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La tension de surface

Cause
Diagramme des forces sur les deux molécules de liquide.
Ce trombone qui était sous le niveau de l'eau, a augmenté en douceur et sans heurts. La tension de surface empêche le trombone de submerger et de déborder le verre bleu.
La tension superficielle est causée par l'attraction entre les molécules du liquide par différents intermoléculaires forces. Dans la majeure partie du liquide, chaque molécule est tirée également dans toutes les directions par les molécules voisines liquide, résultant en une force nette de zéro. A la surface du liquide, les molécules sont dedans tiré par d'autres molécules plus à l'intérieur du liquide et ne sont pas attirés aussi intensément par les molécules dans le milieu de voisins (que ce soit sous vide, l'air ou un autre liquide). Par conséquent, tous les des molécules à la surface sont soumis à une force vers l'intérieur de l'attraction moléculaire qui est équilibrée que par la résistance du liquide à la compression, ce qui signifie qu'il n'ya pas de force nette vers l'intérieur. Cependant, il est une force motrice pour diminuer la surface. Par conséquent, la surface de l'rétrécit liquide jusqu'à ce qu'il ait la zone superficielle la plus faible possible. C'est ce qui explique les formes sphériques de gouttelettes d'eau.
Un autre façon de le voir, c'est que une molécule en contact avec un voisin est dans un état inférieur d'énergie que si elle n'était pas en contact avec un voisin. Les molécules de l'intérieur ont tous voisins autant qu'ils peut avoir. Mais les molécules frontière ont moins de voisins que les molécules de l'intérieur et sont donc dans un état plus élevé de l'énergie. Pour le liquide de minimiser son état d'énergie, il faut réduire au minimum le nombre de ses molécules limite et doit donc minimiser sa surface.
À la suite de la réduction de surface, une surface prend la forme lisse il peut (mathématiques la preuve que «lisse» des formes de minimiser la surface repose sur l'utilisation de l'équation Euleragrange). Étant donné que toute courbure dans les résultats de forme de la surface de grande région, une plus grande énergie se traduira également. Par conséquent, la surface va repousser contre toute courbure dans une grande partie de la même manière comme une balle poussée en montée va repousser pour minimiser son énergie potentielle gravitationnelle.
Effets dans la vie quotidienne la vie
L'eau perle sur une feuille
Eau qui s'écoule d'un robinet
Les effets de tension superficielle peut être vu avec l'eau ordinaire:
Perles de pluie eau sur la surface d'une automobile ciré. L'eau à la cire adhère faiblement et fortement à lui-même, les clusters de l'eau alors en gouttes. La tension de surface qui leur donne leur forme quasi-sphérique, parce que d'une sphère a la plus petite surface possible de rapport de volume
Formation de gouttes se produit quand une masse de liquide est tendue. L'animation montre l'eau qui adhère au robinet jusqu'à ce gain de masse elle est tendue à un point où la tension de surface ne peut plus se lier au robinet. Il se sépare alors et la tension superficielle des formes de la baisse dans une sphère. Si un courant d'eau étaient sur le robinet, le flux se décomposer en gouttes lors de sa chute. Gravity s'étend le flux, puis la tension de surface il pincées en sphères.
Flottation des objets plus denses que l'eau se produit lorsque l'objet est non-mouillable et son poids est assez petit pour être pris en charge par les forces résultant de la tension de surface.
Séparation de l'huile et l'eau est causée par une tension dans la surface entre liquides dissemblables. Ce type de tension de surface est appelée "tension de l'interface", mais son physique sont les mêmes.
Des larmes de vin est la formation de gouttes et des ruisseaux sur le côté d'un verre contenant une boisson alcoolisée. Sa cause est une interaction complexe entre les différentes tensions de surface de l'eau et l'éthanol.
La tension superficielle est visible dans d'autres phénomènes communs, surtout lorsque certaines substances, des agents tensioactifs, sont utilisés pour le diminuer:
Les bulles de savon ont de très grandes surfaces avec très peu en vrac. Bulles dans l'eau pure sont instables. L' ajout de tensio-actifs, cependant, peuvent avoir un effet stabilisateur sur les bulles (voir l'effet Marangoni). Notez que tensioactifs effectivement réduire la tension superficielle de l'eau par un facteur de trois ou plus.
