Eine Flüssigkeit ist ein Aggregatzustand der Materie, der zwischen gasförmig und fest liegt, daher hat sie die Eigenschaften sowohl gasförmiger als auch fester Substanzen. Flüssigkeiten haben wie Feststoffe ein bestimmtes Volumen und wie Gase nehmen sie die Form des Gefäßes an, in dem sie sich befinden. Gasmoleküle sind praktisch nicht durch die Kräfte der intermolekularen Wechselwirkung miteinander verbunden. In diesem Fall ist die durchschnittliche Energie der thermischen Bewegung von Gasmolekülen aufgrund der Anziehungskräfte zwischen ihnen viel größer als die durchschnittliche potentielle Energie, sodass die Gasmoleküle in verschiedene Richtungen streuen und das Gas das gesamte ihm zur Verfügung gestellte Volumen einnimmt .

In festen und flüssigen Körpern sind die Anziehungskräfte zwischen Molekülen bereits erheblich und halten die Moleküle auf einem gewissen Abstand zueinander. In diesem Fall ist die durchschnittliche Energie der chaotischen thermischen Bewegung von Molekülen aufgrund der Kräfte der intermolekularen Wechselwirkung geringer als die durchschnittliche potentielle Energie, und es reicht nicht aus, die Anziehungskräfte zwischen Molekülen zu überwinden, sodass Feststoffe und Flüssigkeiten eine gewisse haben Volumen.

Die Röntgenbeugungsanalyse von Flüssigkeiten zeigte, dass die Art der Anordnung von Flüssigkeitspartikeln zwischen einem Gas und einem Feststoff liegt. In Gasen bewegen sich Moleküle zufällig, sodass ihre gegenseitige Anordnung kein Muster aufweist. Für Feststoffe, die sog Fernauftrag in der Anordnung der Teilchen, d.h. ihre geordnete Anordnung, die sich über große Entfernungen wiederholt. In Flüssigkeiten, den sog Kurzstreckenauftrag in der Anordnung der Teilchen, d.h. ihre geordnete Anordnung, die sich in Abständen wiederholt, die mit interatomaren vergleichbar sind.

Die Fluidtheorie ist bis heute nicht vollständig entwickelt. Die thermische Bewegung in einer Flüssigkeit wird dadurch erklärt, dass jedes Molekül einige Zeit um eine bestimmte Gleichgewichtsposition oszilliert, wonach es an eine neue Position springt, die in der Größenordnung des interatomaren Abstands von der ursprünglichen Position entfernt ist. Daher bewegen sich die Moleküle einer Flüssigkeit ziemlich langsam durch die Masse der Flüssigkeit, und die Diffusion erfolgt viel langsamer als in Gasen. Mit zunehmender Temperatur der Flüssigkeit steigt die Frequenz der Schwingungsbewegung stark an, die Beweglichkeit der Moleküle nimmt zu, was der Grund für die Abnahme der Viskosität der Flüssigkeit ist.

Auf jedes Molekül der Flüssigkeit wirken Anziehungskräfte von der Seite der umgebenden Moleküle, die mit zunehmendem Abstand schnell abnehmen, daher können ab einem bestimmten Mindestabstand die Anziehungskräfte zwischen Molekülen vernachlässigt werden. Diese Entfernung (ca. 10 -9 m) wird genannt molekularer Aktionsradius r , und eine Kugel mit Radius r-Bereich molekularer Wirkung.

Wählen Sie ein Molekül in der Flüssigkeit aus SONDERN und zeichnen Sie eine Kugel mit Radius um sie herum r(Abb.10.1). Es reicht laut Definition aus, nur die Wirkung derjenigen Moleküle auf ein bestimmtes Molekül zu berücksichtigen, die sich innerhalb der Kugel befinden

Abb.10.1. molekulare Wirkung. Die Kräfte, mit denen diese Moleküle auf das Molekül einwirken SONDERN, in unterschiedliche Richtungen gerichtet und im Mittel kompensiert, so dass die resultierende Kraft, die von anderen Molekülen auf ein Molekül in der Flüssigkeit wirkt, gleich Null ist. Anders verhält es sich, wenn das Molekül, zB das Molekül BEIM, befindet sich in einem Abstand von der Oberfläche r. In diesem Fall befindet sich die molekulare Wirkungssphäre nur teilweise innerhalb der Flüssigkeit. Da die Konzentration von Molekülen in dem über der Flüssigkeit befindlichen Gas klein ist im Vergleich zu ihrer Konzentration in der Flüssigkeit, ist die resultierende Kraft F, aufgebracht auf jedes Molekül der Oberflächenschicht, ist ungleich Null und in die Flüssigkeit gerichtet. Somit üben die resultierenden Kräfte aller Moleküle der Oberflächenschicht Druck auf die Flüssigkeit aus, genannt molekular(oder intern). Der Molekulardruck wirkt nicht auf einen Körper, der sich in einer Flüssigkeit befindet, da er auf Kräften beruht, die nur zwischen den Molekülen der Flüssigkeit selbst wirken.

Die Gesamtenergie flüssiger Teilchen ist die Summe der Energie ihrer chaotischen thermischen Bewegung und der potentiellen Energie aufgrund der Kräfte der intermolekularen Wechselwirkung. Um ein Molekül aus der Tiefe der Flüssigkeit in die Oberflächenschicht zu befördern, muss Arbeit aufgewendet werden. Diese Arbeit geht zu Lasten der kinetischen Energie der Moleküle und erhöht deren potentielle Energie. Daher haben die Moleküle der Oberflächenschicht der Flüssigkeit eine größere potentielle Energie als die Moleküle innerhalb der Flüssigkeit. Diese zusätzliche Energie, die Moleküle in der Oberflächenschicht einer Flüssigkeit besitzen, wird als Oberflächenenergie, ist proportional zur Schichtfläche Δ S:

Δ W=σ Δ S,(10.1)

wo σ – Koeffizient der Oberflächenspannung, definiert als die Oberflächenenergiedichte.

Da der Gleichgewichtszustand durch ein Minimum an potentieller Energie gekennzeichnet ist, nimmt die Flüssigkeit ohne äußere Kräfte eine solche Form an, dass sie bei einem gegebenen Volumen eine minimale Oberfläche hat, d.h. Kugelform. Wenn wir die kleinsten in der Luft schwebenden Tröpfchen beobachten, können wir sehen, dass sie wirklich die Form von Kugeln haben, aber durch die Wirkung der Schwerkraft etwas verzerrt sind. Unter Bedingungen der Schwerelosigkeit hat ein Tropfen einer beliebigen Flüssigkeit (unabhängig von seiner Größe) eine Kugelform, die experimentell an Raumfahrzeugen nachgewiesen wurde.

Die Bedingung für ein stabiles Gleichgewicht einer Flüssigkeit ist also ein Minimum an Oberflächenenergie. Das bedeutet, dass die Flüssigkeit für ein gegebenes Volumen die kleinste Oberfläche haben sollte, d.h. Flüssigkeit neigt dazu, die freie Oberfläche zu verringern. Die Oberflächenschicht der Flüssigkeit ist dabei vergleichbar mit einer gedehnten elastischen Folie, in der Zugkräfte wirken.

Betrachten Sie die Oberfläche einer Flüssigkeit, die durch eine geschlossene Kontur begrenzt ist. Unter Einwirkung von Oberflächenspannungskräften (sie sind tangential zur Flüssigkeitsoberfläche und senkrecht zum Konturabschnitt gerichtet, auf den sie wirken) zieht sich die Flüssigkeitsoberfläche zusammen und die betrachtete Kontur bewegt sich. Die vom ausgewählten Bereich auf die angrenzenden Bereiche wirkenden Kräfte verrichten die Arbeit:

Δ A=wΔ lΔ x,

wo f=F/Δ Ich -Oberflächenspannungskraft, die pro Längeneinheit der Flüssigkeitsoberflächenkontur wirken. Es ist ersichtlich, dass Δ lΔ x= Δ S, jene.

Δ A=f∆S.

Diese Arbeit wird durch Reduzierung der Oberflächenenergie geleistet, d.h.

Δ Α =Δ W.

Aus dem Vergleich der Ausdrücke ist dies ersichtlich

d.h. der Oberflächenspannungskoeffizient σ ist gleich der Oberflächenspannungskraft pro Längeneinheit der Kontur, die die Oberfläche begrenzt. Die Einheit der Oberflächenspannung ist Newton pro Meter (N/m) oder Joule pro Quadratmeter (J/m2). Die meisten Flüssigkeiten haben bei einer Temperatur von 300 K eine Oberflächenspannung in der Größenordnung von 10 –2 –10 –1 N/m. Die Oberflächenspannung nimmt mit zunehmender Temperatur ab, da die durchschnittlichen Abstände zwischen Flüssigkeitsmolekülen größer werden.

