Bu dersimizde sıvılar ve özelliklerinden bahsedeceğiz. Sıvıların bir takım ilginç özellikleri ve bunların tezahürleri vardır. Bu derste böyle bir özellik tartışılacaktır.

Çevremizdeki dünyada yerçekimi, esneklik ve sürtünmenin yanı sıra genellikle çok az dikkat ettiğimiz veya hiç önemsemediğimiz başka bir kuvvet daha vardır. Bu kuvvet nispeten küçüktür ve etkisi hiçbir zaman etkileyici etkilere neden olmaz. Ancak konuşacağımız kuvvetleri harekete geçirmeden suyu bir bardağa dökemeyiz, hiçbir sıvıyla hiçbir şey yapamayız. Bunlar yüzey gerilimi kuvvetleridir.

Bir sıvının yüzeyini büzme yeteneğine yüzey gerilimi denir.

yüzey gerilim kuvveti sıvının yüzeyi boyunca, bu yüzeyi sınırlayan çizgiye dik olarak etki eden ve onu minimuma indirme eğiliminde olan kuvvete denir.

Yüzey gerilim kuvveti, sigma ve el'in çarpımı olan formülle belirlenir. Sigma yüzey gerilim katsayısı, el ise ıslatma çevresinin uzunluğudur.

“Yüzey gerilimi katsayısı” kavramı üzerinde daha detaylı duralım.

Yüzey gerilim katsayısı sayısal olarak ıslatma çevresinin birim uzunluğu başına etki eden ve bu çevreye dik olarak yönlendirilen kuvvete eşittir.

Ayrıca, bir sıvının yüzey gerilimi katsayısı, belirli bir sıvıyı karakterize eden ve yüzey enerjisinin sıvının yüzey alanına oranına eşit olan fiziksel bir miktardır.

Bir sıvının yüzey katmanındaki moleküller, bu moleküllerin sıvının içinde olmaları durumunda sahip olacakları enerjiyle karşılaştırıldığında daha fazla potansiyel enerjiye sahiptir.

yüzey enerjisi sıvı yüzeyindeki moleküllerin sahip olduğu fazla potansiyel enerjidir.

Yüzey gerilimi katsayısı Newton cinsinden bir metreye bölünerek ölçülür.

Bir sıvının yüzey gerilim katsayısının neye bağlı olduğunu tartışalım. Öncelikle yüzey gerilim katsayısının moleküllerin etkileşiminin spesifik enerjisini karakterize ettiğini, yani bu enerjiyi değiştiren faktörlerin sıvının yüzey gerilim katsayısını da değiştireceğini hatırlatalım.

Yani yüzey gerilim katsayısı şunlara bağlıdır:

1. Sıvının doğası (eter, alkol ve benzin gibi "uçucu" sıvılar için yüzey gerilimi, "uçucu olmayan" sıvıların (su, cıva ve sıvı metaller)kinden daha azdır.

2. Sıcaklık (sıcaklık ne kadar yüksek olursa yüzey gerilimi o kadar düşük olur).

3. Sabun veya çamaşır tozu gibi yüzey gerilimini azaltan yüzey aktif maddelerin (yüzey aktif maddeler) varlığı.

4. Bir sıvıya bitişik bir gazın özellikleri.

Yüzey gerilimi kuvvetleri, bir sabun köpüğü olan sıvı damlacıklarının şeklini ve özelliklerini belirler. Bu kuvvetler çelik bir iğneyi ve bir su böceğini suyun yüzeyinde tutar ve nemi kumaşın yüzeyinde tutar.

Basit bir deney kullanarak yüzey gerilim kuvvetlerinin varlığını doğrulayabilirsiniz. Tel halkaya iki yerden bir iplik bağlanırsa ve ipliğin uzunluğu, ipliğin bağlantı noktalarını birleştiren kirişin uzunluğundan biraz daha büyük olacak şekilde ve tel halkayı sabunlu suya batırırsanız, sabun film halkanın tüm yüzeyini sıkılaştıracak ve iplik sabun filminin üzerinde duracaktır. Eğer film artık ipliğin bir tarafından yırtılırsa, ipliğin diğer tarafında kalan sabunlu film büzülecek ve ipliği gerecektir. Bu neden oldu? Gerçek şu ki, üstte kalan sabun çözeltisi, yani sıvı, yüzey alanını azaltma eğilimindedir. Böylece iplik yukarı çekilir.

Bir sıvının, bu sıvının havası veya buharı ile temas yüzeyini azaltma isteğini doğrulayan bir deney düşünün.

Belçikalı fizikçi Joseph Plateau tarafından ilginç bir deney gerçekleştirildi. Bir damlanın, şekli üzerindeki ana etkinin yüzey gerilim kuvvetleri tarafından uygulandığı koşullarda olması durumunda, en küçük yüzeye sahip, yani küresel formu aldığını savunuyor.

Bu dersimizde sıvılar ve özelliklerinden bahsedeceğiz. Modern fizik açısından sıvılar en zor araştırma konusudur, çünkü gazlarla karşılaştırıldığında artık moleküller arasında ihmal edilebilir bir etkileşim enerjisinden söz edilemez ve katılarla karşılaştırıldığında düzenli bir düzenden söz edilemez. sıvı moleküller (sıvıda uzun menzilli bir düzen yoktur). Bu, sıvıların bir takım ilginç özelliklere ve bunların tezahürlerine sahip olduğu gerçeğine yol açmaktadır. Bu derste böyle bir özellik tartışılacaktır.

