Поверхностное натяжение жидкостей в интервале 0—60 °С

Поверхностное натяжение основная характеристика процессов, связанных с участием поверхностей или границ раздела. Поверхностное натяжение определяет свободную энергию (работу), которую необходимо затратить, чтобы образовать единицу площади поверхности раздела.

Наличие поверхностного натяжния обусловлено тем, что атомы на поверхности жидкости или кристалла обладают большей потенциальной энергией, чем атомы или ионы внутри их, поэтому поверхностную энергию обычно рассматривают как избыток энергии, приходящейся на единицу площади. В табл. 1 приведены значения поверхностного натяжения для некоторых металлов при температурах, близких к температуре их плавления.

Табл. 1. Поверхностное натяжение жидких металлов [Вертман А. А., Самарин А. М. Строение и свойства жидких металлов. М.: изд-во АН СССР. 1960. 350 с.]

Влияние поверхностного натяжения на кристаллизацию

Распределение примесей на гранях кристалла в процессе затвердевания оказывает существенное влияние на кристаллическую структуру и свойства слитков. Растущий кристалл промышленных сплавов всегда окружен тонким поверхностным слоем примесей.

Рост кристалла, покрытого этим слоем, может происходить только у вершин и выступов его ветвей, где режим питания чистой жидкостью более благоприятен.

Адсорбируемые примеси таким образом значительно влияют на форму кристаллов, поэтому, считают, что дендритная форма роста вызывается влиянием блокирующего слоя, нарушающего нормальное питание. Адсорбционная природа  образования дендритов доказана экспериментально.

Вообще процесс кристаллизации обычно связывают с двумя параметрами: переохлаждением и межфазным натяжением на границе твердый кристалл — расплав.

Для оценки величины возможного переохлаждения можно принять, что вся выделяющаяся теплота кристаллизации идет на повышение температуры уже образовавшегося кристалла от Т1 до Т2, тогда элементарный баланс тепла при этом имеет вид

M∙L = m∙с∙(T2 — T1)                                                                (1)
где  M — количество молей вещества, моль;
       m — масса кристалла, кг;
       С — удельная теплоемкость твердой фазы, Дж/(кг∙К);
       Т1 — температура переохлажденного расплава, К;
       Т2 — температура разогретого кристалла, К;
       L — теплота кристаллизации, Дж/моль.

Переохлаждение dT в этом случае примет вид

dТ = Т0  — Т1 где T0 — температура равновесной кристаллизации.

При Т2 = Т0 возникает возможность образования стабильного кристаллического зародыша. При подстановке в уравнение (1) T2 = T0 получим:

M∙L = m∙c∙(T0 — T1)

или

dT = L/(c∙Mr)                                                                         (2)
где Mr — молярная масса, г/моль.

Теперь для получения значений максимального переохлаждения достаточно подставить в выражение (1) табличные значения теплоты кристаллизации L и теплоемкости при постоянном давлении для твердой фазы при температуре плавления (2).

Влияние состава на поверхностное натяжение

Одним из существенных факторов, определяющих значение поверхностного натяжения является состав металла.

Для расчета поверхностного натяжения стали может быть использована предложенная Попелем [Попель С.И. Теория металлургических процессов. М.: ВИНИТИ. 1971. 132 с.] формула:

σ = σFe — 2000·lgΣFi·xi                                                          (3)
где σFe — поверхностное натяжение чистого железа, Дж/м2;
       xi — атомная доля i-го компонента в сплаве;
       ni — число молей i-го компонента;
       Fi — параметр, характеризующий капиллярную активность легирующей добавки.

При 1600 °С значения Fi, для большинства легирующих добавок приведены в табл. 2. Для других температур значение F следует определять из выражения (4):

FiT = (Fi1873)(1873/T)                                                            (4)

Табл. 2. Значение параметров капиллярной активности различных элементов

* собственные данные.

Пример расчета поверхностного натяжения стали 35ХН3МФА (при Т = 1873 К) приведен в таблице ниже.

Табл. 3. Расчет поверхностного натяжения капли стали марки 35ХНЗМФА

Используя данные таблицы получаем, что поверхностное натяжение для стали 35ХН3МФА в соответствии с выражением (3) составит σ = 1850 — 2000·lg(1,316) =  1611 мДж/м2 (изменение поверхностного натяжения чистого железа при снижении температуры с 1600 до 1550 °С не было учтено).

Поверхностное натяжение воды

Поверхностное натяжение воды – одно из самых интересных свойств воды.

Приведем несколько определений этого термина из компетентных источников.