Les émulsions sont un type de solution dans laquelle la tension de surface joue un rôle. Tiny fragments d'huile en suspension dans l'eau pure spontanément se rassembler en masses beaucoup plus grandes. Mais la présence d'un tensioactif prévoit une diminution de la tension de surface, qui permet la stabilité de minuscules gouttelettes d'huile dans la masse d'eau (ou vice versa).
Physique de base
Deux définitions
Le diagramme montre, en coupe, une aiguille flottant à la surface de l'eau. Son poids, Fw, appuie sur la surface, et est équilibré par les forces de tension superficielle de chaque côté, Fs, qui sont chacun parallèle à la surface de l'eau dans les points où il touche l'aiguille. Notez que les composantes horizontales des flèches F deux points dans des directions opposées, de sorte qu'ils s'annulent l'un l'autre, mais le point vertical des composants dans le même sens et donc ajouter à l'équilibre Fw.
La tension de surface, représentée par le symbole est défini comme la force le long d'une ligne de longueur de l'unité, où la force est parallèle à la surface, mais perpendiculaire à la ligne. Une façon de décrire ceci est d'imaginer un film de savon plat borné d'un côté par un fil tendu de la longueur, L. Le fil sera tiré vers l'intérieur du film par une force égale à 2 litres (le facteur de 2 parce que le film de savon a deux faces, donc deux surfaces). La tension superficielle est donc mesuré dans les forces par unité de longueur. Son unité SI est newton par mètre, mais l'unité cgs de dyne par cm est également utilisé. Un dyn / cm correspond à 0,001 N / m.
Une définition équivalente, celui qui est utiles en thermodynamique, est un travail fait par unité de surface. En tant que tel, afin d'augmenter la surface d'une masse de liquide d'un montant, A, une quantité de travail, A, est nécessaire. Ce travail est stocké forme d'énergie potentielle. Par conséquent la tension de surface peut également être mesuré dans un système SI en joules par mètre carré et dans le système cgs que ergs par cm2. Comme les systèmes mécaniques essayer de trouver un état de minimum énergie potentielle, une goutte de liquide libre prend naturellement une forme sphérique, qui a la surface minimale pour un volume donné.
L'équivalence de la mesure d'énergie par unité zone à la force par unité de longueur peut être prouvé par l'analyse dimensionnelle.
marcheurs de l'eau
araignées d'eau, un neuston commune qui rase la surface de la tension
L'eau araignées utiliser la tension de surface de marcher sur la surface d'un soies pondydrophobic sur les tarses garder l'insecte à flot tout une griffe apicale hydrophile pénètre dans la surface, lui permettant de "adhérer" à la de l'eau. La surface de l'eau se comporte comme un film élastique: pieds de l'insecte laisser des marques sur la surface de l'eau, l'augmentation de sa surface. Cela représente une augmentation du potentiel d'énergie grâce à la tension superficielle de l'eau égale à la perte d'énergie potentielle du centre abaissé l'insecte de la masse.
courbure de la surface et la pression
La tension de surface forces agissant sur un minuscule (différentiel) patch de surface. x et y indiquer le montant des pencher sur les dimensions du patch. Équilibrer les forces de tension avec la pression conduit à l'équation Youngaplace
Si aucune force agit perpendiculairement sur une surface de tension, la surface doit rester à plat. Mais si la pression d'un côté de la surface différente de la pression de l'autre côté, les temps de différence de pression de surface résultats de la zone en une force normale. Pour que les forces de tension superficielle d'annuler la force due à la pression, la surface doit être courbé. Le diagramme montre comment courbure de la surface d'un petit pan de surface conduit à une composante net de forces de tension superficielle agissant perpendiculairement à la centre de la pièce. Lorsque toutes les forces sont équilibrées, l'équation qui en résulte est connu sous le nom de l'équation Youngaplace:
où:
p est la différence de pression.
est la tension de surface.
Rx et Ry sont des rayons de courbure dans chacun des axes qui sont parallèles à la surface.
La quantité entre parenthèses sur le côté droit est en fait (deux fois) la courbure moyenne de la surface (en fonction de normalisation).
