Ćwiczenie 10

Napięcie powierzchniowe cieczy

1. Ciecz - stan skupienia materii - pośredni między ciałem stałym a gazem, w którym ciało fizyczne trudno zmienia objętość, a łatwo zmienia kształt. Wskutek tego ciecz przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje, ale w przeciwieństwie do gazu nie rozszerza się, aby wypełnić je całe. Powierzchnia styku cieczy z gazem lub próżnią nazywa się powierzchnią swobodną cieczy.

Istnienie cieczy ogranicza od strony niskich temperatur temperatura krzepnięcia, a od wysokich temperatura wrzenia. Czysta ciecz może istnieć w temperaturze niższej od temperatury krzepnięcia - nazywana jest wówczas cieczą przechłodzoną. Może ona także istnieć w temperaturze wyższej od temperatury wrzenia - jest wtedy nazywana cieczą przegrzaną. Ciecz przechłodzona lub przegrzana jest w nietrwałym stanie termodynamicznym i pod wpływem zanieczyszczenia lub zaburzenia odpowiednio krzepnie lub wrze. Niektóre substancje ciekłe o dużej lepkości nie krystalizują się, pozostając w stanie amorficznym, które formalnie biorąc jest cieczą przechłodzoną.

Własności cieczy wynikają z zachowania się jej cząsteczek:

• podobnie jak w gazie, mają one pełną swobodę przemieszczania się w objętości zajmowanej przez ciecz

• występują między nimi oddziaływania międzycząsteczkowe, które się jednak w obrębie objętości cieczy znoszą nawzajem.

• oddziaływania międzycząsteczkowe nie znoszą się na granicy cieczy z inną fazą na skutek czego występuje zjawisko zwane napięciem powierzchniowym.

Średnia droga swobodna jest to średnia odległość jaką przebywają cząstki gazu bez zderzenia z innymi cząstkami. Średnia droga swobodna
zależy od gęstości gazu
i od przekroju czynnego na zderzenia cząstek
w następujący sposób:
.

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. Siła napięcia powierzchniowego - siła jaką działa wycinek powierzchni cieczy ΔS na sąsiednie odcinki powierzchni cieczy. Siła ta jest skierowana prostopadle do ograniczenia cieczy i stycznie do jej powierzchni.

3. 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.

4. Ciecz zwilżająca - ciecz, której powierzchnia swobodna w bezpośrednim zetknięciu z ciałem stałym przybiera kształt wklęsły, np. woda przy zetknięciu ze szkłem.

Ciecz nie zwilżająca - ciecz, której powierzchnia swobodna w bezpośrednim zetknięciu z ciałem stałym przybiera kształt wypukły, np. rtęć przy zetknięciu ze szkłem.

Menisk jest to powierzchnia rozdzielająca od siebie dwie fazy płynne - gaz i ciecz lub dwie, nie mieszające się z sobą ciecze. Menisk przybiera kształt płaskiej powierzchni, wycinka sfery lub hiperboloidy, lub też w szczególnych przypadkach kombinacji wycinka sfery i hiperboloidy.

Kształt menisku i kierunek jego wpukłości zależy od:

• w przypadku dwóch cieczy: wypadkowej energii powierzchniowej obu stykających się faz

• w przypadku układu - ciecz-gaz od wypadkowej energii powierzchniowej ścianek naczynia i sumarycznego napięcia powierzchniowego lustra cieczy (oprócz własności samej cieczy jest też zależy od rozmiarów lustra cieczy, który wynika z przekroju naczynia).

Dla układu gaz/ciecz w rurce z materiału trudno zwilżalnego przez tą ciecz (np. rtęć w rurce szklanej) ciecz tworzy menisk wypukły. Jeżeli ciecz odpowiednio dobrze zwilża materiał rurki (np. etanol w rurce szklanej) tworzy się menisk wklęsły. W ostatnim przypadku, przy bardzo wąskim przekroju rurki (różnym dla każdego układu ciecz - materiał ścianek) pojawia się efekt kapilarny, polegający na tendencji do pełznięcia cieczy po ściankach, która jest na tyle silna, że przezwycięża grawitację.

Jeśli siły oddziaływania między cząsteczkami cieczy i ścianek są większe od sił między cząsteczkami cieczy, powierzchnia cieczy w pobliżu ścianek zakrzywia się w górę, czyli ciecz ma menisk wklęsły i zwilża ścianki naczynia (np. woda lub olej w naczyniu ze szkła).

Jeśli siły między cząsteczkami cieczy i ścianek są małe, powierzchnia cieczy w pobliżu ścianek zakrzywia się w dół wtedy ciecz tworzy menisk wypukły i nie zwilża ścianek naczynia (np. rtęć w termometrze).

5. 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

6. Adsorpcja — to proces wiązania się cząsteczek, atomów lub jonów na powierzchni lub granicy faz fizycznych, powodujący lokalne zmiany stężenia. Adsorpcji nie należy mylić z absorpcją, która jest procesem wnikania do wnętrza fazy. Adsorpcję, absorpcję i wymianę jonową przyjęło się wspólnie nazywać procesami sorpcji.

Proste przykłady adsorpcji to np.:

• pochłanianie zapachów przez filtr węglowy w lodówce lub samochodzie,

• pochłanianie toksyn przez węgiel medyczny (carbo medicinalis) z przewodu pokarmowego pacjenta.

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

7. Metody wyznaczania współczynnika napięcia powierzchniowego:

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

2. Metoda odrywania - ciecz wypływa przez cienką rurkę, u jej wylotu tworząc kroplę. Kropla ta powiększa się, odrywając się od pipety w momencie, gdy jej ciężar zrówna się z siłą działającą ku górze.
   

8. Niepewności pomiarowe:

• Błąd bezwzględny: to różnica pomiędzy wartością zmierzoną (x), a wartością dokładną (v):
  . Pomiar wartości mierzonej dokonywany jest za pomocą przyrządu pomiarowego (np. woltomierz, amperomierz, suwmiarka itp.), a więc zawsze obarczony błędem pomiaru. Wartość dokładna może być z góry dana np. jako parametr w procesie technologicznym, jako wynik teoretycznych obliczeń lub średnia wzięta z dużej liczby pomiarów. Może to być również wynik pomiaru przyrządem charakteryzującym się znacznie większą dokładnością.

• Błąd względny: W metrologii błąd względny to iloraz modułu błędu bezwzględnego i wartości dokładnej (v).

; x — wartość mierzona

Błąd względny jest bezwymiarowy, najczęściej wyrażany w procentach . Służy głównie do oceny dokładności przyrządów pomiarowych pracujących na różnych zakresach pomiarowych.

• Metoda pochodnej logarytmicznej: Jeżeli wielkość mierzona jest wyrażona w postaci iloczynu dowolnych potęg wielkości mierzonych bezpośrednio
  , to błąd względny można obliczyć korzystając ze wzoru
  

- 3 -

---