Поверхностное натяжение, это …

Поверхностное натяжение (П. н.) — это сила притяжения, с которой каждый участок поверхностной пленки (свободной поверхности жидкости или же любой поверхности раздела двух фаз) действует на смежные части поверхности. Внутреннее давление и П. н. Поверхностный слой жидкости ведет себя, как эластическая растянутая мембрана. Согласно представлению, развитому гл. обр.

Лапласом (Laplace), это свойство жидких поверхностей зависит от «молекулярных сил притяжения, быстро убывающих с расстоянием. Внутри однородной жидкости силы, действующие на каждую молекулу со стороны молекул, ее окружающих, взаимно уравновешиваются.

Но вблизи поверхности равнодействующая сил молекулярного притяжения направлена внутрь; она стремится втянуть поверхностные молекулы в толщу жидкости. Вследствие этого весь поверхностный слой подобно упругой растянутой пленке оказывает на внутреннюю массу жидкости в направлении, нормальном к поверхности, весьма значительное давление.

По подсчетам это «внутреннее давление», под которым находится вся масса жидкости, достигает нескольких тысяч атмосфер. Оно возрастает на выпуклой поверхности и убывает на вогнутой. В силу стремления свободной энергии к минимуму всякая жидкость стремится принять форму, при к-рой ее поверхность — место действия поверхностных сил — имеет наименьшую возможную величину.

Чем больше поверхность жидкости, тем большую площадь занимает ее поверхностная пленка, тем значительнее запас свободной поверхностной энергии, освобождающейся при ее сокращении. Натяжение, с которым каждый участок сокращающейся поверхностной пленки действует на смежные части (в направлении, параллельном свободной поверхности), называется П. н.

В отличие от эластического напряжения упругого растянутого тела, П. н. не ослабевает по мере сжатия поверхностной пленки. … Поверхностное натяжение равняется работе, которую нужно совершить, чтобы увеличить свободную поверхность жидкости на единицу. П. н. наблюдается на границе жидкости с газом (также и с собственным паром), с другой несмешивающейся жидкостью или же с твердым телом.

Точно так же и твердое тело имеет П. н. на границе с газами и жидкостями. В отличие от П. н.

, к-рое жидкость (или твердое тело) имеет на своей свободной поверхности, граничащей с газообразной средой, натяжение на внутренней границе двух жидких (или жидкой и твердой) фаз удобно обозначить специальным термином—принятым в немецкой литературе, термином «пограничное натяжение» (Grenzflachenspannung). Если в жидкости растворено вещество, понижающее ее П. н., то свободная энергия уменьшается не только путём уменьшения величины пограничной поверхности, но и посредством адсорпции: поверхностно активное (или капилярноактивное) вещество собирается в повышенной концентрации в поверхностном слое …
…

Большая медицинская энциклопедия. 1970

Подытожить все вышесказанное можно таким образом – молекулы, которые находятся на поверхности какой либо жидкости, в том числе и воды, притягиваются остальными молекулами внутрь жидкости, вследствие чего и возникает поверхностное натяжение. Подчеркнем, что это упрощенное понимание этого свойства.

Для лучшего понимания этого свойства приведем несколько проявлений поверхностного натяжения воды в реальной жизни:

• Когда мы видим как вода с кончика крана капает а не льётся — это поверхностное натяжение воды;
• Когда капля дождя в полете принимает округлую слегка вытянутую форму — это поверхностное натяжение воды;
• Когда вода на водонепроницаемой поверхности принимает шарообразную форму — это поверхностное натяжение воды;
• Рябь, возникающая при дуновении ветра на поверхности водоемов, так же является проявлением поверхностного натяжения воды;
• Вода в космосе принимает шарообразную форму благодаря поверхностному натяжению;
• Насекомое водомерка держится на поверхности воды благодаря именно этому свойству воды;
• Если на поверхность воды аккуратно положить иглу, она будет плавать;
• Если в стакан поочерёдно налить жидкости разной плотности и цвета, мы увидим , что они не смешиваются;
• Радужные мыльные пузыри, так же являются прекрасным проявление поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения

Коэффициент поверхностного натяжения — линейная плотность силы поверхностного натяжения на поверхности жидкости или на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей.

Политехнический терминологический толковый словарь. Составление: В. Бутаков, И. Фаградянц. 2014

Ниже мы приведем значения коэффициента поверхностного натяжения (К. п. н.) для различных жидкостей при температуре 20°C:

• К. п. н. ацетона — 0.0233 Ньютон / Метр;
• К. п. н. бензола — 0.0289 Ньютон / Метр;
• К. п. н. воды дистиллированной — 0.0727 Ньютон / Метр;
• К. п. н. глицерина — 0.0657 Ньютон / Метр;
• К. п. н. керосина — 0.0289 Ньютон / Метр;
• К. п. н. ртути — 0.4650 Ньютон / Метр;
• К. п. н. этилового спирта — 0.0223 Ньютон / Метр;
• К. п. н. эфира — 0.0171 Ньютон / Метр.