Solutions de cette équation de déterminer la forme de gouttes d'eau, flaques d'eau, ménisques, bulles de savon, et toutes les autres formes déterminées par la tension de surface (comme la forme des impressions que les pieds une araignée d'eau de faire sur la surface d'un étang).
L' tableau ci-dessous montre la pression interne augmente d'une goutte d'eau avec rayon décroissant. Pour gouttes pas très petite, l'effet est subtil, mais la différence de pression devient énorme lorsque la chute de tailles approche de la taille moléculaire. (Bien sûr, dans la limite d'une seule molécule le concept perd tout son sens.)
p pour les gouttes d'eau de différents rayons à STP
Gouttelette rayon
1 mm
0,1 mm
1 m
10 nm
p (atm)
0.0014
0.0144
1.436
143.6
surface liquide comme un ordinateur
Surface minimale
Pour trouver la forme de la surface minimale limitée par un certain cadre arbitraire en forme en utilisant des moyens strictement mathématique peut être un redoutable tâche. Pourtant, en façonnant le cadre en fil de fer et la tremper dans du savon-solution, une surface minimale d'environ apparaîtra dans le film de savon résultant en quelques secondes. Sans un seul calcul, le savon-film arrive à une solution à une équation complexe minimisation de sa propre initiative.
La raison en est que la différence de pression à travers une interface liquide est proportionnelle à la moyenne courbure, comme on le voit dans l'équation de Young-Laplace. Pour un film de savon ouverte, la différence de pression est nulle, donc la courbure moyenne est nulle, et les surfaces minimales ont la propriété de courbure nulle signifie.
Les angles de contact
Depuis aucun liquide ne peut exister dans un vide parfait pour très longtemps, la surface d'un liquide est une interface entre ce liquide et un autre milieu. La surface supérieure d'un étang, par exemple, est une interface entre l'eau du bassin et l'air. La tension de surface, puis, n'est pas une propriété du liquide seul, mais une propriété de l'interface du liquide avec un autre support. Si un liquide est dans un récipient, puis en dehors de l'interface air / liquide à sa surface supérieure, il ya aussi une interface entre le liquide et les parois du récipient. La tension de surface entre les liquide et l'air est généralement différent (supérieur à) sa tension de surface avec les parois d'un récipient. Et où les deux surfaces se rencontrent, leur géométrie doit être telle que toutes les forces s'équilibrent.
Forces au point de contact indiqué pour l'angle de contact supérieur à 90 (à gauche) et moins de 90 (à droite)
Lorsque les deux surfaces se rencontrent, ils forment un angle de contact, qui est l'angle de la tangente à la surface fait avec la surface solide. Le schéma de droite montre deux exemples. forces de tension sont indiquées pour l'interface liquide-air, l'interface liquide-solide, et l'interface solide-air. L'exemple de gauche est où la différence entre le liquide-solide et la tension de surface solide-air, est inférieure à la tension de surface liquide-air, mais qui est néanmoins positif, c'est-
Dans le schéma, les forces verticales et horizontales doit annuler exactement au point de contact. La composante horizontale de l'est annulée par la force d'adhérence.
Le solde plus révélateur des forces, cependant, c'est dans le sens vertical. La composante verticale de l'annuler doit être exactement la force,.
Liquid
Solid
Angle de contact
l'eau
sodo-calcique verre
verre au plomb
quartz fondu
0
l'éthanol
l'éther diéthylique
tétrachlorure de carbone
glycérol
acétique l'acide
l'eau
paraffine
107
d'argent
90
l'iodure de méthyle
verre sodo-calcique
29
entraîner verre
30
quartz fondu
33
le mercure
verre sodo-calcique
140
Certains angles de contact liquide-solide
Depuis les forces sont en raison directe de leur surface respective tensions, nous avons également:
où
est la tension de surface liquide-solide,
est le liquide-air tension de surface,
est la tension de surface solide-air,
est l'angle de contact, où un ménisque concave angle de contact a moins de 90 et un ménisque convexe est en contact angle supérieur à 90.
Cela signifie que, bien que la différence entre le liquide-solide et la tension de surface solide-air, est difficile à mesurer directement, il peut être déduit de l'angle de contact faciles à mesurer, si la tension de surface liquide-air, est connu.
