A folyadékok molekuláris nyomása és felületi feszültsége
Mindegyik molekula a folyadék belsejében vonzó erővel rendelkezik ezen erők hatáskörében elhelyezkedő összes molekulából. Mint ismeretes, ez a gömb sugara van. Egyenlő minden erővel. amely a molekulák oldalán a sugár területén helyezkedik el. közel van a nullahoz, azaz.
Ez az erő pontosan egyenlő nullával, ha a környező molekulák tökéletesen szimmetrikusan helyezkednek el és egyenlő távolságra vannak attól. Azonban a szomszédos molekulák relatív elrendezésének véletlenszerű változása a termikus mozgásuk miatt ez az összeg nullától eltérő. Így minden egyes folyadék molekula folyamatosan az eredmény hatására mozog. idővel nagyságrenddel és irányban változtatva. Ez az eredmény arra az oldalra irányul, ahol nagy molekulasérülések fordulnak elő, és a szomszédos molekulák közelebb vannak. Következésképpen a kölcsönös vonzás molekuláris ereje hozzájárul a molekulák koncentrációjához.
Most hagyjuk, hogy a j-es molekula olyan közel helyezkedjen el a felszínhez, hogy a molekuláris hatások gömbje áthalad a folyadék felszínén (69.
Ebben az esetben, része a gömb cselekvési molekuláris erők, feküdt a folyadék felszíne feletti, tartalmaz szignifikánsan kevesebb folyadék molekuláival (gőz), mint található a felszín alatt (folyadékkal), miközben a molekula a lehívott több mint felfelé. Ezért, a kapott nem nulla a szimmetria miatt, és merőleges a felületéről a folyadékba.
Egy bizonyos S területet választunk a folyadék felületén, például kör alakban (69. Az ezen a területen lefedett molekulákat belső erők kapcsolják össze, ezért ez a monomolekuláris lemez egy bizonyos testnek (filmnek) tekinthető. Tegyük fel, hogy N molekulákat helyezzünk ezen az oldalon. Ezután a lemez összes molekulájára ható teljes erő nagysága lesz
mivel minden erő párhuzamos és azonos értékű. Ha a mennyiséget (5.2.1) osztják a lemez S területével, akkor az úgynevezett molekulasúlyot kapjuk p # 924; amellyel a felületi réteg a folyadék fennmaradó tömegére hat:
Az utolsó kifejezés összes tényezője arányos a folyadék sűrűségével (moláris tömeg, V # 924, moláris térfogat). ezért
ahol a egy olyan arányossági együttható, amely a folyadék molekuláinak vonzó erejét jellemzi. A folyadék (5.2.3.) Molekulasúlya ugyanolyan, mint a gázok esetében (3.4.8.). Az egyetlen különbség a V # 924 moláris térfogat nagyságában van; amely a folyadékok esetében sokkal kisebb, mint a gázok esetében. Beszéljük meg a víz molekuláris nyomását. A tapasztalatokból kiderül, hogy a = 0,555 J # 8729; m 3 / mol 2. V # 924; = 18 # 8729; 10 -3 / 10 3 = 18 # 8729; 10 -6 m 3 / mol. Ezeket a mennyiségeket (5.2.3) helyettesítjük
p # 924; = 1,7 # 8729; 10 9 Pa 17000 atm.
A megadott példából világosan látszik, hogy a folyadékokat nehezen tömörítik. Mindig kompresszált állapotban vannak, nagyon nagy molekulasúly mellett, és ezért a térfogat észrevehető csökkenése megköveteli egy olyan nyomás alkalmazását, amely ugyanolyan sorrendben van, mint a molekulasúly. Megjegyezzük, hogy lehetetlen közvetlenül megmérni a molekuláris nyomást, mivel bármely manométer külső és hidrosztatikus nyomást mér.
A kölcsönös vonzás a molekulák nem csak egy felületi réteg a többi a folyadék nyomása, de általában is, hogy csökkentsék a folyékony felületre, azaz. E. Ok erő irányított a felület mentén, hasonló ahhoz, amit már egy feszített gumi film. Ez a felületi feszítőerő szorosan kapcsolódik a molekulasúlyhoz. Valóban, minden molekula felszínén helyezkedik tapasztal ható erő a folyadék, így minden ilyen molekulák hajlamosak, hogy elkerülje a felszíni és merülés a folyadékba. Ezért, a folyadék egyensúlyt kell elérni egy ilyen elrendezése molekulák, amikor a felület a lehető legkevesebb számú molekula, azaz. E. A folyadék felszínén a legkisebb értéket. Ez a vágy, hogy a legalacsonyabb folyadékfelszín teremt a hasonlóság a folyadék felületének egy elasztikus fólia, amelynek a feszített, hajlamos arra, hogy húzza össze, és hogy csökkentse annak felületi. Egy adott térfogat minden testéről a labda a legkevesebb felület. Ezért a kis csepp folyadék formájában gömb alakú.