İlk olarak, sıvının yüzeye yakın katmanındaki moleküllerin kütledeki moleküllerle karşılaştırıldığında sahip olduğu özel özellikleri tartışalım.

Pirinç. 1. Yüzeye yakın katmandaki moleküller ile sıvının büyük kısmındaki moleküller arasındaki fark

A ve B adlı iki molekülü düşünün. A molekülü sıvının içinde, B molekülü ise yüzeyindedir (Şekil 1). A molekülü diğer sıvı moleküller tarafından eşit şekilde çevrelenir, böylece moleküller arası etkileşim alanına düşen moleküllerden A molekülüne etki eden kuvvetler telafi edilir veya sonuçları sıfırdır.

Sıvının yüzeyinde bulunan B molekülüne ne olur? Sıvının üzerindeki gaz moleküllerinin konsantrasyonunun, sıvı moleküllerinin konsantrasyonundan çok daha az olduğunu hatırlayın. B molekülünün bir tarafı sıvı moleküller, diğer tarafı ise oldukça nadir gaz molekülleri ile çevrilidir. Sıvı tarafından çok daha fazla molekül ona etki ettiğinden, tüm moleküller arası kuvvetlerin sonucu sıvının içine yönlendirilecektir.

Dolayısıyla bir molekülün sıvının derinliklerinden yüzey katmanına ulaşabilmesi için moleküller arası telafi edilmemiş kuvvetlere karşı iş yapılması gerekir.

İşin, eksi işaretiyle alınan potansiyel enerjideki değişim olduğunu hatırlayın.

Bu, sıvının içindeki moleküllerle karşılaştırıldığında yüzeye yakın katmandaki moleküllerin fazla potansiyel enerjiye sahip olduğu anlamına gelir.

Bu fazla enerji, akışkanın iç enerjisinin bir bileşenidir ve denir. yüzey enerjisi. Diğer enerjiler gibi joule olarak tanımlanır ve ölçülür.

Açıkçası, sıvının yüzey alanı ne kadar büyük olursa, fazla potansiyel enerjiye sahip olan moleküller o kadar fazla olur ve dolayısıyla yüzey enerjisi de o kadar büyük olur. Bu gerçek aşağıdaki ilişki olarak yazılabilir:

,

yüzey alanı nerede ve diyeceğimiz orantı faktörüdür yüzey gerilimi, bu katsayı bir veya başka bir sıvıyı karakterize eder. Bu miktarın kesin bir tanımını yazalım.

Bir sıvının yüzey gerilimi (bir sıvının yüzey gerilimi katsayısı), belirli bir sıvıyı karakterize eden ve yüzey enerjisinin sıvının yüzey alanına oranına eşit olan fiziksel bir miktardır.

Yüzey gerilimi katsayısı Newton cinsinden bir metreye bölünerek ölçülür.

Bir sıvının yüzey gerilim katsayısının neye bağlı olduğunu tartışalım. Öncelikle yüzey gerilim katsayısının moleküllerin etkileşiminin spesifik enerjisini karakterize ettiğini, yani bu enerjiyi değiştiren faktörlerin sıvının yüzey gerilim katsayısını da değiştireceğini hatırlatalım.

Yani yüzey gerilim katsayısı şunlara bağlıdır:

1. Sıvının yapısı (eter, alkol ve benzin gibi "uçucu" sıvılar için yüzey gerilimi "uçucu olmayan" - su, cıva ve sıvı metallerinkinden daha azdır).

2. Sıcaklık (sıcaklık ne kadar yüksek olursa yüzey gerilimi o kadar düşük olur).

3. Sabun veya çamaşır tozu gibi yüzey gerilimini azaltan yüzey aktif maddelerin (yüzey aktif maddeler) varlığı.

4. Bir sıvıya bitişik bir gazın özellikleri.

Yüzey gerilimi katsayısının yüzey alanına bağlı olmadığına dikkat edin, çünkü yüzeye yakın tek bir molekül için etrafta aynı moleküllerden kaç tane olduğu kesinlikle önemsizdir. Çeşitli maddelerin yüzey gerilimi katsayılarını bir sıcaklıkta gösteren tabloya dikkat edin:

Tablo 1. Sıvıların hava sınırındaki yüzey gerilimi katsayıları

Dolayısıyla yüzeye yakın katmandaki moleküller, sıvının büyük kısmındaki moleküllere kıyasla daha fazla potansiyel enerjiye sahiptir. Mekanik sırasında herhangi bir sistemin minimum potansiyel enerjiye yöneldiği gösterilmiştir. Örneğin belli bir yükseklikten atılan bir cisim aşağıya düşme eğiliminde olacaktır. Ayrıca uzanırken çok daha rahat hissedersiniz çünkü bu durumda vücudunuzun ağırlık merkezi mümkün olduğunca aşağıda bulunur. Sıvı durumunda potansiyel enerjisini azaltma arzusu neye yol açar? Yüzey enerjisi yüzey alanına bağlı olduğundan, herhangi bir sıvının geniş bir yüzey alanına sahip olması enerji açısından elverişsiz olduğu anlamına gelir. Başka bir deyişle, serbest durumda sıvı, yüzeyini en aza indirme eğiliminde olacaktır.