Die Oberflächenspannung hängt im Wesentlichen von den in Flüssigkeiten vorhandenen Verunreinigungen ab , Flüssigkeiten, die die Oberflächenspannung verringern, werden genannt oberflächenaktive Substanzen (Tenside). Seife ist das bekannteste Tensid für Wasser. Es reduziert seine Oberflächenspannung stark (ab etwa 7,5 10 -2 bis 4,5 · 10 -2 N/m). Tenside, die die Oberflächenspannung von Wasser herabsetzen, sind auch Alkohole, Ether, Öle etc.

Es gibt Stoffe (Zucker, Salz), die die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit dadurch erhöhen, dass ihre Moleküle stärker mit den Molekülen der Flüssigkeit wechselwirken als die Moleküle der Flüssigkeit untereinander.

Im Bauwesen werden Tenside verwendet, um Lösungen herzustellen, die bei der Verarbeitung von Teilen und Strukturen verwendet werden, die unter widrigen atmosphärischen Bedingungen (hohe Feuchtigkeit, erhöhte Temperaturen, Sonneneinstrahlung usw.) arbeiten.

Benetzungsphänomen

Aus der Praxis ist bekannt, dass sich ein Wassertropfen auf Glas ausbreitet und die in Abb. 10.2 gezeigte Form annimmt, während Quecksilber auf derselben Oberfläche zu einem etwas abgeflachten Tropfen wird. Im ersten Fall spricht man von der Flüssigkeit benetzt harte Oberfläche, in der zweiten - benetzt nicht Sie. Die Benetzung hängt von der Art der Kräfte ab, die zwischen den Molekülen der Oberflächenschichten der in Kontakt stehenden Medien wirken. Bei einer benetzenden Flüssigkeit sind die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen der Flüssigkeit und dem Feststoff größer als zwischen den Molekülen der Flüssigkeit selbst, und die Flüssigkeit neigt dazu, zuzunehmen

Kontaktfläche mit einem Festkörper. Bei einer nicht benetzenden Flüssigkeit sind die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen der Flüssigkeit und dem Feststoff geringer als die zwischen den Molekülen der Flüssigkeit, und die Flüssigkeit neigt dazu, die Oberfläche ihres Kontakts mit dem Feststoff zu verringern.

Auf die Kontaktlinie dreier Medien (Punkt 0 ist deren Schnittpunkt mit der Zeichenebene) wirken drei Oberflächenspannungskräfte, die tangential in die Kontaktfläche der entsprechenden beiden Medien gerichtet sind. Diese Kräfte pro Längeneinheit der Kontaktlinie sind gleich den entsprechenden Oberflächenspannungen σ 12 , σ 13 , σ 23 . Injektion θ zwischen den Tangenten an die Oberfläche einer Flüssigkeit und eines Festkörpers heißt Kantenwinkel. Die Bedingung für das Gleichgewicht eines Tropfens ist die Nullgleichheit der Summe der Projektionen der Oberflächenspannungskräfte auf die Richtung der Tangente an die Oberfläche des Festkörpers, d.h.

–σ 13 + σ 12 + σ 23 cos θ =0 (10.2)

cos θ =(σ 13 - σ 12)/σ 23 . (10.3)

Aus der Bedingung folgt, dass der Kontaktwinkel je nach Wert spitz oder stumpf sein kann σ 13 und σ 12 . Wenn ein σ 13 >σ 12 , dann cos θ >0 und Winkel θ scharf, d. h. Flüssigkeit benetzt eine feste Oberfläche. Wenn ein σ 13 <σ 12 , dann cos θ <0 и угол θ – stumpf, d.h. die Flüssigkeit benetzt die harte Oberfläche nicht.

Der Kontaktwinkel erfüllt die Bedingung (10.3), wenn

(σ 13 - σ 12)/σ 23 ≤1.

Wenn die Bedingung nicht erfüllt ist, dann ist der Flüssigkeitstropfen für alle Werte θ kann nicht im Gleichgewicht sein. Wenn ein σ 13 >σ 12 +σ 23 , dann verteilt sich die Flüssigkeit auf der Oberfläche des Festkörpers und bedeckt ihn mit einem dünnen Film (z. B. Kerosin auf der Glasoberfläche) - wir haben vollständige Benetzung(in diesem Fall θ =0).

Wenn ein σ 12 >σ 13 +σ 23 , dann schrumpft die Flüssigkeit zu einem kugelförmigen Tropfen zusammen, der nur einen Kontaktpunkt mit ihr hat (z. B. ein Wassertropfen auf der Oberfläche von Paraffin), - wir haben völlige Nichtbenetzung(in diesem Fall θ =π).

Benetzung und Nichtbenetzung sind relative Begriffe, d.h. Eine Flüssigkeit, die eine feste Oberfläche benetzt, benetzt eine andere nicht. Zum Beispiel benetzt Wasser Glas, aber kein Paraffin; Quecksilber benetzt kein Glas, aber es benetzt saubere Metalloberflächen.

Die Phänomene der Benetzung und Nichtbenetzung sind in der Technik von großer Bedeutung. Beispielsweise wird beim Verfahren der Flotationsanreicherung von Erz (Trennung von Erz von Abfallgestein) fein zerkleinertes Erz in einer Flüssigkeit geschüttelt, die das Abfallgestein benetzt und das Erz nicht benetzt. Luft wird durch diese Mischung geblasen und setzt sich dann ab. Gleichzeitig sinken mit Flüssigkeit benetzte Gesteinspartikel zu Boden, und Mineralkörner „haften“ an Luftblasen und schwimmen an der Flüssigkeitsoberfläche. Bei der Bearbeitung von Metallen werden diese mit speziellen Flüssigkeiten benetzt, was die Oberflächenbearbeitung erleichtert und beschleunigt.

Im Bauwesen ist das Phänomen der Benetzung wichtig für die Herstellung von flüssigen Mischungen (Kitte, Kitte, Mörtel zum Verlegen von Ziegeln und zur Betonherstellung). Es ist notwendig, dass diese flüssigen Mischungen die Oberflächen der Gebäudestrukturen, auf die sie aufgetragen werden, gut benetzen. Bei der Auswahl von Mischungskomponenten werden nicht nur die Kontaktwinkel für Mischungs-Flächen-Paare berücksichtigt, sondern auch die oberflächenaktiven Eigenschaften flüssiger Komponenten.

Die Oberflächenspannung beschreibt die Fähigkeit einer Flüssigkeit, der Schwerkraft zu widerstehen. Beispielsweise bildet Wasser auf der Oberfläche eines Tisches Tropfen, da die Wassermoleküle voneinander angezogen werden, was der Schwerkraft entgegenwirkt. Der Oberflächenspannung ist es zu verdanken, dass schwerere Gegenstände wie Insekten auf der Wasseroberfläche gehalten werden können. Die Oberflächenspannung wird in Kraft (N) dividiert durch die Längeneinheit (m) oder die Energiemenge pro Flächeneinheit gemessen. Die Kraft, mit der Wassermoleküle interagieren (Kohäsionskraft), verursacht Spannung, was zu Wassertröpfchen (oder anderen Flüssigkeiten) führt. Die Oberflächenspannung kann mit ein paar einfachen Gegenständen, die in fast jedem Haushalt zu finden sind, und einem Taschenrechner gemessen werden.

Schritte

Mit Hilfe einer Wippe

Schreiben Sie die Gleichung für die Oberflächenspannung auf. In diesem Experiment lautet die Gleichung zur Bestimmung der Oberflächenspannung wie folgt: F = 2Sd, wo F- Kraft in Newton (N), S- Oberflächenspannung in Newton pro Meter (N/m), d ist die Länge der im Experiment verwendeten Nadel. Wir drücken die Oberflächenspannung aus dieser Gleichung aus: S = F/2d.

• Die Kraft wird am Ende des Experiments berechnet.
• Messen Sie vor Beginn des Experiments mit einem Lineal die Länge der Nadel in Metern.

1. Baue eine kleine Wippe. Bei diesem Versuch wird mit einer Wippe und einer kleinen Nadel, die auf der Wasseroberfläche schwimmt, die Oberflächenspannung bestimmt. Die Konstruktion des Kipphebels muss sorgfältig geprüft werden, da die Genauigkeit des Ergebnisses davon abhängt. Sie können verschiedene Materialien verwenden, Hauptsache, Sie machen eine horizontale Stange aus etwas Hartem: Holz, Kunststoff oder dicker Pappe.