Cette même relation existe dans le schéma sur la droite. Mais dans ce cas, nous voyons que, parce que l'angle de contact est inférieur à 90, la différence de tension liquid-solid/solid-air surface doit être négative:
angles de contact spécial
Observez que dans le cas particulier d'une interface eau-argent où l'angle de contact est égal à 90, la différence de tension liquid-solid/solid-air surface est exactement zéro.
Un autre cas particulier est l'endroit où le contact angle est exactement à 180. Eau spécialement préparée avec Teflon rapproche de cela. L'angle de contact de 180 se produit lorsque la tension de surface liquide-solide est exactement égale à la tension de surface liquide-air.
Méthodes de mesure
La tension de surface peut être mesurée à l'aide de la goutte pendante sur un goniomètre.
Parce que la tension de surface se manifeste par différents effets, il offre un certain nombre de chemins à sa mesure. Quelle est la méthode optimale dépend de la nature du liquide mesuré, les conditions dans lesquelles la tension doit être mesurée, et la stabilité de ses surface quand il est déformé.
Du Noy Méthode de l'anneau: La méthode traditionnelle utilisée pour mesurer la surface ou la tension interfaciale. propriétés de mouillage de la surface ou l'interface ont peu d'influence sur cette technique de mesure. Maximum traction exercée sur l'anneau par la surface est mesurée.
Une version réduite de Du Noy méthode utilise une aiguille en métal de petit diamètre au lieu d'un anneau, en combinaison avec une microbalance haute sensibilité pour enregistrer traction maximale. L'avantage de cette méthode est que les volumes d'échantillon très faible (jusqu'à quelques dizaines de microlitres) peuvent être mesurés avec une très haute précision, sans la nécessité de corriger pour la flottabilité (une aiguille, ou plutôt, tige, avec une géométrie correcte). En outre, la mesure peut être effectuée très rapidement, au moins dans environ 20 secondes. tensiomètres abord multicanal commerciale [CMCeeker] ont été récemment construits en fonction de ce principe.
Méthode de la plaque Wilhelmy: Une méthode universelle, particulièrement adapté pour vérifier la tension de surface sur des intervalles de temps. Une plaque verticale du périmètre connu est attaché à un équilibre, et la force due à l'humidité est mesurée.
Spinning méthode de la goutte: Cette technique est idéale pour la mesure basses tensions interfaciales. Le diamètre d'une goutte dans une phase lourde est mesurée alors que les deux sont mis en rotation.
méthode de la goutte Pendentif: tension superficielle et interfaciale peut être mesurée par cette technique, même à des températures et des pressions élevées. Géométrie d'une goutte est analysé optiquement. Pour plus de détails, voir chute.
méthode de la pression de bulle (méthode Jaeger): Une mesure technique pour déterminer la tension superficielle à l'âge de la surface court. La pression maximale de chaque bulle est mesurée.
méthode de volume de goutte: Une méthode pour déterminer la tension interfaciale en fonction l'âge de l'interface. Liquide d'une densité est pompée dans un deuxième liquide de densité différente et le temps entre les gouttes produite est mesurée.
méthode ascension capillaire: La fin d'un capillaire est immergé dans la solution. La hauteur à laquelle la solution atteint l'intérieur du capillaire est liée à la tension de surface par l'équation ci-dessous.
méthode Stalagmometric: Une méthode de pondération et de la lecture une goutte de liquide.
Méthode goutte sessile: Une méthode pour déterminer la tension de surface et la densité en plaçant une goutte sur un substrat et en mesurant le contact angle (voir technique de la goutte sessile).
méthode d'encre Test: Une méthode pour mesurer la tension de surface des substrats à l'encre de test et d'interpréter la réaction de l'encre. VIDEO voir la vidéo pour voir mesure de la tension de surface
Effets
Liquide dans un tube vertical
Article détaillé: L'action capillaire
Schéma d'un baromètre à mercure
Une vieux baromètre à mercure style se compose d'un tube vertical en verre d'environ 1 cm de diamètre partiellement rempli de mercure, et avec un vide (vide appelé Toricelli est) dans le volume en carnet (Voir schéma à droite). Notez que le niveau de mercure dans le centre du tube est plus élevé que sur les bords, ce qui rend la surface supérieure du mercure en forme de dôme. Le centre de masse de l'ensemble du colonne de mercure serait légèrement inférieur si la surface supérieure du mercure ont été stables au cours des crossection ensemble du tube. Mais le haut en forme de dôme donne superficie légèrement inférieure à la masse entière de mercure. Encore une fois les deux effets se combinent pour minimiser l'énergie potentielle totale. Une telle forme de la surface est connu comme un ménisque convexe.
