A felületi feszültség a két egyensúlyi fázis közötti határfelület termodinamikai jellemzője, amelyet a határfelület egységnyi területének reverzibilis izotermokinetikus képződése határoz meg, feltéve, hogy a hőmérséklet, a rendszer térfogata és az összes komponens kémiai potenciálja. mindkét fázisban állandó marad.
A felületi feszültségnek kettős fizikai jelentése van: energia (termodinamikai) és erő (mechanikai). Energetikai (termodinamikai) definíció: a felületi feszültség az a fajlagos munka, amely a felületet növeli nyújtás közben, feltéve, hogy a hőmérséklet állandó. Az erő (mechanikai) definíciója: a felületi feszültség a folyadék felületét korlátozó vonal egységnyi hosszára ható erő [1] .
A felületi feszültség tangenciálisan a folyadék felületére irányul, merőlegesen a kontúr azon szakaszára, amelyre hat, és arányos ennek a szakasznak a hosszával. Az arányossági együtthatót - a kontúr egységnyi hosszára eső erőt - felületi feszültség együtthatójának nevezzük. SI-ben mérik newton per méter. Helyesebb azonban a felületi feszültséget az egységnyi felületi törésre (m²) joule-ban kifejezett energiaként definiálni. Ebben az esetben a felületi feszültség fogalmának egyértelmű fizikai jelentése jelenik meg.
1983-ban elméletileg bebizonyosodott, és referenciakönyvekből származó adatokkal is megerősítették [2] , hogy a folyadék felületi feszültségének fogalma egyértelműen a belső energia fogalmának része (bár specifikus: szimmetrikus molekulák esetében, amelyek alakja közel van a gömb alakúhoz). Az ebben a folyóiratcikkben megadott képletek lehetővé teszik egyes anyagok számára, hogy elméletileg számítsák ki a folyadék felületi feszültségének értékét más fizikai és kémiai tulajdonságokból, például a párolgási hőből vagy a belső energiából [3] [4] ).
1985-ben W. Weisskopf az USA -ban publikált egy hasonló nézetet a felületi feszültség fizikai természetéről mint a belső energia részeként egy másik fizikai probléma megoldásában [5] .
A felületi feszültség a gáznemű , folyékony és szilárd testek határfelületén lép fel. Általában a "felületi feszültség" kifejezés a folyékony testek felületi feszültségére utal a folyadék-gáz határfelületen. Folyadék határfelület esetén a felületi feszültséget a felületi kontúr egységnyi hosszára ható erőnek is tekinthetjük, amely adott fázistérfogatoknál a felületet minimálisra csökkenti.
A felületi feszültség mérésére szolgáló műszert tenziométernek nevezzük .
Mivel a folyadék-gáz határfelület felületének növelése munkavégzést igényel, a folyadék "hajlamos" csökkenteni a felületét:
A folyadék felületének szabad energiája van :
hol a felületi feszültség együtthatója, a folyadék teljes felülete [6] .Mivel egy elszigetelt rendszer szabad energiája a minimumra törekszik, a folyadék (külső mezők hiányában) hajlamos olyan alakot felvenni, amelynek minimális felülete van. Így a folyadék alakjának problémája adott további feltételek mellett (kezdeti eloszlás, térfogat stb.) izoperimetriás problémává redukálódik. A szabad csepp labda formáját ölti , de bonyolultabb kezdeti feltételek mellett a folyadékfelület alakjának problémája matematikailag rendkívül bonyolulttá válik.
Vegyünk egy vékony folyadékfilmet, amelynek vastagsága elhanyagolható. A szabad energiájának minimalizálása érdekében a film nyomáskülönbséget hoz létre a különböző oldalakról. Ez magyarázza a szappanbuborékok képződését : a fóliát addig préseljük, amíg a buborékon belüli nyomás nem haladja meg a légköri nyomást a film felületi feszültségének járulékos nyomásának értékével. A további nyomás a felület egy pontján az átlagos görbülettől függ ezen a ponton, és a Laplace-képlet adja meg :
Itt vannak a fő görbületi sugarak egy pontban. Ugyanolyan előjelük van, ha a megfelelő görbületi középpontok a pontban az érintősík ugyanazon az oldalán helyezkednek el, és más az előjelük, ha különböző oldalakon helyezkednek el. Például egy gömb esetében a görbületi középpontok a felület bármely pontján egybeesnek a gömb középpontjával, tehát:
Egy sugarú körhenger felületének esetében a következőket kapjuk:
Mivel ennek folytonos függvénynek kell lennie a filmfelületen, ezért a film „pozitív” oldalának megválasztása egy ponton lokálisan egyedileg beállítja a felület pozitív oldalát kellően közeli pontokra.
