5.4. Осмотическое давление. 5.5. Капиллярное поднятие (опускание) жидкости

5. 4. Осмотическое давление

Диффузия – необратимое самопроизвольное распространение вещества (массоперенос) в какой-либо среде в направлении убывания концентрации вещества.

Осмос– это избирательная диффузия через полупроницаемые перегородки, т. е. пропускающие растворитель и задерживающие растворённое вещество. Величина осмотического давления определяется законом Вант-Гоффа.

Закон Вант-Гоффа: осмотическое давление Р_осм равно тому давлению, которое имело бы растворённое вещество, если бы оно в виде совершенного газа занимало объём раствора при температуре раствора.

,                                                  (5. 7)

где μ _мR – универсальная газовая постоянная, μ _мR = ;

Т – температура растворённого вещества, равная температуре раствора и растворителя, К;

μ _м – молярная масса растворённого вещества, , численно равная безразмерной относительной молекулярной массе (сумме произведений количества атомов в молекуле химического элемента на относительную атомную массу);

V – объём раствора, м³;

m – масса раствора, кг.

 

5. 5. Капиллярное поднятие (опускание) жидкости

 

В районе примыкания поверхности жидкости к стенке капиллярной трубки возможны следующие основные варианты взаимодействия:

а) если взаимное притяжение молекул жидкости велико в сравнении с силой взаимного притяжения молекул жидкости и стенки капилляра, то стенка жидкостью не смачивается, мениск (изогнутая поверхность жидкости) имеет выпуклую форму.

б) если взаимное притяжение молекул жидкости и стенки капилляра выше, чем притяжение молекул жидкости друг к другу, то стенка жидкостью смачивается, мениск имеет вогнутую форму.

Силы взаимного притяжения молекул на поверхности жидкости условно называют силами поверхностного натяжения (сцепления, когезии). Эти силы стремятся сократить до минимума величину поверхности жидкости так, как будто жидкость обтянута некоторой воображаемой упругой плёнкой.

Силой поверхностного натяжения F_пн называется сила, действующая на периметр поверхности жидкости. Она направлена по нормали к периметру и по касательной к самой поверхности.

Если поверхность жидкости плоская, то силы F_пн лежат в одной плоскости и их равнодействующая равна нулю. Чем больше кривизна поверхности, тем величина равнодействующей выше. Равнодействующая направлена к центру кривизны.

Коэффициентом поверхностного натяжения σ называется сила поверхностного натяжения, действующая на единицу длины периметра поверхности жидкости.   

 

, ,                                                       (5. 8)

где Н ^/ – длина периметра поверхности, м.

                                      

,                                          (5. 9)

где F – равнодействующая сил поверхностного натяжения, Н;

α ₁ и α ₂ – углы между вектором равнодействующей силы и радиусами кривизны поверхности R₁ и R₂  соответственно.

Или приближённо

                                                (5. 10)

Обозначим ,                                                      (5. 11)

где f – площадь проекции поверхности жидкости на плоскость, нормальную линии действия силы F.

Примем приближённо f = (Н ^/) ², тогда

,                                                 (5. 12)

где  - капиллярное давление, Па;

R₁ и R₂ – радиусы кривизны; величины алгебраические: если центр кривизны О нормального сечения находится под поверхностью жидкости, то радиус положителен, если над поверхностью жидкости, то радиус отрицателен.

Выражение (6. 12) называют формулой Лапласа. Для плоской поверхности R₁ = R₂ → ∞, . Для сферической поверхности жидкости ,

.                                                  (5. 13)

Поверхностным натяжением кроме жидкостей обладают и твёрдые тела. Если граничат друг с другом сразу три вещества (что и наблюдается в капиллярной трубке) – твёрдое (т), жидкое (ж) и газообразное (г), то следует учитывать поверхностное натяжение на границе этих трёх тел.

 

,                           (5. 14)

где φ – краевой угол, или угол смачивания, отсчитываемый внутри жидкости между касательными, проведённый к поверхности твёрдого тела и поверхности жидкости; на границе вода – стекло , ртуть – стекло ;

 - коэффициенты поверхностного натяжения на границах твёрдое тело – газ, твёрдое тело – жидкость и жидкость – газ соответственно.

 

Уравнение (5. 14) называют формулой Юнга. Она не справедлива в двух случаях: при φ = 0 (полное смачивание) и при φ = π (полное несмачивание).

Приравнивая вес жидкости в капилляре и равнодействующую сил поверхностного натяжения, получим

 

,                                  (5. 15)

где h ‑ высота капиллярного поднятия (опускания) жидкости, измеряемая по вертикали, м; величина алгебраическая, имеет знак: положительный при поднятии жидкости, отрицательный – при опускании;

R_м – радиус мениска жидкости, м;

r – радиус капилляра, м.

 

Уравнение (5. 15) называют формулой Жюрена.

 Значения коэффициента поверхностного натяжения для воды на границе с воздухом приведены в таблице 5. 3. Для нефти (при t = 20⁰C) , для ртути (при
t = 25⁰C) , для этилового спирта (при t = 20⁰C) .

Таблица 5. 3. Коэффициент поверхностного натяжения на границе вода – воздух

Температура	Коэффициент поверхностного натяжения
374, 12	0, 0755 0, 0744 0, 07288 0, 06777 0, 05891 0, 03777 0, 01429

 

 Вещества, уменьшающие величину коэффициента поверхностного натяжения, называются поверхностно – активными веществами (ПАВ ) . Некоторые вещества (сахара, соли) увеличивают величину σ.

 

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: