Oppervlaktespanning: 7 belangrijke factoren die ermee verband houden

by

Cohesie en hechting

Allereerst proberen we enkele termen te begrijpen die nuttig zijn bij het bestuderen van oppervlaktespanning. Vloeistof heeft eigenschappen zoals Cohesie. Samenhang is een eigenschap waarbij een vloeistofmolecuul een ander dichterbij gelegen molecuul aantrekt. adhesie is een eigenschap waarbij de vloeibare moleculen worden aangetrokken door contact met het vaste oppervlak. Kort gezegd kunnen we zeggen dat de kracht tussen vergelijkbare moleculen cohesie is en de kracht tussen ongelijksoortige moleculen adhesie.

Laten we een voorbeeld nemen.

Als we kwikdruppels op een oppervlak laten vallen, probeert het zich in druppeltjes te vormen omdat Cohesie hoger is dan de adhesiekracht. U krijgt een melding dat de kwikdruppel niet op het vaste oppervlak blijft plakken. De Mercurius zal proberen weg te blijven van het vaste oppervlak; het zal geen stevige oppervlakte nat maken.

Laten we nu een ander voorbeeld nemen als we kijken naar waterdeeltjes die op het oppervlak vallen. Het verspreidt zich over het betonnen oppervlak. Het gebeurt omdat de houdkracht in dat geval groter is dan de cohesiekracht. De contacthoek tussen de vloeistof en het vaste oppervlak kan de bevochtiging en niet-bevochtiging van het oppervlak beschrijven.

Oppervlaktespanning
Bevochtigen en niet-bevochtigen van vloeistof Credits Hisoki

Raadpleeg de bovenstaande afbeelding het grensvlak tussen vloeibaar gas en vast oppervlak waar de vloeistof zich bevindt waar het vaste oppervlak is wanneer de hoek kleiner is dan 90 graden (π / 2). De bevochtiging van het oppervlak neemt toe naarmate de hoek kleiner wordt. Als de hoek meer dan 90 graden is, zal de vloeistof het vaste oppervlak niet nat maken. De hoek hangt af van de aard van het oppervlak, de soorten vloeistof, het vaste oppervlak en de reinheid.

Als we bedenken dat zuiver water in contact komt met het schone glasoppervlak. De hoek is in dat geval 0 (nul) graden. Als we onzuiverheden aan het water toevoegen: de hoek wordt groter met de toevoeging van onzuiverheden. Zoals we hebben besproken, is de Mercurius een niet-bevochtigende vloeistof, dus de hoek ligt van 130 tot 150 graden.

Oppervlaktespanning

In vloeistof liggen de moleculen onder het vrije oppervlak. Elke vloeistofmolecule trekt aan naar het nabijgelegen molecuul. De moleculaire cohesiekracht is in alle richtingen hetzelfde. Alle krachten zijn hetzelfde in omvang en tegengesteld in richting. Dus het wordt in vloeistof geannuleerd. Het kan de reden zijn voor evenwicht in vloeistof. Er is geen resulterende kracht aanwezig in de vloeistof.

Stel dat we de bovenste vloeistofmoleculen beschouwen die op een vrij oppervlak liggen, omdat we weten dat er geen vloeistofmoleculen overheen liggen. Dus hier worden ze aangetrokken door vloeibare moleculen die eronder liggen. Deze vloeistofmoleculen aan het vrije oppervlak zullen de trekkracht in de vloeistof voelen. Deze kracht werkt als elastische kracht. Besteed per oppervlakte-eenheid van het oppervlak wordt genoemd oppervlaktespanning.

De oppervlaktespanning wordt aangegeven door Sigma (σ). Oppervlaktespanning treedt op bij het vloeistof-gas-grensvlak, het vloeistof-vloeistof-grensvlak. De reden achter oppervlaktespanning is een intermoleculaire aantrekkingskracht vanwege cohesie.