A Laplace-képletből az következik, hogy egy tetszőleges alakú keretre feszített, buborékokat nem képező szabad szappanfilm átlagos görbülete 0 lesz.
A hőmérséklet emelkedésével a felületi feszültség csökken, és a kritikus hőmérsékleten nullával egyenlő. A felületi feszültség hőmérséklettől való legismertebb empirikus függését Eötvös Lorand javasolta , az úgynevezett Eötvös-szabályt . Jelenleg a felületi feszültség hőmérséklettől való elméleti függésének következtetése a kritikus hőmérsékletekig terjedő tartományban megtörtént, ami megerősíti az Eötvös-szabályt [7] .
A felületi feszültség meghatározására szolgáló módszerek statikus és dinamikus módszerekre oszthatók. A statikus módszerekben a felületi feszültséget egy kialakult felületen határozzák meg, amely egyensúlyban van. A dinamikus módszerek a felületi réteg pusztulásához kapcsolódnak. Az oldatok (különösen polimerek vagy felületaktív anyagok) felületi feszültségének mérése esetén statikus módszereket kell alkalmazni. Egyes esetekben a felületen az egyensúly néhány órán belül beállhat (például nagy viszkozitású polimerek koncentrált oldatainál). Az egyensúlyi felületi feszültség és a dinamikus felületi feszültség meghatározására dinamikus módszerek alkalmazhatók. Például egy szappanos oldat esetében a keverés után a felületi feszültség 58 mJ / m², ülepítés után pedig 35 mJ / m². Vagyis a felületi feszültség megváltozik. Amíg az egyensúly létre nem jön, dinamikus lesz.
Statikus módszerek:
Dinamikus módszerek:
A teljesen szabványos mérési módszereket a vonatkozó ASTM , GOST stb.
A módszer lényege, hogy megmérjük egy nehezebb folyadékban forgó folyadékcsepp átmérőjét [8] . Ez a mérési módszer a határfelületi feszültség alacsony vagy ultraalacsony értékeinek mérésére alkalmas. Széles körben alkalmazzák mikroemulziókhoz, felületaktív anyagok (felületaktív anyagok) olajtermelési hatékonyságának mérésére, valamint adszorpciós tulajdonságok meghatározására.
A módszer klasszikus. A módszer lényege a névből következik. A folyadék felületével párhuzamos síkú platinahuzalból készült gyűrű lassan kiemelkedik a nedvesítő folyadékból, a gyűrűnek a felülettől való elválása pillanatában fellépő erő a felületi feszültség, és felületté alakítható. energia. A módszer alkalmas felületaktív anyagok, transzformátorolajok stb. felületi feszültségének mérésére.
Ha egy folyadékot a felületén fekvő oszcilláló lemez megzavar, a kapilláris hullámok a folyadék felületén terjednek . Ha egy folyadékot tartalmazó küvettát egy impulzusos fényforrással (strob) világítanak meg, amelynek felvillanási frekvenciája megegyezik a perturbációs lemez rezgési frekvenciájával, akkor vizuálisan álló hullámmintázat figyelhető meg. A mért hullámhossz alapján a felületi feszültség a következő képlettel számítható ki:
hol van a felületi feszültség; a folyadék sűrűsége; a hullámhossz; a lemez oszcillációs frekvenciája; - a gravitáció gyorsulása.Anyag | Hőmérséklet °C | Felületi feszültség ( 10–3 N/m) |
---|---|---|
Nátrium-klorid 6 M vizes oldat | húsz | 82,55 |
Nátrium-klorid | 801 | 115 |
Glicerin | harminc | 64.7 |
Ón | 400 | 518 |
salétromsav 70% | húsz | 59.4 |
Anilin | húsz | 42.9 |
Aceton | húsz | 23.7 |
Benzol | húsz | 29.0 |
Víz | húsz | 72,86 |
Glicerin | húsz | 59.4 |
Olaj | húsz | 26 |
Higany | húsz | 486,5 |
85%-os kénsav | húsz | 57.4 |
Etanol | húsz | 22.8 |
Ecetsav | húsz | 27.8 |
Etil-éter | húsz | 16.9 |
szappanos oldat | húsz | 43 |
Szappanbuborék
Százszorszép
A képen a „ bor könnyeinek ” nevezett hatás látható
Csepp víz egy levélen
Tömeges a tócsák és a száraz aszfalt határán
A víz száraz aszfaltfelületen folyik