La raison pour laquelle nous considérons la surface de l'ensemble du masse de mercure, y compris la partie de la surface qui est en contact avec le verre, c'est parce que le mercure ne se conforment pas à tous au verre. Ainsi, la tension superficielle du mercure agit sur l'ensemble de son surface, y compris quand il est en contact avec le verre. Si au lieu de verre, le tube a été faite de cuivre, la situation serait très différente. Mercury adhère activement au cuivre. Donc, dans un tube de cuivre, le niveau de mercure dans le centre du tube sera plus faible, plutôt que plus élevés que sur les bords (qui est, ce serait un ménisque concave). Dans une situation où le liquide adhère aux parois de son conteneur, nous considérons la partie de la surface du liquide qui est en contact avec le conteneur d'avoir la tension de surface négative. Le fluide travaille alors à maximiser la surface de contact. Donc dans ce cas augmenter la surface en contact avec le récipient diminue au lieu d'augmenter l'énergie potentielle. Cette diminution est suffisante pour compenser l'accroissement du potentiel l'énergie associée à la levée de l'fluide à proximité des parois du récipient.
Illustration de l'ascension capillaire et à l'automne. Rouge = angle de contact inférieur à 90, bleu = angle de contact supérieur à 90
Si un tube est suffisamment étroite et l'adhésion liquide à ses murs est suffisamment forte, la tension de surface peut aspirer le liquide dans le tube dans un phénomène connu sous le nom action capillaire. La hauteur de la colonne est levée à est donné par:
où
est la hauteur du liquide est soulevé,
est la tension superficielle liquide-air,
est la densité du liquide,
est le rayon du capillaire,
est l'accélération de la pesanteur,
est l'angle de contact décrit ci-dessus. Notez que s'il est supérieur à 90, comme le mercure dans un récipient en verre, le liquide sera déprimé plutôt que levées.
Flaques d'eau sur une surface
courbe de profil du bord d'une flaque d'eau où l'angle de contact est de 180. La courbe est donnée par la formule: où
de petites flaques d'eau sur une surface propre et lisse ont une épaisseur perceptible.
Verser le mercure sur une feuille plane horizontale des résultats de verre dans une flaque d'eau qui a une épaisseur perceptible. (Ne l'essayez pas, sauf sous une hotte. Vapeur de mercure est un risque de toxicité.) La flaque s'étalera seulement au point où il est un peu moins d'un demi-centimètre d'épaisseur, et pas plus mince. Encore une fois cela est dû à l'action de la tension de surface du mercure forte. La masse liquide s'aplatit parce que met autant de mercure à un niveau aussi bas que possible. Mais la tension de surface, en même temps, agit pour réduire la surface totale. Le résultat est le compromis d'une flaque d'eau près d'un fixe épaisseur.
La démonstration même surface de tension qui peut être fait avec de l'eau, mais seulement sur une surface constituée d'une substance que l'eau ne respecte pas. La cire est d'une telle substance. L'eau versée sur une surface lisse, plane et horizontale de la cire, par exemple une feuille de verre ciré, se comportent de façon similaire au mercure répandu sur le verre.
L'épaisseur d'une flaque de liquide sur une surface dont l'angle de contact est de 180 est donnée par:
où
est la profondeur de la flaque d'eau en centimètres ou en mètres.
est la tension superficielle du liquide en dynes par centimètre ou newtons par mètre.
est l'accélération due à la gravité et est égal à 980 cm/s2 ou 9,8 m/s2
est la masse volumique du liquide en grammes par mètre cube centimètres ou en kilogrammes par mètre cube
Illustration de la façon dont l'angle de contact inférieur conduit à la réduction de la profondeur de flaque d'eau
En réalité, les épaisseurs des flaques d'eau sera légèrement moins de ce qui est prédit par la formule ci-dessus, car très peu de surfaces ont un angle de contact de 180 avec un liquide. Lorsque l'angle de contact est inférieure à 180, l'épaisseur est donnée par:
Pour mercure sur le verre,,, et, ce qui donne. Pour l'eau avec du pétrole à 25 ° C,,, et qui donne.