Laten we het grondig begrijpen door enkele praktische voorbeelden te beschouwen,

  • Je hebt een vloeistofdruppel gezien met een bolvorm. De reden achter zijn bolvorm is oppervlaktespanning.
  • Het valt je misschien op als we grondig water in het glas gieten. Zelfs als het glas gevuld is, kunnen we nog steeds wat water toevoegen boven de glaslimiet.
  • Stel dat we gaan experimenteren met een dunne glazen buis op het wateroppervlak. We kunnen snel een capillaire stijging en daling opmerken in een dunne glazen buis.
  • Vogels kunnen vanwege oppervlaktespanning water uit het waterlichaam drinken.

Hoewel de druk en de zwaartekracht hoger zijn dan de oppervlaktespanningskracht, speelt de oppervlaktespanningskracht een belangrijke rol bij vrij oppervlak en kleine afmetingen. De eenheid van oppervlaktespanning is N / m. De grootte van de oppervlaktespanning is afhankelijk van de volgende factoren:

  • Type vloeistof
  • Type omgevingsgas, vloeibaar of vast
  • De kinetische energie van moleculen
  • Temperatuur van moleculen

Als we de temperatuur van een substantie zoals vloeistof verhogen, neemt de intermoleculaire aantrekkingskracht af omdat de afstand tussen moleculen groter wordt. De oppervlaktespanning is afhankelijk van intermoleculaire aantrekking (Cohesie). De waarde van oppervlaktespanning voor vloeistof wordt genomen voor lucht als omringend medium,

De oppervlaktespanning voor het lucht-water grensvlak is 0.073 N / m.

De waarde van de oppervlaktespanning neemt af met toenemende temperatuur.

capillair

Als een smalle buis in het water wordt gedompeld, zal het water tot een bepaald niveau in de buis stijgen. Dit type buis wordt een capillaire buis, en dit fenomeen wordt het capillaire effect genoemd. Een andere naam van het capillaire effect is het meniscuseffect.

Het capillaire effect is te wijten aan de oppervlaktespanningskracht. De capillaire stijging en depressie vinden plaats vanwege cohesie en adhesie intermoleculaire aantrekking. De adhesiekracht tussen buisoppervlak en een watermolecuul is hoger dan de cohesiekracht tussen watermoleculen. Hierdoor kunnen de watermoleculen in concave vorm op het buisoppervlak worden waargenomen.

Gewicht van vloeistof stijgt of daalt in buis met kleine diameter

= (Oppervlakte van buis * Stijgen of dalen) * (soortelijk gewicht)

= (π / 4 * d2* h) w

Verticale component van de oppervlaktespanningskracht

= σ cosθ * omtrek

= σ cosθ * πd

Als we evenwicht beschouwen, dan compenseert opwaartse kracht de neerwaartse kracht, dus de krachtcomponent wordt gegeven als,

(π / 4 * d2 * h * w) = σ cosθ * πd

H = (4 σ cosθ / wd)

capillair 1
Capillaire buis

Vanuit een hoek kan worden waargenomen dat als de hoek tussen 0 en 90 graden ligt, de waarde van h is positief, concave vormvorming en capillaire stijging. Als de hoek tussen 90 en 180 graden is, is de h is negatief, convexe vormvorming en capillaire depressie.

Als de vloeistof kwik is, is het effect volledig tegengesteld. In het geval van kwik is de cohesiekracht belangrijker dan de adhesiekracht. Hierdoor vormen de kwikmoleculen een convexe vorm op het buisoppervlak.

Het capillaire effect is omgekeerd evenredig met de buisdiameter. Als u het capillaire effect wilt vermijden, moet u geen buis met een kleine diameter kiezen. De minimale buisdiameter wordt aanbevolen voor water, en kwik is dat ook 6 mm. Het oppervlak in de buis moet schoon zijn.

Verdamping

Verdamping wordt gedefinieerd als een verandering van toestand van vloeibaar naar gasvormig. De werkingssnelheid is afhankelijk van de druk en temperatuur van de vloeistof.