   • Bestimmen Sie die Mitte der Stange (z. B. ein Strohhalm oder ein Plastiklineal), die Sie als Querstange verwenden möchten, und bohren oder stechen Sie an dieser Stelle ein Loch. Dies ist der Drehpunkt der Querstange, auf der sie sich frei dreht. Wenn Sie einen Plastikstrohhalm verwenden, stechen Sie ihn einfach mit einer Nadel oder einem Nagel durch.
   • Bohren oder stechen Sie Löcher in die Enden der Querstange, so dass sie den gleichen Abstand von der Mitte haben. Fädeln Sie die Fäden durch die Löcher, an denen Sie den Gewichtsbecher und die Nadel aufhängen.
   • Unterstützen Sie die Wippe gegebenenfalls mit Büchern oder anderen Gegenständen, die stark genug sind, um die Stange in einer horizontalen Position zu halten. Es ist notwendig, dass sich die Querstange frei um einen Nagel oder eine Stange dreht, die in ihrer Mitte steckt.

2. Nimm ein Stück Alufolie und falte es zu einer Schachtel oder einer Untertasse. Es ist überhaupt nicht erforderlich, dass diese Untertasse die richtige quadratische oder runde Form hat. Sie werden es mit Wasser oder anderem Gewicht füllen, also stellen Sie sicher, dass es das Gewicht tragen kann.

   • Hängen Sie die Folienbox oder Untertasse an ein Ende der Stange. Machen Sie kleine Löcher entlang der Ränder der Untertasse und fädeln Sie einen Faden durch sie, so dass die Untertasse an der Querstange hängt.

3. Hängen Sie eine Nadel oder Büroklammer so an das andere Ende der Querstange, dass sie horizontal ist. Binden Sie eine Nadel oder Büroklammer horizontal an einen Faden, der am anderen Ende der Querstange hängt. Damit das Experiment gelingt, ist es notwendig, die Nadel oder Büroklammer genau waagerecht zu positionieren.

4. Legen Sie etwas auf die Stange, z. B. Plastilin, um den Aluminiumfolienbehälter auszugleichen. Bevor Sie mit dem Experiment fortfahren, müssen Sie sicherstellen, dass sich die Querstange horizontal befindet. Die Folienuntertasse ist schwerer als die Nadel, sodass die Stange auf die Seite fällt. Bringen Sie genügend Plastilin an der gegenüberliegenden Seite der Querstange an, sodass sie horizontal ist.

   • Das nennt man Balancieren.

5. Legen Sie eine hängende Nadel oder Büroklammer in einen Behälter mit Wasser. Dieser Schritt erfordert zusätzlichen Aufwand, um die Nadel auf der Wasseroberfläche zu positionieren. Stellen Sie sicher, dass die Nadel nicht in Wasser getaucht ist. Füllen Sie einen Behälter mit Wasser (oder einer anderen Flüssigkeit mit unbekannter Oberflächenspannung) und stellen Sie ihn unter die hängende Nadel, sodass die Nadel direkt auf der Oberfläche der Flüssigkeit ist.

   • Achten Sie dabei darauf, dass das Seil, das die Nadel hält, an Ort und Stelle bleibt und ausreichend gespannt ist.

6. Wiegen Sie ein paar Stifte oder eine kleine Menge abgemessener Wassertropfen auf einer kleinen Waage. Sie werden eine Nadel oder einen Tropfen Wasser in die Aluminiumuntertasse auf der Wippe geben. In diesem Fall ist es notwendig, das genaue Gewicht zu kennen, bei dem sich die Nadel von der Wasseroberfläche löst.

   • Zählen Sie die Anzahl der Nadeln oder Wassertropfen und wiegen Sie sie.
   • Bestimmen Sie das Gewicht einer Stecknadel oder eines Wassertropfens. Teilen Sie dazu das Gesamtgewicht durch die Anzahl der Pins bzw. Drops.
   • Angenommen, 30 Stecknadeln wiegen 15 Gramm, dann ist 15/30 = 0,5, d. h. eine Stecknadel wiegt 0,5 Gramm.

7. Geben Sie nacheinander Stifte oder Wassertropfen in einen Untersetzer aus Aluminiumfolie, bis sich die Nadel von der Wasseroberfläche löst. Fügen Sie nach und nach eine Nadel oder einen Tropfen Wasser hinzu. Beobachten Sie die Nadel genau, um den Moment nicht zu verpassen, in dem sie nach der nächsten Belastungserhöhung aus dem Wasser kommt. Sobald sich die Nadel von der Flüssigkeitsoberfläche löst, hören Sie auf, Nadeln oder Wassertropfen hinzuzufügen.

   • Zählen Sie die Anzahl der Nadeln oder Wassertropfen, die die Nadel am gegenüberliegenden Ende der Querstange von der Wasseroberfläche abgelöst haben.
   • Notieren Sie das Ergebnis.
   • Wiederholen Sie das Experiment mehrere (5 oder 6) Mal, um genauere Ergebnisse zu erhalten.
   • Berechnen Sie den Mittelwert der erhaltenen Ergebnisse. Dazu addierst du die Anzahl der Pins bzw. Drops in allen Experimenten und dividierst die Summe durch die Anzahl der Experimente.

8. Wandle die Anzahl der Pins in Stärke um. Multiplizieren Sie dazu die Grammzahl mit 0,00981 N/g. Um die Oberflächenspannung zu berechnen, müssen Sie die Kraft kennen, die erforderlich ist, um die Nadel von der Wasseroberfläche abzuheben. Da Sie im vorherigen Schritt das Gewicht der Stifte berechnet haben, genügt es, dieses Gewicht mit 0,00981 N/g zu multiplizieren, um die Festigkeit zu bestimmen.

   • Multiplizieren Sie die Anzahl der Stecknadeln in der Untertasse mit dem Gewicht einer Stecknadel. Wenn Sie beispielsweise 5 Stecknadeln mit einem Gewicht von jeweils 0,5 Gramm einsetzen, beträgt ihr Gesamtgewicht 0,5 Gramm/Stecknadel = 5 x 0,5 = 2,5 Gramm.
   • Multiplizieren Sie die Grammzahl mit dem Faktor 0,00981 N/g: 2,5 x 0,00981 = 0,025 N.

9. Setzen Sie die erhaltenen Werte in die Gleichung ein und finden Sie den gewünschten Wert. Mit Hilfe der im Versuch gewonnenen Ergebnisse kann die Oberflächenspannung bestimmt werden. Einfach die gefundenen Werte einsetzen und das Ergebnis berechnen.

   • Nehmen wir an, im obigen Beispiel beträgt die Länge der Nadel 0,025 Meter. Setzen wir die Werte in die Gleichung ein, erhalten wir: S = F/2d = 0,025 N/(2 x 0,025) = 0,05 N/m. Somit beträgt die Oberflächenspannung der Flüssigkeit 0,05 N/m.

Die Moleküle einer Flüssigkeit wirken durch Anziehungs- und Abstoßungskräfte aufeinander ein, die sich auf Distanz merklich bemerkbar machen r, wird als molekularer Aktionsradius bezeichnet (in der Größenordnung mehrerer Moleküldurchmesser). Kugelradius r die Sphäre der molekularen Wirkung genannt. Befindet sich das Molekül in der Oberflächenschicht, also weniger als r von der Oberfläche entfernt, so wird die Resultierende der Anziehungskräfte der umgebenden Moleküle in die Flüssigkeit geleitet. Daher muss für den Übergang eines Moleküls vom inneren Teil der Flüssigkeit zu seiner Oberfläche Arbeit geleistet werden, wodurch die freie Energie der Oberfläche zunimmt. Die freie Oberflächenenergie pro Oberflächeneinheit einer Flüssigkeit wird als Oberflächenspannungskoeffizient bezeichnet:

wobei A die Arbeit ist, die aufgewendet werden muss, um die Oberfläche um S zu vergrößern. Im SI-System ist der Oberflächenspannungskoeffizient (gemessen in J/m2.

In der Gleichgewichtslage ist die freie Energie des Systems minimal, so dass die Flüssigkeit, sich selbst überlassen, dazu neigt, ihre Oberfläche zu verkleinern. Lassen Sie uns gedanklich jeden Abschnitt der Oberflächenschicht auf eine geschlossene Kontur beschränken. Darin wirken Kräfte, sogenannte Oberflächenspannungskräfte, die tangential zur Oberfläche gerichtet sind, die senkrecht zu dem Abschnitt der Kontur steht, auf den sie einwirken. Oberflächenspannungskoeffizient (kann auch als Kraft pro Längeneinheit der Kontur definiert werden, die die Oberfläche begrenzt:

Seine Maßeinheit im SI-System ist 1N/m (Tonnen pro Meter = 1 J/m2 oder Millitonnen pro Meter).

Der Oberflächenspannungskoeffizient hängt von der chemischen Zusammensetzung der Flüssigkeit, dem Medium, an das sie grenzt, und der Temperatur ab. Nimmt mit steigender Temperatur ab und verschwindet bei der kritischen Temperatur.

Je nach Stärke der Wechselwirkung von Flüssigkeitsmolekülen mit damit in Kontakt stehenden Partikeln eines Festkörpers ist eine Benetzung oder Nichtbenetzung eines Festkörpers durch eine Flüssigkeit möglich. In beiden Fällen ist die Oberfläche der Flüssigkeit nahe der Grenze zum Festkörper gekrümmt ...