La formule prévoit également que lorsque l'angle de contact est égal à 0, le liquide étaler en une couche de micro-mince sur la surface. Une telle surface est dite être pleinement mouillable par le liquide.
L'éclatement des cours d'eau en gouttes
stade intermédiaire de une rupture jet en gouttes. Rayons de courbure dans la direction axiale sont présentés. L'équation pour le rayon du flux est, où est le rayon de l'imperturbable cours d'eau, est l'amplitude de la perturbation, est la distance le long de l'axe de la rivière, et le nombre d'onde
Article principal: l'instabilité Plateauayleigh
Dans la vie quotidienne, nous observons que tous les flux d'eau sortant à partir d'un robinet diviser en gouttelettes, peu importe la fluidité du flux est émis par le robinet. Cela est dû à un phénomène appelé l'instabilité Plateauayleigh, qui est tout à fait une conséquence des effets de tension superficielle.
L'explication de cette instabilité commence avec l'existence de perturbations minuscules dans le flux. Ce sont toujours présents, peu importe la douceur du flux est. Si les perturbations sont résolus en composantes sinusoïdales, nous constatons que certains composants croître avec le temps tandis que d'autres décroissance avec le temps. Parmi ceux qui se développent avec le temps, certains poussent au plus vite taux que les autres. Si un composant se désintègre ou se développe, et à quelle vitesse il grandit est tout à fait en fonction de son nombre d'onde (une mesure du nombre de pics et de creux par centimètre) et le rayon de le flux d'origine cylindrique.
Thermodynamique
Comme indiqué plus haut, le travail mécanique nécessaire pour augmenter la surface est. Par conséquent, à température et pression constantes, la surface la tension est égale à l'enthalpie libre par unité de surface:
où est l'enthalpie libre et est le secteur.
Thermodynamique exige que tous les changements spontanés de l'Etat sont accompagnés par une diminution de l'enthalpie libre.
De cela, il est facile de comprendre pourquoi de diminuer la surface d'une masse de liquide est toujours spontanée (), pour autant il n'est pas couplé à tout changement d'énergie. Il s'ensuit que, pour augmenter la surface, une certaine quantité d'énergie doit être ajouté.
Énergie libre de Gibbs est définie par l'équation, où est l'enthalpie et l'entropie. Sur la base de cela et le fait que la tension superficielle est enthalpie libre par unité de surface, il est possible d'obtenir l'expression suivante pour l'entropie par unité de surface:
Kelvin L'équation se pose pour les surfaces en réorganisant les équations précédentes. Il précise que enthalpie de surface ou énergie de surface (différente de l'énergie de surface libre) dépend à la fois la tension de surface et de ses dérivés avec la température à pression constante par la relation.
Thermodynamique de la bulle de savon
La pression à l'intérieur d'une bulle de savon (une surface) idéal peut être dérivée de thermodynamiques des considérations d'énergie libre. A température constante et le nombre de particules, dT = dN = 0, l'énergie de Helmholtz différentielle libre est donnée par
où P est la différence en pression à l'intérieur et à l'extérieur de la bulle, et la tension de surface. En EQuilbrium, dF = 0, et ainsi,
.
Pour une bulle sphérique, le volume et la surface sont donnés simplement à
,
et
.
En substituant ces relations dans l'expression précédente, nous constatons
,
qui est équivalente à l'équation de Young-Laplace lorsque Rx = Ry. Pour des bulles de savon réelles, la pression est doublé en raison de la présence de deux interfaces, une à l'intérieur et un extérieur.
Influence de la température
Influence de la température de la tension superficielle de l'eau pure
la dépendance de la température de la tension superficielle de benzène
La tension superficielle est dépendante de la température. Pour cette raison, quand une valeur est donnée pour la tension superficielle d'une interface, la température doit être explicitement déclaré. La tendance générale est que la tension de surface diminue avec l'augmentation de la température, atteignant une valeur de 0 à la température critique. Pour plus de détails voir l'article ETV. Il ya des équations empiriques ne se rapportent à la tension de surface et la température:
ETV:
Voici V est le volume molaire de cette substance, TC est la température critique et k est une constante valide pour presque toutes les substances. Une valeur typique est k = 2,1 x 107 [J mol K1-2 / 3]. Pour l'eau on peut utilisation ultérieure V = 18 ml / mol et TC = 374 C.
