Transcript Povrsinski napon

Površinski napon



Površinski napon je privlačna osobina površine tečnosti. On uzrokuje
da površina dela tečnosti bude privučena do druge
površine. Površinski napon tečnosti zavisi od intenziteta
međumolekulskih sila privlačenja unutar tečnosti.
Primijenjujući Njutnovu fiziku na sile koje nastaju zbog površinskog
napona, možemo tačno predvideti mnoga ponašanja tečnosti koja su
tako uobičajna da ih većina ljudi uzima zdravo za gotovo. Primenjujući
zakone termodinamike na te iste sile, možemo predvideti i suptilnija
ponašanja tečnosti.
Površinski napon ima dimenziju: sila po jedinici dužine,
ili energija po jedinici površine . Ove dve jedinice su ekvivalentne ali kada se govori o energiji po jedinici površine, ljudi najčešće koriste
termin površinska energija - koji je uopšteniji termin u smislu da se
primenjuje, takođe, i na vrsta č tela, a ne samo na tečnosti.
Uzrok

U masi tečnosti, svaki molekul biva
privlačen jednako u svim pravcima od
strane susednih molekula tečnosti,
što rezultira rezultantom svih sila koja
je jednaka nuli. Na površini tečnosti,
molekuli bivaju privlačeni prema dole
od strane molekula koji se nalaze
dublje u tečnosti, dok ih molekuli u
susednom mediju ne pravlače tim
intenzitetom. Odatle, svi molekuli na
površini su pod uticajem privlačne
molekularne sile, koja se uravnotežuje
jedino preko otpora te tečnosti na
pritisak, što znači da nema
rezultantne sile privlačenja molekula
sa površine od strane molekula u
dubini tečnosti. Međutim, postoji sila
koja umanjuje površinu, te zbog
ovoga površina tečnosti dobija
rastegnutu elastičnu membranu. Zbog
ovoga se tečnost stiska sve dok ne
dobije lokalno najmanju moguću
površinu.

Drugi način da ovo sagledamo je da
molekul u kontaktu sa susednim
molekulom ima niže energetsko
stanje od slučaja kada nije u
kontaktu sa susednim molekulom.
Unutrašnji molekuli imaju sve
susedne molekule koje mogu imati.
Ali granični molekuli imaju manje
susednih molekula od unutrašnjih,
pa su, zbog toga, na višem
energetskom stanju. Kako bi
tečnost smanjila svoje energetsko
stanje, mora smanjiti broj graničnih
molekula, pa zbog toga, mora
smanjiti svoju površinu.
Insekt male težine ne može
potonuti zbog površinskog
napona.
Površinski sloj tečnosti

Na svaki molekul, koji je od
površine tečnosti udaljen manje od
poluprečnika molekularnog dejstva,
deluje sila usmerena ka
unutrašnjosti tečnosti i normalna na
površinu tečnosti. Sloj tečnosti u
kojem se nalaze svi takvi molekuli
zove se površinski sloj tenčnosti.
Sile površinskog napona



Zbog težnje da smanji potencijalnu
energiju, odnosno površinu, površinski
sloj tečnosti ponaša se nalik zategnutoj
opni po kojoj deluju elastične sile.
Težnja tečnosti da ima minimalnu
slobodnu površinu ispoljava se
delovanjem sila površinskog napona.
Sile površinskog napona deluju na svaki
delić linije kojom je ograničena slobodna
površina tečnosti. U svakoj tački pravac
sile je normalan na tu graničnu liniju i
tangentan na površinu tečnosti, a smer
je prema unutrašnjosti konture. Kao
izuzetan slučaj ispoljavanja sila
površinskog napona, izdvajamo ove sile
koje se javljaju pri kontaktu nekog
čvrstog tela sa površinom tečnosti.
Intenzitet sile. Koeficijent
površinskog napona


Veličina kojom se kvantitativno
izražava težnja tečnosti ka smanjenju
površine zove koeficijent površinskog
napona ():
Koeficijent površinskog napona
brojno je jednak sili površinskog
napona po jedinici dužine konture
kojom je ograničena slobodna
površina tečnosti:





∆l je dužina proizvoljno malog pravolinijskog
dela konture
∆F je sila površinskog napona koji deluje na
taj deo
Ukupna sila površinskog napona za
celu konturu dobija se vektorskim
sabiranjem sila koje deluju na sve
delove (ili deliće) te konture.
Na pravolinijski deo konture, dužine l,
deluje sila površinskog napona:
Jedinica za koeficijent površinskog napona
je 1 N/m
Koeficijent površinskog napona