Oberflächenspannung von Wasser bei verschiedenen Temperaturen

Oberflächenspannung (bei 20° C)

Oberflächenspannung von Flüssigkeiten

Substanz	q, mN/m
Geschmolzenes Aluminium (bei t=7000 0 C, c)	840
Flüssiger Stickstoff (bei t=-183 0 C,p)	6,2
Aceton (p)	24
Wasser (bei t=0 0 С, in)	75,6
Wasser (bei t=20 0 С, in)	72,8
Wasser (bei t=100 0 С, in)	58,8
Wasser (bei t=374,15 0 С, in)	0
Geschmolzenes Gold (bei t=1130 0 C, c)	1102
Glycerin (in)	63
Kerosin (bei t=0 0 С, in)	29
Kerosin (c)	24
Flüssiger Sauerstoff (bei t=-183 0 C, c)	13,1
Milch (ein)	46
Öl (ein)	30
Seifenlösung (in)	40
Merkur (n)	472
Blei geschmolzen (bei t=350 0 C, c)	442
Silber geschmolzen (bei t=970 0 C, c)	930
Alkohol (bei t=0 0 C, in)	22
Äther (p)	17

Oberflächenspannung wässriger Lösungen (in dyn/cm)
Umrechnung in SI: 1 dyne/cm = 10 - 3 N/m

gelöst	t, °C	Inhalt, Gew.-%
		5	10	20	50
H2SO4	18	-	74,1	75,2	77,3
HNO3	20	-	72,7	71,1	65,4
NaOH	20	74,6	77,3	85,8	-
NaCl	18	74,0	75,5	-	-
Na2SO4	18	73,8	75,2	-	-
NaNO3	30	72,1	72,8	74,4	79,8
KC1	18	73,6	74,8	77,3	-
KN 3	18	73,0	73,6	75,0	-
K2CO3	10	75,8	77,0	79,2	106,4
NH3	18	66,5	63,5	59,3	-
NH4C1	18	73,3	74,5	-	-
NH4NO3	100	59,2	60,1	61,6	67,5
MgCl2	18	73,8	-	-	-
CaCl2	18	73,7	-	-	-

Flüssig–ein Stoff, der sich in einem flüssigen Aggregatzustand befindet und eine Zwischenstellung zwischen dem festen und dem gasförmigen Aggregatzustand einnimmt. Die Haupteigenschaft einer Flüssigkeit, die sie von Stoffen in anderen Aggregatzuständen unterscheidet, ist die Fähigkeit, unter Einwirkung tangentialer mechanischer Spannungen, auch beliebig kleiner, ihre Form unbegrenzt zu ändern, während das Volumen praktisch erhalten bleibt.

Allgemeine Informationen zum flüssigen Zustand

Der flüssige Zustand wird normalerweise als Zwischenzustand zwischen einem Feststoff und einem Gas angesehen: Ein Gas behält weder Volumen noch Form bei, während ein Feststoff beides beibehält.

Die Form flüssiger Körper kann ganz oder teilweise dadurch bestimmt werden, dass sich ihre Oberfläche wie eine elastische Membran verhält. So kann sich Wasser in Tropfen sammeln. Aber die Flüssigkeit ist auch unter ihrer unbeweglichen Oberfläche fließfähig, und dies bedeutet auch Nichterhaltung der Form (der inneren Teile des flüssigen Körpers).

Die Moleküle einer Flüssigkeit haben keine feste Position, aber gleichzeitig auch keine vollständige Bewegungsfreiheit. Zwischen ihnen besteht eine Anziehungskraft, die stark genug ist, um sie nah beieinander zu halten.

Eine Substanz in flüssigem Zustand existiert in einem bestimmten Temperaturbereich, unterhalb dessen sie in einen festen Zustand übergeht (Kristallisation erfolgt oder Umwandlung in einen festen amorphen Zustand - Glas), darüber - in einen gasförmigen Zustand (Verdunstung tritt auf). Die Grenzen dieses Intervalls hängen vom Druck ab.

Ein Stoff im flüssigen Zustand hat in der Regel nur eine Modifikation. (Die wichtigsten Ausnahmen sind Quantenflüssigkeiten und Flüssigkristalle.) Daher ist eine Flüssigkeit in den meisten Fällen nicht nur ein Aggregatzustand, sondern auch eine thermodynamische Phase (flüssige Phase).

Alle Flüssigkeiten werden normalerweise in reine Flüssigkeiten und Mischungen unterteilt. Einige Flüssigkeitsgemische sind für das Leben von großer Bedeutung: Blut, Meerwasser usw. Flüssigkeiten können als Lösungsmittel wirken.

Physikalische Eigenschaften von Flüssigkeiten

1 ).Flüssigkeit

Fließfähigkeit ist die Haupteigenschaft von Flüssigkeiten. Wirkt auf einen im Gleichgewicht befindlichen Abschnitt einer Flüssigkeit eine äußere Kraft ein, so entsteht eine Strömung von Flüssigkeitsteilchen in der Richtung, in der diese Kraft wirkt: die Flüssigkeit fließt. Somit behält die Flüssigkeit unter der Wirkung unausgeglichener äußerer Kräfte nicht die Form und die relative Anordnung der Teile bei und nimmt daher die Form des Gefäßes an, in dem sie sich befindet.

Im Gegensatz zu plastischen Feststoffen hat eine Flüssigkeit keine Fließgrenze: Es reicht aus, eine beliebig kleine äußere Kraft anzuwenden, um die Flüssigkeit zum Fließen zu bringen.

2).Volumenerhaltung

Eine der charakteristischen Eigenschaften einer Flüssigkeit ist, dass sie (bei konstanten äußeren Bedingungen) ein bestimmtes Volumen hat. Eine Flüssigkeit lässt sich mechanisch nur sehr schwer komprimieren, da im Gegensatz zu einem Gas nur sehr wenig freier Raum zwischen den Molekülen vorhanden ist. Der auf eine in einem Gefäß eingeschlossene Flüssigkeit erzeugte Druck überträgt sich unverändert auf jeden Volumenpunkt dieser Flüssigkeit (das Gesetz von Pascal gilt auch für Gase). Dieses Merkmal wird zusammen mit der sehr geringen Kompressibilität in hydraulischen Maschinen verwendet.

Flüssigkeiten nehmen normalerweise an Volumen zu (dehnen sich aus), wenn sie erhitzt werden, und nehmen an Volumen ab (kontrahieren), wenn sie gekühlt werden. Es gibt jedoch Ausnahmen, z. B. Wasserkompressen bei Erwärmung, bei normalem Druck und normaler Temperatur von bis etwa.

3).Viskosität

Außerdem zeichnen sich Flüssigkeiten (wie Gase) durch Viskosität aus. Es ist definiert als die Fähigkeit, der Bewegung eines der Teile relativ zum anderen zu widerstehen - dh als innere Reibung.

Wenn sich benachbarte Schichten einer Flüssigkeit relativ zueinander bewegen, kommt es aufgrund der thermischen Bewegung zusätzlich zwangsläufig zu einer Kollision von Molekülen. Es gibt Kräfte, die die geordnete Bewegung verlangsamen. In diesem Fall wird die kinetische Energie der geordneten Bewegung in thermische Energie umgewandelt - die Energie der chaotischen Bewegung von Molekülen.

Die Flüssigkeit im Gefäß, in Bewegung gesetzt und sich selbst überlassen, wird allmählich aufhören, aber ihre Temperatur wird steigen.

4).Mischbarkeit

Mischbarkeit ist die Fähigkeit von Flüssigkeiten, sich ineinander zu lösen. Ein Beispiel für mischbare Flüssigkeiten: Wasser und Ethylalkohol, ein Beispiel für nicht mischbare Flüssigkeiten: Wasser und flüssiges Öl.

5).Freie Oberflächenbildung und Oberflächenspannung

Aufgrund der Volumenerhaltung ist die Flüssigkeit in der Lage, eine freie Oberfläche zu bilden. Eine solche Oberfläche ist die Grenzfläche der Phasen einer bestimmten Substanz: Auf der einen Seite befindet sich eine flüssige Phase, auf der anderen eine gasförmige (Dampf) und möglicherweise andere Gase wie Luft.

Wenn die flüssigen und gasförmigen Phasen des gleichen Stoffes in Kontakt kommen, treten Kräfte auf, die dazu neigen, die Grenzfläche zu verringern - Oberflächenspannungskräfte. Die Grenzfläche verhält sich wie eine elastische Membran, die zum Schrumpfen neigt.

6).Dichtewellen

Obwohl eine Flüssigkeit extrem schwer zu komprimieren ist, ändern sich ihr Volumen und ihre Dichte, wenn sich der Druck ändert. Es passiert nicht sofort; Wenn also ein Abschnitt komprimiert wird, dann wird diese Komprimierung mit einer Verzögerung an andere Abschnitte übertragen. Das bedeutet, dass sich elastische Wellen, genauer Dichtewellen, in der Flüssigkeit ausbreiten können. Neben der Dichte ändern sich auch andere physikalische Größen, zum Beispiel die Temperatur.