Une variante de VTE est décrite par Ramay et Shields:
où le décalage de température de 6 degrés Kelvin donne la formule avec une meilleure adéquation à la réalité à des températures inférieures.
Guggenheim-Katayama:
est une constante pour chaque liquide et n est un facteur empirique, dont la valeur est 11 / 9 pour les liquides organiques. Cette équation a été également proposé par van der Waals, qui en outre proposé que pourrait être donnée par l'expression, où est une constante universelle pour tous les liquides, et la pression critique de la liquide (bien que des expériences trouvé plus tard de faire varier dans une certaine mesure d'un liquide à un autre).
Les deux-Guggenheim Katayama et ETV prendre en compte le fait que la tension de surface atteint 0 à la température critique, alors que Ramay Shields et ne correspond pas à la réalité à ce point de terminaison.
Influence de la concentration en soluté
Solutés peut avoir des effets différents sur la tension superficielle en fonction de leur structure:
Peu ou pas d'effet, par exemple du sucre
Augmenter la tension de surface, des sels minéraux
Diminuer la surface tension progressivement, les alcools
Diminuer la tension de surface et, une fois minimum est atteint, pas plus d'effet: tensioactifs
Ce qui complique l'effet est que d'un soluté peut exister dans une concentration différente à la surface d'un solvant que dans sa masse. Cette différence varie d'un soluté / combinaison de solvants à l'autre.
Etats isotherme de Gibbs que:
On sait que la concentration de surface, il représente plus de soluté par unité de surface de la surface sur ce qui serait présent si la concentration en vrac a prévalu tout le chemin à la surface. Il a des unités de mol/m2
est la concentration de la substance dans la solution globale.
est la constante des gaz et la température
Certaines hypothèses sont prises dans sa déduction, donc isotherme de Gibbs ne peut être appliquée à l'idéal (très diluée) des solutions à deux composants.
Influence de la taille des particules sur la pression de vapeur
Voir aussi: l'effet Gibbs-Thomson
La relation de Clausius-Clapeyron conduit à une autre équation également attribuée à Kelvin. Il explique pourquoi, en raison de la tension de surface, la pression de vapeur pour de petites gouttelettes de liquide en suspension est supérieure à la pression de vapeur standard de ce même liquide lorsque l'interface est plane. C'est-à-dire que quand un liquide se forme de petites gouttelettes, l'équilibre concentration de ses vapeurs dans son environnement est plus grande. Cela se produit parce que la pression dans la goutte est plus grande qu'à l'extérieur.
Molécules à la surface d'une goutte minuscule (à gauche) ont, en moyenne, moins de voisins que ceux sur une surface plane (à droite). Par conséquent, ils sont liés plus faiblement à la goutte sont des molécules de surface plate.
est la pression de vapeur standard pour que le liquide à cette température et de pression.
est le volume molaire.
est la constante des gaz
rk est le rayon de Kelvin, le rayon des gouttelettes.
L' effet explique la sursaturation des vapeurs. En l'absence de sites de nucléation, de minuscules gouttelettes doit faire avant de pouvoir se transformer en gouttelettes plus grosses. Cela nécessite une pression de vapeur à plusieurs reprises la vapeur pression au point de transition de phase.
Cette équation est aussi utilisée en chimie de catalyseur pour évaluer mésoporosité pour les solides.
L'effet peut être considéré en termes de la moyenne nombre de voisins de molécules de surface (voir schéma).
Le tableau montre quelques valeurs calculées de cet effet pour l'eau à différentes tailles de goutte:
P/P0 pour gouttes d'eau de différents rayons à STP
rayon des gouttelettes (nm)
1000
100
10
1
P/P0
1.001
1.011
1.114
2.95
L' effet devient clair pour les tailles de gouttes très petites, comme une goutte d'un rayon de 1 nm est d'environ 100 molécules à l'intérieur, qui est une petite quantité suffit pour exiger une analyse de la mécanique quantique.
