Коэффициент поверхностного натяжения. SA

Понятие поверхностного натяжения

Поверхностным натяжением называется термодинамическая характеристика поверхности раздела фаз, определенная как работа обратимого изотермического образования единицы плошали этой поверхности. Для жидкости поверхностное натяжение рассматривается как сила, действующая на единицу длины контура поверхности и стремящаяся сократить поверхность до минимума при заданных объемах фаз.

Нефть - это нефтяная дисперсная система, состоящая из дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Поверхность частицы дисперсной фазы (например, ассоциат асфальтенов, глобула воды и т. п.) обладает некоторым избытком свободной поверхностной энергии F s , пропорциональной площади поверхности раздела фаз S :

Величина σ может рассматриваться не только как удельная поверхностная энергия, но и как сила, приложенная к единице длины контура, ограничивающего поверхность, направленная вдоль этой поверхности перпендикулярно контуру и стремящаяся эту поверхность стянуть или уменьшить. Эта сила носит название поверхностного натяжения .

Действие поверхностного натяжения можно наглядно представить в виде совокупности сил, стягивающих края поверхности к центру.

Длина каждой стрелочки вектора отражает величину поверхностного натяжения, а расстояние между ними соответствует принятой единице длины контура поверхности. В качестве размерности величины σ в равной мере используются как [Дж/м 2 ] = 10 3 [эрг/см 2 ], так и [Н/м] = 10 3 [дин/см].

В результате действия сил поверхностного натяжения жидкость стремится сократить свою поверхность, и если влияние силы земного притяжения незначительно, жидкость принимает форму шара, имеющего минимальную поверхность на единицу объема.

Поверхностное натяжение различно для разных групп углеводородов - максимально для ароматических и минимально для парафиновых. С увеличением молекулярной массы углеводородов оно повышается.

Большинство гетероатомных соединений, обладая полярными свойствами, имеют поверхностное натяжение ниже, чем углеводороды. Это очень важно, поскольку их наличие играет значительную роль в образовании водонефтяных и газонефтяных эмульсий и в последующих процессах разрушения этих эмульсий.

Параметры влияющие на поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение существенно зависит от температуры и давления, а также от химического состава жидкости и соприкасающейся с ней фазы (газ или вода).

С повышением температуры поверхностное натяжение убывает и при критической температуре равно нулю. С увеличением давления поверхностное натяжение в системе газ - жидкость также снижается.

Поверхностное натяжение нефтепродуктов может быть найдено расчетным путем по уравнению:

Пересчет σ от одной температуры T 0 к другой T можно проводить по соотношению:

Значения поверхностного натяжения для некоторых веществ.

Вещества, добавка которых к жидкости уменьшает ее поверхностное натяжение, называют поверхностно-активными веществами (ПАВ).

Поверхностное натяжение нефти и нефтепродуктов зависит от количества присутствующих в них поверхностно-активных компонентов (смолистых веществ, нафтеновых и других органических кислот и т. п.).

Нефтепродукты с малым содержанием поверхностно-активных компонентов имеют наибольшее значение поверхностного натяжения на границе с водой, с большим содержанием - наименьшее.

Хорошо очищенные нефтепродукты имеют высокое поверхностное натяжение на границе с водой.

Понижение поверхностного натяжения объясняется адсорбцией ПАВ на границе раздела фаз. С увеличением концентрации добавляемого ПАВ поверхностное натяжение жидкости сначала интенсивно снижается, а затем стабилизируется, что свидетельствует о полном насыщении поверхностного слоя молекулами ПАВ. Природными поверхностно-активными веществами, резко изменяющими поверхностное натяжение нефтей и нефтепродуктов, являются спирты, фенолы, смолы, асфальтены, различные органические кислоты.

С поверхностными силами на границе раздела твердой и жидкой фаз связаны явления смачивания и капиллярные явления, на которых основаны процессы миграции нефти в пластах, подъем керосина и масла по фитилям ламп и масленок и т. д.

Экспериментальное определение поверхностного натяжения

Для экспериментального определения поверхностного натяжения нефтей и нефтепродуктов применяются различные методы.