Ändert sich bei der Ausbreitung einer Welle die Dichte nur geringfügig, spricht man von einer Schallwelle oder Schall.

Wenn sich die Dichte stark genug ändert, wird eine solche Welle als Stoßwelle bezeichnet. Die Stoßwelle wird durch andere Gleichungen beschrieben.

Dichtewellen in einer Flüssigkeit sind longitudinal, das heißt, die Dichte ändert sich entlang der Ausbreitungsrichtung der Welle. Es gibt keine transversalen elastischen Wellen in der Flüssigkeit, da die Form nicht erhalten bleibt.

Elastische Wellen in einer Flüssigkeit zerfallen mit der Zeit, ihre Energie wandelt sich allmählich in Wärmeenergie um. Die Gründe für die Dämpfung sind Viskosität, "klassische Absorption", molekulare Relaxation und andere. In diesem Fall wirkt die sogenannte zweite oder Massenviskosität - innere Reibung mit Dichteänderung. Durch Dämpfung wandelt sich die Stoßwelle nach einiger Zeit in eine Schallwelle um.

Elastische Wellen in einer Flüssigkeit unterliegen auch der Streuung durch Inhomogenitäten, die aus der zufälligen thermischen Bewegung von Molekülen resultieren.

Die Struktur von Flüssigkeiten

Experimentelle Studien des flüssigen Zustands von Materie, basierend auf der Beobachtung der Beugung von Röntgenstrahlen und Neutronenflüssen beim Durchgang durch flüssige Medien, haben das Vorhandensein von aufgezeigt Kurzfristige Bestellung, d.h. das Vorhandensein einer gewissen Ordnung in der Anordnung von Partikeln nur in geringem Abstand von einer beliebigen ausgewählten Position (Abb. 140).

Die gegenseitige Anordnung benachbarter Teilchen in Flüssigkeiten ähnelt der geordneten Anordnung benachbarter Teilchen in Kristallen. Allerdings wird diese Ordnung in Flüssigkeiten nur in kleinen Volumina beobachtet. Bei Entfernungen: von einem ausgewählten „zentralen“ Molekül wird die Ordnung verletzt ( ist der effektive Durchmesser des Moleküls). Eine solche Ordnung in der Anordnung von Teilchen in Flüssigkeiten wird als Nahordnung bezeichnet. .

Aufgrund der fehlenden Fernordnung weisen Flüssigkeiten bis auf wenige Ausnahmen nicht die für Kristalle charakteristische Anisotropie auf. Aus diesem Grund wird die Struktur einer Flüssigkeit manchmal als quasikristallin oder kristallartig bezeichnet. .

Zum ersten Mal wurde die Idee der Ähnlichkeit einiger Eigenschaften von Flüssigkeiten (insbesondere Metallschmelzen) und kristallinen Festkörpern bereits in den 1930er bis 1940er Jahren in den Arbeiten des sowjetischen Physikers Ya.I. Frenkel zum Ausdruck gebracht und dann entwickelt . Nach den inzwischen allgemein anerkannten Ansichten Frenkels besteht die thermische Bewegung von Atomen und Molekülen in einer Flüssigkeit aus unregelmäßigen Schwingungen mit einer mittleren Frequenz nahe der Schwingungsfrequenz von Atomen in kristallinen Körpern. Der Schwingungsmittelpunkt wird dabei durch das Kraftfeld benachbarter Teilchen bestimmt und verschiebt sich mit den Auslenkungen dieser Teilchen.

Vereinfacht lässt sich eine solche thermische Bewegung als Überlagerung von relativ seltenen Sprüngen von Teilchen von einer temporären Gleichgewichtslage in eine andere und thermischen Schwingungen in den Intervallen zwischen den Sprüngen darstellen. Die durchschnittliche Verweilzeit eines flüssigen Moleküls in der Nähe einer bestimmten Gleichgewichtsposition wird als "sitzend" bezeichnet Entspannungs Zeit. Nach Ablauf der Zeit ändert das Molekül seinen Gleichgewichtspunkt und springt an eine neue Position, die von der vorherigen um eine Entfernung in der Größenordnung der Größe der Moleküle selbst getrennt ist. Somit bewegt sich das Molekül langsam in der Flüssigkeit. Mit steigender Temperatur nimmt die Zeit ab, die Beweglichkeit der Moleküle nimmt zu, was zu einer Abnahme der Viskosität von Flüssigkeiten führt (Fließfähigkeit nimmt zu). Nach dem bildlichen Ausdruck von Ya.I. Frenkel wandern die Moleküle durch das gesamte Volumen der Flüssigkeit und führen zu einem nomadischen Lebensstil, bei dem kurzfristige Reisen durch längere Perioden des Sesshaftwerdens ersetzt werden.

Amorphe Feststoffe (Glas, Harze, Bitumen etc.) können als unterkühlte Flüssigkeiten angesehen werden, deren Partikel aufgrund der stark erhöhten Viskosität eine eingeschränkte Beweglichkeit aufweisen.

Aufgrund der geringen Ordnungsmäßigkeit des flüssigen Zustands erweist sich die Theorie der Flüssigkeiten als weniger entwickelt als die Theorie der Gase und kristallinen Festkörper. Es gibt noch keine vollständige Theorie der Flüssigkeit.

Eine besondere Art von Flüssigkeiten sind einige organische Verbindungen, die aus länglichen oder scheibenförmigen Molekülen bestehen, die sogenannten Flüssigkristalle. Die Wechselwirkung zwischen Molekülen in solchen Flüssigkeiten neigt dazu, die Längsachsen der Moleküle in einer bestimmten Reihenfolge auszurichten. Bei hohen Temperaturen verhindert die Wärmebewegung dies, und die Substanz ist eine gewöhnliche Flüssigkeit. Bei Temperaturen unterhalb der kritischen tritt in der Flüssigkeit eine Vorzugsrichtung auf und es entsteht eine weiträumige Orientierungsordnung. Während sie die Hauptmerkmale einer Flüssigkeit wie Fließfähigkeit beibehalten, haben Flüssigkristalle die charakteristischen Eigenschaften fester Kristalle – die Anisotropie magnetischer, elektrischer und optischer Eigenschaften. Diese Eigenschaften (zusammen mit der Fließfähigkeit) finden zahlreiche technische Anwendungen, beispielsweise in elektronischen Uhren, Taschenrechnern, Mobiltelefonen sowie in PC-Monitoren, Fernsehgeräten, als Anzeigen, Anzeigetafeln und Bildschirme zur Anzeige digitaler, alphabetischer und analoger Informationen.

Oberflächenspannung

Das interessanteste Merkmal von Flüssigkeiten ist das Vorhandensein Freie Oberfläche. Verbunden mit der Oberfläche der Flüssigkeit freie Energie, proportional zur Fläche der freien Oberfläche der Flüssigkeit: . Da die freie Energie eines isolierten Systems zu einem Minimum tendiert, neigt die Flüssigkeit (in Abwesenheit externer Felder) dazu, eine Form anzunehmen, die eine minimale Oberfläche hat. Damit wird das Problem der Form einer Flüssigkeit unter gegebenen Nebenbedingungen (Anfangsverteilung, Volumen etc.) auf ein isoperimetrisches Problem reduziert. Ein freier Tropfen nimmt die Form einer Kugel an, jedoch wird unter komplexeren Bedingungen das Problem der Form der Flüssigkeitsoberfläche extrem schwierig.

Flüssigkeit füllt im Gegensatz zu Gasen nicht das gesamte Volumen des Gefäßes aus, in das sie gegossen wird. Zwischen der Flüssigkeit und dem Gas (oder Dampf) wird eine Grenzfläche gebildet, die sich im Vergleich zur übrigen Masse der Flüssigkeit in besonderen Bedingungen befindet. Die Moleküle in der Grenzschicht einer Flüssigkeit sind im Gegensatz zu den Molekülen in ihrer Tiefe nicht von allen Seiten von anderen Molekülen derselben Flüssigkeit umgeben. Die zwischenmolekularen Wechselwirkungskräfte, die von benachbarten Molekülen auf eines der Moleküle in der Flüssigkeit einwirken, kompensieren sich im Mittel gegenseitig (Abb. 141).

