Поверхневий натяг

Поверхневий натяг — фізичне явище, суть якого в прагненні рідини скоротити площу своєї поверхні при незмінному об'ємі. Своєю появою сили поверхневого натягу завдячують поверхневій енергії. Поверхневий натяг може бути пояснений притяганням між молекулами рідини. Він виникає як у випадку поверхні розділу між рідиною й газом, так і у випадку поверхні розділу двох різних рідин.

Поверхнева енергія пропорційна площі поверхні поділу двох фаз S:

Eп = σ · S.

Коефіцієнт пропорційності σ, називають коефіцієнтом поверхневого натягу. Його значення залежить від природи дотичних середовищ. Цей коефіцієнт можна подати у вигляді

де F — сила поверхневого натягу;

l — довжина лінії, що обмежує поверхню поділу.

Поверхневий натяг рідини чутливий до її чистоти, складу і температури. Речовини, здатні значною мірою знизити сили поверхневого натягу, називаються поверхнево-активними речовинами (ПАР). При підвищенні температури величина сил поверхневого натягу зменшується, а в критичній точці кипіння рідини прямує до нуля.

На межі поділу вода — повітря при t=20°С коефіцієнт поверхневого натягу σ=0,073 Дж/м2, а для межі поділу ртуть — повітря коефіцієнт σ=0,48 Дж/м2.

Змочуваність рідин

На поверхні поділу трьох фаз, наприклад, твердої стінки, рідини і газу між поверхнею рідини і твердою стінкою утворюється так званий крайовий кут θ. Величина крайового кута залежить від природи дотичних середовищ (від поверхневих натягів на їхніх межах) і не залежить ні від форми посудини, ні від дії сили ваги. Якщо край рідини піднятий, її поверхня має увігнуту форму — крайовий кут гострий. У цьому разі рідина змочує тверду поверхню. Чим гірша змочувальна здатність рідини, тим більшим є крайовий кут. При θ>90° рідина вважається незмочувальною, при повному незмочуванні θ=180°. Краплі такої рідини немов би підгортаються, намагаючись зменшити площу контакту з твердою поверхнею.

Рівняння Ван - дер – Ваальса

Створено декілька моделей реального газу, які представлені рівняннями, наприклад, Ван - дер - Ваальса, Бертло, Майєра, Вукаловича й Новікова і т. п. Нижче ми зупинимося на моделі Ван-дер-Ваальса.

Рівняння Ван - дер - Ваальса одержано введенням у рівняння Клапейрона-Менделеєва поправок на додатковий внутрішній тиск, викликаний взаємодією частинок, та на власний об'єм частинок. Для моля реального газу рівняння Ван-дер-Ваальса має вигляд

, (1)

де об'єм моля газу, додатковий внутрішній тиск, b ¾ поправка на власний об'єм частинок, яка враховує дію сил відштовхування. Ізотерми Ван-дер-Ваальса представлені на Мал.62.

Рівняння Ван - дер - Ваальса (1) при сталому тискові є рівнянням третього ступеня відносно об'єму V і має три дійсних корені , які, при збільшенні температури, зближуються і, при критичній температурі, встановляться рівними. Огинаюча крайніх коренів ізотерм Ван-дер-Ваальса утворює купол подібний куполові реальних ізотерм. Ділянка ізотерми 1¾1' відповідає перегрітій рідині, а 2¾2' переохолодженому парові. Відрізки, що з'єднують стани 1 та 2 відповідають поличкам реальних ізотерм.

Таким чином проста модель реального газу Ван-дер-Ваальса є достатньо наближеною до експериментальних кривих, окрім ділянки ізотерм 1'¾2', які у реальних ізотермах відсутні.

Величини а і b рівняння Ван-дер-Ваальса зв'язані з параметрами критичного стану моля газу pk, Vmk, Tk. Відповідні співвідношення випливають із того, що в критичній точці (рk ,Vk) рівняння Ван - дер - Ваальса відносно V має вигляд

(2)

і має три рівних корені V=Vmk. Згідно з теоремою Гаса, це рівняння може бути представлено у вигляді.

Запишемо (2-3) як два многочлени відносно V.

, (4)

. (5)

Прирівнюючи в (4-5) коефіцієнти при відповідних степенях V, одержимо три рівняння для визначення критичних параметрів газу через сталі Ван - дер – Ваальса.

В результаті розв'язку (6) маємо

,,,,, (6)

Крім того, сталу b у (7) можна записати через ефективний діаметр d, що визначає власний об'єм V моля частинок, а саме,

, (7)

де число Авогадро.