Povrchové napětí

Povrchové napětí je termodynamická charakteristika rozhraní mezi dvěma fázemi v rovnováze , určená prací reverzibilní izotermokinetické tvorby jednotkové plochy tohoto rozhraní za předpokladu, že teplota, objem systému a chemické potenciály všech složek v obou fázích zůstávají konstantní.

Povrchové napětí má dvojí fyzikální význam – energetický (termodynamický) a silový (mechanický). Energetická (termodynamická) definice: povrchové napětí je specifická práce zvětšování povrchu při jeho natahování za předpokladu, že teplota je konstantní. Definice síly (mechanické): povrchové napětí je síla působící na jednotku délky čáry, která omezuje povrch kapaliny [1] .

Síla povrchového napětí směřuje tangenciálně k hladině kapaliny, kolmo k úseku obrysu, na který působí, a je úměrná délce tohoto úseku. Koeficient úměrnosti – síla na jednotku délky obrysu – se nazývá koeficient povrchového napětí. V SI se měří v newtonech na metr. Je však správnější definovat povrchové napětí jako energii v joulech na jednotku povrchového zlomu (m²). V tomto případě se objevuje jasný fyzikální význam pojmu povrchové napětí. $\gamma$

V roce 1983 bylo teoreticky dokázáno a potvrzeno údaji z referenčních knih [2] , že pojem povrchové napětí kapaliny je jednoznačně součástí pojmu vnitřní energie (byť specifická: pro symetrické molekuly tvarově blízké kulovému). Vzorce uvedené v tomto článku v časopise umožňují některým látkám teoreticky vypočítat hodnoty povrchového napětí kapaliny z jiných fyzikálních a chemických vlastností, například z výparného tepla nebo z vnitřní energie [3] [4] ).

V roce 1985 publikoval podobný pohled na fyzikální podstatu povrchového napětí jako součásti vnitřní energie při řešení dalšího fyzikálního problému W. Weisskopf v USA [5] .

Povrchové napětí vzniká na rozhraní mezi plynnými , kapalnými a pevnými tělesy. Obvykle se termín "povrchové napětí" týká povrchového napětí kapalných těles na rozhraní kapalina-plyn. V případě rozhraní kapaliny lze povrchové napětí považovat také za sílu působící na jednotku délky obrysu povrchu a směřující ke zmenšení povrchu na minimum pro dané objemy fáze.

Přístroj pro měření povrchového napětí se nazývá tenzometr .

Projevy

Protože zvětšení povrchové plochy rozhraní kapalina-plyn vyžaduje výkon práce, kapalina „má tendenci“ zmenšovat svůj povrch:

ve stavu beztíže nabývá část kapaliny kulového tvaru (koule má nejmenší povrch ze všech těles stejného objemu). Totéž se děje s kapkou kapaliny umístěnou uvnitř jiné, nemísitelné kapaliny s první kapalinou stejné hustoty ( Platónův experiment ).
laminární vodní paprsek tvoří válec, který se pak rozpadá na kulovité kapky kvůli nestabilitě Rayleigh-Plateau .
malé předměty s průměrnou hustotou větší než je hustota kapaliny jsou schopny „plavat“ na povrchu kapaliny, protože jejich hmotnost je vyvážena silou povrchového napětí.
některé druhy hmyzu (například vodní striders ) se mohou pohybovat vodou a držet se na jejím povrchu v důsledku sil povrchového napětí.
Na mnoha površích, označovaných jako nesmáčivé ( hydrofobní ), se voda (nebo jiná kapalina) shromažďuje v kapičkách.

Teorie

Plocha povrchu

Povrch kapaliny má volnou energii :

{\mathcal {E}}_{surf}=\sigma S,

kde je koeficient povrchového napětí,

\sigma

S

je celkový povrch kapaliny [6] .

Protože volná energie izolovaného systému má tendenci k minimu, má kapalina (v nepřítomnosti vnějších polí) tendenci zaujmout tvar, který má minimální povrch. Problém tvaru kapaliny je tedy za daných dalších podmínek (počáteční distribuce, objem atd.) redukován na izoperimetrický problém . Volná kapka má tendenci mít tvar koule , ale za složitějších počátečních podmínek se problém tvaru povrchu kapaliny stává extrémně složitým matematicky.

