibbsova adsorpcija i izražava se u mol/m2, kg/m2, itd.
U slučajevima kada je koncentracija adsorbenta u površinskom sloju veća nego u zapremini rastvora, G>0 – adsorpcija je pozitivna. Ovo je tipično za otopine surfaktanata. Uz nedostatak tvari u površinskom sloju G<0 – адсорбция отрицательна, что имеет место для растворов ПИВ.
Dakle, pozitivna adsorpcija je adsorpcija praćena akumulacijom otopljenih tvari u površinskom sloju. Negativna adsorpcija naziva se adsorpcija, praćena pomicanjem otopljene tvari iz površinskog sloja u okolinu.
Samo pozitivna adsorpcija ima praktičan značaj, stoga termin „adsorpcija“ označava upravo ovaj slučaj.
 |
Izoterma adsorpcije za sučelje tečnosti, tj. za sisteme tečnost-gas i tečnost-tečnost po pravilu ima oblik prikazan na slici 3.
Slika 3 Izoterma adsorpcije
Najveća i konstantna vrijednost adsorpcije G ili A, pri kojoj se postiže zasićenje adsorpcionog sloja i adsorpcija više ne ovisi o koncentraciji, naziva se granična adsorpcija G PR (A PR).
Granica pozitivne adsorpcije je potpuno zasićenje površinskog sloja molekulima otopljene tvari. Proces zasićenja monosloja inhibira se toplinskim kretanjem, koje uvlači dio molekula adsorbirane tvari iz površinskog sloja u otopinu. Kako temperatura opada, toplinsko kretanje slabi, a površinski višak pri istoj koncentraciji otopine se povećava.
Granica kojoj teži negativna adsorpcija je potpuno pomicanje otopljene tvari molekulama otapala iz površinskog sloja.
Jednostavne i pristupačne metode za direktno određivanje viška rastvorene supstance u adsorpcionom sloju na granicama pokretnih faza još ne postoje. Međutim, na sučeljima tekućina-plin i tekućina-tečnost, površinska napetost se može precizno izmjeriti, pa je Gibbsova jednadžba izotermne adsorpcije posebno važna za određivanje adsorpcije:
(7)
gdje je c koncentracija u ravnoteži adsorpcijskog sloja i plinovite ili otopljene tvari u mediju iz kojeg dolazi do adsorpcije;
dσ – beskonačno mala promjena površinske napetosti; R – univerzalna plinska konstanta; T – temperatura; dc – beskonačno mala promjena koncentracije otopine; G - površinski višak adsorbirane tvari.
Gibbsova jednadžba vam omogućava da odredite vrijednost površinskog viška smanjenjem vrijednosti σ uzrokovano promjenom koncentracije otopine. G je razlika između koncentracija adsorbenta u površinskom sloju i u masi otopine. Konačni rezultat izračunavanja Γ ne zavisi od metode izražavanja koncentracije c. Predznak adsorpcije je određen predznakom derivata.
Ako je adsorpcija pozitivna, onda prema jednačini (7)<0, Г>0. Sa negativnom adsorpcijom >0, G<0. Зависимость знака адсорбции от знака называют правилом Гиббса.
Jednačina Gibbsove adsorpcione izoterme sa stajališta termodinamike je univerzalna i primjenjiva na sučelje bilo koje faze. Međutim, obim praktične upotrebe jednačine za određivanje veličine adsorpcije ograničen je na sisteme za koje je dostupno eksperimentalno mjerenje površinske napetosti, tj. sistemi tečnost-gas i tečnost-tečnost. Vrijednosti Γ izračunate korištenjem ove jednadžbe najpribližnije se podudaraju s vrijednostima pronađenim drugim metodama u području razrijeđenih otopina.