Sabun filmiyle deney yaparak bunu doğrulamak kolaydır. Tel çerçeve sabunlu bir çözeltiye batırılırsa üzerinde bir sabun filmi oluşur ve film, yüzey alanı minimum olacak şekilde bir şekil alır (Şekil 2).

Pirinç. 2. Sabunlu bir çözeltiden elde edilen rakamlar

Basit bir deney kullanarak yüzey gerilim kuvvetlerinin varlığını doğrulayabilirsiniz. Bir iplik, tel halkaya iki yerden bağlanırsa ve ipliğin uzunluğu, ipliğin bağlantı noktalarını birleştiren kirişin uzunluğundan biraz daha fazla olacak şekilde bağlanırsa ve tel halka sabuna batırılırsa çözelti (Şekil 3a), sabun filmi halkanın tüm yüzeyini sıkacak ve iplik sabun filminin üzerinde duracaktır. Eğer film şimdi ipliğin bir tarafında kırılırsa, ipliğin diğer tarafında kalan sabun filmi büzülecek ve ipliği gerecektir (Şekil 3b).

Pirinç. 3. Yüzey gerilimi kuvvetlerini tespit etmek için deney yapın

Bu neden oldu? Gerçek şu ki, üstte kalan sabun çözeltisi, yani sıvı, yüzey alanını azaltma eğilimindedir. Böylece iplik yukarı çekilir.

Yani yüzey gerilim kuvvetinin varlığına ikna olduk. Şimdi bunu nasıl hesaplayacağımızı öğrenelim. Bunu yapmak için bir düşünce deneyi yapalım. Bir tarafı hareketli olan tel çerçeveyi sabunlu çözeltinin içine indirelim (Şekil 4). Çerçevenin hareketli tarafına kuvvet uygulayarak sabun filmini gereceğiz. Dolayısıyla çapraz çubuğa etki eden üç kuvvet vardır; filmin her bir yüzeyi boyunca etki eden bir dış kuvvet ve iki yüzey gerilimi kuvveti. Newton'un ikinci yasasını kullanarak şunu yazabiliriz:

Pirinç. 4. Yüzey gerilim kuvvetinin hesaplanması

Eğer dış bir kuvvetin etkisi altında çapraz çubuk bir mesafe hareket ederse, o zaman bu dış kuvvet iş yapacaktır

Doğal olarak bu işin performansı nedeniyle filmin yüzey alanı artacaktır, bu da yüzey enerjisinin de artacağı anlamına gelir ve bunu yüzey gerilim katsayısından belirleyebiliriz:

Alandaki değişiklik ise şu şekilde belirlenebilir:

tel çerçevenin hareketli kısmının uzunluğu nerede. Bunu göz önüne alarak, dış kuvvetin işinin şuna eşit olduğunu yazabiliriz:

(*) ve (**)'deki doğru parçaları eşitleyerek yüzey gerilim kuvveti için bir ifade elde ederiz:

Böylece yüzey gerilim katsayısı, yüzeyi sınırlayan çizginin birim uzunluğu başına etki eden yüzey gerilim kuvvetine sayısal olarak eşittir.

Böylece sıvının yüzey alanı minimum olacak şekilde bir şekil alma eğiliminde olduğunu bir kez daha görmüş olduk. Belirli bir hacim için bir kürenin yüzey alanının minimum olacağı gösterilebilir. Bu nedenle, eğer sıvıya başka bir kuvvet etki etmiyorsa veya bunların etkisi küçükse, sıvı küresel bir şekil alma eğiliminde olacaktır. Yani örneğin su sıfır yerçekiminde (Şekil 5) veya sabun köpüğünde (Şekil 6) davranacaktır.

Pirinç. 5. Sıfır yerçekiminde su

Pirinç. 6. Sabun köpüğü

Yüzey gerilim kuvvetlerinin varlığı aynı zamanda metal bir iğnenin neden su yüzeyinde "yattığını" da açıklayabilir (Şekil 7). Yüzeye dikkatlice yerleştirilen iğne onu deforme ederek bu yüzeyin alanını arttırır. Böylece böyle bir alan değişikliğini azaltma eğiliminde olan bir yüzey gerilim kuvveti ortaya çıkar. Yüzey geriliminin bileşke kuvveti yukarıya doğru yönlendirilecek ve yerçekimi kuvvetini telafi edecektir.

Pirinç. 7. Su yüzeyindeki iğne

Pipetin çalışma prensibi de aynı şekilde açıklanabilir. Yer çekimi kuvvetinin etki ettiği damlacık aşağı doğru çekilerek yüzey alanı artar. Doğal olarak, yer çekimi yönünün tersi olan ve damlacığın gerilmesine izin vermeyen yüzey gerilim kuvvetleri ortaya çıkar (Şekil 8). Pipetin lastik kapağına bastığınızda, yerçekimine yardımcı olan ekstra basınç yaratarak damlanın düşmesine neden olursunuz.

Pirinç. 8. Pipet nasıl çalışır?

Günlük hayattan bir örnek daha verelim. Boya fırçasını bir bardak suya batırırsanız tüyleri kabarır. Şimdi bu fırçayı sudan çıkarırsanız tüm kılların birbirine yapıştığını fark edeceksiniz. Bunun nedeni, suyun fırçaya yapışan yüzey alanının minimum düzeyde olmasıdır.