Коэффициент поверхностного натяжения воды

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры жидкости. Приведем его значения при различных температурах воды.

• При температуре 0°C  — 75,64 σ, 10–3 Ньютон / Метр;
• При температуре  10°C — 74,22 σ, 10–3 Ньютон / Метр;
• При температуре  20°C — 72,25 σ, 10–3 Ньютон / Метр;
• При температуре  30°C — 71,18 σ, 10–3 Ньютон / Метр;
• При температуре 40°C — 69,56 σ, 10–3 Ньютон / Метр;
• При температуре 50°C — 67,91 σ, 10–3 Ньютон / Метр;
• При температуре  60°C — 66,18 σ, 10–3 Ньютон / Метр;
• При температуре 70°C — 64,42 σ, 10–3 Ньютон / Метр;
• При температуре 80°C — 62,61 σ, 10–3 Ньютон / Метр;
• При температуре 90°C — 60,75 σ, 10–3 Ньютон / Метр;
• При температуре 100°C — 58,85 σ, 10–3 Ньютон / Метр.

ДАТА СОЗДАНИЯ ПУБЛИКАЦИИ: Мар 13, 2016 18:49 Waterman
11.09.2014

Поверхностное натяжение жидкости, воды и водных растворов (Таблица)

Поверхностное натяжение обуславливается направлением внутрь притяжением молекул жидкости, находящихся в поверхностном слое. Это притяжение вызывает искривление свободной поверхности жидкости и создает некоторую разность давлений:

∆p = δ (1/R1 + 1/R2) $

Здесь ∆p обозначает разность давлений, а R1 и R2 – главные радиусы кривизны поверхности жидкости.

Величина δ обозначает коэффициент поверхностного натяжения на границе жидкость – газ, δ обычно измеряется в дин/см (эквивалентно свободной поверхности энергии в эрг/см2).

При соприкосновении двух (взаимно не растворяющихся) жидкостей говорят о поверхностном натяжении на границе двух жидкостей; при соприкосновении жидкости и твердого тела говорят о явлениях смачивания и не смачивания (капиллярных явлениях).

Зависимость от температуры. Натяжение уменьшается при возрастании температуры жидкости и при ее критической температуре становится равным нулю. Для многих жидкостей применима формула:

-d/dt [δ (M/p)2/3 = 2,12

( M – молекулярный вес, р – плотность, t – температура).

Таблица поверхностное натяжение воды на границе с воздухом

Таблица поверхностное натяжение различных жидкостей

(в – на границе с воздухом, п – на границе с парами этой же жидкости) 

Таблица поверхностное натяжение водных растворов солей

Таблица поверхностное натяжение на границе двух жидкостей при 200С

Поверхностное натяжение, формулы и примеры

Опишем механизм возникновения поверхностного натяжения в жидкостях. Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Рассмотрим две молекулы A и B.

Молекула A находится внутри жидкости, молекула B – на ее поверхности (рис. 1). Молекула A окружена другими молекулами жидкости равномерно, поэтому силы, действующие на молекулу A со стороны молекул, попадающих в сферу межмолекулярного взаимодействия, скомпенсированы, или, другими словами, их равнодействующая равна нулю.

Молекула B с одной стороны окружена молекулами жидкости, а с другой стороны – молекулами газа, концентрация которых значительно ниже, чем концентрация молекул жидкости.

Так как со стороны жидкости на молекулу B действует гораздо больше молекул, чем со стороны газа, равнодействующая всех межмолекулярных сил уже не будет равна нулю и будет направлена внутрь объема жидкости.

Таким образом, для того чтобы молекула из глубины жидкости попала в поверхностный слой, нужно совершить работу против не скомпенсированных межмолекулярных сил. А это означает, что молекулы приповерхностного слоя, по сравнению с молекулами внутри жидкости, обладают избыточной потенциальной энергией, которая называется поверхностной энергией.

Очевидно, чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше таких молекул, которые обладают избыточной потенциальной энергией, а значит тем больше поверхностная энергия. Этот факт можно записать в виде следующего соотношения:

где поверхностная энергия жидкости, площадь свободной поверхности жидкости и коэффициент пропорциональности, который называется коэффициентом поверхностного натяжения.