Tensió superficial

De la Viquipèdia, l'enciclopèdia lliure.
Saltar a la navegació Saltar a la cerca
Alguns insectes, com el de la foto, l’hidròmetre, utilitzen la tensió superficial per “caminar” sobre l’aigua

En física, la tensió superficial d’un fluid és la tensió mecànica de cohesió de les partícules a la seva superfície externa. Correspon microscòpicament a la densitat superficial de l’energia d’unió a la interfície entre un cos continu i un material d’una altra naturalesa, per exemple un sòlid , un líquid o un gas : per tant, no es pot assimilar dimensionalment a un esforç intern i per aquest motiu al sistema internacional es mesura en newtons per metre (N / m).

Des del punt de vista termodinàmic es pot definir com el treball necessari per augmentar la superfície del continu en una quantitat unitària. [1] El paracaigudes és una quantitat que expressa el volum molar de líquids corregit tenint en compte l'efecte de la tensió superficial.

Definició mecànica

A nivell microscòpic, els líquids estan formats per molècules entre les quals s’expressen forces, principalment de tipus elèctric, que depenen fortament de la distància intermolecular : quan aquest últim és inferior a un valor característic determinat ( ) del tipus de substància, la força entre dues molècules esdevé repulsiva. En general, però, les molècules d’un líquid s’atrauen mútuament, tal com proporciona la situació normal , i la disposició geomètrica respon a una elevada taxa de simetria: això condueix a l’aparició de la cancel·lació –de mitjana– de les forces que actuen sobre la molècula específica; pel que fa a les molècules de la superfície lliure, la simetria no existeix i es veuen afectades per una força dirigida cap a l'interior del líquid. Aquest resultat indica que l’augment de la superfície lliure no es pot produir espontàniament: per augmentar-ho cal fer un treball superficial , Definit com . En aquesta última expressió, indica la tensió superficial i depèn del tipus de líquid, del gas que hi ha sobre la superfície lliure, del sòlid o líquid amb què la substància de prova està en contacte i de la temperatura .

Alguns valors

Tenint en compte els líquids en contacte amb l’aire amb una temperatura de 20 ° C, la tensió superficial serà:

La tensió superficial evita que la moneda s’enfonsi
Material Tensió superficial (N / m)
Cascada 0,073
Mercuri 0,559
Benzè 0,029
Oli d’oliva 0,0319

Estalagmòmetre

Per mesurar experimentalment el valor de la tensió superficial d’un líquid, s’utilitza un estalagmòmetre: aquest instrument es basa en la caiguda de gotes d’un tub. La caiguda que surt del tub es manté per la tensió superficial que actua sobre la línia , jo és el radi del forat; recordant això és una força per unitat de longitud, la força total es manté i és vertical. El despreniment de la gota es produeix quan ha assolit una mida tal que el seu pes és igual a la força deguda a la tensió superficial, és a dir, ; aquesta relació permet mesurar .

Teoria de la bombolla de sabó

L'estructura de la bombolla de sabó es deu a l'equilibri entre les forces de pressió implicades i, en conseqüència, justificar la mida de la bombolla és una diferència de pressió entre l'entorn intern i l'exterior; Laplace va dur a terme un estudi en profunditat d’aquest fenomen.

Imagineu que voleu portar el feix d’una bombolla de sabó a . El treball realitzat per les pressions internes i externes per augmentar el volum a ha de ser igual al treball de la força de tensió superficial per provocar la superfície a . Segueixen les deduccions matemàtiques:

De les relacions anteriors deduïm l’equació de Laplace per a les bombolles de sabó:

Si la bombolla estava plena, el termini per tant, en el càlcul del treball de la tensió superficial no s’hauria de considerar l’equació, en aquest cas, seria:

Humectabilitat

Una caiguda sobre una superfície amb una humectabilitat molt baixa adquireix una forma esferoidal, amb només un punt de contacte amb la superfície sòlida.

Quan cal tenir en compte allò que queda fora del líquid, ja no és suficient considerar les forces de cohesió soles, ja que la presència d’un altre cos influeix en els valors de tensió, en el sentit que les molècules que també duen a terme accions (forces d' adhesió ) sobre les molècules de la capa superficial del líquid. De fet, per raons bastant similars a les indicades anteriorment, la superfície dels sòlids també té tensions superficials, però a causa de la manca de mobilitat superficial això no és ni observable ni mesurable directament amb mètodes directes.

Quan el líquid i el sòlid entren en contacte, per tant, a causa de les interaccions entre les diferents fases , s’estableix una tensió interfacial, definida com l’energia addicional per unitat d’àrea deguda a la formació d’una interfície (suposant també la presència d’un gas) sòlid / líquid i sòlid / gasós.

El perfil d’una porció de líquid col·locada sobre una superfície sòlida formarà un angle amb ella (vegeu les figures) que seran majors o inferiors a l' angle recte segons en quin la resultant de les forces de cohesió preval en mòdul, , (normal a la tangent al perfil del líquid en cap a l'interior), o la resultant de les forces d'adherència, , (normal a la superfície sòlida que hi fa front).