Ve bir örnek daha. Kuru kumdan kale inşa etmek istiyorsanız, kum yer çekiminin etkisi altında parçalanacağı için başarılı olmanız pek mümkün değildir. Ancak kumu ıslatırsanız kum taneleri arasındaki suyun yüzey gerilimi nedeniyle şeklini koruyacaktır.

Son olarak, yüzey gerilimi teorisinin, daha karmaşık fiziksel problemleri çözerken güzel ve basit benzetmeler bulmaya yardımcı olduğunu belirtiyoruz. Örneğin hafif ve aynı zamanda güçlü bir yapı inşa etmeniz gerektiğinde, sabun köpüğünde olup bitenlerin fiziği imdadınıza yetişiyor. Ve bu atom çekirdeğini yüklü bir sıvı damlasına benzeterek atom çekirdeğinin ilk yeterli modelini oluşturmak mümkün oldu.

Kaynakça

1. G.Ya.Myakishev, B.B. Bukhovtsev, N.N. Sotsky. "Fizik 10". - M.: Eğitim, 2008.
2. Ya E. Geguzin "Kabarcıklar", Kvant Kütüphanesi. - M.: Nauka, 1985.
3. B. M. Yavorsky, A. A. Pinsky "Fiziğin Temelleri" cilt 1.
4. G. S. Landsberg "İlköğretim fizik ders kitabı" cilt 1.

1. Nkj.ru ().
2. Youtube.com().
3. Youtube.com().
4. Youtube.com().

Ev ödevi

1. Bu dersin görevlerini çözerek GIA'nın 7,8,9 sorularına ve Birleşik Devlet Sınavının A8, A9, A10 sorularına hazırlanabileceksiniz.
2. Gelfgat I.M., Nenashev I.Yu. "Fizik. Sorunların toplanması 10. sınıf "5.34, 5.43, 5.44, 5.47 ()
3. Problem 5.47'ye göre su ve sabun çözeltisinin yüzey gerilim katsayısını belirleyin.

Soru ve cevap listesi

Soru: Yüzey gerilimi neden sıcaklıkla değişir?

Cevap: Sıcaklık arttıkça sıvının molekülleri daha hızlı hareket etmeye başlar ve dolayısıyla moleküller potansiyel çekim kuvvetlerini daha kolay yenerler. Bu, sıvının yüzeye yakın katmanındaki molekülleri bağlayan potansiyel kuvvetler olan yüzey gerilim kuvvetlerinde bir azalmaya yol açar.

Soru: Yüzey gerilim katsayısı sıvının yoğunluğuna bağlı mıdır?

Cevap: Evet öyle çünkü sıvının yüzeye yakın katmanındaki moleküllerin enerjisi sıvının yoğunluğuna bağlı.

Soru: Bir sıvının yüzey gerilim katsayısını belirlemenin yolları nelerdir?

Cevap: Okul dersinde bir sıvının yüzey gerilimi katsayısının belirlenmesi için iki yöntem incelenmektedir. Birincisi tel koparma yöntemidir, prensibi ödev 5.44'te açıklanmıştır, ikincisi ise problem 5.47'de açıklanan damla sayma yöntemidir.

Soru: Sabun köpüğü neden bir süre sonra çöker?

Cevap: Gerçek şu ki, bir süre sonra yerçekiminin etkisi altında baloncuk alt kısımda üst kısımdan daha kalın hale gelir ve ardından buharlaşmanın etkisi altında bir noktada çöker. Bu, bir balon gibi tüm kabarcığın telafi edilmemiş yüzey gerilimi kuvvetlerinin etkisi altında çökmesine yol açar.

Bir sıvıyı gazdan ayıran en karakteristik özelliği, sıvının gaz sınırında serbest bir yüzey oluşturması ve bunun varlığı, yüzey adı verilen özel bir olgunun ortaya çıkmasına yol açmasıdır. Görünümlerini moleküllerin serbest yüzeye yakın konumlandığı özel fiziksel koşullara borçludurlar.

Çekici kuvvetler, her bir sıvı molekülüne, onu çevreleyen moleküllerden yaklaşık 10-9 m mesafede bulunan (moleküler etki yarıçapı) etki eder. molekül başına M Sıvının içinde bulunan Şekil 1'de (Şekil 1), aynı moleküllerden gelen kuvvetler etki eder ve bu kuvvetlerin sonucu sıfıra yakındır.

Moleküller için M 2 bileşke kuvvet sıfırdan farklıdır ve sıvının içine, yüzeyine dik olarak yönlendirilir. Böylece yüzey katmanındaki tüm sıvı moleküller sıvının içine çekilir. Ancak sıvının içindeki boşluk diğer moleküller tarafından işgal edilmiştir, bu nedenle yüzey tabakası sıvı üzerinde basınç oluşturur (moleküler basınç).

Bir molekülü hareket ettirmek M 3 doğrudan yüzey katmanının altında bulunan yüzeyde, moleküler basınç kuvvetlerine karşı iş yapılması gerekir. Bu nedenle sıvının yüzey katmanındaki moleküller, sıvının içindeki moleküllere kıyasla ek potansiyel enerjiye sahiptir. Bu enerjiye denir yüzey enerjisi.

