Zusammenhalt und Adhäsion
Zunächst versuchen wir, einige Begriffe zu verstehen, die für die Untersuchung der Oberflächenspannung nützlich sind. Flüssigkeit hat Eigenschaften wie Kohäsion. Zusammenhalt ist eine Eigenschaft, bei der ein Flüssigkeitsmolekül ein anderes näheres Molekül anzieht. Adhäsion ist eine Eigenschaft, bei der die flüssigen Moleküle durch festen Oberflächenkontakt mit ihr angezogen werden. Kurz gesagt können wir sagen, dass die Kraft zwischen ähnlichen Molekülen Kohäsion und die Kraft zwischen unterschiedlichen Molekülen Adhäsion ist.
Nehmen wir ein Beispiel.
Wenn wir Quecksilbertröpfchen auf eine Oberfläche fallen lassen, versucht es, sich in Tröpfchen zu bilden, da die Kohäsion höher ist als die Adhäsionskraft. Sie werden feststellen, dass das Quecksilbertröpfchen nicht auf der festen Oberfläche haftet. Der Merkur wird versuchen, sich von der festen Oberfläche fernzuhalten. Es wird keine feste Oberfläche benetzen.
Nehmen wir nun ein anderes Beispiel, wenn wir betrachten, dass Wasserpartikel auf die Oberfläche fallen. Es wird sich über die gesamte Betonoberfläche ausbreiten. Dies geschieht, weil die Adhäsionskraft in diesem Fall signifikanter ist als die Kohäsionskraft. Der Kontaktwinkel zwischen der Flüssigkeit und der festen Oberfläche kann die Benetzung und Nichtbenetzung der Oberfläche beschreiben.
Beziehen Sie sich auf die obige Abbildung. Die Grenzfläche zwischen flüssigem Gas und fester Oberfläche der Flüssigkeit befindet sich an der Stelle der festen Oberfläche, wenn der Winkel weniger als 90 Grad (π / 2) beträgt. Die Benetzung der Oberfläche nimmt mit abnehmendem Winkel zu. Wenn der Winkel mehr als 90 Grad beträgt, benetzt die Flüssigkeit die feste Oberfläche nicht. Der Winkel hängt von der Art der Oberfläche, der Art der Flüssigkeit, der festen Oberfläche und der Sauberkeit ab.
Wenn wir bedenken, kommt reines Wasser mit der sauberen Glasoberfläche in Kontakt. Der Winkel beträgt in diesem Fall 0 (Null) Grad. Wenn wir dem Wasser Verunreinigungen hinzufügen: Der Winkel nimmt mit der Zugabe von Verunreinigungen zu. Wie wir bereits besprochen haben, ist das Quecksilber eine nicht benetzende Flüssigkeit, daher liegt der Winkel zwischen 130 und 150 Grad.
Oberflächenspannung
In Flüssigkeit liegen die Moleküle unter der freien Oberfläche. Jedes Flüssigkeitsmolekül zieht das nahe gelegene Molekül an. Die molekulare Kohäsionskraft ist in alle Richtungen gleich. Alle Kräfte sind gleich groß und entgegengesetzt gerichtet. Es wird also in Flüssigkeit abgebrochen. Dies kann der Grund für das Gleichgewicht in Flüssigkeit sein. In der Flüssigkeit ist keine resultierende Kraft vorhanden.
Angenommen, wir haben die obersten Flüssigkeitsmoleküle betrachtet, die an einer freien Oberfläche liegen, da wir wissen, dass sich keine flüssigen Moleküle darüber befinden. Hier werden sie von flüssigen Molekülen angezogen, die unter ihnen liegen. Diese flüssigen Moleküle der freien Oberfläche fühlen die Zugkraft im Inneren der Flüssigkeit. Diese Kraft wirkt wie eine elastische Kraft. Der pro Flächeneinheit der Oberfläche aufgewendete Wert wird aufgerufen Oberflächenspannung.
Die Oberflächenspannung wird mit Sigma (σ). Oberflächenspannung tritt an der Flüssig-Gas-Grenzfläche, der Flüssig-Flüssig-Grenzfläche auf. Der Grund für die Oberflächenspannung ist eine intermolekulare Anziehungskraft aufgrund der Kohäsion.
Lassen Sie es uns anhand einiger praktischer Beispiele genauer verstehen.
- Sie haben kugelförmige Flüssigkeitstropfen gesehen. Der Grund für seine Kugelform ist die Oberflächenspannung.