Tensió superficial1.svg

Dit , I , respectivament, les superfícies de separació líquid / gas, sòlid / líquid i sòlid / gas, i indicades amb , , les seves energies lliures, l’energia lliure total és:

El líquid està disposat de manera que minimitzi l'energia lliure total de les superfícies (el terme gravitatori de l'energia és insignificant per a volums petits que la superficial ). Una expressió útil de l’angle de contacte ve donada per la condició d'equilibri, donada per l' equació de Young :

Només I són determinables experimentalment, però, es troben a la literatura científica de les relacions experimentals per al càlcul de I , com la llei de Girifalco i Good (1957-60):

amb

Tensió superficial2.svg

I I volums molars de sòlid i líquid.

Les condicions límit I expressar respectivament:

  • humectabilitat completa amb la formació d'una capa de líquid de gruix molecular;
  • absència total d’humectabilitat.

En conclusió, la humectabilitat, afavorida per les baixes energies interfacials i les altes energies superficials i tensions superficials modestes, amb el mateix líquid humectant ( ) i del tipus de material sòlid, està fortament influït per l’estat de suavitat i per la presència d’impureses a la superfície del mateix material: això també es pot observar experimentalment en forma de menisc .

Termodinàmica

Gota d’aigua ballant sobre una superfície d’aigua vibrant, per tal de preservar la tensió superficial i evitar fondre’s amb la superfície de l’aigua

Les accions atractives entre les molècules d’un líquid (les forces de cohesió ) fan que les molècules de la capa superficial siguin sotmeses a una força resultant diferent de zero que tendeix a fer-les moure cap a l’interior; per tant, tendeixen a escapar de la superfície límit del líquid i, en conseqüència, tendeix a assumir la mínima extensió possible (en absència d’altres forces, la superfície mínima és la esfèrica).

Les molècules de la superfície tenen una energia potencial superior a la de les molècules que hi ha dins del líquid, de manera que si voleu augmentar l’extensió de la superfície lliure d’un líquid, cal gastar una energia proporcional a l’augment de la superfície.

Si el líquid experimenta una transformació que només altera la seva superfície , hi ha una variació de l'energia interna, , que és pràcticament igual a la variació d'energia potencial de la capa superficial i, per tant, proporcional a l'augment de la superfície. Aquesta variació d’energia interna (per a la Primera Llei de la Termodinàmica ) és en part ( ) subministrat per l’ energia cinètica de les molècules de l’entorn i en part ( ) corresponent a un treball mecànic que s’ha de subministrar des de l’exterior.

Defineix la tensió superficial (o superfície d' energia lliure ) d'un líquid la quantitat de treball necessària per augmentar l'extensió de la seva superfície d'una unitat mantenint la temperatura i la pressió constants del sistema , és a dir, l'augment d'energia lliure per unitat d'àrea:

,

on és és l’ energia lliure de Gibbs e és la superfície.

D’això és possible deduir la primera equació de Kelvin que dóna l’entalpia superficial (o energia superficial)

Influència de la temperatura sobre la tensió superficial

Només hi ha relacions empíriques per determinar la influència de la temperatura sobre el valor assumit per la tensió superficial.

Eötvös

en quin:

  • és el volum molar de la substància
  • és la temperatura crítica
  • és constant per a cada substància.

Per exemple, per a aigua k = 1,03 erg / ° C, V = 18 ml / mol i T C = 374 ° C.

Guggenheim-Katayama

en quin és una constant de cada líquid e és un factor empíric, el valor del qual és de 11/9 per als líquids orgànics.

Salt de pressió sobre una superfície corba

En absència de viscositat , el salt de pressió sobre una superfície corba ve donat per l' equació de Young-Laplace , que relaciona la pressió dins d'un líquid amb la pressió externa, la tensió superficial i la geometria de la superfície.

.

Aquesta equació és aplicable a qualsevol superfície:

  • per a una superfície plana : la pressió interna i externa són iguals;
  • per a una superfície esfèrica
  • per a una superfície toroidal , on r i R són els radis del tor.

Per a una bombolla esfèrica real, el terme a causa de la tensió superficial és doble. Això es deu a la presència de dues superfícies, una dins i una fora de la bombolla.

Segona equació de Kelvin

La segona equació de Kelvin es pot obtenir utilitzant l' equació de Clapeyron ; mostra com, a causa de la tensió superficial, la pressió de vapor de petites gotes de líquid en suspensió és superior a la pressió de vapor "estàndard" del mateix líquid disposada en una capa plana.

on és:

  • és la pressió de vapor estàndard d’un líquid donat a una temperatura i pressió determinades.
  • representa el volum molar.
  • és el radi de l'esfera.
  • és la constant del gas .

Nota

Bibliografia

Articles relacionats

Altres projectes

Enllaços externs

Control de l'autoritat Thesaurus BNCF 41692 · LCCN (EN) sh85130727 · GND (DE) 4139720-4 · BNF (FR) cb11977813j (data) · NDL (EN, JA) 00.563.859