Açıkçası, serbest yüzey alanı ne kadar büyük olursa yüzey enerjisi de o kadar büyük olur. Serbest yüzey alanının Δ kadar değişmesine izin verin S, yüzey enerjisi \(~\Delta W_p = \sigma \cdot \Delta S\) kadar değişirken, burada σ yüzey gerilim katsayısıdır. Çünkü bu değişiklik için iş yapmak gerekiyor

\(~A = \Delta W_p ,\) sonra \(~A = \sigma \cdot \Delta S .\)

Dolayısıyla \(~\sigma = \dfrac(A)(\Delta S)\) .

Yüzey gerilimi için SI birimi metrekare başına joule'dür (J/m2).

- sıvının serbest yüzeyinin alanı sabit bir sıcaklıkta 1 m2 değiştiğinde moleküler kuvvetlerin yaptığı işe sayısal olarak eşit bir değer.

Kendi başına bırakılan herhangi bir sistem, potansiyel enerjisinin en küçük olduğu bir konum alma eğiliminde olduğundan, sıvı, serbest yüzeyi azaltma eğilimi gösterir. Sıvının yüzey tabakası gerilmiş bir kauçuk film gibi davranır; her zaman yüzey alanını belirli bir hacim için mümkün olan minimum boyutlara indirmeye çalışır.

Örneğin ağırlıksız durumdaki bir sıvı damlası küresel bir şekle sahiptir.

Yüzey gerilimi

Bir sıvının yüzeyinin büzülme özelliği, bu yüzeyi kısaltmaya yönelik kuvvetlerin varlığı olarak yorumlanabilir. Molekül M Sıvının yüzeyinde bulunan Şekil 1 (Şekil 2), yalnızca sıvının içinde bulunan moleküllerle değil, aynı zamanda moleküler etki alanı içinde yer alan sıvının yüzeyinde bulunan moleküllerle de etkileşime girer. Bir molekül için MŞekil 1'de sıvının serbest yüzeyi boyunca yönlendirilen moleküler kuvvetlerin sonucu \(~\vec R\) sıfıra eşittir ve bir molekül için M 2 sıvı yüzeyinin sınırında bulunur, \(~\vec R \ne 0\) ve \(~\vec R\) normal boyunca serbest yüzeyin sınırlarına ve sıvı yüzeyine teğet olarak yönlendirilir.

Serbest yüzeyin sınırında bulunan tüm moleküllere etki eden kuvvetlerin bileşkesi kuvvettir. yüzey gerilimi. Genel olarak sıvının yüzeyini küçültme eğiliminde olacak şekilde hareket eder.

Yüzey gerilim kuvvetinin \(~\vec F\) uzunlukla doğru orantılı olduğu varsayılabilir. ben sıvının yüzey katmanının sınırları, çünkü sıvının yüzey katmanının tüm kısımlarında moleküller aynı koşullardadır:

\(~F \sim l .\)

Aslında, hareketli tarafı dengeli olan dikey dikdörtgen bir çerçeveyi (Şekil 3, a, b) düşünün. Çerçeveyi sabun filmi çözeltisinden çıkardıktan sonra hareketli parça konumundan hareket eder. 1 pozisyona 2 . Filmin ince bir sıvı tabakası olduğunu ve iki serbest yüzeye sahip olduğunu hesaba katarsak, çapraz çubuğu belli bir mesafe boyunca hareket ettirirken yapılan işi buluruz. H = A 1 ⋅ A 2: A = 2F⋅h, Nerede F- her yüzey katmanının yanından çerçeveye etki eden kuvvet. Öte yandan, \(~A = \sigma \cdot \Delta S = \sigma \cdot 2l \cdot h\).

Bu nedenle, \(~2F \cdot h = \sigma \cdot 2l \cdot h \Rightarrow F = \sigma \cdot l\), dolayısıyla \(~\sigma = \dfrac Fl\).

Bu formüle göre yüzey geriliminin SI birimi metre başına Newton'dur (N/m).

Yüzey gerilimi katsayısıσ sayısal olarak sıvının serbest yüzeyinin sınırının birim uzunluğu başına etki eden yüzey gerilim kuvvetine eşittir. Yüzey gerilim katsayısı sıvının doğasına, sıcaklığa ve yabancı maddelerin varlığına bağlıdır. Sıcaklık arttıkça azalır.

• Kritik sıcaklıkta sıvı ve buhar arasındaki fark ortadan kalktığında σ = 0 olur.

Safsızlıklar genellikle yüzey gerilim katsayısını azaltır (bazıları artırır).

Dolayısıyla, bir sıvının yüzey tabakası, sıvının tamamını kaplayan ve onu tek bir "damla" halinde toplama eğiliminde olan elastik, gerilmiş bir filmdir. Böyle bir model (elastik gerilmiş film), yüzey gerilim kuvvetlerinin yönünü belirlemeyi mümkün kılar. Örneğin, eğer bir film dış kuvvetlerin etkisi altında gerilirse, yüzey gerilim kuvveti gerilmeye karşı sıvının yüzeyi boyunca yönlendirilecektir. Ancak bu durum elastik bir kauçuk filmin geriliminden önemli ölçüde farklıdır. Tanecikler arası mesafenin artması nedeniyle elastik bir film gerilir, çekme kuvveti artarken, sıvı film gerilirken tanecikler arasındaki mesafe değişmez ve yüzeyde artış meydana gelmesi sonucu elde edilir. Moleküllerin sıvıdan yüzey katmanına geçişi. Bu nedenle sıvı yüzeyinin artmasıyla yüzey gerilim kuvveti değişmez (yüzey alanına bağlı değildir).