Koficijent površinskog napona
zavisi od prirode tečnosti. U znatnoj
meri na njegovu vrednost utiču
primese. I temperatura utiče na
površinski napon: ako je
temperatura viša, manja je razlika
izmedju gustine tečnosti i gustine
pare iznad nje, pa je jači uticaj
molekula pare na molekule na
površini tečnosti – zato je koeficijent
površinskog napona tečnosti manji.
Tečnost
 (N 1/m)
na 20 °C
t.k.(°C)
Voda
0.0728
100
Benzol
0.0289
80.1
Toluol
0.0284
110.6
Hloroform
0.0271
61
Aceton
0.0237
56.5
Metanol
0.0226
64.7
Etanol
0.0223
78.15
Etar
0.0170
34.6
Pirmer žičanog rama sa pokretnom prečagom
Opna od sapunice na ramu sa jednom
pokretnom stranom.
Koeficijent površinskog napona brojno je
jednak promeni energije površinskog sloja
tečnosti pri jediničnoj promeni slobodne
površine.


uskoj kružnoj cevi površina
tečnosti je deo sfere. Na svakom
deliću kružne dodirne linije površine
tečnosti i cevi deluju sile površinskog
napona.
Na slici su prikazane sile kojima cev
deluje na površinu tečnosti na dva
dijametralno suprotna delića dodirne
linije. Sila F deluje na delić dužine l,
pa je njen intenzitet: F=l
Svaka takva sila može se razložiti na
komponentu paralelnu sa zidom cevi i
komponentu normalnu na zid cevi.
Rezultujuća sila kojom zidovi cevi
deluju na površinu tečnosti deluje u
pravcu paralelnom zidovima i ima
intenzitet:
U
tj.
Kvašenje i nekvašenje



Ugao izmedju tangente na površinu tečnosti i površine tvrdog tela sa
kojom se tečnost dodiruje zove se granični ugao.
Ako je granični ugao oštar, tečnost kvasi telo.
Ukoliko je granični ugao tup, tečnost ne kvasi telo.
Kohezija i adhezija



Slika 1




Slika 2
Molekuli u tečnostima osećaju jake
međumolekularne sile
Ako sile deluju između istovrsnih
molekula zovu se kohezione sile
Na primer, kohezione sile drže kap
vode na okupu
Adhezione sile su sile izmedju
različitih molekula, npr. vode I stakla
posude u kojoj se voda nalazi
Ako su adhezione sile imeđu vode i
zida posude jače od kohezionih tada
se voda penje uz zid posude. (slika1.)
Ako su kohezione sile jače tada se
voda spušta niz zidove posude (slika
2.)
Primeri: voda se penje, a živa spušta
uz zidove posude
Menisk

Kada se tečnost nalazi u širokom sudu, izdizanje (odnosno spuštanje) površine
primećuje se samo uz zidove suda; u najvećem delu površina tečnosti je ravna
(horizontalna). U uskim cevima, madjutim, taj ravan deo praktično ne postoji:
površina tečnosti je kriva I zove se menisk. Ako cevčica ima kružni poprečni
presek, menisk je deo sferne površine: konveksne pri nekvašenju, a konkavne
pri kvašenju.
Pritisak ispod zakrivljene površine
tečnosti

Kada je slobodna površina tečnosti kriva, pritisak iznad I ispod nje nije isti.

Kod konkavnih (udubljenih) površina veći je pritisak iznad, a kod konveksnih
(ispupčenih) pritisak je veći ispod površine.
Razlika pritisaka ispod i iznad slobodne površine tečnosti zove se dopunski
pritisak ili pritisak ispod zakrivljene površine:

Dopunski pritisak za sfernu
površinu
Dopunski
pritisak ispod sferne
površine tečnosti, poluprečnika R,
oredjen je formulom:
Laplasova formula
 dopunski pritisak u mehuru
Pritisak u krivim graničnim
površinama – Laplasova formula

Za proizvoljnu graničnu površinu
koja ima uzajamno normalne
poluprečnike krivina R1 i R2, kao
na slici, razlika pritisaka sa leve i
desne krive površine ( pp0, jer je
kriva ispupčena na desnu stranu)
iznosi:
Dopunski pritisak kod tečnosti u
uskoj cevi

U uskoj cevi kružnog poprečnog
preseka slobodna površina tečnosti
je deo sfere – konveksan ili
konkavan menisk

Dopunski pritisak u slučaju
kvašenja i u slučaju nekvašenja
može se predstaviti jednom istom
formulom.
tj.

Razlika pritisaka ispod i iznad
površine tečnosti u cevi
unutrašnjeg poluprečnika r
odredjena je formulom:
Primeri površinskog napona
Fotografija tekuće vode koja prijanja Mehurić balansira sile
uz ruku. Površinski napon stvara
površinskog napona sa
sloj vode između strujanje i ruke.
unutrašnjim pneumatskim
pritiskom.
Metalna spajalica
pluta
na vodi.
Površinski napon sprečava
da novčić potone: novčić je
gušći od vode, tako da ne
može plutati samo zbog
potiska.
Celi cvet leži ispod nivoa
(nerasporođene) slobodne
površine. Voda se blago
uzdiže oko ivica cveta.
Površinski napon sprečava
da voda potopi cvet.
Aluminijumski novčić
pluta na površini
vode na 10 °C. Bilo
koja dodatna težina
potopila bi novčić do
dna.