Первый метод (а) основан на измерении силы, необходимой для отрыва кольца от поверхности раздела двух фаз. Эта сила пропорциональна удвоенной силе окружности кольца. При капиллярном методе (б) измеряют высоту подъема жидкости в капиллярной трубке. Недостатком его является зависимость высоты подъема жидкости не только от величины поверхностного натяжения, но и от характера смачивания стенок капилляра исследуемой жидкостью. Более точной разновидностью капиллярного метода является метод висячей капли (в), основанный на измерении массы капли жидкости, отрывающейся от капилляра. На результаты измерения влияют плотность жидкости и размеры капли и не влияет угол смачивания жидкостью твердой поверхности. Этот метод позволяет определять поверхностное натяжение в сосудах высокого давления.

Наиболее распространенным и удобным способом измерения поверхностного натяжения является способ наибольшего давления пузырьков или капель (г), что объясняется простотой конструкции, высокой точностью и независимостью определения от смачивания.

Этот способ основан на том, что при выдавливании пузырька воздуха или капли жидкости из узкого капилляра в другую жидкость поверхностное натяжение σ на границе с той жидкостью, в которую выпускается капля, пропорционально наибольшему давлению, необходимому для выдавливания капли.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Коэффициент поверхностного натяжения — это физическая величина, численно равная силе поверхностного натяжения, которая действует на линию разрыва единичной длины. Это так называемый динамический смысл коэффициента поверхностного натяжения. Обозначается коэффициент поверхностного натяжения буквой . Тогда динамическое определение коэффициента поверхностного натяжения запишем в виде формулы:

где — модуль силы поверхностного натяжения, которая действует на линию разрыва поверхности. Она направлена по касательной к поверхности раздела двух фаз в направлении сокращения площади поверхности и нормально по отношению у линии разрыва. — длина линии разрыва поверхности.

Имеется другое определение коэффициента поверхностного натяжения — энергетическое. Оно исходит из того, что если площадь поверхности жидкости увеличивается, то некоторое количество молекул из ее объема поднимается на слой поверхности. С этой целью внешние силы совершают работу () против сил сцепления молекул. Величина данной работы будет пропорциональна изменению площади поверхности жидкости ():

где коэффициентом пропорциональности является коэффициент поверхностного натяжения.

Тогда коэффициент поверхностного натяжения можно определить как физическую величину, равную работе, которая необходима для увеличения площади поверхности жидкости при изотермическом процессе не единицу:

Коэффициент поверхностного натяжения — это положительная физическая величина ( title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="12" width="45" style="vertical-align: 0px;">).

Молекулы поверхностного слоя жидкости имеют избыточную, в сравнении с молекулами внутренних слоев, потенциальную энергию. Потенциальную энергию поверхностного слоя можно вычислить как:

где S — площадь поверхности жидкости.

Свойства коэффициента поверхностного натяжения

Для чистых жидкостей при увеличении температуры коэффициент поверхностного натяжения уменьшается.

Величина коэффициента связана с силами межмолекулярного взаимодействия. Он может принимать различные значения. У летучих (хорошо испаряющихся) жидкостей меньше, чем у нелетучих.

Коэффициент поверхностного натяжения воды зависит от концентрации примесей в ней. Так, при добавлении в воду биологически активных веществ (паста, мыло) поверхностное натяжение воды уменьшается.

Коэффициент поверхностного натяжения можно найти, используя капилляры. Для этого капилляр опускают в сосуд с водой и измеряют высоту подъема жидкости (h). При этом коэффициент находят, применяя формулу:

где — плотность жидкости, — радиус капилляра, — краевой угол, — ускорение свободного падения.

Вообще говоря, поверхностное натяжение существует на границе твердых, жидких и газообразных тел. Но чаще рассматривают поверхностное натяжение на границе газ — жидкость.

Коэффициент поверхностного натяжения входит в известную формулу Лапласа, которая определяет добавочного давление (), которое вызывает кривизна поверхности жидкости:

где и — радиусы кривизны двух взаимно перпендикулярных сечений поверхности жидкости.