Ayrıca bakınız

1. Kikoin A.K. Yüzey gerilimi kuvvetleri hakkında // Kvant. - 1983. - No. 12. - S. 27-28

ıslatma

Katı bir cisimle temas halinde, sıvı moleküllerin katı cisim molekülleri ile tutunma kuvvetleri önemli bir rol oynamaya başlar. Bir sıvının davranışı hangisinin daha büyük olduğuna bağlı olacaktır: sıvının molekülleri arasındaki yapışmanın mı yoksa sıvının moleküllerinin katının moleküllerine yapışmasının mı?

ıslatma- sıvı moleküllerin katı moleküllerle etkileşimi sonucu ortaya çıkan bir olay. Bir sıvı ile bir katının molekülleri arasındaki çekim kuvvetleri, bir sıvının molekülleri arasındaki çekim kuvvetlerinden büyükse sıvıya sıvı denir. ıslatma; Sıvı ile katının çekim kuvvetleri, sıvının molekülleri arasındaki çekim kuvvetlerinden küçükse sıvıya sıvı denir. ıslanmaz bu vücut.

Aynı sıvı farklı cisimlere göre hem ıslatıcı hem de ıslatmayan olabilir. Yani su camı ıslatır ve yağlı bir yüzeyi ıslatmaz, cıva camı ıslatmaz, bakırı ıslatır.

Bulunduğu kabın duvarlarının bir sıvı tarafından ıslanması veya ıslanmaması, kaptaki sıvının serbest yüzeyinin şeklini etkiler. Bir kaba büyük miktarda sıvı dökülürse yüzeyinin şekli, düz ve yatay bir yüzey sağlayan yerçekimi kuvveti tarafından belirlenir. Bununla birlikte, duvarların yakınında, ıslanma ve ıslanmama olgusu, sıvı yüzeyinin eğrilmesine yol açar; buna sözde kenar efektleri.

Kenar etkilerinin niceliksel özelliği temas açısıθ, sıvının yüzeyine teğet olan düzlem ile katının yüzeyi arasındaki açıdır. Temas açısının içinde her zaman sıvı bulunur (Şekil 4, a, b). Islandığında keskin olacaktır (Şekil 4, a), ıslanmadığında ise küt olacaktır (Şekil 4, b). Bir okul fizik dersinde yalnızca tamamen ıslanma (θ = 0°) veya tamamen ıslanmama (θ = 180°) dikkate alınır.

Dışbükey bir yüzey durumunda, yüzey geriliminin varlığıyla ilişkili ve sıvının yüzeyine teğetsel olarak yönlendirilen kuvvetler, sıvının içine yönlendirilen bileşke kuvveti verir (Şekil 5, a). İçbükey bir yüzey durumunda, ortaya çıkan kuvvet, aksine, sıvıya bitişik gaza doğru yönlendirilir (Şekil 5, b).

Islatma sıvısı katı bir cismin açık yüzeyindeyse (Şekil 6, a), bu yüzeye yayılır. Katı bir cismin açık yüzeyinde ıslanmayan bir sıvı varsa küresel şekle yakın bir şekil alır (Şekil 6, b).

Islatma hem günlük yaşamda hem de endüstride önemlidir. Fotoğraf malzemelerinin boyanması, yıkanması, işlenmesi, boya ve vernik kaplamaların uygulanması, malzemelerin yapıştırılması sırasında, lehimleme sırasında, yüzdürme işlemlerinde (cevherlerin değerli kayalarla zenginleştirilmesi) iyi bir ıslatma gereklidir. Tersine, su yalıtım cihazlarının yapımında su ile ıslanmayan malzemelere ihtiyaç vardır.

Kılcal fenomen

Kabın kenarlarındaki sıvı yüzeyinin eğriliği, sıvının tüm serbest yüzeyinin kavisli olduğu dar tüplerde özellikle açıkça görülmektedir. Dar kesitli tüplerde bu yüzey kürenin bir parçasıdır, buna denir menisküs. Islatıcı bir sıvının içbükey bir menisküsü vardır (Şekil 7, a), ıslatmayan bir sıvının ise dışbükey bir menisküsü vardır (Şekil 7, b). Menisküsün yüzey alanı tüpün kesit alanından daha büyük olduğundan, sıvının kavisli yüzeyi moleküler kuvvetlerin etkisi altında düzleşme eğilimindedir.

Yüzey gerilimi kuvvetleri oluşturur ek (Laplacian) Kavisli bir sıvı yüzeyi altındaki basınç.

Sıvının yüzeyi ise içbükey, daha sonra yüzey gerilim kuvveti sıvının dışına doğru yönlendirilir (Şekil 8, a) ve sıvının içbükey yüzeyi altındaki basınç, düz olanın altındaki basınçtan \(~p = \dfrac(2 \sigma ) daha azdır. (R)\). Sıvının yüzeyi ise dışbükey, daha sonra yüzey gerilim kuvveti sıvının içine yönlendirilir (Şekil 8, b) ve sıvının dışbükey yüzeyi altındaki basınç, düz olanın altındaki basınçtan aynı değerde daha yüksektir.

