Propriedades dos líquidos. Tensão superficial

12.09.202227.05.2017

As forças atrativas entre as moléculas na superfície de um líquido impedem que elas se movam além dele.

As moléculas de um líquido experimentam forças de atração mútua - na verdade, é justamente por isso que o líquido não evapora instantaneamente. As forças atrativas de outras moléculas atuam nas moléculas dentro do líquido de todos os lados e, portanto, equilibram-se mutuamente. As moléculas na superfície de um líquido não têm vizinhos externos e a força de atração resultante é direcionada para dentro do líquido. Como resultado, toda a superfície da água tende a se contrair sob a influência dessas forças. Juntos, esse efeito leva à formação da chamada força de tensão superficial, que atua ao longo da superfície do líquido e leva à formação de uma espécie de filme invisível, fino e elástico sobre ele.

Uma consequência do efeito da tensão superficial é que, para aumentar a área superficial de um líquido — esticá-lo —, deve ser feito trabalho mecânico para superar as forças de tensão superficial. Portanto, se o líquido for deixado sozinho, ele tende a assumir uma forma na qual sua área de superfície é mínima. Essa forma, claro, é uma esfera - por isso que as gotas de chuva em vôo assumem uma forma quase esférica (digo "quase" porque as gotas ficam levemente alongadas em vôo devido à resistência do ar). Pela mesma razão, gotas de água na carroceria de um carro coberto com cera fresca se acumulam em contas.

As forças de tensão superficial são usadas na indústria - em particular, na fundição de formas esféricas, como tiros de espingarda. As gotículas de metal fundido simplesmente se solidificam em vôo quando caem de uma altura suficiente para isso, e se solidificam em bolas antes de cair em um recipiente receptor.

Existem muitos exemplos de forças de tensão superficial em ação em nossas vidas diárias. Sob a influência do vento, ondulações se formam na superfície dos oceanos, mares e lagos, e essas ondulações são ondas nas quais a força ascendente da pressão interna da água é equilibrada pela força descendente da tensão superficial. Essas duas forças se alternam e ondulações se formam na água, assim como uma onda se forma na corda de um instrumento musical devido ao alongamento e à compressão alternados.

Se o líquido se acumulará em "contas" ou se espalhará uniformemente sobre uma superfície sólida, depende da proporção das forças de interação intermolecular no líquido, causando tensão superficial e das forças de atração entre as moléculas do líquido e a superfície sólida. Na água líquida, por exemplo, as forças de tensão superficial são devidas a pontes de hidrogênio entre as moléculas ( cm. ligações químicas). A superfície do vidro é molhada pela água, pois o vidro contém um número suficientemente grande de átomos de oxigênio, e a água forma facilmente ligações de hidrogênio não apenas com outras moléculas de água, mas também com átomos de oxigênio. Se a graxa for aplicada na superfície do vidro, as ligações de hidrogênio não se formarão com a superfície e a água se acumulará em gotículas sob a influência das ligações de hidrogênio internas, que determinam a tensão superficial.

Na indústria química, agentes umectantes especiais são frequentemente adicionados à água - surfactantes, - evitando que a água se acumule em gotas em qualquer superfície. São adicionados, por exemplo, a detergentes líquidos para máquinas de lavar loiça. Entrando na camada superficial da água, as moléculas de tais reagentes enfraquecem visivelmente as forças de tensão superficial, a água não se acumula em gotas e não deixa manchas sujas na superfície após a secagem ( cm.

Nesta aula, falaremos sobre líquidos e suas propriedades. Do ponto de vista da física moderna, os líquidos são o objeto de pesquisa mais difícil, porque, em comparação com os gases, não se pode mais falar de uma energia de interação desprezível entre as moléculas e, em comparação com os sólidos, não se pode falar de um arranjo ordenado de moléculas líquidas (não há ordem de longo alcance em um líquido). Isso leva ao fato de que os líquidos têm várias propriedades interessantes e suas manifestações. Uma dessas propriedades será discutida nesta lição.

Primeiro, vamos discutir as propriedades especiais que as moléculas da camada próxima à superfície de um líquido têm em comparação com as moléculas do volume.

Arroz. 1. A diferença entre as moléculas da camada próxima à superfície e as moléculas na maior parte do líquido

Considere duas moléculas A e B. A molécula A está dentro do líquido, a molécula B está em sua superfície (Fig. 1). A molécula A é cercada por outras moléculas líquidas uniformemente, de modo que as forças que atuam na molécula A das moléculas que caem na esfera da interação intermolecular são compensadas ou sua resultante é zero.

O que acontece com a molécula B, que está localizada na superfície do líquido? Lembre-se de que a concentração de moléculas de gás que está acima do líquido é muito menor que a concentração de moléculas de líquido. A molécula B é cercada de um lado por moléculas líquidas e do outro lado por moléculas de gás altamente rarefeitas. Como muito mais moléculas agem do lado do líquido, a resultante de todas as forças intermoleculares será direcionada para dentro do líquido.

Assim, para que uma molécula saia da profundidade do líquido para a camada superficial, é necessário realizar trabalho contra forças intermoleculares descompensadas.

Lembre-se de que o trabalho é a variação da energia potencial, tomada com um sinal de menos.

Isso significa que as moléculas da camada próxima à superfície, em comparação com as moléculas dentro do líquido, têm excesso de energia potencial.

Este excesso de energia é um componente da energia interna do fluido e é chamado energia de superfície. É designada como, e é medida, como qualquer outra energia, em joules.