Nézzük meg újra egy S felületű monomolekuláris lemezt egy folyadék felületén. A lemezen belül fekvő j-molekula erők rajongója. a folyadék felületén érintő síkban feküdnek. Az S helyszínen belül elhelyezkedő összes molekulánál a Fij mindegyike kölcsönösen kiegyensúlyozott. Csak a kerület mentén elhelyezkedő molekulákban, ami korlátozza a területet. A kifelé irányuló irányok kiegyensúlyozatlanok maradnak és az eredményes erőt adják. merőleges a körre és érintkezik a folyadék felületével. A külső erők moduljainak összege. az S. felület által lefedett stretch filmeket a felületi feszültség erőnek nevezzük. Az S területet határoló felületi feszítőerőt, amely a kerület egysége hosszának egy hossza, az adott folyadék felületi feszültségének koefficiense:
Az SI rendszerben a felületi feszültség koefficiensének mérési egysége N / m.
A felületi feszültség együtthatója a hőmérséklet függvénye. Növekvő hőmérséklettel, ez csökken, amint a folyadék melegítés növeli közötti átlagos távolság a molekulák, csökkenését eredményezi a vonzóerők, és ezáltal az eredő erő F. ható egységnyi hossza az áramkör elhelyezve, a folyadék felületén.
Az (5.2.4) képlet segítségével új, egyenértékű, a felületi feszültség koefficiensét határozhatjuk meg. Ehhez vegye figyelembe a következő kísérletet. Húzza meg a drótvázát folyadékfilmmel (70. ábra).
A CD csúszósín szabadon csúsztatható az AC és BD vezetősínek mentén. A film az alsó és felső felületekből áll, amelyek között folyadék van. A szövedék hosszát befolyásolja a felületi feszítőerő. Annak érdekében, hogy a jumper egyensúlyba kerüljön, erőt kell alkalmazni rá. Az F1 erő (pontosabban F1 + dF1) hatására a jumper a dx távolságba mozog. Ebben az esetben a film felületének nagysága megnő. A filmfelület növekedése a molekuláknak a folyadék mélyétől a felületi rétegig történő átmenetének köszönhető. Ebben az átmenetben a molekulák fogyasztják a kinetikus energiájukat a befelé irányított folyadék R. erejének ellen, ezzel csökkentve a folyadék hőmérsékletét. Annak érdekében, hogy a folyadék hőmérséklete ne változzon meg, a jumpert végtelenül lassan kell mozgatni. Ezután a folyadéknak ideje van arra, hogy a külső környezetből hőt kapjon, és tartsa állandóan a hőmérsékletet.
Így az F1 + dF1 erő munkája a folyadék felületének izotermikus növekedésével egyenlő:
Az utolsó kifejezésből következik, hogy a felületi feszültség koefficiense numerikusan egyenlő a munkálatokkal, ahol a felület felületén izotermikus növekedést mutat. Az együttható pozitív mennyiség. Ezért, ha a folyadék felületi feszültsége pozitív munkát végez. akkor a híd úgy mozog, hogy a folyadék felületi területe csökken, azaz majd az (5.2.5) alapján. Ezzel szemben, ha az F1 külső erő működik, akkor. és a híd úgy mozog, hogy a folyadék felülete növekedjen, vagyis ismét.
Tudjuk, hogy az izotermikus folyamattal végzett munka megegyezik a szabad energia elvesztésével,
Ezért a kifejezés (5.2.5) a következő formában írható:
azaz a felületi feszültség koefficiense számszerűen egyenlő a folyadék szabad energiájának változásával, a felületi terület növekedésével egy. Az expresszió (5.2.7) a felületi feszültség koefficiensének leggyakoribb meghatározása. Ebből a kifejezésből következik, hogy az SI-rendszerben J / m 2 = N / m is mérhető.
Mivel a felületi feszültség együtthatója a folyadék hőmérsékletének függvénye, és nem függ a területétől, az (5.2.7.)
vagyis egy folyadék szabad felszíni energiája egyenlő a S felület nagyságú termékével.
Figyelembe véve, hogy a film által végzett munka ,. A reverzibilis folyamatok termodinamikai alapegyenletét formában írhatjuk
Mivel definíció szerint szabad energia. az
A kapcsolatokból (5.2.9-5.2.10) találjuk
Az (5.2.8) és (5.2.12.) Kifejezést a belső energia képletébe helyezzük. Ennek eredményeképpen kapunk
Mivel a felületi feszültség együtthatója a hőmérséklet csökkenő funkciója, akkor. és amint az (5.2.13.) látható, a folyadék belső energiája nagyobb, mint szabad felszíni energiája, azaz. Ez nyilvánvaló például abból a tényből, hogy amikor a kritikus pont közeledik, amikor a folyadék és a gáz közötti különbség eltűnik, a felületi feszültség nullává válik.
A folyadéknak a külső táptalajtól kapott hő a film felületének egy egységének kialakítása után,
Az utolsó kifejezésből nyilvánvaló, hogy. így hogyan. Nem nehéz megérteni, hogy q értéke kisebb, mint a felszíni energia növekedése, mivel (a munka negatív, mert a munkát nem film, hanem külső erő növeli, ha a felületet növeli).