Единицы измерения

Основной единицей измерения коэффициента поверхностного натяжения в системе СИ является:

Н/м = Дж/м 2

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Какова разность уровней жидкости в двух сообщающихся капиллярах при полном несмачивании, если внутренние диаметры капилляров равны и ?
Решение	Высоту поднятия жидкости в капилляре можно вычислить, применяя формулу: По условию задачи мы имеем полное несмачивание, следовательно, краевой угол считаем равным . Тогда высота, на которую поднимется жидкость в первом капилляре равна: во втором капилляре: Разность уровней жидкости в капиллярах получается равной:
Ответ

Одним из эффектов в системе газ-жидкость-твёрдое тело является явление поверхностного натяжения. Фактически, суть явления поверхностного натяжения в наличии избыточных сил, возникающих на границе раздела двух фаз (например жидкость/пар или жидкость/твёрдое тело). Эти избыточные силы назовём силами поверхностного натяжения . Благодаря этим силам существует мыльный пузырь или мыльная плёнка, водомерки скользят по воде, существуют капиллярные явления, жидкость в невесомости принимает форму шара.

Попробуем узнать причины возникновения этих сил. Рассмотрим систему, в которой жидкость покоится в сосуде (рис. 1).

Рис. 1. Поверхностное натяжение

Рассмотрим молекулу внутри жидкости (белый шар). Выбранную нами молекулу со всех сторон притягивают другие молекулы жидкости (рис. 1.1). За счёт того, что жидкость распределена равномерно (плотность молекул одинакова), то выбранную нами молекулу «тянут» во все стороны одинаково, т.е. сумма всех сил, действующих на тело, численно равна нулю.

Поместим молекулу на границу раздела (рис. 1.2). Там её точно так же тянут вниз, но за счёт того, что молекул газа намного меньше, то и сил, тянущих вверх тоже меньше. Тогда суммарная сила, действующая на выбранную нами молекулу не равна нулю и направлена внутрь жидкости. Эта суммарная сила и есть сила поверхностного натяжения.

Значение силы поверхностного натяжения можно вручную найти в ходе небольшого эксперимента. Возьмём небольшую рамку с одной подвижной стороной, поместим её в мыльную воду. Образовавшуюся плёнку будем растягивать до момента разрыва. Т.к. разрыв происходит не моментально, значит существует сила, действующая со стороны плёнки, которая не даёт плёнке разорваться. Сила, под которой плёнка всё же разрывается, по третьему закону Ньютона численно равна максимальной силе поверхностного натяжения, возникшей в плёнке (рис. 2).

» мы сталкивались с таким явлением, как капля воды (в статьях «Капля воды — как она есть » и «Сколько весит капля воды «). За шарообразную форму воды отвечает поверхностное натяжение. Попробуем сегодня поговорить про фильтры для воды, поверхностное натяжение и здоровье . Посмотрим, есть ли здесь какая-нибудь важная (или полезная) взаимосвязь. А заодно посмотрим видео воды в невесомости.

Поверхностное натяжение воды и здоровье редко встречаются вместе. Обычно встречаются «минералы и здоровье», «живая и мёртвая вода «, « и «, «окислительно-восстановительный потенциал и здоровье» и так далее. Что на наш взгляд, странновато 🙂

Есть мнение: сниженное поверхностное натяжение воды хуже (лучше) влияет на человека. И причина — фильтры для воды. Ибо меняют его.

Натяжение — приложение силы к чему-то в разные стороны. Например, десять человек тянут простыню в разные стороны. Натяжение простыни увеличивается. На простыню даже можно попробовать спрыгнуть с высоты и не сильно удариться 🙂

Поверхностное натяжение воды — силы тянут поверхность в разные стороны.

Получается, что поврехность воды натягивается? За счёт чего она натягивается, что, так сказать, «тянет простыню»? Из-за строения молекулы воды. Как вы помните, молекула воды имеет положительный и отрицательный полюса. Которые образуют друг с другом водородные связи.