Obviamente, quanto maior a área de superfície do líquido, mais moléculas têm excesso de energia potencial e, portanto, maior a energia de superfície. Este fato pode ser escrito como a seguinte relação:

onde é a área da superfície, e é o fator de proporcionalidade, que chamaremos tensão superficial, este coeficiente caracteriza um ou outro líquido. Vamos escrever uma definição rigorosa dessa quantidade.

A tensão superficial de um líquido (coeficiente de tensão superficial de um líquido) é uma quantidade física que caracteriza um determinado líquido e é igual à razão entre a energia superficial e a área superficial do líquido

O coeficiente de tensão superficial é medido em newtons dividido por um metro.

Vamos discutir do que depende o coeficiente de tensão superficial de um líquido. Para começar, lembremos que o coeficiente de tensão superficial caracteriza a energia específica da interação das moléculas, o que significa que os fatores que alteram essa energia também alterarão o coeficiente de tensão superficial do líquido.

Assim, o coeficiente de tensão superficial depende de:

1. A natureza do líquido (para líquidos "voláteis", como éter, álcool e gasolina, a tensão superficial é menor que a de "não voláteis" - água, mercúrio e metais líquidos).

2. Temperatura (quanto maior a temperatura, menor a tensão superficial).

3. A presença de surfactantes que reduzem a tensão superficial (surfactantes), como sabão ou sabão em pó.

4. Propriedades de um gás adjacente a um líquido.

Observe que o coeficiente de tensão superficial não depende da área da superfície, pois para uma molécula individual próxima à superfície é absolutamente sem importância quantas das mesmas moléculas estão ao redor. Preste atenção à tabela, que mostra os coeficientes de tensão superficial de várias substâncias, a uma temperatura:

Tabela 1. Coeficientes de tensão superficial de líquidos na fronteira com o ar, em

Assim, as moléculas da camada próxima à superfície têm excesso de energia potencial em comparação com as moléculas na maior parte do líquido. No curso de mecânica, foi demonstrado que qualquer sistema tende a um mínimo de energia potencial. Por exemplo, um corpo lançado de certa altura tenderá a cair. Além disso, você se sente muito mais confortável deitado, pois neste caso o centro de massa do seu corpo fica o mais baixo possível. A que leva o desejo de reduzir sua energia potencial no caso de um líquido? Como a energia de superfície depende da área de superfície, isso significa que é energeticamente desfavorável para qualquer líquido ter uma grande área de superfície. Em outras palavras, no estado livre, o líquido tenderá a minimizar sua superfície.

Isso é fácil de verificar experimentando uma película de sabão. Se uma armação de arame for mergulhada em uma solução com sabão, uma película de sabão é formada sobre ela e a película adquire uma forma que sua área de superfície é mínima (Fig. 2).

Arroz. 2. Figuras de uma solução de sabão

Você pode verificar a existência de forças de tensão superficial usando um experimento simples. Se um fio for amarrado ao anel de arame em dois lugares, e de tal forma que o comprimento do fio seja um pouco maior que o comprimento da corda que liga os pontos de fixação do fio, e o anel de arame for mergulhado em sabão solução (Fig. 3a), o filme de sabão irá apertar toda a superfície do anel e o fio ficará sobre o filme de sabão. Se agora a película se romper de um lado da linha, a película de sabão que sobrar do outro lado da linha irá encolher e esticar a linha (Fig. 3b).

Arroz. 3. Experimento para detectar forças de tensão superficial

Por quê isso aconteceu? O fato é que a solução de sabão que fica por cima, ou seja, o líquido, tende a diminuir sua superfície. Assim, o fio é puxado para cima.

Assim, estamos convencidos da existência da força de tensão superficial. Agora vamos aprender como calculá-lo. Para fazer isso, vamos fazer um experimento mental. Vamos abaixar uma armação de arame, um dos lados do qual é móvel, na solução de sabão (Fig. 4). Vamos esticar o filme de sabão, agindo no lado móvel do quadro com força. Existem, portanto, três forças atuando na barra transversal - uma força externa e duas forças de tensão superficial atuando ao longo de cada superfície do filme. Usando a segunda lei de Newton, podemos escrever que

Arroz. 4. Cálculo da força de tensão superficial

Se, sob a ação de uma força externa, a barra se move uma distância , então esta força externa realizará um trabalho

Naturalmente, devido ao desempenho deste trabalho, a área superficial do filme aumentará, o que significa que a energia superficial também aumentará, o que podemos determinar através do coeficiente de tensão superficial:

A mudança na área, por sua vez, pode ser determinada da seguinte forma:

onde é o comprimento da parte móvel da armação de arame. Diante disso, podemos escrever que o trabalho da força externa é igual a

Igualando as partes certas em (*) e (**), obtemos uma expressão para a força de tensão superficial:

Assim, o coeficiente de tensão superficial é numericamente igual à força de tensão superficial que atua por unidade de comprimento da linha que limita a superfície

Assim, vimos mais uma vez que o líquido tende a assumir uma forma tal que sua área de superfície é mínima. Pode-se mostrar que, para um determinado volume, a área da superfície será mínima para uma esfera. Assim, se nenhuma outra força atuar sobre o fluido ou sua ação for pequena, o fluido tenderá a assumir uma forma esférica. Assim, por exemplo, a água se comportará na ausência de peso (Fig. 5) ou em bolhas de sabão (Fig. 6).

Arroz. 5. Água em gravidade zero

Arroz. 6. Bolhas de sabão

A presença de forças de tensão superficial também pode explicar por que uma agulha de metal "fica" na superfície da água (Fig. 7). A agulha, que é cuidadosamente colocada na superfície, deforma-a, aumentando assim a área desta superfície. Assim, surge uma força de tensão superficial, que tende a reduzir tal mudança de área. A força resultante da tensão superficial será direcionada para cima e compensará a força da gravidade.