Beschouw een voorbeeld:

Stel dat de vloeistof zich in het gesloten vat bevindt. In dit vat hebben de dampmoleculen enige druk. Het heet dampspanning. Als de dampspanning begint af te nemen, begint het molecuul zeer snel van het vloeistofoppervlak te vertrekken, dit fenomeen staat bekend als kookpunt.

Bij het koken worden de bellen gevormd in de vloeistof. Deze bel reist in de buurt van een zone met hogere druk en stort in als gevolg van hogere druk. Deze instortende bellen oefenen een aanzienlijk hogere druk uit rond 100 atmosferische druk. Deze druk veroorzaakt mechanische erosie op metaal. Gewoonlijk wordt dit effect genoemd cavitatie. Het is vereist om hydrodynamische machines te bestuderen en te ontwerpen, rekening houdend met cavitatie.

Cavitatie heeft zowel gunstige als ongunstige kanten. Zoals we weten, veroorzaakt cavitatie erosie in metaal, dus het is niet gunstig

Enkele nieuwe onderzoeksgebieden suggereren onlangs dat hydrodynamische cavitatie nuttig is voor bepaalde chemische en afvalwaterzuivering. Dus hier is hydrodynamische cavitatie een gunstig concept.

De dampspanning van de vloeistof hangt sterk af van de temperatuur: deze neemt toe met temperatuurstijging. Bij een temperatuur van 20 ° C is de dampdruk van water 0.235 N / cm2. De dampspanning van kwik is 1.72 * 10-5 N / cm2.

Als we cavitatie in hydraulische machines willen voorkomen: we mogen niet toestaan ​​dat de vloeistofdruk daalt tot onder de dampspanning bij de lokale temperatuur.

Je hebt misschien al vaak gedacht waarom de kwik in de thermometer en manometer wordt gebruikt. Waarom geen andere vloeistof?

Uw antwoord is hier; de kwik heeft de laagste waarde van dampspanning met een hoge dichtheid. Het maakt Mercury geschikt voor gebruik in thermometer en manometer. 

Zoek het capillaire effect in een buis met een diameter van 4 mm. Als de vloeistof water is

Vragen

1) Wat is het verschil tussen cohesie en adhesie?

Cohesie is een aantrekkingskracht van moleculen tussen dezelfde materie, terwijl adhesie een aantrekkingskracht is tussen moleculen van verschillende materie.

2) De Mercurius wordt geprobeerd weg te blijven van het oppervlak, waarom?

Bij kwik is de cohesiekracht groter dan de adhesiekracht. Daarom wordt kwik een niet-bevochtigende vloeistof genoemd.

3) Wat is de voorwaarde voor bevochtiging en niet-bevochtiging van vloeistof met het oppervlak?

De vloeistof zal het vaste oppervlak bevochtigen is minder dan 90 graden. Als de hoek groter is dan 90 graden, zal de vloeistof het vaste oppervlak niet bevochtigen.

4) Leg uit over oppervlaktespanning

De vloeibare moleculen op het vrije oppervlak worden aangetrokken door vloeibare moleculen die eronder liggen. Deze vloeistofmoleculen aan het vrije oppervlak zullen de trekkracht in de vloeistof voelen. Deze kracht werkt als elastische kracht. Het verbruik per oppervlakte-eenheid van het oppervlak wordt oppervlaktespanning genoemd. De oppervlaktespanning wordt aangegeven door Sigma (σ). Oppervlaktespanning treedt op bij het vloeistof-gas-grensvlak, het vloeistof-vloeistof-grensvlak. De reden achter oppervlaktespanning is een intermoleculaire aantrekkingskracht vanwege cohesie.

5) Geef enkele praktische voorbeelden van oppervlaktespanning.

  • Het valt je misschien op als we grondig water in het glas gieten. Zelfs als het glas gevuld is, kunnen we nog steeds wat water toevoegen boven de glaslimiet.
  • Stel dat we gaan experimenteren met een dunne glazen buis op het wateroppervlak. We kunnen gemakkelijk een capillaire stijging en depressie opmerken in een dunne glazen buis.
  • Vogels kunnen vanwege oppervlaktespanning water uit het waterlichaam drinken.