В объёме жидкости молекулы притягиваются отовсюду, силы притяжения уравновешены. А на поверхности — натяжение идёт только «снизу». Силы не уравновешены, поверхность тянет сама себя. И когда ей не мешает сила тяжести (например, в невесомости), эта сила добивается своего, вода в невесомости превращается в шар.

Иначе: молекулы в пограничном слое, в отличие от молекул в ее глубине, окружены только наполовину. Водородные связи тянут их внутрь и натягивают поверхность. Примерно так же было бы, если бы наши 10 человек завернулись в простыню и тянули её внутрь изо всех сил. Они образовали бы нечто вроде шара. Но между людьми есть пустоты, куда простыня может залезть. А у воды пустот нет. Вот мы и получаем идеальный шар 🙂

Если уж совсем глубоко копать: если молекула переместится с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу. Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (то есть увеличить площадь поверхности жидкости), надо затратить положительную работу внешних сил, пропорциональную изменению площади поверхности. Итак, сила поверхностного натяжения равна силе, которая должна быть приложена, чтобы увеличить площадь поверхности на единицу площади. Для справки: поверхностное натяжение воды 0,07286 Н/м.

Примеры поверхностного натяжения из Википедии:

1. В невесомости капля принимает сферическую форму (сфера имеет наименьшую площадь поверхности среди всех фигур одинаковой ёмкости).
2. Струя воды «слипается» в цилиндр.
3. Маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила тяготения меньше силы, препятствующей увеличению площади жидкости. Так, на поверхности воды может плавать иголка, маленькая монета.
4. Некоторые насекомые (например, водомерки) способны передвигаться по воде, удерживаясь на её поверхности за счёт сил поверхностного натяжения.
5. На многих поверхностях, именуемых несмачиваемыми, вода (или другая жидкость) собирается в капли.

Теперь переходим к фильтрам и поверхностному натяжению воды.

Могут ли они иметь какое-либо отношение к поверхностному нятяжению?

Пройдём весь путь воды.

• Вода сначала идёт на фильтр грубой очистки, где уходит песок и прочие соразмерные частицы.
• Далее, чаще всего, вода проходит через фильтр с активированным углём. Удалены хлор (если он есть) и органика (если уголь это может).
• Обычно далее обратный осмос — полупроницаемая преграда; в стакан вытекает чистая вода, а прочие соли и т.д. сливаются в канализацию.

На каких этапах с водой происходит нечто, что меняет её способность держаться за саму себя? То есть, меняет поверхностное натяжение? Если это и есть, то на стадии обратного осмоса, ведь вода протискивается сквозь очень маленькие волокна и в некотором роде взвихривается.

Примерно то же самое происходит при кипении (тоже очистка воды) — объём воды дробится на более мелкие относительно неподвижные части. Кстати, в результате получается температурно-активированная вода . У которой, согласно ряду исследователей, поверхностное натяжение меньше, чем у исходной воды.

К сожалению, точных данных, насколько снижается поверхностное натяжение при кипении или очистке обратным осмосом, мы не нашли.

Ещё один пример — электромагнитная обработка воды. Здесь снижение поверхностного натяжения подтверждается интересным опытом. Так, растения, которые поливаются солоноватой водой, плохо растут. Причина — им сложно втягивать воду с солями, соли плохо выпускают воду в растение. Однако, солоноватая вода после электромагнитной обработки легче проходит в растения, и они не настолько сильно подавлены.

Однако, и здесь численных данных и опытов нет.

Теперь возвращаемся к основному вопросу:

Связаны ли поверхностное натяжение и здоровье?

Опять же, экспериментальных данных нет. Но можно предположить теоретически, на основе наших знаний о поверхностном натяжении воды.

Так, чем меньше поверхностное натяжение воды, тем лучше она всасывается в клетки (поскольку не сопротивляется и не препятствует поверхностное натяжение). Следовательно, из клеток будут быстрее выводиться продукты метаболизма и прочие вредные вещества. В целом, организм будет в большей степени здоров, чем тот, у которого продукты обмена веществ и ядовитые вещества выводятся медленнее.

Так что вывод прост:

Если фильтры и уменьшают поверхностное натяжение, то на здоровье это не повлияет.

По материалам http://voda.blox.ua/