Arroz. 7. Agulha na superfície da água

O princípio de funcionamento da pipeta pode ser explicado da mesma forma. A gota, sobre a qual atua a força da gravidade, é puxada para baixo, aumentando assim sua área de superfície. Naturalmente, surgem forças de tensão superficial, cuja resultante é oposta à direção da gravidade e que não permite que a gota se estique (Fig. 8). Ao pressionar a tampa de borracha da pipeta, você cria uma pressão extra que ajuda na gravidade, fazendo com que a gota caia.

Arroz. 8. Como funciona a pipeta

Tomemos outro exemplo da vida cotidiana. Se você mergulhar um pincel em um copo de água, seus pelos ficarão eriçados. Se você tirar agora esta escova da água, notará que todos os fios de cabelo estão grudados uns nos outros. Isso se deve ao fato de que a superfície da água aderida ao pincel será mínima.

E mais um exemplo. Se você deseja construir um castelo de areia seca, é improvável que tenha sucesso, pois a areia se desintegrará sob a influência da gravidade. No entanto, se você molhar a areia, ela manterá sua forma devido à tensão superficial da água entre os grãos de areia.

Finalmente, notamos que a teoria da tensão superficial ajuda a encontrar belas e simples analogias ao resolver problemas físicos mais complexos. Por exemplo, quando você precisa construir uma estrutura leve e ao mesmo tempo forte, a física do que acontece nas bolhas de sabão vem em socorro. E foi possível construir o primeiro modelo adequado do núcleo atômico comparando esse núcleo atômico a uma gota de líquido carregado.

Bibliografia

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Trabalho de casa

Tendo resolvido as tarefas desta lição, você poderá se preparar para as questões 7,8,9 do GIA e as questões A8, A9, A10 do Unified State Examination.
Gelfgat I.M., Nenashev I.Yu. "Física. Coleção de problemas nota 10 "5,34, 5,43, 5,44, 5,47 ()
Com base no problema 5.47, determine o coeficiente de tensão superficial da solução de água e sabão.

Lista de perguntas e respostas

Pergunta: Por que a tensão superficial varia com a temperatura?

Responder:À medida que a temperatura aumenta, as moléculas do líquido começam a se mover mais rapidamente e, portanto, as moléculas superam mais facilmente as forças potenciais de atração. Isso leva a uma diminuição nas forças de tensão superficial, que são forças potenciais que ligam as moléculas da camada próxima à superfície do líquido.

Pergunta: O coeficiente de tensão superficial depende da densidade do líquido?

Responder: Sim, porque a energia das moléculas da camada próxima à superfície do líquido depende da densidade do líquido.

Pergunta: Quais são as maneiras de determinar o coeficiente de tensão superficial de um líquido?

Responder: No curso escolar, são estudados dois métodos para determinar o coeficiente de tensão superficial de um líquido. O primeiro é o método de rasgo de arame, seu princípio é descrito no problema 5.44 da lição de casa, o segundo é o método de contagem de gotas, descrito no problema 5.47.

Pergunta: Por que as bolhas de sabão colapsam depois de um tempo?

Responder: O fato é que depois de um tempo, sob a ação da gravidade, a bolha fica mais espessa no fundo do que no topo e, então, sob a influência da evaporação, em algum momento colapsa. Isso leva ao fato de que toda a bolha, como um balão, colapsa sob a ação de forças de tensão superficial descompensadas.

O texto da obra é colocado sem imagens e fórmulas.
A versão completa do trabalho está disponível na aba "Arquivos do Trabalho" em formato PDF

Introdução

No mundo ao nosso redor, junto com a gravidade, a elasticidade e o atrito, existe outra força à qual geralmente não prestamos atenção. Essa força atua ao longo da tangente às superfícies de todos os líquidos. A força que atua ao longo da superfície do líquido perpendicular à linha que limita essa superfície, tende a reduzi-la ao mínimo, é chamada força de tensão superficial. É relativamente pequeno, sua ação nunca causa efeitos poderosos. No entanto, não podemos despejar água em um copo, não podemos fazer nada com nenhum líquido sem colocar em ação as forças de tensão superficial. Estamos tão acostumados a efeitos chamados de tensão superficial que não os notamos. Surpreendentemente diversas são as manifestações da tensão superficial de um líquido na natureza e na tecnologia. Eles desempenham um papel importante na natureza e em nossa vida. Sem eles, não poderíamos escrever com canetas de hélio, as impressoras de cartucho colocariam imediatamente um grande borrão, esvaziando todo o tanque. Seria impossível ensaboar as mãos - a espuma não se formaria. Uma chuva leve teria nos encharcado e o arco-íris não seria visível em nenhum clima. A tensão superficial coleta a água em gotículas e, graças à tensão superficial, uma bolha de sabão pode ser estourada. Usando a regra do professor belga Platão para que os pesquisadores sejam surpreendidos no tempo, vamos considerar experimentos inusitados no trabalho.

O objetivo do trabalho: verificar experimentalmente as manifestações da tensão superficial de um líquido, determinar o coeficiente de tensão superficial de líquidos pelo método de separação de gotas

Estude literatura científica educacional e popular, use materiais na Internet sobre o tema "Tensão superficial";

faça experimentos provando que a forma adequada de um líquido é uma bola;

realizar experimentos com diminuição e aumento da tensão superficial;

projetar e montar uma instalação experimental para determinar o coeficiente de tensão superficial de alguns líquidos pelo método de separação de gotas.

processar os dados recebidos e tirar uma conclusão.