Tableau de données
La tension superficielle de différents liquides dans dyn / cm à l'air
Mélange% s 'sont en poids
dyne / cm est aussi appelé mN / m (milli-Newton par mètre) en unités SI
Liquid
Température C
La tension de surface,
L'acide acétique
20
27.6
Acétique acide (40,1%) + eau
30
40.68
L'acide acétique (10,0%) + eau
30
54.56
L'acétone
20
23.7
Diéthyle l'éther
20
17.0
L'éthanol
20
22.27
L'éthanol (40%) + eau
25
29.63
L'éthanol (11,1%) + eau
25
46.03
Glycérol
20
63
n-hexane
20
18.4
Chlorhydrique 17,7 millions de solution aqueuse d'acide
20
65.95
Isopropanol
20
21.7
Mercury
15
487
Le méthanol
20
22.6
n-Octane
20
21.8
Sodium 6,0 M de chlorure de solution aqueuse
20
82.55
Saccharose (55%) + eau
20
76.45
L'eau
0
75.64
L'eau
25
71.97
L'eau
50
67.91
L'eau
100
58.85
Voir aussi
Anti-brouillard
vague vagues capillaires court sur une surface de l'eau, régie par la tension de surface et l'inertie
Cheerio effet la tendance des petites mouillable objets flottants à attirer un de l'autre.
De cohésion
Nombres adimensionnels
nombre de Bond
nombre capillaire
nombre de Marangoni
Weber nombre
Dortmund Banque de données contient expérimentale des tensions de surface dépend de la température.
vigueur Electrodipping
Electromouillage
ETV règle une règle pour prédire la tension de surface dépend de la température.
canalisation de fluide
Hydrostatique d'équilibre l'effet de gravité qui attire la matière en une forme ronde.
Ménisque courbure de la surface formée par un liquide dans un récipient.
cœur battant Mercury une conséquence de la tension de surface inhomogène.
Microfluidique
technique de la goutte sessile
Spécifiques énergie de surface identique à la tension de surface dans les matériaux isotropes.
Spinning méthode Drop
méthode Stalagmometric
Les valeurs de tension de surface
Tensioactifs substances qui réduisent la tension superficielle.
Larmes de vin le phénomène de tension de surface induit vu sur les côtés des verres contenant des boissons alcoolisées.
longueur Tolman terme principal dans la correction de la tension de surface pour les surfaces courbes.
Mouillage et démouillage
Galerie d'effets
Rupture d'une feuille en mouvement de l'eau rebondit hors d'une cuillère.
Photo de l'eau qui coule adhérant à une main. La tension de surface crée la nappe d'eau entre le flux et la main.
Une bulle de savon soldes tension de surface forces contre la pression pneumatique interne.
La tension superficielle empêche de couler une pièce de monnaie: la monnaie est incontestablement plus dense que l'eau, de sorte qu'il ne peut pas être flottantes en raison de la flottabilité seul.
Une marguerite. L'intégralité de la fleur se trouve en dessous du niveau de la surface (non remanié) gratuitement. L'eau monte doucement autour de son bord. La tension de surface qui empêche l'eau de remplissage de l'air entre les pétales et, éventuellement, submergeant la fleur.
Photo montrant les "larmes de vin" phénomène, qui est induite par une combinaison de modification de tension superficielle de l'eau par de l'éthanol avec l'éthanol s'évapore plus vite que l'eau.
Un trombone métallique flotte sur l'eau. Plusieurs peuvent généralement être soigneusement ajouté sans trop-plein d'eau.
Une pièce en aluminium flotte sur le surface de l'eau à 10C. Tout poids supplémentaire se déroulant la pièce au fond.
Références
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Liens externes
Wikimedia Commons propose des documents multimédia libres sur la tension de surface
bref aperçu de la tension superficielle
Sur la tension de surface et intéressant dans le monde réel cas
Notes de cours du MIT sur la tension superficielle
Théorie de la mesure de la tension de surface
Les tensions superficielles de divers liquides
Calcul de la fonction de la température tensions de surface pour certains composants communs
Le Wall Bubble (diaporama audio de la Haute national Laboratoire des Champs Magnétiques de cohésion, de surface expliquer les tensions et les liaisons hydrogène)
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