Ćwiczenie 10

Napięcie powierzchniowe cieczy

1. Między cząsteczkami cieczy występują siły wzajemnego oddziaływania. Siły te działają wokół każdej cząsteczki w pewnym obszarze, zwanym sferą działania. Średnie odległości cząsteczek w cieczach są znacznie mniejsze niż w gazach i dlatego siły oddziaływania między cząsteczkami cieczy są o wiele większe niż gazu. Na cząsteczkę znajdującą się wewnątrz cieczy działają siły przyciągania pochodzące od otaczających ją cząsteczek. Ze względu na symetrię sferyczną siły te kompensują się tak, że ich wypadkowa równa się zeru. Rozkład sił działających na cząsteczkę znajdującą się na powierzchni cieczy jest inny. Siły przyciągania pochodzące od cząsteczek cieczy tworzą wypadkową, która jest skierowana do wnętrza cieczy. Wypadkowa siła działająca na cząsteczki znajdujące się na powierzchni cieczy jest skierowana w głąb cieczy. Na skutek tego powierzchnia cieczy kurczy się. Gdy na ciecz nie działają siły zewnętrzne, przyjmuje kształt kuli, tzn. kształt, dla którego stosunek powierzchni do objętości jest najmniejszy. Przeniesienie cząsteczek z wnętrza na powierzchnię cieczy związane jest z wykonaniem pracy przeciw wypadkowej sił międzycząsteczkowych.

Oddziaływania van der Waalsa, zwane też oddziaływaniami Londona lub oddziaływaniami dyspersyjnymi - są to oddziaływania między trwałym dipolem i wzbudzonym dipolem lub między dwoma wzbudzonymi dipolami. W cząsteczkach, które nie posiadają trwałego momentu dipolowego, może on być wzbudzany przez cząsteczki z trwałym momentem; następnie taki wzbudzony dipol i trwały dipol oddziałują na siebie podobnie jak dwa trwałe dipole, tyle że znacznie słabiej. W cząsteczkach bez trwałego momentu dipolowego występują natomiast stochastyczne fluktuacje ich chmur elektronowych, powodujące powstawanie chwilowych momentów dipolowych. Cząsteczka posiadająca chwilowy moment dipolowy może go wzbudzić w cząsteczce sąsiadującej, wskutek czego obie cząsteczki mogą się nawzajem chwilowo przyciągać lub odpychać. Uśrednienie sił odpychających i przyciągających daje w wyniku oddziaływanie przyciągające proporcjonalne do
. Oddziaływania van der Waalsa wynikają m.in. z korelacji ruchów elektronów pomiędzy oddziałującymi atomami - dlatego w metodach obliczeniowych nie uwzględniających korelacji elektronowej sił tych praktycznie nie ma.

2. . Współczynnik napięcia powierzchniowego γ nazywa się siłę styczną do powierzchni cieczy, działającą na jednostkę długości obrzeża powierzchni cieczy
;. Jednostką jest J/m².

Napięcie powierzchniowe γ liczbowo jest równe pracy potrzebnej do zwiększenia powierzchni cieczy o jednostkę:
;

Napięcie powierzchniowe silnie zależy od temperatury cieczy zmniejszając się wraz ze wzrostem temperatury i ginąc (osiągając zero) w temperaturze krytycznej lub kilka stopni poniżej niej.

3. Prawo Laplace'a określa zależność między ciśnieniem pod zakrzywioną powierzchnią cieczy a napięciem powierzchniowym.

Prawo Laplace'a dla powierzchni kulistej: do utrzymania w równowadze mniejszej powierzchni kulistej potrzebna jest większa różnica ciśnień niż do utrzymania powierzchni większej.

; p_w - ciśnienie płynu wewnątrz gumowego balonu, p_z - ciśnienie na zewnątrz, γ - napięcie powierzchniowe, r - promień balonu

4. Włoskowatość - zjawisko spowodowane siłami działającymi między drobinkami ciał stałych i ciekłych polegające na wznoszeniu się do różnych wysokości w naczyniach i rurkach.

5. Metoda pęcherzykowa - polega na tworzeniu pęcherzyków powietrza pod powierzchnią cieczy. Wartość napięcia powierzchniowego możemy wówczas obliczyć za pomocą wzoru:
.

Judyta Rakowska

- 2 -

---