Objeto de estudo: líquidos.

Parte principal. Tensão superficial

Fig 1. G. Galileu

Numerosas observações e experimentos mostram que um líquido pode assumir uma forma na qual sua superfície livre tenha a menor área. Em sua tendência a encolher, o filme de superfície esféricaria o líquido se não fosse a atração pela Terra. Quanto menor a queda, maior o papel desempenhado pelas forças de tensão superficial. Portanto, pequenas gotas de orvalho nas folhas das árvores, na grama, têm a forma de uma bola, em queda livre, as gotas de chuva são quase estritamente esféricas. A tendência do líquido de encolher ao mínimo possível pode ser observada em muitos fenômenos que parecem surpreendentes. Até Galileu pensou na questão: por que as gotas de orvalho que ele viu pela manhã nas folhas do repolho assumem uma forma esférica? A afirmação de que um líquido não tem forma própria acaba não sendo totalmente precisa. A forma adequada de um líquido é uma esfera, como a forma mais espaçosa. As moléculas de uma substância em estado líquido estão localizadas quase próximas umas das outras. Ao contrário dos corpos cristalinos sólidos, nos quais as moléculas formam estruturas ordenadas ao longo do volume do cristal e podem realizar vibrações térmicas em torno de centros fixos, as moléculas líquidas têm maior liberdade. Cada molécula de um líquido, assim como em um corpo sólido, é “presa” por todos os lados por moléculas vizinhas e realiza vibrações térmicas em torno de uma determinada posição de equilíbrio. No entanto, de tempos em tempos, qualquer molécula pode se mover para uma vacância adjacente. Esses saltos em líquidos ocorrem com bastante frequência; portanto, as moléculas não estão presas a determinados centros, como nos cristais, e podem se mover por todo o volume do líquido. Isso explica a fluidez dos líquidos. Devido à forte interação entre moléculas próximas, elas podem formar grupos ordenados locais (instáveis) contendo várias moléculas. 1

Figura 2. Um exemplo da ordem de curto alcance das moléculas de um líquido e da ordem de longo alcance das moléculas de uma substância cristalina: 1 - água; 2 - gelo

E como explicar a contração espontânea da superfície de um líquido? Moléculas na superfície e nas profundezas do líquido estão em condições diferentes. Cada molécula dentro do líquido é afetada por forças atrativas de moléculas vizinhas que a cercam por todos os lados. A resultante dessas forças é zero. Acima da superfície do líquido existe vapor, cuja densidade é muitas vezes menor que a densidade do líquido, e a interação das moléculas de vapor com as moléculas do líquido pode ser negligenciada. As moléculas que estão na superfície do líquido são atraídas apenas pelas moléculas que estão dentro do líquido. Sob a influência dessas forças, as moléculas da camada superficial são atraídas para dentro, o número de moléculas na superfície diminui e a área da superfície diminui. Mas nem todas as moléculas podem ir da superfície para o líquido, isso é impedido pelas forças repulsivas que surgem quando as distâncias entre as moléculas diminuem. A certas distâncias entre as moléculas atraídas para dentro e as moléculas sob a superfície, as forças de interação tornam-se iguais a zero e o processo de contração da superfície para. O número de moléculas restantes na superfície é tal que sua área é mínima para um determinado volume de líquido. Como o líquido é fluido, ele assume uma forma em que o número de moléculas na superfície é mínimo, e a bola tem a superfície mínima para um determinado volume, ou seja, uma gota de líquido assume uma forma quase esférica. captar a natureza das forças de tensão superficial é observar a formação de uma gota. Observe atentamente como a gota cresce gradativamente, forma-se um estreitamento - um pescoço - e a gota sai. Não é preciso muita imaginação para imaginar que a água está, por assim dizer, encerrada em uma bolsa elástica, e essa bolsa se rompe quando o peso excede sua resistência. Na realidade, é claro, não há nada além de água na gota, mas a própria camada superficial da água se comporta como um filme elástico esticado. A película de uma bolha de sabão causa a mesma impressão.

Experiência #1

O atrito de um líquido a um mínimo de energia potencial pode ser observado usando bolhas de sabão. O filme de sabão é uma camada superficial dupla. Se você soprar uma bolha de sabão e parar de inflar, ela começará a diminuir de volume, espremendo uma corrente de ar.

Tensão superficial - o fenômeno da pressão molecular em um líquido, causado pela atração das moléculas da camada superficial às moléculas dentro do líquido 5

Experiência do Planalto (1849)

Arroz. 4. J. Planalto

O mosquito que levou o professor belga a experimentar foi o acaso. Ele acidentalmente derramou uma pequena quantidade de óleo em uma mistura de álcool e água, e ela tomou a forma de uma bola. Refletindo sobre esse fato, Platão delineou uma série de experimentos, que posteriormente foram brilhantemente realizados por seus amigos e alunos. Em seu diário, ele escreveu uma regra para os pesquisadores: "Surpreenda-se a tempo". Resolvi explorar o experimento Plateau, mas em uma versão diferente: usar óleo de girassol e água de manganês tingida no experimento.

Um experimento provando que um líquido homogêneo assume uma forma com uma superfície livre mínima

Opção de experiência de platô nº 2

1) Despeje o óleo de girassol em um béquer.

2) Com um conta-gotas, uma gota de água de manganês tingida com um diâmetro de aproximadamente 5 mm foi colocada em óleo de girassol.

