Главная    Почта    Новости    Каталог    Одноклассники    Погода    Работа    Игры     Рефераты     Карты
  
по Казнету new!
по каталогу
в рефератах

Определение коэффициента поверхностного натяжения методом компенсации давления Лапласа

звестно,  к  представлению    о   наличии   тангенциальных   и   нормальных
относительно  поверхности  раздела  фаз   сил,   действующих   на   молекулы
переходного слоя [2]. Это –  силы  поверхностного  межфазового  натяжения  и
молекулярного давления.
    Обе эти категории сил, действующих на молекулы,  которые  находятся  на
различных расстояниях от поверхности раздела фаз, не одинаковы по  величине:
они монотонно убывают в обоих направлениях  по  нормали  к  нормали  раздела
фаз.
    В этом легко  разобраться,  рассмотрев  прохождение  молекулы  m  через
поверхность раздела фаз MN (рис. 3). Пусть, например,  перемещение  молекулы
происходит через границу раздела между жидкостью и  её  насыщенным  паром  с
расстояния ( радиуса молекулярного действия внутри  жидкой  фазы  на  то  же
расстояние в газообразной фазе [11].
    Молекула переходного слоя, находящаяся на произвольном расстоянии (  от
фазовой границы (рис. 4), взаимодействует со всеми молекулами,  находящимися
в пределах шарового объёма её молекулярного действия.  Результирующая  этого
взаимодействия равна, однако, разности суммарных взаимодействий  молекулы  m
с  молекулами,  находящимися  в  шаровых  сегментах  EFG  и  CHD,  так   как
взаимодействия с молекулами в шаровых поясах ACDB и  ABFE  уравновешиваются.
Если пренебречь притяжением молекул  газа,  то  некомпенсированным  остаётся
лишь притяжение молекул, заполняющих сегмент EFG. Величину этого  притяжения
следует считать пропорциональной  числу  молекул,  находящихся  в  объёме  (
сегмента, а при постоянной их плотности внутри сегмента – объёму ( [3].
    При перемещении молекулы через фазовую границу на расстоянии 2( объём (
возрастает от нуля до [pic], а затем вновь убывает до нуля.  Пропорционально
этому объёму изменяется и величина силы, действующих на молекулу  m.  Отсюда
можно сделать заключение,  что  чем  ближе  молекула  жидкости  находится  к
поверхности фазы, тем больше при тепловых соударениях вероятность её  выхода
в газовую фазу (испарения), и чем ближе молекула  пара  к  фазовой  границе,
тем больше вероятность её захвата жидкой фазой (конденсации).
    Таким  образом,  во  время  перехода  молекулы  через  фазовую  границу
равнодействующая  молекулярных   сил   изменяется   пропорционально   объёму
шарового сегмента
      [pic],     (2)
где  h  –  высота  сегмента.  На  рис.  5  приведена   зависимость   (=((h);
геометрический смысл она имеет в пределах значений h от нуля до 2(. На  рис.
6  представлено  изменение  величины  силы,  действующей  на  молекулу   при
прохождении ею фазовой границы;  за  начало  отчётов  принята  плоскость  ОВ
(рис. 3), положение молекулы определяется координатой z. Из  рисунка  видно,
что кривая имеет максимум, соответствующей нахождению  молекулы  на  границе
фаз. Зависимость  f=((z)  в  равной  мере  относится  как  к  поверхностному
натяжению, так и к молекулярному давлению. Таким образом, (=((z)  и  pm=((z)
[12].
    До сих пор мы говорили об элементарных силах, действующих на  отдельные
молекулы. Однако величину поверхностного натяжения (, как известно,  принято
относить к единице длины  контура,  а  молекулярное  давление  –  к  единице
площади на поверхности фазы. В связи с наличием зависимости  (=((z),  строго
говоря,  величину   поверхностного   натяжения   (численно   равную   работе
образования  элемента  поверхности)   следует   относить   к   элементарному
моноатомному слою поверхностного слоя  фазы,  находящемуся  на  определённом
расстоянии z от поверхности отсчёта. Обычно поверхностное натяжение  относят
к  самому  поверхностному  слою  фазы  (z=(),  где  оно  имеет  максимальное
значение.  Учитывая  указанные  соотношения,  можно  было  бы   говорить   о
«среднем» значении  поверхностного  натяжения  переходного  слоя  фазы,  что
соответствовало бы понятию «линейного напряжения переходного слоя» [2].
    Что касается  молекулярного  давления,  то  ввиду  наличия  зависимости
pm=((z)  его  величину  также  следует  представлять  себе   как   результат
суммирования элементарных сил по толщине ( от переходного слоя [1].
    До последнего времени не было найдено  метода  измерения  молекулярного
давления.  Решение  этой  задачи  встречает  большие  трудности,   так   как
молекулярное  давление  по  его  происхождению  связано  с  взаимодействиями
молекул переходного слоя  чрезвычайно  малой  толщины  ((10-7  см)  по  всей
поверхности фазы. Молекулярное давление доступно, однако, вычислению:
      [pic],     (3)
где pBH – внешнее давление, I – механический эквивалент, Ср и С( -  молярные
теплоёмкости при постоянном давлении и объёме, ( -  термический  коэффициент
объёма (. Величина pm может быть также вычислена на основании уравнения Ван-
дер-Ваальса, если известны его константы.
    Изменение молекулярного давления для жидкостей и твёрдых тел охватывает
три порядка: 10-3(10-5 атм. Индивидуальные  вариации  величины  pm  являются
прямым следствием индивидуальных различий атомных  и  молекулярных  структур
вещества. Поэтому молекулярное давление  может  служить  надёжным  критерием
интенсивности молекулярного взаимодействия.
    Если известна зависимость f=((z), то  можно  подсчитать  работу  выхода
молекулы на поверхность фазы. Максимальная работа выхода [14]:
      [pic].     (4)
    Таким образом, увеличение поверхности связано с  затратой  работы;  при
сжатии  поверхность  сама  совершает  работу.  Из   этих   термодинамических
предпосылок  и  вытекает  представление  о   поверхностном   натяжении   как
тангенциальных   силах,   совершающих   работу   при   изменении    величины
поверхности. Для фазовых поверхностей, имеющих кривизну, ещё  Лапласом  было
введено  представление  о  капиллярном   дополнительном   давлении   р   как
тангенциальных силах, действующих на поверхностный слой фазы таким  образом,
что их результирующая направлена к центрам кривизны поверхности [14]:
      [pic].     (5)
    Действительно, наблюдаемые на  опыте  поверхностные  явления  протекают
таким образом, как если бы поверхность находилась в состоянии  квазиупругого
натяжения. Такое представление весьма наглядно и  облегчает  решение  многих
задач.
    Однако никакой действительной аналогии между  поверхностным  и  упругим
натяжением не существует, так как закон Гука по отношению  к  поверхностному
натяжению не выполняется: величина деформации поверхности не зависит  от  (,
которое  в  изометрических  условиях  изометрической  величины   поверхности
остаётся постоянным.
    К сожалению общепринятой  теории  возникновения  поверхностных  сил  не
существует. Имеющиеся точки зрения сводятся к следующим:
    1)   Выдвигается   гипотеза,    утверждающая,    что    межмолекулярные
взаимодействия   благодаря   особой   ориентации   как   самих   молекул   в
поверхностном  слое,  так  и  их  полей  осуществляются  преимущественно   в
направлении, тангенциальном к поверхности. Благодаря такой особой  структуре
поверхностного слоя возникают силы поверхностного натяжения.  Иначе  говоря,
согласно этой точки зрения существует особая анизотропия молекулярных сил  в
поверхностном  слое,  а  происхождение  этих  сил  может  быть   связано   с
лондоновским (обменным) взаимодействием ван-дер-ваальсового типа.
    2) Падение давления в  жидкости  по  толщине  поверхностного  слоя  при
постоянном  переходе  от  жидкости  к  пару,   численно   равное   свободной
поверхностной энергии, служит  причиной  поверхностного  натяжения  (Беккер)
[2].
    Обе эти  точки  зрения  при  их  развитии  наталкиваются  на  серьёзные
трудности.
    3) Н. Адам, наконец,  считает,  что  понятие  поверхностного  натяжения
имеет смысл лишь  математического  эквивалента  поверхностной  энергии  [2].
Введение  понятия  поверхностного  натяжения  он  сопоставляет  с  принципом
возможных перемещений в статике, как чисто математическим приёмом.  Так  как
наличие свободной энергии  поверхности  может  быть  объяснено  молекулярным
давлением, то, по Адаму, нет надобности задаваться вопросом,  каким  образом
это приводит к возникновению тангенциальных сил поверхностного натяжения.
    Эта точка зрения не даёт, однако, оснований отрицать,  как  это  делает
Адам, физическую реальность поверхностного натяжения.
    Таким образом, подводя итоги, можно лишь сказать, что ясности в вопросе
о происхождении поверхностного натяжения в настоящее время нет  и  что  этот
вопрос нуждается в теоретической разработке [16].

