Coeficientul de tensiune superficiala

Coeficientul de tensiune superficiala

Se considera interfata lichid-gaz, suprafata libera a lichidului aflat in repaus fiind plana si orizontala.

Asupra fiecarei molecule din volumul lichidului actioneaza forte de atractie moleculara de catre moleculele din jur, numite forte de coeziune, ele se manifesta pe distante scurte de ordinul nanometrilor (10^-9). Spatiul in care actioneaza fortele de coeziune pentru o molecula data se numeste sfera de actiune moleculara, iar raza acestuia raza de actiune moleculara (r₀). In sfera de actiune moleculara se gasesc un numar foarte mare de molecule (~ 10⁵), care din punct de vedere statistic sunt distribuite uniform in jurul moleculei considerate. Din aceasta cauza rezultanta fortelor de coeziune dintre molecula considerata si cele din sfera de actiune moleculara este nula.

Sfera de activitate moleculara pentru o molecula situata in partea superioara a paturii superficiale, care reprezinta stratul de lichid de la interfata de grosime egala cu raza de actiune moleculara, cuprinde molecule de lichid, dar si un numar mai mic de molecule de gaz, densitatea gazului fiind mai mica decat a lichidului.

Astfel, pe de o parte intre molecula considerata si cele de lichid actioneaza forte de coeziune, a caror rezultanta () este indreptata vertical spre interiorul lichidului. Pe de alta parte, intre molecula din stratul superficial si cele de gaz actioneaza forte de adeziune mai slabe, rezultatnta lor () fiind orientata vertical in sus si mult mai mica decat cea a fortelor de coeziune. Rezultanta finala (), al carui modul este egal cu R = R_C - R_A , va fi orintata spre interiorul lichidului, perpendicular pe suprafata acestuia (Fig.5.1).

Fig5..1. Fortele ce actioneaza asupra moleculelor unui lichid.

Asupra tuturor moleculelor de lichid aflate la suprafata actioneaza aceasta rezultanta , ceea ce determina ca stratul superficial sa exercite o presiune asupra restului lichidului, numita presiune moleculara (p_mol). Ea este foarte mare, de ordinul 10⁴ atm, si sub actiunea ei moleculele lichidului se aproprie foarte mult unele de altele, aceasta fiind cauza incompresibilitatii lichidelor in stare normala. De asemenea si motivul pentru care moleculele din stratul superficial au tendinta de a intra in volumul lichidului, micsorandu-i suprafata libera.

Fig.5.2. Forte de tensiune superficiala.

Intre moleculele stratului superficial se exercita de asemenea forte de coeziune, care se anihileaza reciproc, cu exceptia celor din vecinatatea peretilor vasului, numite forte de tensiune superficiala (F). Ele actioneaza tangential la suprafata libera, fiind distribuite uniform pe lungimea conturului si perpendicular pe acesta (Fig.5.2.).

Fortele de tensiune superficiala au tendinta de a micsora aria suprafetei libere a lichidului, pana la o valoare minima, care sa corespunda unei energii potentiale minime, deci unei stabilitati a stratului superficial.

Forta de tensiune superficiala depinde numai de natura lichidului si de lungimea conturului stratului superficial (l):

F = s l (5.1)

unde s este coeficient de tensiune superficiala, fiind o marime specifica fiecarui lichid in parte. In SI coeficientul de tensiune superficiala se masoara in N/m.

Deplasarea unei molecule inspre si dinspre patura superficiala presupune efectuarea unui lucru mecanic (L), corelat cu variatia suprafetei stratului superficial (DS), respectiv cu variatia energiei potentiale (DE_p):

DE_p = - L =    s DS (5.2)

de unde

s DE_p / DS (5.3) Deci, coeficientul de tensiune superficiala reprezinta lucrul mecanic efectuat impotriva fortelor de tensiune superficiala, pentru marirea suprafetei libere a lichidului cu o unitate.

Studii asupra coeficientului de tensiune superficiala au aratat ca depinde de natura fazelor aflate in contact si scade cu cresterea temperaturii, deoarece prin cresterea agitatiei termice fortele intermoleculare scad. Se anuleaza la temperatura critica, atunci cand are loc transformarea de faza lichid-gaz.

In Tabelul 5.1. sunt prezentate valori ale coeficientului de tensiune superficiala si ale presiunii moleculare pentru unele lichide la diferite temperaturi, la interfata lichid-aer.

Tabel 5.1. Coeficient de tensiune superficiala si presiuni moleculare ale unor lichide

Stratul superficial, avand tendinta de a-si micsora suprafata, se comporta ca o membrana elastica tensionata, care spre deosebire de membrana elastica propriu-zisa, are aceeasi tensiune in orice punct. In acelasi timp, suprafata lichidului se comporta ca un rigid la impactul cu alte corpuri, datorita comprimarii ei de catre stratul superficial.