) Foram observadas bolas d'água de diferentes tamanhos, caindo lentamente para o fundo e tomando forma oval achatada (Foto 2).

5) Observe como a gota toma a forma correta da bola (Foto 2).

Conclusão: O líquido, ao atrair as moléculas da camada superficial, comprime-se. A forma oval achatada é explicada pelo fato de que o peso de uma gota que não se mistura com o óleo é maior que a força de empuxo. A forma correta da bola é explicada pelo fato de a gota flutuar dentro do óleo: o peso da gota é equilibrado pela força de empuxo.

Em queda livre, em estado de leveza, as gotas de chuva têm praticamente a forma de uma bola. Em uma espaçonave, uma massa razoavelmente grande de fluido também assume uma forma esférica.

Coeficiente de tensão superficial

Na ausência de uma força externa, uma força de tensão superficial atua ao longo da superfície do líquido, o que reduz ao mínimo a área superficial do filme. Força de tensão superficial - uma força dirigida tangencialmente à superfície do líquido, perpendicular à seção do contorno que limita a superfície, na direção de sua contração.

Ơ - coeficiente de tensão superficial - esta é a razão do módulo F da força de tensão superficial que atua no limite da camada superficial ℓ para este comprimento é um valor constante, independente do comprimento ℓ. O coeficiente de tensão superficial depende da natureza dos meios adjacentes e da temperatura. É expresso em newtons por metro (N/m).

Experimentos com diminuir e aumentar

Foto 3

tensão superficial

Experiência #3

Toque o centro da superfície da água com uma barra de sabão.

Os pedaços de espuma começam a se mover do centro para as bordas do vaso (Foto 3).

Pingaram gasolina, álcool, detergente no centro da embarcação Fada.

Conclusão: A tensão superficial dessas substâncias é menor que a da água.

Essas substâncias são usadas para remover sujeira, manchas gordurosas, fuligem, ou seja, substâncias insolúveis em água Devido à elevada tensão superficial, a água não tem um efeito de limpeza muito bom por si só. Por exemplo, ao entrar em contato com uma mancha, as moléculas de água são atraídas umas pelas outras mais do que pelas partículas de sujeira insolúvel.Os sabões e detergentes sintéticos (SMC) contêm substâncias que reduzem a tensão superficial da água. O primeiro sabão, o detergente mais simples, foi feito no Oriente Médio há mais de 5.000 anos. No início, era usado principalmente para lavar e tratar úlceras e feridas. E apenas no século I dC. o homem começou a se lavar com sabão.

No início do século I, nasceu o sabão.

Um homem foi salvo da sujeira e ficou limpo desde muito jovem.

Falo do sabonete que logo deu à luz: xampu, gel, pó.

O mundo ficou limpo, que bom!

Figura 5. F. Günther

Os detergentes são substâncias naturais e sintéticas com efeito de limpeza, nomeadamente sabões e sabões em pó, utilizados na vida quotidiana, na indústria e no setor dos serviços. O sabão é obtido como resultado da interação química de gordura e álcali. Muito provavelmente, foi descoberto por puro acaso, quando a carne foi assada no fogo e a gordura escorreu para as cinzas, que têm propriedades alcalinas. A produção de sabão tem uma longa história, mas o primeiro detergente sintético (SMC) apareceu em 1916, foi inventado por um químico alemão Fritz Günther para fins industriais. SMS domésticos, mais ou menos inofensivos para as mãos, começaram a ser produzidos em 1933. Desde então, vários detergentes sintéticos (SMC) foram desenvolvidos para fins restritos e sua produção tornou-se um ramo importante da indústria química.

É por causa da tensão superficial que a água não tem um efeito de limpeza suficiente por si só. Ao entrar em contato com a mancha, as moléculas de água se atraem ao invés de prenderem as partículas de sujeira, ou seja, não molham a sujeira.

Sabões e detergentes sintéticos contêm substâncias que aumentam as propriedades umectantes da água, reduzindo a tensão superficial. Essas substâncias são chamadas de agentes ativos de superfície (surfactantes) porque agem na superfície do líquido.

Agora, a produção de SMS tornou-se um ramo importante da indústria química. Essas substâncias são chamadas surfactante(surfactantes), pois atuam na superfície do líquido. As moléculas de surfactante podem ser representadas como girinos. Com a cabeça, eles "se agarram" à água e com as "caudas" à gordura. Quando os surfactantes são misturados com água, suas moléculas na superfície são viradas "cabeças" para baixo e "caudas" para fora. Ao esmagar a superfície da água dessa maneira, essas moléculas reduzem bastante o efeito da tensão superficial, ajudando assim a água a penetrar no tecido. Com as mesmas "caudas" de moléculas de surfactante (Fig. 6), eles capturam moléculas de gordura que se deparam com eles. 2

Experiência nº 4

1. Despeje o leite em um pires de forma que cubra o fundo (Foto 4)

2. Pingar 2 gotas de verde brilhante na superfície do leite

3. Observamos como o verde brilhante foi “levado” do centro para as bordas. Duas gotas de verde brilhante cobrem a maior parte da superfície do leite! (Foto 5)

Conclusão: a tensão superficial do verde brilhante é muito menor que a do leite.

4. O líquido de lavar louça das fadas foi jogado na superfície do verde brilhante, vimos como esse líquido se espalhou por toda a superfície (Foto 6)

Conclusão: a tensão superficial do detergente é menor do que o verde brilhante.

Experiência nº 5

A água foi derramada em um grande recipiente de vidro.

Pedaços de isopor foram jogados na superfície.

Tocou o centro da superfície da água com um pedaço de açúcar.