Laplaceův vzorec

Uvažujme tenký tekutý film, jehož tloušťku lze zanedbat. Ve snaze minimalizovat svou volnou energii vytváří fólie tlakový rozdíl z různých stran. To vysvětluje vznik mýdlových bublin : fólie je stlačována, dokud tlak uvnitř bubliny nepřekročí atmosférický o hodnotu přídavného tlaku povrchového napětí fólie. Přídavný tlak v bodě na povrchu závisí na průměrném zakřivení v tomto bodě a je dán Laplaceovým vzorcem :

\Delta p=\sigma K=\sigma \left({1 \over R_{1}}+{1 \over R_{2}}\right).

Zde jsou poloměry hlavních zakřivení v bodě. Mají stejné znaménko, pokud odpovídající středy křivosti leží v bodě na stejné straně tečné roviny , a mají jiné znaménko, leží-li na různých stranách. Například u koule se středy zakřivení v libovolném bodě povrchu shodují se středem koule, takže: $R_{1,2}$

R_{1}=R_{2}=R,

\Delta p={2\sigma \over R}.

Pro případ povrchu kruhového válce o poloměru máme: $R$

R_{1}=R,~~~R_{2}=\infty ,

\Delta p={\sigma \over R}.

Protože se musí jednat o spojitou funkci na povrchu fólie, volba „kladné“ strany fólie v jednom bodě lokálně jednoznačně nastaví kladnou stranu povrchu v dostatečně blízkých bodech. $\Delta str$

Z Laplaceova vzorce vyplývá, že volný mýdlový film natažený přes rám libovolného tvaru a nevytvářející bubliny bude mít průměrné zakřivení rovné 0.

Teplotní závislost

S rostoucí teplotou povrchové napětí klesá a při kritické teplotě je rovno nule. Nejznámější empirickou závislost povrchového napětí na teplotě navrhl Lorand Eötvös , tzv. Eötvösovo pravidlo . V současné době byl získán závěr o teoretické závislosti povrchového napětí na teplotě v oblasti do kritických teplot, potvrzující Eötvösovo pravidlo [7] .

Způsoby určení

Metody zjišťování povrchového napětí se dělí na statické a dynamické. Ve statických metodách se povrchové napětí určuje na vytvořeném povrchu, který je v rovnováze. Dynamické metody jsou spojeny s destrukcí povrchové vrstvy. V případě měření povrchového napětí roztoků (zejména polymerů nebo povrchově aktivních látek) by měly být použity statické metody. V některých případech může rovnováha na povrchu nastat během několika hodin (například v případě koncentrovaných roztoků polymerů s vysokou viskozitou). Dynamické metody lze použít pro stanovení rovnovážného povrchového napětí a dynamického povrchového napětí. Například pro mýdlový roztok po smíchání je povrchové napětí 58 mJ / m² a po usazení - 35 mJ / m². To znamená, že se povrchové napětí mění. Dokud nebude ustavena rovnováha, bude dynamická.

Statické metody:

Metoda měření výšky menisku v kapiláře .
Wilhelmyho metoda .
Metoda přisedlé kapky.
Metoda stanovení podle tvaru visící kapky.
Metoda rotující kapky.

Dynamické metody:

Du Nouy metoda (metoda odtrhávání prstenu).
Stalagmometric, neboli metoda počítání kapek.
Metoda maximálního tlaku bublin.
Metoda oscilačního proudu.
Metoda stojatých vln.
Metoda postupné vlny.

Metody

Plně standardizované metody měření jsou popsány v příslušných ASTM , GOST atd.

Metoda rotující kapky

Podstatou metody je měření průměru kapky kapaliny rotující v těžší kapalině [8] . Tato metoda měření je vhodná pro měření nízkých nebo ultranízkých hodnot mezifázového napětí. Je široce používán pro mikroemulze, měření účinnosti povrchově aktivních látek (surfaktantů) při výrobě ropy a také pro stanovení adsorpčních vlastností.