Aber alle Moleküle, auch die der Grenzschicht, müssen sich im Gleichgewicht befinden. Dieses Gleichgewicht wird aufgrund einer gewissen Verringerung des Abstands zwischen den Molekülen der Oberflächenschicht und ihren nächsten Nachbarn innerhalb der Flüssigkeit erreicht. Wenn der Abstand zwischen Molekülen abnimmt, entstehen Abstoßungskräfte. Die Moleküle der Oberflächenschicht sind etwas dichter gepackt und haben daher gegenüber den inneren Molekülen eine zusätzliche Reserve an potentieller Energie. Somit, die Moleküle der Oberflächenschicht der Flüssigkeit haben überschüssige potentielle Energie im Vergleich zu den Molekülen innerhalb der Flüssigkeit, gleich der freien Energie . .Die potentielle Energie der Flüssigkeitsoberfläche ist also proportional zu ihrer Fläche: .

Aus der Mechanik ist bekannt, dass die Gleichgewichtszustände eines Systems dem Minimalwert seiner potentiellen Energie entsprechen, also die freie Oberfläche der Flüssigkeit neigt dazu, ihre Fläche zu verringern. Die Flüssigkeit verhält sich so, als würden Kräfte tangential zu ihrer Oberfläche wirken und diese Oberfläche reduzieren (kontrahieren). Diese Kräfte werden gerufen Kräfte der Oberflächenspannung .

Wählen wir eine geschlossene Kontur auf der Flüssigkeitsoberfläche. Für alle Moleküle, die in diesem Kreislauf liegen, sind alle Kräfte gegenseitig ausgeglichen. Für Moleküle, die sich entlang der Kontur befinden, sind die nach außen gerichteten Kräfte jedoch äußere Kräfte; sie sind senkrecht zum Umfang und tangential zur Flüssigkeitsoberfläche. Diese Kräfte, die den Film dehnen, sind die Kräfte der Oberflächenspannung (Abb. 143).

Reis. 143.

Die Oberflächenspannungskraft ist tangential zur Flüssigkeitsoberfläche gerichtet, senkrecht zu dem Abschnitt der Kontur, auf den sie einwirkt, und ist proportional zu der Länge dieses Abschnitts: .

Das Vorhandensein von Oberflächenspannungskräften lässt die Flüssigkeitsoberfläche wie einen elastisch gestreckten Film aussehen, mit dem einzigen Unterschied, dass die elastischen Kräfte in dem Film von seiner Oberfläche (d. h. davon, wie der Film verformt wird) und den Oberflächenspannungskräften abhängen nicht abhängen auf der Oberfläche der Flüssigkeit.

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Ursprünglicher Wert

Konvertierter Wert

Newton pro Meter Millinewton pro Meter Grammkraft pro Zentimeter Dyne pro Zentimeter erg pro Quadratzentimeter erg pro Quadratmillimeter Pfund pro Zoll Pfundkraft pro Zoll

Elektrische Feldstärke

Mehr zur Oberflächenspannung

Allgemeine Information

Die Oberflächenspannung ist die Eigenschaft einer Flüssigkeit, der auf sie einwirkenden Kraft zu widerstehen. Oberflächenspannung im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten Wasser einer der höchsten. Diese Eigenschaft von Wasser beruht auf seiner Molekularstruktur, aufgrund derer die Bindungen zwischen den Molekülen viel stärker sind als bei anderen Flüssigkeiten.

Die Oberflächenspannung hängt von der Flüssigkeit selbst und ihrer molekularen Struktur ab, aber auch davon, mit welchem ​​Material diese Flüssigkeit in Kontakt kommt. Wenn es um die Oberflächenspannung im Tierreich geht und in vielen anderen Beispielen weiter unten, wird normalerweise entweder das Wasser-Luft-System oder wässrige Lösungen verschiedener Substanzen betrachtet, da dies die häufigsten Systeme sind, die in der Natur vorkommen.

Berechnungen der Oberflächenspannung

Um die Wasseroberfläche zu vergrößern, dh diese Oberfläche zu dehnen, muss mechanische Arbeit geleistet werden, um die Kräfte der Oberflächenspannung zu überwinden. Wenn keine anderen äußeren Kräfte auf das Fluid ausgeübt werden, neigt es dazu, eine Form anzunehmen, bei der die Oberfläche dieses Fluids minimal ist. Wie wir weiter unten sehen werden, ist die optimalste Form eine Kugel. In der Schwerelosigkeit nimmt die Flüssigkeit tatsächlich die Form einer Kugel an. Die potentielle Energie der Oberflächenspannung wird durch die Formel gefunden:

Ε surfen = σS

Hier σ ist der Koeffizient der Oberflächenspannung, und S ist die Gesamtfläche der Flüssigkeit. Diese Formel kann auch ausgedrückt werden als:

σ = Surfen/S

Wie aus dieser Formel ersichtlich ist, wird der Oberflächenspannungskoeffizient σ in Joule pro Quadratmeter ausgedrückt (J/m² = N/m). Das heißt, der Oberflächenspannungskoeffizient bei einer konstanten Temperatur der Flüssigkeit ist gleich der Arbeit, die geleistet werden muss, um die Oberfläche der Flüssigkeit pro Flächeneinheit zu vergrößern. Denken Sie daran, dass ein Joule gleich einem Newton multipliziert mit einem Meter ist, und wir erhalten eine andere Einheit zur Messung der Oberflächenspannung - Newton pro Meter (N / m).

Über Terminologie

Oberflächenspannung tritt nicht nur in Luft-Flüssigkeits-Systemen auf. Wenn Leute von Kraft in der Länge sprechen, meinen sie meistens die Oberflächenspannung in Flüssig-Gas-Systemen. Manchmal sprechen wir von Flüssig-Flüssig-Systemen, die auch eine Oberflächenspannung haben. Ein Beispiel für ein Flüssig-Flüssig-System, in dem wir über Oberflächenspannung sprechen können, sind Lavalampen. Wenn die Lampe ausgeschaltet ist, befindet sich das darin enthaltene Paraffin in einem festen Zustand, aber wenn es eingeschaltet wird, erwärmt es sich, schmilzt und steigt auf, da das Paraffin im erhitzten Zustand leichter ist als die Flüssigkeit, in der es sich befindet , und im kalten Zustand ist es schwerer.

Oberflächenspannungsmechanismus

Jedes Molekül in einer Flüssigkeit wirkt mit einer bestimmten Kraft auf die umgebenden Moleküle. Dementsprechend wirken auf jedes Molekül auch eine Reihe von Kräften aus unterschiedlichen Richtungen von den Seiten anderer Moleküle. Die Wirkung dieser Kräfte zwischen Molekülen ist in der Abbildung dargestellt. Diese Kräfte entstehen aufgrund der Tatsache, dass die Wasserstoff- und Sauerstoffatome, aus denen Wasser besteht, aufgrund des Ladungsunterschieds voneinander angezogen werden (die negative Ladung von Sauerstoff wird von der positiven Ladung von Wasserstoff angezogen). Diese Kräfte ziehen die Moleküle in verschiedene Richtungen aufeinander zu.

Etwas anders verhält es sich mit Molekülen auf der Oberfläche eines Stoffes, da die Kraft, mit der Luftmoleküle auf Wassermoleküle einwirken, viel geringer ist als die Kraft, mit der Wassermoleküle aufeinander einwirken. Wie in der Abbildung gezeigt, sind die Kräfte, die auf Moleküle an der Oberfläche einer Flüssigkeit wirken, geringer als die Kräfte, die auf alle anderen Moleküle innerhalb der Substanz wirken. Die auf diese Moleküle wirkenden Kräfte wirken auf sie von den Seiten, von denen sie von anderen Wassermolekülen umgeben sind, nicht aber von der Oberfläche. Dadurch werden die Moleküle an der Oberfläche mit einer größeren Kraft von der Flüssigkeit angezogen als von der Oberfläche angezogen. Dadurch bildet sich an der Oberfläche eine viel „beständigere“ Wasserschicht. Die auf die Moleküle an der Oberfläche wirkenden Kräfte bewirken, dass sich die Oberfläche zusammenzieht, um die Oberfläche so weit wie möglich zu verkleinern. Im Vergleich zu anderen Bindungen sind diese Bindungen viel schwerer zu brechen.

Die Kräfte, die auf Wassermoleküle einwirken, bestimmen das Vorhandensein von zwei Eigenschaften von Wasser - Adhäsion und Zusammenhalt. Kohäsion ist die Eigenschaft von Molekülen des gleichen Stoffes, sich gegenseitig anzuziehen. Wie wir aus den vorherigen Beispielen gesehen haben, sind Wassermoleküle stark kohäsiv. Dank der Kohäsion ist die Oberflächenspannung möglich.

Adhäsion hingegen ist die Eigenschaft von Molekülen verschiedener Substanzen oder Materialien, sich anzuziehen. Ist beispielsweise die Adhäsion zwischen Flüssigkeit und Gefäß hoch, „klettert“ die Flüssigkeit auf die Gefäßoberfläche, während der Bereich in der Mitte der Flüssigkeit an Ort und Stelle bleibt. Deutlich wird dies am Beispiel von Wasser in einem Glasgefäß – Wasser bildet sich konkav Meniskus wenn du es in ein enges Gefäß gießt.