Gavinhas de isopor começam a se mover das bordas do vaso para o centro (Foto 7).

Conclusão: A tensão superficial de uma solução aquosa de açúcar é maior do que a da água pura.

Experiência nº 6

Remoção de manchas gordurosas da superfície do tecido

Umedecemos um algodão com gasolina e umedecemos as bordas da mancha (e não a própria mancha) com esse algodão. A gasolina reduz a tensão superficial, então a gordura é coletada no centro da mancha e de lá pode ser removida, se o mesmo algodão for umedecido, a própria mancha pode aumentar de tamanho devido à diminuição da tensão superficial.

Para determinar experimentalmente o valor da tensão superficial de um líquido, pode-se utilizar o processo de formação e desprendimento de gotas que escoam de um conta-gotas.

Breve teoria do método de separação de gotículas

Um pequeno volume de líquido em si assume uma forma próxima a uma esfera, pois devido à pequena massa do líquido, a força da gravidade que atua sobre ele também é pequena. Isso explica a forma esférica de pequenas gotas de líquido. A Figura 1 mostra fotografias mostrando vários estágios do processo de formação e desprendimento da gota. A foto foi tirada com filmagem de alta velocidade, a gota cresce lentamente, podemos supor que a cada momento ela está em equilíbrio. A tensão superficial faz com que a superfície da gota encolha, ela tende a dar à gota uma forma esférica. A gravidade força o centro de gravidade da queda o mais baixo possível. Como resultado, a gota é alongada (Fig. 7a).

Arroz. 7. a B C D

O processo de formação e desprendimento de gotas

Quanto maior a queda, maior o papel desempenhado pela energia potencial da gravidade. À medida que a gota cresce, a massa principal é recolhida no fundo e um pescoço é formado perto da gota (Fig. 7b). A força de tensão superficial é direcionada verticalmente tangencialmente ao pescoço e equilibra a força da gravidade atuando na gota. Agora basta que uma queda aumente bastante e as forças de tensão superficial não equilibram mais a força da gravidade. O gargalo da gota se estreita rapidamente (Fig. 7c) e, como resultado, a gota se quebra (Fig. 7d).

O método para medir o coeficiente de tensão superficial de alguns líquidos é baseado na pesagem de gotas. No caso de um fluxo lento de líquido de um pequeno orifício, o tamanho das gotas formadas depende da densidade do líquido, do coeficiente de tensão superficial, do tamanho e forma do orifício e também da velocidade de saída. . Com uma saída lenta do líquido molhante de um tubo cilíndrico vertical, a gota resultante tem a forma mostrada na Figura 8. O raio r do gargalo da gota está relacionado ao raio externo do tubo R pela relação r = kR (1 )

onde k é um coeficiente que depende das dimensões do tubo e da vazão.

No momento da separação, o peso da gota deve ser igual à resultante das forças de tensão superficial atuando ao longo de um comprimento igual ao comprimento do contorno do pescoço em sua parte mais estreita. Assim, pode-se escrever

Mg = 2πrơ (2)

Substituindo o raio do pescoço r da igualdade (1) e resolvendo-o, obtemos

Ơ=mg/2πkR (3)

Para determinar a massa de uma gota, um número n de gotas é pesado em um béquer de peso conhecido. Se a massa do copo sem gotas e com gotas for M 0 e M, respectivamente, então a massa de uma gota

Substituindo a última expressão na fórmula (3) e introduzindo seu diâmetro d em vez do raio do tubo, obtemos a fórmula de cálculo

ơ = ((M-M0)g)/πkdn 3 (4)

Trabalho de investigação "Determinação do coeficiente de tensão superficial de alguns líquidos pelo método de separação de gotas"

Propósito do estudo: determinar o coeficiente de tensão superficial de um líquido pelo método de desprendimento de gotas de alguns líquidos. Dispositivos: instalação para medir o coeficiente de tensão superficial, balança, peso, copo, paquímetro, cronômetro. materiais: detergentes: "Fairy", "Aos", leite, álcool, gasolina, soluções em pó: "Myth", "Persil", champôs frutas, « pantene», "Schauma" E " frutis», gel de banho Sensen», "Montpensier" E " Descobrir».

Descrição do dispositivo.

Para determinar o coeficiente de tensão superficial, foi montado um conjunto, constituído por um tripé, sobre o qual foi instalada uma bureta com o líquido em estudo. Na ponta da bureta foi fixado um tip-tube, no final do qual se forma uma gota. As gotas foram pesadas em um béquer especial.

Progresso da pesquisa

Usando um paquímetro, o diâmetro do tubo de ponta foi medido três vezes e o valor médio de d foi calculado.

Um copo limpo e seco (M 0) foi pesado em uma balança.

Com a ajuda de uma torneira de bureta, atingimos a velocidade de gotejamento

15 gotas por minuto.

60 gotas de líquido foram derramadas da bureta em um copo, contando exatamente o número de gotas derramadas.

Pesava um copo de líquido. (M)

Substituiu os valores obtidos na fórmula ơ = ((M-M0)g)/πkdn

Calcule o coeficiente de tensão superficial.

tentei três vezes

Calcule o valor médio do coeficiente de tensão superficial.

O coeficiente de tensão superficial no sistema SI é medido em N/m.