Du Nuyova metoda (metoda odtržení prstenu)

Metoda je klasická. Podstata metody vyplývá z názvu. Prsten vyrobený z platinového drátu, jehož rovina je rovnoběžná s povrchem kapaliny, se pomalu zvedá z kapaliny, která jej smáčí, síla v okamžiku oddělení prstence od povrchu je silou povrchového napětí a lze ji přeměnit na povrch energie. Metoda je vhodná pro měření povrchového napětí povrchově aktivních látek, transformátorových olejů atd.

Metoda kapilární vlny

Když je kapalina rozrušena kmitající deskou ležící na jejím povrchu, kapilární vlny se šíří po povrchu kapaliny . Pokud je kyveta s kapalinou osvětlena pulzním světelným zdrojem (stroboskopem) s frekvencí záblesku rovnou frekvenci oscilace perturbační desky, pak bude pozorován vizuálně stacionární vlnový vzor. Na základě naměřené vlnové délky lze povrchové napětí vypočítat pomocí vzorce:

\sigma ={\frac {\rho \lambda ^{2}}{4\pi ^{2}}}(2\pi \nu ^{2}\lambda -g),

kde je povrchové napětí;

\sigma

\rho

je hustota kapaliny;

\lambda

je vlnová délka;

\nu

je frekvence kmitání desky;

G

- gravitační zrychlení.

Povrchové napětí některých kapalin na rozhraní se vzduchem

Látka	Teplota °C	Povrchové napětí (10 −3 N/m)
Chlorid sodný 6M vodný roztok	dvacet	82,55
Chlorid sodný	801	115
Glycerol	třicet	64,7
Cín	400	518
Kyselina dusičná 70%	dvacet	59,4
anilin	dvacet	42.9
Aceton	dvacet	23.7
Benzen	dvacet	29,0
Voda	dvacet	72,86
Glycerol	dvacet	59,4
Olej	dvacet	26
Rtuť	dvacet	486,5
kyselina sírová 85%	dvacet	57,4
Ethanol	dvacet	22.8
Octová kyselina	dvacet	27.8
Ethylether	dvacet	16.9
mýdlový roztok	dvacet	43

Projevy

Mýdlová bublina
Sedmikráska
Fotografie ukazuje efekt, nazývaný " slzy vína "
Kapka vody na list
Hromada na hranici louží a suchého asfaltu
Voda teče po suchém asfaltovém povrchu

Viz také

Odkazy

[www.xumuk.ru/colloidchem/19.html Metody pro stanovení povrchového napětí]
Video o fyzikální povaze povrchového napětí kapaliny jako součásti vnitřní energie Archivní kopie z 20. prosince 2020 na Wayback Machine (ruština)

Poznámky

↑ Summ B. D. Základy koloidní chemie
↑ (Článek: Journal of Physical Chemistry. 1983, č. 10, s. 2528-2530) . Získáno 16. února 2014. Archivováno z originálu 21. února 2014. (neurčitý)
↑ Khaidarov G. G., Khaidarov A. G., Mashek A. Ch. Fyzikální povaha povrchového napětí kapaliny // Bulletin of St. Petersburg University. Řada 4 (Fyzika, Chemie) 2011. Číslo 1. s.3-8. (nedostupný odkaz) . Datum přístupu: 16. února 2014. Archivováno z originálu 22. února 2014. (neurčitý)
↑ Khaidarov G. G., Khaidarov A. G., Mashek A. Ch., Mayorov E. E. Vliv teploty na povrchové napětí // Bulletin of St. Petersburg University. Řada 4 (Fyzika, Chemie). 2012. Číslo 1. s. 24-28. (nedostupný odkaz) . Datum přístupu: 16. února 2014. Archivováno z originálu 22. února 2014. (neurčitý)
↑ Weisskopf VF American Journal of Physics 53 (1985) 19-20.; VF Weisskopf, American Journal of Physics 53 (1985) 618-619.
↑ Všimněte si, že film, stejně jako stěna mýdlové bubliny, má dvě strany, takže povrch kapaliny je dvakrát větší než plocha filmu.
↑ Časopis "Bulletin of St. Petersburg University", 2012, no. 1, str. 24-28
↑ Tenziometr SITE100 . Získáno 19. listopadu 2008. Archivováno z originálu 3. dubna 2009. (neurčitý)