Natürlich bildet sich in jedem Glasgefäß ein konkaver Meniskus, wenn es nicht zu voll ist, aber dieser Effekt ist in einem engen Gefäß, wie z. B. einer Pfeife, viel besser zu sehen. Es ist erwähnenswert, dass in der Abbildung eines vollen Glases der Meniskus konvex. Dies liegt daran, dass das Wasser nichts anderes als andere Wassermoleküle hat, an dem es sich "haken" kann. Die konvexe Form des Meniskus wird durch Kohäsion zwischen Wassermolekülen verursacht. Der Prozess der Bildung eines konvexen Meniskus ähnelt dem Prozess der Bildung von Wassertröpfchen, der unten beschrieben wird.

Wenn die Adhäsion zwischen der Oberfläche der Substanz und der Flüssigkeit gering ist, ist der Meniskus konvex. Dies liegt daran, dass die Moleküle der Flüssigkeit von anderen Molekülen der Flüssigkeit stärker angezogen werden als von der Oberfläche des Gefäßes. Ein gutes Beispiel für einen solchen Meniskus ist Quecksilber. Wenn Sie ein Messgerät mit Quecksilber im Inneren haben, z. B. ein Thermometer, können Sie diesen Meniskus leicht sehen.

Beispiele für Oberflächenspannung bei der Arbeit

Beispiele für Oberflächenspannungen in Alltag und Technik umgeben uns überall. Am einfachsten ist der Effekt der Oberflächenspannung in Wasser-Luft-Systemen zu erkennen.

Wassertropfen

Die Bildung kugelförmiger Tröpfchen erfolgt auch aufgrund der Kräfte, die die Moleküle der Flüssigkeitsoberfläche nach innen ziehen. Stellen Sie sich einen Tropfen vor, wie Kinder ihn oft zeichnen - seine Form ist überhaupt nicht kugelförmig, sondern länglich, oben länglich und unten abgerundet. Das häufigste Bild eines Tropfens hat diese Form, weil wir solche Tropfen am häufigsten sehen, wenn verschiedene Kräfte auf sie einwirken. So sehen zum Beispiel Tropfen aus, die an der Oberfläche von Blättern und Ästen herunterrollen und dann nach unten fließen.

Wenn ein Tropfen noch nicht von der Oberfläche, auf der er sich befindet, verglast ist, wirken mehrere Kräfte auf ihn, einschließlich der Anziehungskraft. Wasser ändert leicht seine Form, und ein Tropfen, bevor er herunterfällt, wird gedehnt und repräsentiert hängender Tropfen. Wir kennen diese Form, da sich solche Tropfen im Gegensatz zu kugelförmigen eher langsam bewegen und gut sichtbar sind.

Wenn sich das Tröpfchen dehnt, erreicht es einen Punkt maximaler Streckung, wonach die Oberflächenspannungskräfte die Tröpfchenmoleküle nicht länger zusammenhalten können. Der Tropfen bricht von anderen Wassermolekülen ab und fällt herunter. Wenn es nach unten fliegt, nimmt der Einfluss der umgebenden Kräfte auf es ab, und aufgrund der Oberflächenspannung wird seine Form kugelförmig, wie wir oben besprochen haben.

Wie Sie auf dem Foto eines Kaffeetropfens sehen können, der aus einer Espressomaschine in eine Tasse fällt, ist die Form dieses Tropfens sehr kugelförmig, obwohl er durch die auf ihn einwirkende Schwerkraft leicht verformt wird.

Um den Mechanismus hinter der Bildung eines kugelförmigen Tropfens zu verstehen, kann man die Oberflächenspannung auch als Energie betrachten, wie in der obigen Definition dieses Phänomens. Partikel werden von anderen Partikeln mit entgegengesetzten Ladungen angezogen, sodass wir sagen können, dass diese Partikel eine potenzielle Energie haben, die davon abhängt, wie diese Moleküle mit umgebenden Molekülen interagieren. Moleküle auf der Oberfläche einer Flüssigkeit sind nicht von anderen Molekülen auf der Oberflächenseite umgeben, daher ist ihre potentielle Energie höher. Ein solches System neigt dazu, die potentielle Energie entsprechend zu reduzieren Prinzip der minimalen potentiellen Energie. Das bedeutet, dass Moleküle mit höherer potentieller Energie dazu neigen, diese zu reduzieren, indem sie zum Beispiel ihre Form verändern. In unserem Fall wird dies erreicht, indem die Form des Wassers verändert wird.

Bei konstanter Oberflächenspannung kann die potentielle Energie durch Verkleinerung der Fläche reduziert werden. Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass wir über den Bereich zwischen Molekülen sprechen. Nachdem wir die Formeln zur Berechnung der Fläche verschiedener geometrischer Formen betrachtet haben, stellen wir fest, dass der Ball am besten geeignet ist, den Bereich zwischen Molekülen zu reduzieren, dh dieser Bereich für Moleküle auf der Außenfläche des Balls ist im Vergleich zu anderen Geometrien minimal Formen. Dieser Zusammenhang kann mit nachgewiesen werden Euler-Lagrange-Gleichung.

Änderung der Oberflächenspannung bei Änderung der Temperatur und der chemischen Zusammensetzung eines Stoffes

Zu beachten ist, dass mit steigender Temperatur die Oberflächenspannung abnimmt. Denn mit steigender Temperatur werden die Moleküle aktiver und die Intensität ihrer Schwingungen nimmt zu. Dadurch vergrößert sich der Abstand zwischen den Molekülen und die Bindungen zwischen den Molekülen werden schwächer. Einige dem Wasser zugesetzte Substanzen wie Seife verringern auch die Oberflächenspannung, wodurch das Wasser besser an anderen Oberflächen haften kann.

Die reduzierte Oberflächenspannung lässt Wasser in Poren und schwer zugängliche Löcher eindringen, beispielsweise zwischen Stofffasern. Dies ist möglich, weil Wassermoleküle bei niedriger Oberflächenspannung leicht voneinander getrennt werden. Deshalb werden Stoffe, Geschirr und andere Gegenstände und Oberflächen am häufigsten mit heißem Wasser gewaschen. Reinigungsmittel haben die gleiche oberflächenspannungsreduzierende Wirkung wie Erhitzen, daher werden sie auch oft zum Reinigen von Oberflächen verwendet, oft in Kombination mit heißem Wasser.

Oberflächenspannung in Kapillaren

Oben haben wir uns die Bildung eines Meniskus durch Adhäsion angesehen, aber dies ist nicht das einzige Beispiel dafür, wie sich Flüssigkeiten in engen Röhren und Kapillaren verhalten. Flüssigkeiten steigen aufgrund von Adhäsion in der Kapillare oder dem Rohr nach oben, aber damit die Flüssigkeit durch das Rohr als Ganzes aufsteigen kann, ohne auseinanderzubrechen, ist zusätzlich zur Adhäsion auch Kohäsion erforderlich. Je enger die Kapillare, desto höher kann die Flüssigkeit steigen, da in einem breiteren Rohr möglicherweise nicht genügend Oberflächenspannung vorhanden ist, um eine große Menge Wasser nach oben zu heben.

Beispiele für dieses Phänomen in Kapillaren sind Papierhandtücher, die verschüttete Flüssigkeiten aufsaugen, Sportkleidung aus Stoff, die Schweiß aufnimmt, und Wurzeln, die Wasser aus dem Boden aufnehmen und es entlang des Stammes zu Zweigen und Blättern transportieren. Es ist erwähnenswert, dass eine solche Flüssigkeitsbewegung nicht nur durch Oberflächenspannung, sondern auch durch Osmose verursacht werden kann. Ein interessantes Phänomen in hinduistischen Tempeln, bekannt als Milch Wunder auch durch die Arbeit der Kapillaren erklärt. Das Milchwunder war wie folgt. Besucher eines der hinduistischen Tempel in Indien bemerkten, dass die Statuen der Götter auf dem Territorium des Tempels Milch „tranken“, die die Gläubigen auf Tellern vor sich zurückließen. Dieses Phänomen wurde in einigen anderen Tempeln in Indien sowie außerhalb des Landes beobachtet. Wissenschaftler erklären dieses Phänomen durch die Arbeit von Kapillaren: Der Stein, aus dem die Statuen geschnitzt wurden, war porös, und Milch stieg durch die Kapillaren im Inneren der Statuen auf.

Wie aus diesen Beispielen ersichtlich ist, gäbe es ohne Oberflächenspannung keine Phänomene der Flüssigkeitsbewegung durch Kapillaren. Die Flüssigkeit kann bei hoher Adhäsion zwischen der Flüssigkeit und dem Material des Gefäßes an den Wänden des Gefäßes haften bleiben, aber ohne Oberflächenspannung kann sie nicht hochkriechen, da sie sich als Ganzes nicht bewegen kann.