Tabela 1

Os resultados da determinação do coeficiente de tensão superficial (N/m)

Líquido	Coeficiente de tensão superficial
Líquido	medido	Tabular
Etanol

Leite (2,5)
Leite (caseiro de vaca)
Solução em pó "Mito"
Solução em pó "Persil"
Detergente "Fada"
Detergente "Aos"

Conclusão: Dos detergentes de cozinha estudados, com todos os outros parâmetros idênticos que afetam a qualidade da "lavagem", é melhor usar o " Fada". Dos pós de lavagem estudados " Mito", porque são suas soluções que têm a menor tensão superficial. Portanto, o primeiro significa (" Fada”) ajuda a lavar melhor as gorduras insolúveis em água da louça, sendo um emulsificante - uma ferramenta que facilita a produção de emulsões (suspensões de minúsculas partículas de uma substância líquida em água). O segundo (" Mito”) lava melhor as roupas, penetrando nos poros entre as fibras dos tecidos. Observe que, ao usar detergentes de cozinha, forçamos a substância (em particular a gordura) a se dissolver na água pelo menos por um tempo, porque. ele se decompõe em minúsculas partículas. Durante este tempo, recomenda-se lavar o detergente aplicado com um jato de água limpa e não enxaguar a louça depois de um tempo no recipiente. Além disso, foi estudada a tensão superficial de xampus e géis de banho. Devido à viscosidade bastante alta desses líquidos, é difícil determinar com precisão seu coeficiente de tensão superficial, mas pode ser comparado. Os shampoos foram testados (arrancando gotas) pantene», "Schauma" E " frutis» bem como gel de banho Sensen», "Montpensier" E " Descobrir».

Conclusão:

A tensão superficial diminui em xampus seguidos frutas - "Schauma" - "Pantené" em géis - seguidos "Montpensier" - Descobrir - "Sentidos".

A tensão superficial dos xampus é menor que a tensão superficial dos géis (por exemplo, " pantene» < «sentidos» em 65 mN / m), o que justifica sua finalidade: xampus - para lavar o cabelo, géis - para lavar o corpo.

Com todas as outras características idênticas que afetam a qualidade da lavagem, é melhor usar os shampoos estudados "Pantene" (Fig. 9), dos géis de banho estudados - "Sentidos" (Fig.10).

O método tear-off, embora não muito preciso, é utilizado na prática médica. Este método determina para fins de diagnóstico a tensão superficial do líquido cefalorraquidiano, bile, etc.

Conclusão

1. A confirmação experimental das conclusões teóricas foi obtida , provando que um líquido homogêneo assume uma forma com uma superfície livre mínima

2. Foram realizados experimentos com diminuição e aumento da tensão superficial, cujos resultados comprovaram que o sabão e os detergentes sintéticos contêm substâncias que aumentam as propriedades umectantes da água, reduzindo a força de tensão superficial.

3. Determinar o coeficiente de tensão superficial de líquidos

a) foi estudada uma breve teoria do método de separação por gotas;

b) uma configuração experimental foi projetada e montada;

c) os valores médios do coeficiente de tensão superficial de vários líquidos são calculados, as conclusões são tiradas.

4. Os resultados das experiências e pesquisas são apresentados em forma de tabela e fotografias.

Trabalhar no projeto me permitiu adquirir um conhecimento mais amplo da seção de física "Tensão superficial".

Gostaria de encerrar meu projeto com as palavras do grande cientista físico

A. Einstein:

“Basta-me experimentar o sentimento do mistério eterno da vida, perceber e compreender intuitivamente a maravilhosa estrutura de tudo o que existe e lutar ativamente para agarrar até o menor grão de razão que se manifesta na Natureza”

Lista de fontes e literatura usadas

http://www.physics.ru/

http://greenfuture.ru/

http://www.agym.spbu.ru/

Bukhovtsev B.B., Klimontovich Yu.L., Myakishev G.Ya., Física, livro didático para a 9ª série do ensino médio - 4ª edição - M .: Educação, 1988 - 271 p.

Kasyanov V.A., Física, 10ª série, livro didático para instituições de ensino geral, M .: Bustard, 2001. - 410 p.

Pinsky A.A. Física: livro didático. Um manual para 10 aulas com estudo aprofundado da física. M.: Iluminismo, 1993. - 416 p.

Yufanova I.L. Tardes divertidas de física no ensino médio: um livro para o professor. - M.: Iluminismo, 1990. -215s

Chuyanov V.Ya., Dicionário Enciclopédico de um Jovem Físico, M.: Pedagogia, 1984. - 350 seg.

1 1 http://www.physics.ru/

2 http://greenfuture.ru

Tensão superficial, o desejo de uma substância (fase líquida ou sólida) de reduzir o excesso de sua energia potencial na interface com outra fase (energia de superfície). É definido como o trabalho gasto na criação de uma unidade de área da interface de fase (a dimensão de J / m 2). De acordo com outra definição, tensão superficial- força relativa ao comprimento unitário do contorno que limita a superfície de separação de fases (dimensão N/m); esta força atua tangencialmente à superfície e impede seu aumento espontâneo.

Tensão superficial- a principal característica termodinâmica da camada superficial de um líquido no limite com a fase gasosa ou outro líquido. Tensão superficial de vários líquidos no limite com seu próprio vapor varia amplamente: de unidades para gases liquefeitos de baixo ponto de ebulição a vários milhares de mN/m para substâncias refratárias fundidas. Tensão superficial dependente da temperatura. Para muitos líquidos não associados de um componente (água, sais fundidos, metais líquidos), longe da temperatura crítica, a dependência linear é bem satisfeita:

onde s e s 0 - tensão superficial em temperaturas T E T 0 respectivamente, α≈0,1 mN/(m K) - coeficiente de temperatura tensão superficial. A principal forma de regulação tensão superficialé o uso de substâncias tensoativas (surfactantes).

