PROBLEMY TEORETYCZNE:

Oddziaływania międzycząsteczkowe w cieczy:

Lepkość cieczy - ograniczenie wzajemnego ruchu cząsteczek cieczy w wyniku silnych oddziaływań międzycząsteczkowych. Lepkość dynamiczną 
definiujemy jako:

 

gdzie: F jest siłą potrzebną do wywołania różnicy szybkości dv dwóch warstw cieczy wzdłuż odcinka dx i powierzchni styku S.

Siły spójności - wzajemne przyciąganie się cząsteczek tej samej substancji wskutek oddziaływań międzycząsteczkowych (siły kohezji).

Siły przylegania - wzajemne przyciąganie cząsteczek różnego rodzaju. Skutkiem istnienia siły przylegania jest powstawanie menisku (siły adhezji).

Menisk jest wynikiem rozkładu sił, które działają na cząsteczki cieczy znajdujące się w pobliżu granic trzech faz: cieczy, gazu i ciała stałego. W kontakcie cieczy i ciała stałego wyróżnia się dwa przypadki:

Menisk wklęsły

Powierzchnia cieczy w pobliżu ścianki ma kształt wklęsły.

Wtedy siły adhezji są większe od sił kohezji i kąt zetknięcia, tj. kąt zwilżania  (teta) zawiera się w przedziale:

0 <  < 180 ⁰

Menisk wypukły

Powierzchnia cieczy w pobliżu ścianki ma kształt wypukły.

Siły adhezji są wówczas mniejsze od sił kohezji i kąt zwilżania  zawiera się w przedziale:

90 ⁰ <  < 180 ⁰

Napięcie powierzchniowe - zjawisko będące skutkiem działania sił spójności. Powstaje na granicy faz ciecz - gaz i powoduje, że powierzchnia cieczy zachowuje się jak napięta błonka, ciecze  przyjmują kształt kropli, a także, że poziom cieczy w wąskiej rurce szklanej albo w wąskiej szczelinie między szybkami podnosi się powyżej poziomu wody w naczyniu, do którego zanurzamy rurkę lub szybki. Silniejsze oddziaływania międzycząsteczkowe w cieczy powoduje powstanie siły wypadkowej dążącej do ograniczenia powierzchni cieczy. Napięcie powierzchniowe
definiujemy jako stosunek pracy F potrzebnej do zmiany swobodnej powierzchni cieczy do zmiany tej powierzchni S, czyli do izotermicznego zwiększenia powierzchni o jednostkę:

                                      

W układzie SI wymiarem napięcia powierzchniowego σ jest J /m[kwadrat] lub N/m.

Napięcie powierzchniowe powoduje, że na brzegu powierzchni działa siła F proporcjonalna do długości S tego brzegu. Współczynnik proporcjonalności w tym wzorze nosi nazwę współczynnika napięcia powierzchniowego. Jego wartość dla czystej wody wynosi 0,07 N/m. Siła F jest skierowana od brzegu w stronę powierzchni cieczy (stycznie do niej), a zatem dąży do zmniejszenia pola powierzchni.

Wynika stąd, że wytworzenie powierzchni swobodnej P wymaga wykonania pracy L = s P.

Dzięki istnieniu napięcia powierzchniowego pod zakrzywioną powierzchnią cieczy działa dodatkowe ciśnienie. Według Laplace`a to dodatkowe ciśnienie wynosi:

przy czym R1 i R2 są promieniami krzywizn prostopadłych względem

siebie przekrojów normalnych, dla których promienie krzywizny przyjmują

wartości ekstremalne. Promienie te uważamy za dodatnie, gdy środki

krzywizn przekrojów normalnych znajdują się po stronie cieczy, natomiast

za ujemne, jeżeli środki znajdują się po stronie przeciwnej. W związku z

tym dla menisku wklęsłego [delta]p < 0 , a dla menisku wypukłego [delta]p > 0 .

Dodatkowe ciśnienie [delta]p jest zawsze wywierane w kierunku środka

krzywizny menisku. Gdy R1 = R2 = R (wycinek powierzchni kuli), wtedy

na jednostkę krawędzi powierzchni swobodnej cieczy działa siła

napięcia powierzchniowego σ, styczna do powierzchni cieczy. Jej składowa

pozioma σr jest zrównoważona sprężystym oddziaływaniem ścianki

kapilary, natomiast składowa pionowa σh powoduje podnoszenie się poziomu cieczy.

Rys. 33.6.

Wznoszenie się w kapilarze cieczy

zwilżającej ścianki kapilary (a), opadanie

w kapilarze cieczy nie zwilżającej ścianek

kapilary

Takie jest też dodatkowe ciśnienie we wnętrzu pęcherzyka gazu o

promieniu R, gdy znajduje się on tuż pod powierzchnią cieczy. Ciśnienie

wewnątrz bańki mydlanej będzie dwa razy większe, ponieważ ma ona dwie

powierzchnie: zewnętrzną i wewnętrzną.

Ze zjawiskiem napięcia powierzchniowego wiąże się ściśle zjawisko włoskowatości. Efekt ten jest widoczny wyraźnie w bardzo cienkich rurkach (tzw rurkach włoskowatych) zanurzonych jednym końcem w cieczy. Jeżeli ciecz w takiej rurce tworzy menisk wklęsły (na przykład woda w rurce szklanej) to wypadkowa sił napięcia powierzchniowego skierowana jest ku górze i powoduje, iż poziom cieczy w rurce podniesie się w stosunku do poziomu cieczy w naczyniu.
Jeżeli rurkę zanurzymy w cieczy, w której powstaje menisk wypukły (na przykład rurkę szklaną w rtęci), wypadkowa sił napięcia powierzchniowego skierowana będzie do dołu, więc poziom cieczy w rurce obniży się.

---