    §2. Экспериментальные методы определения коэффициента поверхностного
                                  натяжения


     Обнаружение поверхностного натяжения у жидкости с помощью поплавка
    Для  того,  чтобы  провести  данный  эксперимент  необходимо  следующее
оборудование: 1) ареометр с пределами измерений 1,000-0,700;  2)  стеклянный
цилиндр ёмкостью 1 л  (длина  465  мм,  диаметр  65  мм);  3)  сетка  медная
диаметром 35 мм (9 клеток на 1 см); 4) два  резиновых  колечка;  5)  глазная
пипетка; 6) эфир.



    Для обнаружения поверхностного натяжения воды пользуются ареометром как
поплавком. На расстоянии 6-7 см от верхнего конца ареометра одевают  кружок,
вырезанный из мелкой медной сетки, и укрепляют  его  сверху  и  снизу  двумя
резиновыми колечками (рис. 7) [3]. Затем наливают воду в литровый цилиндр  и
опускают в него ареометр с таким расчётом, чтобы сетка плавающего  ареометра
находилась на 1-2 см над поверхностью воды (рис. 8).
    Если затем пальцем медленно и неглубоко погрузить сетку  ареометра  под
воду и осторожно отпустить  палец,  то  можно  наблюдать,  что  ареометр  не
всплывает: сетка задерживается у поверхности воду (рис. 9). Это  объясняется
тем, что  поверхность  воды,  как  бы  обладая  свойствами  упругой  плёнки,
удерживает сетку, мешая ей  вместе  с  ареометром  подняться  вверх  в  своё
первоначальное положение.
    Если внести теперь  с  помощью  глазной 
12345След.
скачать работу

Определение коэффициента поверхностного натяжения методом компенсации давления Лапласа

 

Отправка СМС бесплатно

На правах рекламы


ZERO.kz
 
Модератор сайта RESURS.KZ