Auf der Oberfläche einer Flüssigkeit schwimmende Gegenstände

Objekte, die in einer Flüssigkeit nicht nass werden und eine Dichte haben, die größer ist als die Dichte von Wasser, können aufgrund des Gleichgewichts zwischen den Kräften, die die Oberflächenspannung erzeugen, und den Kräften, die den Körper nach unten ziehen, wie z. B. Körper, auf der Wasseroberfläche schwimmen Last. Hier sprechen wir nur von Körpern aus wasserdichten Materialien. Wenn Wasser in das Material eindringt oder an der Schale haften bleibt, dann wird das Bild viel komplizierter. Diese Eigenschaft des Körpers, an der Oberfläche zu bleiben, lässt sich leicht am Beispiel einer Büroklammer oder einer auf der Wasseroberfläche schwimmenden Nadel demonstrieren. Senken Sie die Büroklammer vorsichtig in das Wasser und versuchen Sie, keine Kraft anzuwenden, eine große Kraft der Oberflächenspannung. Um die Wassermenge zu reduzieren, die an der Oberfläche der Büroklammer haftet und sie unter Wasser sinken lässt, bedecken Sie die Büroklammer mit Öl. Wenn wir die Büroklammer sanft genug auf das Wasser legen, bleibt sie an der Wasseroberfläche.

Die Form von Tröpfchen, die an einer harten Oberfläche haften

In den zuvor beschriebenen Beispielen haben wir gesehen, dass die Wassertröpfchen dazu neigen, kugelförmig zu werden, um die potentielle Energie im System zu reduzieren. Manchmal ist es unmöglich, die Form einer Kugel zu erreichen, sodass die Tropfen eine Form annehmen, die ihr am nächsten kommt. Fällt ein Wassertropfen auf eine feste Fläche und bleibt dort haften, so nimmt der untere Teil des Tropfens, der diese Fläche berührt, die Form dieser Fläche an, er wird beispielsweise flach. Dies liegt daran, dass die Anziehungskraft den Tropfen zur Oberfläche zieht. Die Oberfläche des Tropfens, die nur mit Luft in Berührung kommt, wird dagegen annähernd die Form einer Kugel haben. Dadurch nehmen Tropfen auf ebenen Flächen, etwa auf einer Platte oder auf Glas, die Form einer Halbkugel an.

Wenn Tropfen auf eine feste Oberfläche fallen, nehmen sie eine Form an, die eine Flächenverkleinerung zulässt, und verbleiben in dieser Form, bis das Kräftegleichgewicht so gestört ist, dass die Oberflächenspannung den Tropfen nicht mehr in dieser Form auf der Oberfläche halten kann. Beispielsweise bleiben Tautropfen auf dem Stoff des Zeltes, bis sie mit einer anderen Oberfläche in Kontakt kommen. Wenn sich die Tropfen auf der Außenseite gebildet haben, berühren Sie den Stoff des Zeltes von innen und entfernen Sie Ihre Hand, wird die Oberflächenspannung so stark brechen, dass die Tropfen den Stoff des Zeltes durchdringen und das Wasser an Ihren Fingern zurückbleibt .

Ein interessantes Phänomen ist zu beobachten, wenn ein alkoholisches Getränk wie Wein in ein Glas gegossen wird, insbesondere wenn es sich um Wein mit hohem Alkoholgehalt handelt. Wassertropfen bilden sich an den Wänden dieses Glases, bekannt als "Tränen des Weins".

Dieses Phänomen wird durch eine Reihe von Faktoren verursacht, einschließlich des Unterschieds in der Oberflächenspannung zwischen Ethanol und Wasser. Wie oben erwähnt, ist die Oberflächenspannung von Wasser im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten hoch. Sie ist um ein Vielfaches größer als die Oberflächenspannung von Ethylalkohol. In Mischungen aus Wasser und Alkohol, wie zum Beispiel in Wein, werden Wassermoleküle stärker voneinander angezogen als von Alkoholmolekülen. Aus diesem Grund "läuft" das Wasser von den Alkoholmolekülen weg, die Wände des Glases hinauf. Mit anderen Worten bewegt sich Wasser von Ethanolmolekülen zu Wassermolekülen.

Natürlich gibt es Ethanol in Wein in einem Glas, aber es befindet sich nicht auf der Oberfläche des Glases über dem Niveau des Weins, sodass das Wasser genau an den Wänden des Glases nach oben fließt. Gleichzeitig bilden sich an den Wänden oberhalb des Weinspiegels tränenähnliche Tropfen. Daher der Name dieses Phänomens.

Je mehr Wasser sich in einem Tropfen sammelt und je höher es aufsteigt, desto schwieriger wird es, allein aufgrund der Oberflächenspannung auf dem Glas zu bleiben. Schließlich fließt der Tropfen zurück in das Glas. Je höher der Alkoholgehalt des Weins ist, desto ausgeprägter ist dieser Effekt.

Oberflächenspannung in der medizinischen Diagnostik

Ärzte verwenden Informationen über die Oberflächenspannung eines Stoffes, um seinen Gehalt in einem Gemisch zu bestimmen. Einige Formen der Gelbsucht sind beispielsweise durch einen hohen Gehalt an Gallensalzen im Urin gekennzeichnet. Das Vorhandensein dieser Salze senkt die Oberflächenspannung des Urins, und daher kann ihr Gehalt bestimmt werden, indem überprüft wird, ob eine bestimmte Substanz im Urin schwimmt oder sinkt, in unserem Fall Schwefelpulver. Es sinkt nicht in den Urin eines gesunden Patienten, aber wenn Gallensalze beigemischt sind, reicht die Oberflächenspannung nicht aus und das Schwefelpulver sinkt. Diese Prüfung heißt Hays Test.

In der Natur

Messung der Oberflächenspannung

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Oberflächenspannung mit verschiedenen Messgeräten zu ermitteln. Nachfolgend betrachten wir einige bekannte Messsysteme.

Bei Geräten des ersten Typs wird die durch Oberflächenspannung auf das Messgerät aufgebrachte Kraft gemessen. Gemessen nach der Du-Nouy-Ring-Abreißmethode und du Nuy-Padey-Methode die Kraft, die erforderlich ist, um den Ring bzw. die Nadel von der Flüssigkeitsoberfläche abzuheben, wird abgeschätzt. Gemäß dem dritten Newtonschen Gesetz ist die Kraft, die aufgrund der Oberflächenspannung auf einen Ring oder eine Nadel ausgeübt wird, wenn wir sie von der Oberfläche einer Flüssigkeit abheben, gleich groß wie die Kraft, die erforderlich ist, um diese Objekte von der Wasseroberfläche abzuheben. Das heißt, indem wir die Kraft messen, die zum Anheben dieser Objekte erforderlich ist, erhalten wir auch die Kraft, die sie am Anheben hindert.

Wilhelmy-Methode misst die Kraft, die auf eine Metallplatte wirkt, die in eine Flüssigkeit eingetaucht ist, deren Oberflächenspannung gemessen wird. Flüssigkeit haftet an einer Platte, einem Ring oder einer Nadel (wie bei früheren Messmethoden), und die Oberflächenspannung hält die an der Oberfläche haftenden Flüssigkeitsmoleküle sowie den Rest der Moleküle als Ganzes zusammen. Das heißt, die Flüssigkeit "lässt" die Platte, den Ring oder die Nadel nicht los. Aus welchem ​​Material die Platte besteht und wie stark Wasser an diesem Material haftet, ist bekannt und wird bei der Berechnung der Kraft berücksichtigt.

Die Oberflächenspannung kann auch anhand des Gewichts von Wassertropfen ermittelt werden, die aus einem vertikalen Rohr oder einer Kapillare fallen. Diese Methode wird aufgerufen stalagmometrische, und das Gerät, das die Oberflächenspannung misst, ist ein Stalagmometer. Die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit lässt sich leicht aus dem Gewicht eines Tropfens berechnen, da Gewicht und Oberflächenspannung zusammenhängen. Ist der Durchmesser des Röhrchens bekannt, so lässt sich aus der Anzahl der Tropfen in einer bestimmten Flüssigkeitsmenge das Gewicht eines Tropfens bestimmen.

Methode zur Bestimmung durch die Form eines hängenden Tropfensähnlich dem vorherigen, da es auch einen Tropfen verwendet, um die Oberflächenspannungskraft zu bestimmen. Dabei wird gemessen, wie weit sich der Tropfen ausdehnen kann, bevor er sich von der restlichen Flüssigkeit löst und herunterfällt.

Es gibt auch Messgeräte, die Flüssigkeit und Gas (für Flüssigkeits-Gas-Systeme) drehen, bis das System ein Gleichgewicht erreicht und die Form der Substanz konstant wird. Die Oberflächenspannung wird dabei durch die Form eines Stoffes mit geringerer Dichte bestimmt. Diese Methode zur Messung der Oberflächenspannung heißt Rotierende Tropfenmethode.

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