Поверхностное натяжение жидкостей
Поверхностное натяжение жидкости обусловливается силами взаимного притяжения молекул поверхностного слоя, стремящихся сократить свободную поверхность жидкости. Существование избытка свободной энергии на границе раздела фаз в поверхностном слое может быть доказано различными, способами. Так, среднее во времени значение равнодействующей сил взаимодействия молекулы в глубине жидкой фазы с окружающими молекулами равно нулю вследствие симметрии силового поля (рис. 1.3). На границе же раздела с газом силы взаимодействия поверхностных молекул с жидкой фазой больше, чем с газообразной, поэтому равнодействующая сил направлена нормально к поверхности в сторону жидкой фазы.
|
| |||||
а | б | |||||
Рис. 1.3. Появление избытка поверхностной энергии молекулы жидкости в объеме (а) по сравнению с положением той же молекулы на границе с газовой фазой (б) |
Вследствие поверхностного натяжения жидкость, имеющая криволинейную поверхность, испытывает дополнительное усилие, увеличивающее или уменьшающее давление жидкости на величину
|
|
, (1.12)
где — поверхностное натяжение, Н/м; r 1, и r2 — главные радиусы кривизны рассматриваемого элемента поверхности, м. Приведенное выражение называют формулой Лапласа. Давление при выпуклой поверхности жидкости увеличивается, а при вогнутой — уменьшается.
При температуре 20 °С поверхностное натяжение воды, соприкасающейся с воздухом, σ = 0,0726 Н/м. Зависимость поверхностного натяжения от температуры имеет следующий вид:
, (1.13)
где σ0 — поверхностное натяжение при соприкосновении с воздухом при температуре 0°С [для воды σ0 = 0,076 Н/м; β = 0,00015 Н/(м °С)].
При температуре кипения жидкости поверхностное натяжение исчезает, поскольку исчезает и межфазная граница между жидкостью и паром.
Влияние поверхностного натяжения приходится учитывать при работе с жидкостными приборами для измерения давления, при истечении жидкости из малых отверстий, при фильтрации и образовании капель в свободных струях. Особенно сильно поверхностное натяжение проявляется в цилиндрических трубках малого диаметра (капиллярах), для которых формула Лапласа принимает вид
или, (1.14)
где r — радиус капиллярной трубки; h пов — высота капиллярного поднятия.
Жидкости, в которых нарушается основное их свойство — сплошность, называются многофазными (гетерогенными, полифазными) системами. В этих системах, как правило, можно выделить границы раздела, отделяющие одну непрерывную среду (фазу) от другой, причем при переходе через такие границы свойства жидкости меняются скачкообразно.
|
|
Простейшим случаем многофазной системы являются двухфазные системы. Примеры таких систем: газ — твердые частицы (пневмотранспорт, пылеулавливание); газ — капли жидкости (распылители, сушилки, газовое охлаждение, испарение); жидкость — пузырьки пара (испарители, эрлифты); жидкость — твердые частицы (гидротранспорт, осаждение).
Во всех этих примерах первая из указанных фаз (основная) условно называется непрерывной, вторая — дискретной. При некоторых условиях многофазные системы могут переходить в однородные (гомогенные) и наоборот. Например, в воде при обычных условиях находится растворенный воздух. При снижении давления и повышении температуры воздух начинает выделяться, образуя воздушные пузыри значительных размеров: наблюдается переход однофазной системы (вода) к двухфазной (вода + газ).
С образованием двухфазных систем связаны процессы фазовых переходов. Так, в воде при повышении давления и понижении температуры зарождаются кристаллы льда, т.е. образуется двухфазная система — вода + твердые частицы. Наоборот, при понижении давления жидкости до уровня так называемого давления насыщенного пара жидкость вскипает, образуя пузыри, заполненные насыщенными парами воды.
Количество дискретной фазы в непрерывной определяется объемной концентрацией. Обычно за объемную концентрацию принимается отношение объема, занятого дискретной фазой, к общему объему многофазной системы:
(1.18)
где W2 и W1 — объемы дискретной и непрерывной фаз в многофазной системе соответственно.
Среднюю плотность многофазной системы можно представить в следующем виде:
(1.19)
где ρ 2 и ρ 1, — плотности соответственно дискретной и непрерывной фаз.