Curs 5

Fenomene moleculare în lichide

FORŢE MOLECULARE LA CONTACTUL LICHID – SOLID.

MENISCURI. FORMULA LUI LAPLACE

Datorită tensiunii superficiale, suprafaţa liberă a unui lichid în echilibru,

aflat în contact cu alte medii, ia o formă curbă, numită menisc.

La suprafaţa de contact solid – lichid apar de asemeni forţe de atracţie

moleculară, denumite forţe de adeziune în timp ce forţele ce acţionează

între molecule mai sunt denumite şi forţe de coeziune.

În funcţie de raportul intensităţii acestor două forţe, apar două cazuri

diferite, reflectate în forma stratului superficial la suprafaţa de separaţie

dintre lichid şi solid.

Parametrul care caracterizează meniscul este unghiul format de tangenta

la suprafaţa lichidului cu suprafaţa solidă cu care este în contact, numitunghi de udare sau unghi de racordare.

a. Cazul în care forţele de coeziune sunt mai mari decât

forţele de adeziune. În acest caz, suprafaţa de contact dintre

lichid şi solid are tendinţa de micşorare, iar unghiul de udare este

mai mare decât π/2 (Fig.3.4).

Se spune despre lichidele care sunt în această situaţie

că nu udă pereţii vasului, iar suprafaţa lichidului in apropierea

vasului (meniscul) este concavă.

b. Cazul în care forţele de coeziune sunt mai mici decât

forţele de adeziune. În acest caz, unghiul de udare este mai mic

decât π/2 (Fig.3.5).

Se spune despre lichidele care sunt în această situaţie

că udă pereţii vasului, iar suprafaţa lichidului in apropierea vasului

(meniscul) este convexă.

θ

θ

a) b) Fig.3.4 Cazul lichidului care nu udă pereţii vasului pentru o picătură (a) şi pentru lichidul dintr-un vas (b)

Trebuie precizat că această comportare a suprafeţeilibere a lichidului la suprafaţa de contact cu soliduldepinde (într-o mică măsură) şi de natura gazuluiaflat în contact cu lichidul.Un alt parametru care influenţează formameniscului este puritatea celor trei medii aflate încontact.

θ

θ

a) b) Fig.3.5 Cazul lichidului care udă pereţii vasului pentru o picătură (a) şi

pentru lichidul dintr-un vas (b)

Existenţa meniscului determină apariţia unei presiunisuplimentare Δp, faţă de cea exercitată de suprafaţa plană a

lichidului.

Expresia matematică a presiunii suplimentare a fost obţinută de

Laplace (1807).Pentru o suprafaţă sferică se poate scrie:

R

2 = p

Pentru o suprafaţă cilindrică:

d

2 = p

cos

Această suprapresiune este importantă în cazul picăturilor de lichid în

aer sau invers, al picăturilor de aer în lichid. Sub acţiunea forţelor de

tensiune superficială, picăturile iau formă sferică, datorită condiţieifizice de atingere a unui minim al energiei potenţiale .Pentru un volum dat, forma sferică are suprafaţa cea mai mică şi de

aceea şi forma picăturilor este sferică.

Dacă pentru picăturile de aer în lichid nu mai apar alte probleme,

picăturile de lichid sunt supuse şi acţiunii greutăţii proprii, astfel încât,

o dată cu creşterea în dimensiune, forma picăturii se depărtează tot

mai mult de sferă, ea aplatizându-se.

După cum se poate vedea din relaţia lui Laplace, suprapresiunea dată

de forţele superficiale este invers proporţională cu raza bulei, ea fiind

cu atât mai importantă cu cât raza este mai mică.

Folosind date cunoscute se poate calcula ce valoare atinge presiunea

într-o bulă de aer cu raza de un micron, aflată în apă.

Această valoare este de 1.46x105 N/m2, adică mai mare decâtpresiunea atmosferică.

FENOMENE CAPILARE. FORMULA LUI JURIN

Fenomenele capilare sunt determinate de forţele de interacţiune

dintre un lichid şi un corp solid şi conduc la abaterea păturii

superficiale de la forma plană. Aceste fenomene sunt mai evidente în

cazul tuburilor de secţiuni mici, numite capilare.

Să presupunem un tub de rază r, aşezat într-un lichid care udăpereţii tubului şi a cărui tensiune superficială este σ. Coloana de

lichid va fi în echilibru atunci când presiunea suplimentară va fi egală

cu cea hidrostatică.

In acest caz putem scrie:Formula lui Jurin.

h g = R

2

cos

r = R

σ este caracteristic fiecărui lichid

depinde de raportul forţelor de interacţiune moleculare.

coeficientul de tensiune superficială depinde de temperatură

În cazul apei coeficientul de tensiune superficială are o valoare mare

justificată de faptul că molecula de apă are polaritate mare ce induce un

moment dipolar mărit

Se defineşte un coeficient de tensiune superficială static (σ static) şi unul

dinamic (σ dinamic).

σ dinamic = specifică suprafeţei de separare în momentul primordial

σ static = specifică suprafeţei lichidului după un anumit timp , când s-a

instalat un echilibru de absorbţie.

În cazul lichidelor pure, compoziţia stratului superficial este identică cu restul

lichidului în orice moment, deci σ dinamic = σ static

De reţinut!

Tensiunea interfacială

Să vedem ce este tensiunea interfacială, adică forţele care apar la contactul a două

lichide.

Pentru aceasta, considerăm trei medii I,II şi III, separate între ele prin suprafeţele

OA, OB şi OC, ca în figura 3.39.

