Поверхностное натяжение. Всякая жидкость стремится уменьшить свою поверхность
Всякая жидкость стремится уменьшить свою поверхность. Это свойство жидкости объясняется явлением поверхностного натяжения.
Например, если на поверхность ртути, налитой в глубокий сосуд, насыпать какой – либо порошок и затем осторожно погрузить в ртуть вертикально стеклянную палочку, то весь порошок будет втянут в углубление, образованное палочкой, так, как будто ртуть была покрыта поверхностной пленкой, не разрывающейся при погружении палочки в ртуть.
Капиллярность (поверхностное натяжение) – это свойство жидкости изменять положение ее поверхности, вызванное натяжением и силой взаимодействия между нею и стенками трубок или мелкими порами грунта. Поверхностное натяжение зависит от температуры, уменьшаясь с ее ростом.
Поверхностное натяжение жидкости определяют величиной силы, приходящейся на единицу длины произвольной линии, расположенной на поверхности жидкости. Поверхностное натяжение действует перпендикулярно этому элементу линии и лежит в плоскости, касательной к поверхности жидкости в данном месте
.
Рис.1.6. Капиллярное поднятие жидкости, смачивающей
стенки (вода в стеклянном сосуде и капилляре)
На границе раздела жидкости и газа в результате межмолекулярного взаимодействия возникает поверхностное натяжение, которое стремиться уменьшить поверхность тела большей плотности и вызывает дополнительное напряжение:
где σ - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; r1 и r2 - радиусы кривизны поверхности жидкости.
Молекулы образующие этот слой значительно сильнее притягиваются друг к другу, чем к молекулам газа. Силы поверхностного натяжения стремятся придать объему жидкости сферическую форму и вызывают некоторое дополнительное давление в жидкости (рис.1). Однако это давление заметно сказывается лишь при малых объемах и для сферических объемов (капель) характеризуется формулой при :
,
где σ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м; r - радиус сферы, м.
С увеличением температуры величина σ уменьшается по закону:
(1.7)
где σ20 - коэффициент поверхностного натяжения при температуре = 20°С; - температурный коэффициент, Н/мК.
Для воды зависимость (1.7) имеет вид:
.
Таблица 1.8
Коэффициент поверхностного натяжения жидкостей на границе с воздухом
Жидкость | t°С | , Н/м |
Вода | 0,073 | |
Глицерин | 0,065 | |
Молоко | 0,042 | |
Бензин | 0,020 | |
Нефть | 0,025 | |
Дизельное топливо | 0,028 | |
Ртуть | 0,550 | |
Спирт | 0,023 | |
Бензол | 0,029 |
Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы соприкасающихся сред:
,
где R – сила поверхностного натяжения, Н; l - длина линии, ограничивающей поверхность раздела.
а) б)
Рис.1.7. Поверхностное натяжение
а) ртути; б) капля воды
Поверхностное натяжение зависит от температуры, с повышением температуры обычно поверхностное натяжение жидкостей уменьшается, при переходе жидкости в пар – обращается в 0.
В области соприкосновения трех сред (жидкой, твердой и газообразной) возникает мениск – выпуклый, если молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твердого тела, или вогнутый, если молекулы жидкости притягиваются к молекулам твердого тела сильнее, чем друг к другу. Этим объясняется явление капиллярного поднятия или опускания жидкости в вертикальной трубке малого диаметра либо в узкой щели между твердыми поверхностями. Высота h подъема или опускания жидкости в стеклянной трубке диаметром d определяется по формуле
,
где σ - коэффициент поверхностного натяжения; γ - удельный вес жидкости.
Возможны два случая изменения уровня в трубке: 1) поднятие – если жидкость смачивает стенки (например, вода) и опускание – если жидкость не смачивает стенки (ртуть).
Вода из всех жидкостей имеет наибольшее поверхностное натяжение σt=0,081 Н/м. Для воды при температуре 20°С в трубке диаметром d мм высота капиллярного поднятия выражается формулой: h=29,8/d мм, для ртути – высота опускания уровня - h=10,15/d мм
Силы поверхностного натяжения приходится учитывать при использовании стеклянных трубок в приборах для измерения давления, а также в некоторых случаях истечения жидкостей. При обычных гидравлических расчетах для крупногабаритных технических систем влиянием этих сил из-за их малости обычно пренебрегают. Однако, силы поверхностного натяжения имеет важное значение при расчете измерительных приборов, при изучении подземной гидромеханики и теории фильтрации.
Дата добавления: 2015-01-29; просмотров: 4499;