• Bu formül, çift eğrilikli rastgele bir sıvı yüzeyi için aşırı basıncı belirleyen Laplace formülünün özel bir durumudur:

Nerede R 1 ve R 2 - sıvı yüzeyinin karşılıklı olarak dik olan herhangi iki normal bölümünün eğrilik yarıçapları. Karşılık gelen bölümün eğrilik merkezi sıvının içindeyse eğrilik yarıçapı pozitiftir ve eğrilik merkezi sıvının dışındaysa negatiftir. Silindirik bir yüzey için ( R 1 = ben; R 2 = ∞) aşırı basınç \(~p = \dfrac(\sigma)(R)\) .

Dar bir tüp yerleştirirsek ( kılcal damar) bir ucunda geniş bir kaba dökülen bir sıvıya dökülür, daha sonra Laplace basınç kuvvetinin varlığı nedeniyle kılcal damardaki sıvı yükselir (sıvı ıslanıyorsa) veya düşer (sıvı ıslanmıyorsa) (Şekil 1). 9, a, b), çünkü geniş bir kapta sıvının düz yüzeyinin altında aşırı basınç yoktur.

Geniş kaplardaki sıvı seviyesine kıyasla kılcal damarlardaki sıvı seviyesinin yüksekliğindeki değişiklik olgusuna denir. kılcal fenomen.

Kılcal damardaki sıvı bu kadar yükselir veya düşer H sıvı kolonunun hidrostatik basıncının kuvvetinin aşırı basınç kuvveti ile dengelendiği, yani.

\(~\dfrac(2 \sigma)(R) = \rho \cdot g \cdot h .\)

Buradan \(~h = \dfrac(2 \sigma)(\rho \cdot g \cdot R)\). Islatma tamamlanmadıysa θ ≠ 0 (θ ≠ 180°), o zaman hesaplamaların gösterdiği gibi \(~h = \dfrac(2 \sigma)(\rho \cdot g \cdot R) \cdot \cos \theta\).

Kılcal damar olayları çok yaygındır. Toprakta suyun yükselmesi, akciğerlerdeki damar sistemi, bitkilerde kök sistemi, fitil ve kurutma kağıdı kılcal sistemlerdir.

Edebiyat

1. Aksenovich L. A. Lisede fizik: Teori. Görevler. Testler: Proc. genel sağlayan kurumlar için ödenek. ortamlar, eğitim / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 178-184.

Tanım 1

Yüzey gerilimi, bir sıvının kendi serbest yüzeyini azaltmak, yani gaz fazından ayrılma sınırındaki fazla potansiyel enerjiyi azaltmak için yaptığı harekettir.

Yalnızca katı fiziksel cisimler elastik özelliklerle değil, aynı zamanda sıvının yüzeyiyle de donatılmıştır. Hayatında herkes bir sabun filminin küçük baloncuklarla nasıl esnediğini görmüştür. Bir sabun filminde meydana gelen yüzey gerilimi kuvvetleri, gerilmiş bir lastik kesenin bir futbol topunda havayı tutmasına benzer şekilde, belirli bir süre boyunca havayı tutar.

Yüzey gerilimi ana fazların (örneğin gaz ve sıvı veya sıvı ve katı) arayüzeyinde ortaya çıkar. Bunun doğrudan nedeni, sıvının yüzey katmanındaki temel parçacıkların her zaman içeriden ve dışarıdan farklı bir çekim kuvvetine maruz kalmasıdır.

Bu fiziksel süreç, sıvının sanki elastik bir kabuk içindeymiş gibi hareket ettiği su damlası örneğinde düşünülebilir. Burada, sıvı bir maddenin yüzey katmanındaki atomlar, kendi iç komşularına, dış hava parçacıklarına göre daha güçlü bir şekilde çekilir.

Genel olarak yüzey gerilimi, $dt$ sabit sıcaklığında bir sıvının toplam yüzey alanını sonsuz küçük miktarda $dS$ artırmak için yapılması gereken sonsuz küçük veya temel bir $\sigma A$ işi olarak açıklanabilir.

Sıvılarda yüzey gerilimi mekanizması

Şekil 2. Skaler pozitif değer. Author24 - öğrenci ödevlerinin çevrimiçi değişimi

Sıvı, katılardan ve gazlardan farklı olarak içine yerleştirildiği kabın hacminin tamamını dolduramaz. Başka bir sıvı kütlesine göre özel koşullar altında çalışan buhar ile sıvı madde arasında belirli bir arayüz oluşur. Daha açıklayıcı bir örnek için iki molekül $A$ ve $B$'ı düşünün. $A$ parçacığı sıvının içindedir, $B$ molekülü doğrudan yüzeyindedir. İlk element, sıvının diğer atomları tarafından eşit şekilde çevrelenmiştir, bu nedenle moleküller arası etkileşim alanına düşen parçacıklardan moleküle etki eden kuvvetler her zaman telafi edilir veya başka bir deyişle bunların sonuç güçleri sıfırdır.

$B$ molekülü bir tarafta sıvı moleküller, diğer tarafta ise gaz atomları tarafından çerçevelenmiştir; bunların nihai konsantrasyonu, sıvının temel parçacıklarının kombinasyonundan çok daha düşüktür. $B$ molekülü üzerinde ideal gaz tarafına göre sıvı tarafında çok daha fazla molekül etki ettiğinden, tüm moleküller arası kuvvetlerin sonucu artık sıfıra eşitlenemez, çünkü bu parametre cismin hacminin içine yönlendirilir. madde. Dolayısıyla sıvının derinliklerinden gelen bir molekülün yüzey katmanına ulaşabilmesi için telafi edilmemiş kuvvetlere karşı iş yapılması gerekir. Bu da yüzeye yakın seviyedeki atomların, sıvı içindeki parçacıklara kıyasla yüzey enerjisi adı verilen aşırı potansiyel enerjiyle donatıldığı anlamına gelir.