La suprafaţa de separaţie OA dintre mediile I şi II, acţionează tensiunea superficială

σ12, tangentă în O la această interfaţă şi în mod analog se definesc şi tensiunile σ23

şi σ13.

Curba de separaţie dintre aceste trei medii este în echilibru când există relaţia

vectorială:

12 13 23 + + = 0

cos2 22

12 2313 2312 = + = 2

In cazul unei picături de lichid care stă pe suprafaţa unui alt lichid, mediul al

treilea fiind aerul notăm cu σ1=σ13 tensiunea superficială a primului lichid în

contact cu aerul şi respectiv σ2=σ23 tensiunea celui de-al doilea lichid faţă de

aer.

Pentru o picătură foarte turtită, de formă lenticulară, unghiul θ este foarte mic

şi ecuaţia precedentă devine:

22 2 2

12 2 12 21 12 2 = + + 2 = ( + )

12 1 2 = -

Această relaţie arată că tensiunea interfacială este egală cu diferenţa tensiunilor superficiale a lichidelor în contact.

Rolul fenomenului de capilaritate

Fenomenul de capilaritate joacă un rol important în natură.Viaţa este strâns legată de existenţa apei şi a lichidelorbiologice.

De aceea este normal ca şi efectele superficiale să joace unrol în viaţa de zi cu zi.

In natură, apa nu se regăseşte practic niciodată în stare pură,ea conţine totdeauna minerale sau materie organică.

Toate acestea influenţează valoarea coeficientului detensiune superficială, mărindu-l sau micşorându-l, după caz.

Pentru ca aceştia să spele cât mai eficient posibil este necesar ca

lichidul să ude cât mai bine posibil ţesăturile sau materialele ce

trebuiesc spălate, pentru ca apoi să emulsioneze, să dizolve şi săînlăture murdăria sau petele de grăsime.

Pentru aceasta detergenţii trebuie să conţină substanţe tensioactive,

substanţe care adăugate în cantitate mică au drept efect o reducere

importantă a tensiunii superficiale, rezultând o capacitate mult mărită a

apei de a uda materialele cu care vine în contact.

In alte situaţii, din contră, substanţele prezente în apă au drept efectcreşterea lui σ, făcând suprafaţa apei mai „rigidă”, stratul superficial

comportându-se ca o membrană elastică, făcând pătrunderea în

interiorul lichidului mai dificilă.

Rolul tensiunii superficiale în cazul detergenţilor

Emulsiile sunt sisteme disperse cu mediul de dispersie şi faza de dispersie lichidă.

O condiţie indispensabilă pentru existenţa a unui astfel de sistem (ca de altfel a oricărui

sistem microeterogen) este ca cele două faze să fie practic nemiscibile.

Datorit tensiunii interfaciale care apare între faza continuă şi cea dispersă, mărimea

suprafeţei de separaţie dintre faza dispersă şi cea continuă tinde să aibă valoarea cea mai

mică posibilă.

Din aceast cauză, în condiţii normale de concentraţie (pâna la cca 70% faza dispersă),

faza dispersă se regăseşte distribuită în mediul continuu sub forma unor picturi aproape

sferice.

Diametrele picturilor fazei disperse au în general valori cuprinse intre 0,1 i 10 micrometri

CONSIDERAII ASUPRA UNOR PROPRIETI ALE EMULSIILOR UTILIZATE CA LUBRIFIANI

PENTRU CUPLELE DE FRECARE Dumitru POP, Adrian POCOLA

Vol. I – Mecanisme şi Tribologie,7-8 Noiembrie, Braşov, P R A S I C ' 02

Tensiunile superficiale ale diferitelor sorturi de uleiuri au valori

apropiate.

Dar, tensiunea superficială a uleiurilor se modifică semnificativ prin

oxidarea sau contaminarea uleiului cu compuşi polari solubili.

Astfel, uleiurile uzate au o tensiune superficială mult mai mică decât

cele noi, în special datorită acizilor organici rezultaţi din procesul de

degradare oxidativă.

CONSIDERAII ASUPRA UNOR PROPRIETI ALE EMULSIILOR UTILIZATE CA LUBRIFIANI

PENTRU CUPLELE DE FRECARE Dumitru POP, Adrian POCOLA

Vol. I – Mecanisme şi Tribologie,7-8 Noiembrie, Braşov, P R A S I C ' 02

Tabela 11.1. Tensiunile superficiale ale alcanilor si tensiunile interfaciale între alcani si apa.

Lichidul Tensiunea

superficiala,

la 200C ,

mJ/m2 (mN/m)

Tensiunea interficiala

în contact cu apa, la

200C

mJ/m2 (mN/m)

n-pentan 16,1 -

Benzen 29 35

ciclohexan 25,5 51

heptan 20 50,7

n-Octan 21,8 51

n-Tetradecan 27,5 52

Ciclohexan 25 51

Octadecan 28 52

Parafina 25 ~50

Tabel 11.1. Tensiunile superficiale ale alcanilor si tensiunile interfaciale între alcani si apa.

http://www.scritube.com/geografie/Interactiunea-fluidfluid7271555.php

Influenta temperaturii asupra tensiunii interfaciale apa-titei pentru trei titeiuri este prezentata în figura alăturată

Fig. Influenta temperaturii asupra tensiunii interfaciale apa-titei(cifrele de pe curbe reprezinta vâscozitatea titeiului în mPa∙s).

http://www.scritube.com/geografie/Interactiunea-fluidfluid7271555.php