6) Wat is de eenheid van oppervlaktespanning?

De eenheid van oppervlaktespanning is N / m.

7) Geef de waarde van de oppervlaktespanning voor het grensvlak lucht-water en lucht-kwik bij standaard druk en temperatuur.

De oppervlaktespanning voor het lucht-watergrensvlak is 0.073 N / m.

De oppervlaktespanning voor het lucht-kwikgrensvlak is 0.480 N / m.

8) Wat is het capillaire effect?

Als de smalle buis in het water wordt gedompeld, zal het water tot een bepaald niveau in de buis stijgen. Dit type buis wordt een capillaire buis genoemd en dit fenomeen wordt het capillaire effect genoemd.

9) Is er een verband tussen het capillaire effect en de oppervlaktespanning? Zo ja, wat?

Ja. Het capillaire effect is te wijten aan de oppervlaktespanningskracht. De capillaire stijging en depressie vinden plaats vanwege cohesie en adhesie intermoleculaire aantrekking.

10) Definieer: koken, cavitatie

Koken: De dampbellen vormen zich in de vloeistof als gevolg van temperatuur- en drukverandering. Het koken is een verandering van toestand) van vloeistof naar damp.

Cavitatie: De vorming van een dampbel in machines als gevolg van de druk van de vloeistof valt onder de verzadigde dampdruk.

Meerkeuze vragen

1) Voor het bevochtigen van vloeistof moet de contacthoek θ ________ zijn

(a) 0 (b) θ <π / 2                           (c) θ> π / 2 (d) Geen

2) Voor niet-bevochtigende vloeistof moet de contacthoek θ ________ zijn

(a) 0 (b) θ <π / 2 (c) θ> π / 2                            (d) Geen

3) Waarde van de oppervlaktespanning afnemen met __________

(a) Constante druk

(B) Verhoging van de temperatuur

(c) Toename van druk

(d) Verlaging van de temperatuur

4) Als de waardehoek tussen 0 en 90 ligt, wat gebeurt er dan bij capillair effect?

 (A) h is positief met concave vormvorming

(b) h is negatief met concave vormvorming

(c) h is negatief met convexe vormvorming

(d) h is positief met convexe vormvorming

5) Waarom wordt kwik gebruikt in thermometer en manometer?

(a) Hoge dampspanning en lage dichtheid

(b) Hoge dampspanning en hoge dichtheid

(c) Lage dampspanning en lage dichtheid

(D) Lage dampspanning en hoge dichtheid

6) Wat is ongeveer. instortende druk van bellen bij cavitatieverschijnselen?

(a) Ongeveer 20 atmosferische druk

(b) Ongeveer 50 atmosferische druk

(c) Ongeveer 75 atmosferische druk

(D) Ongeveer 100 atmosferische druk

7) Wat is de waarde van de dampspanning van water bij een temperatuur van 20 ° C?

(a) 0.126 N / cm2

(b) 0.513 N / cm2

(C) 0.235 N / cm2

(d) 0.995 N / cm2

8) Wat is de waarde van de dampspanning van kwik bij een temperatuur van 20 ° C?

(a) 1.25 * 10-5 N / cm2

(B) 1.72 * 10-5 N / cm2

(c) 1.5 * 10-5 N / cm2

(d) 1.25 N / cm2

Conclusie

Dit artikel wordt u gepresenteerd om het concept van oppervlaktespanning, capillair effect, cavitatie, verdamping en de effecten ervan te begrijpen. Enkele van de praktische voorbeelden zijn in dit artikel opgenomen om het praktisch weer te geven. Er is moeite gedaan om u het concept van de vloeistofmechanica te laten correleren met uw dagelijkse leven.

Voor meer informatie over vloeistofmechanica, alstublieft klik hier.