Yüzey gerilimi katsayısı

Şekil 3. Yüzey gerilimi. Author24 - öğrenci ödevlerinin çevrimiçi değişimi

Tanım 2

Yüzey gerilimi katsayısı, belirli bir sıvıyı karakterize eden ve yüzey enerjisinin sıvının serbest ortamının toplam alanına oranına sayısal olarak eşit olan fiziksel bir göstergedir.

Fizikte SI kavramında yüzey gerilim katsayısını ölçmek için kullanılan temel birim (N)/(m)'dir.

Bu değer doğrudan şunlara bağlıdır:

• sıvının yapısı (alkol, eter, benzin gibi uçucu elementler için yüzey gerilim katsayısı, uçucu olmayan elementler - cıva, sudan çok daha azdır);
• sıvı maddenin sıcaklığı (sıcaklık ne kadar yüksek olursa nihai yüzey gerilimi o kadar düşük olur);
• belirli bir sıvıya bitişik ideal bir gazın özellikleri;
• yüzey gerilimini azaltabilen çamaşır tozu veya sabun gibi stabil yüzey aktif elemanların varlığı.

Açıklama 1

Ayrıca yüzey gerilimi parametresinin serbest akışkan ortamın başlangıç ​​alanına bağlı olmadığı da belirtilmelidir.

Mekanikten, iç enerjisinin minimum değerinin her zaman sistemin değişmeyen durumlarına karşılık geldiği de bilinmektedir. Bu fiziksel süreç nedeniyle sıvı cisim çoğu zaman minimum yüzey alanına sahip bir şekil alır. Sıvı dış kuvvetlerden etkilenmiyorsa veya etkileri çok küçükse, elemanları bir damla su veya sabun köpüğü şeklinde bir küre şeklindedir. Benzer şekilde su da sıfır yerçekiminde davranmaya başlar. Akışkan sanki ana yüzeyine teğet etki eden ve bu ortamı azaltan faktörler varmış gibi hareket eder. Bu kuvvetlere yüzey gerilim kuvvetleri denir.

Bu nedenle yüzey gerilim katsayısı, genellikle serbest akışkan ortamı sınırlayan başlangıç ​​konturunun birim uzunluğu başına etki eden yüzey gerilim kuvvetinin temel modülü olarak da tanımlanabilir. Bu parametrelerin varlığı, sıvı bir maddenin yüzeyinin gerilmiş elastik bir film gibi görünmesini sağlar; tek fark, filmdeki sabit kuvvetlerin doğrudan sistemin alanına bağlı olması ve yüzey gerilim kuvvetlerinin kendilerinin bağımsız çalışma. Suyun yüzeyine küçük bir dikiş iğnesi koyarsanız yüzey bükülecek ve batmasını önleyecektir.

Bir dış faktörün etkisi, su gezgini gibi hafif böceklerin su kütlelerinin tüm yüzeyi üzerinde kaymasını tanımlayabilir. Bu eklembacaklıların ayakları su yüzeyini deforme ederek alanını arttırır. Sonuç olarak, alandaki bu tür bir değişikliği azaltma eğiliminde olan bir yüzey gerilim kuvveti ortaya çıkar. Ortaya çıkan kuvvet, yerçekiminin etkisini telafi edecek şekilde daima yalnızca yukarıya doğru yönlendirilecektir.

Yüzey geriliminin sonucu

Yüzey geriliminin etkisi altında, küçük miktarlardaki sıvı ortam, ortamın en küçük boyutuna ideal olarak uyacak küresel bir şekil alma eğilimindedir. Küçük damlalar için yüzey gerilim kuvveti endeksi yerçekiminin etkisinden çok daha büyük olduğundan, başlangıçtaki yerçekimi kuvvetleri ne kadar zayıfsa, küresel bir konfigürasyona yaklaşım elde edilir.

Yüzey gerilimi arayüzlerin en önemli özelliklerinden biri olarak kabul edilir. Fiziksel cisimlerin ve sıvıların ince parçacıklarının ayrılması sırasında oluşumunun yanı sıra elementlerin veya kabarcıkların sis, emülsiyon, köpük ve yapışma süreçlerinde füzyonunu doğrudan etkiler.

Açıklama 2

Yüzey gerilimi gelecekteki biyolojik hücrelerin ve ana parçalarının şeklini belirler.

Bu fiziksel sürecin güçlerindeki bir değişiklik fagositozu ve alveoler solunum süreçlerini etkiler. Bu fenomen nedeniyle gözenekli maddeler, hava buharından bile büyük miktarda sıvıyı uzun süre tutabilir.Daha geniş bir kaptaki sıvı seviyesine kıyasla kılcal damarlardaki sıvı seviyesinin yüksekliğindeki değişiklikleri içeren kılcal olaylar, Çok yaygın. Bu işlemler sayesinde toprakta suyun yükselmesi, bitkilerin kök sistemi boyunca biyolojik sıvıların küçük tüpçük ve damar sistemi boyunca hareketi belirlenir.