Tensão superficial entra em muitas equações da física, química física e coloidal, eletroquímica.

Ele define as seguintes quantidades:

1. pressão capilar, onde r 1 e r 2 - os principais raios de curvatura da superfície e a pressão do vapor saturado r r sobre uma superfície líquida curva: , onde r- raio de curvatura da superfície, Ré a constante do gás, V né o volume molar do líquido, p 0 - pressão sobre uma superfície plana (Leis de Laplace e Kelvin, veja Fenômenos capilares).

2. Ângulo de molhagem θ em contato de um líquido com uma superfície sólida: cos , onde é a energia específica de superfície livre de um sólido na interface com gás e líquido, - tensão superficial líquidos (lei de Young, ver Molhabilidade).

3. Adsorção do surfactante onde μ é o potencial químico da substância adsorvida (equação de Gibbs, ver Adsorção). Para soluções diluídas onde Com- concentração molar de surfactantes.

4. O estado da camada de adsorção do surfactante na superfície do líquido: (p s + a/A2)·( A- b)=k T, onde p s\u003d (s 0 -s) - pressão bidimensional, s 0 e s - respectivamente tensão superficial líquido puro e o mesmo líquido na presença de uma camada de adsorção, A- constante (análoga à constante de van der Waals), Aé a área da camada superficial por uma molécula adsorvida, bé a área ocupada por 1 molécula de líquido, k- Constante de Boltzmann (equação de Frumkin-Volmer, ver atividade de superfície).

5. Efeito eletrocapilar:- d s/ d f \u003d r s, onde r s é a densidade de carga da superfície, f é o potencial do eletrodo (equação de Lipman, consulte Fenômenos eletrocapilares).

6. O trabalho de formação de um núcleo crítico de uma nova fase Banheiro. Por exemplo, durante a condensação homogênea de vapor à pressão , onde p 0 - pressão de vapor acima da superfície plana do líquido (equação de Gibbs, ver Geração de nova fase).

7. O comprimento l das ondas capilares na superfície do líquido: , onde ρ é a densidade do líquido, τ é o período de oscilação, g- aceleração da gravidade.

8. Elasticidade de filmes líquidos com camada de surfactante: módulo de elasticidade, onde s- área do filme (equação de Gibbs, ver filmes finos).

Tensão superficial medido para muitas substâncias puras e misturas (soluções, fusões) em uma ampla gama de temperaturas e composições. Porque o tensão superficial muito sensível à presença de impurezas, as medições por diferentes métodos nem sempre dão os mesmos valores.

Os principais métodos de medição são os seguintes:

1. ascensão de líquidos umectantes nos capilares. Altura de elevação, onde é a diferença entre as densidades do líquido e do gás deslocado, ρ é o raio do capilar. Precisão de definição tensão superficial aumenta com a razão decrescente ρ/α (α é a constante capilar do líquido).

2. Medição da pressão máxima na bolha de gás (método Rehbinder); o cálculo é baseado na equação de Laplace. Quando uma bolha é espremida em um líquido através de um capilar calibrado com raio r, antes do momento da separação, a pressão p m = 2σ/r

3. Método de pesagem de queda (estalagmometria): (equação de Tate), onde G- peso total n gotas destacadas pela ação da gravidade do corte de um tubo capilar de raio r. Para melhorar a precisão, o lado direito é multiplicado por um fator de correção que depende de r e do volume da gota.

4. Método de balanceamento de placas (método de Wilhelmy). Ao imergir uma placa com um perímetro de seção eu no líquido molhante o peso da placa, onde G 0 - peso da placa seca.

5. Método de arrancar o anel (método Du Nuy). Para arrancar um anel de arame com um raio R força é necessária a partir da superfície do líquido

6. Método de queda sentado. O perfil de uma gota em um substrato não molhável é determinado a partir da condição de que a soma das pressões hidrostática e capilar seja constante. A equação diferencial do perfil de gota é resolvida por integração numérica (método de Bashfort-Adams). Ao medir os parâmetros geométricos do perfil de queda usando as tabelas apropriadas, eles encontram tensão superficial.

7. Método de gota rotativa. Uma gota de líquido com densidade r 1 é colocada em um tubo com um líquido mais pesado (densidade r 2). Quando o tubo gira com uma velocidade angular ω, a gota é alongada ao longo do eixo, tomando aproximadamente a forma de um cilindro de raio r. Equação de cálculo: . O método é usado para medir pequenas tensão superficial na interface entre dois líquidos.

Tensão superficialé um fator determinante em muitos processos tecnológicos: flotação, impregnação de materiais porosos, revestimento, ação de lavagem, metalurgia do pó, soldagem, etc. tensão superficial em processos que ocorrem na ausência de peso.

conceito tensão superficial foi introduzido pela primeira vez por J. Segner (1752). Na primeira metade do século XIX. baseado na ideia de tensão superficial a teoria matemática dos fenômenos capilares foi desenvolvida (P. Laplace, S. Poisson, K. Gauss, A.Yu. Davidov). Na segunda metade do século XIX. J. Gibbs desenvolveu a teoria termodinâmica dos fenômenos de superfície, na qual o papel decisivo é desempenhado por tensão superficial. No século XX. métodos de regulação estão sendo desenvolvidos tensão superficial com a ajuda de surfactantes e efeitos eletrocapilares (I. Langmuir, P.A. Rebinder, A.H. Frumkin). Entre os problemas atuais modernos está o desenvolvimento da teoria molecular tensão superficial vários líquidos (incluindo metais fundidos), o efeito da curvatura da superfície tensão superficial.