- Sie werden vielleicht bemerkt, wenn wir gründlich Wasser in das Glas gießen. Selbst wenn das Glas gefüllt ist, können wir dennoch etwas Wasser über der Glasgrenze hinzufügen.
- Angenommen, wir experimentieren mit einem dünnen Glasrohr auf der Wasseroberfläche. Wir können schnell einen Kapillaranstieg und eine Depression in einem dünnen Glasrohr feststellen.
- Vögel können aufgrund der Oberflächenspannung Wasser aus dem Gewässer trinken.
Obwohl Druck und Schwerkraft höher sind als die Oberflächenspannungskraft, spielt die Oberflächenspannungskraft eine wichtige Rolle, wenn freie Oberfläche und kleine Abmessungen vorhanden sind. Die Einheit der Oberflächenspannung ist N / m. Die Größe der Oberflächenspannung hängt von folgenden Faktoren ab:
- Art der Flüssigkeit
- Art des umgebenden Gases, flüssig oder fest
- Die kinetische Energie von Molekülen
- Temperatur der Moleküle
Wenn wir die Temperatur einer Substanz wie einer Flüssigkeit erhöhen, nimmt die intermolekulare Anziehungskraft ab, da der Abstand zwischen den Molekülen zunimmt. Die Oberflächenspannung hängt von der intermolekularen Anziehung (Kohäsion) ab. Der Wert der Oberflächenspannung für Flüssigkeit wird für Luft als umgebendes Medium genommen.
Die Oberflächenspannung für die Luft-Wasser-Grenzfläche beträgt 0.073 N / m.
Der Wert der Oberflächenspannung nimmt mit zunehmender Temperatur ab.
Kapillar
Wenn ein schmales Rohr ins Wasser getaucht wird, steigt das Wasser in einem bestimmten Niveau im Rohr auf. Diese Art von Rohr wird als a bezeichnet Kapillarrohrund dieses Phänomen wird als Kapillareffekt bezeichnet. Ein anderer Name für den Kapillareffekt ist der Meniskuseffekt.
Der Kapillareffekt ist auf die Oberflächenspannungskraft zurückzuführen. Der Kapillaranstieg und die Depression treten aufgrund der intermolekularen Anziehung von Kohäsion und Adhäsion auf. Die Adhäsionskraft zwischen der Rohroberfläche und einem Wassermolekül ist höher als die Kohäsionskraft zwischen Wassermolekülen. Aus diesem Grund können die Wassermoleküle in konkaver Form auf der Rohroberfläche beobachtet werden.
Das Gewicht der Flüssigkeit steigt oder sinkt in einem Rohr mit kleinem Durchmesser
= (Rohrfläche * Anstieg oder Abfall) * (spezifisches Gewicht)
= (π / 4 * d2* h) w
Vertikelkomponente der Oberflächenspannungskraft
= σ cosθ * Umfang
= σcosθ * πd
Wenn wir das Gleichgewicht betrachten, gleicht die Aufwärtskraft die Abwärtskraft aus, sodass die Kraftkomponente gegeben ist als:
(π / 4 * d2 * h * w) = σ cosθ * πd
H = (4 & sgr; cos & thgr; / wd)
Aus einem Winkel kann beobachtet werden, dass bei einem Winkel zwischen 0 und 90 Grad der Wert von h ist positiv, konkave Formbildung und Kapillaranstieg. Wenn der Winkel zwischen 90 und 180 Grad liegt, wird die h ist negativ, konvexe Formbildung und Kapillardepression.
Wenn die Flüssigkeit Quecksilber ist, ist der Effekt völlig entgegengesetzt. Im Fall von Quecksilber ist die Kohäsionskraft signifikanter als die Adhäsionskraft. Aufgrund dessen bilden die Quecksilbermoleküle auf der Rohroberfläche eine konvexe Form.
Der Kapillareffekt ist umgekehrt proportional zum Rohrdurchmesser. Wenn Sie den Kapillareffekt vermeiden möchten, sollten Sie kein Rohr mit kleinem Durchmesser wählen. Der minimale Rohrdurchmesser wird für Wasser empfohlen und Quecksilber ist 6mm. Die Oberfläche im Rohr sollte sauber sein.
Verdampfung
Verdampfung ist definiert als eine Zustandsänderung von flüssig zu gasförmig. Die Betriebsrate hängt vom Druck- und Temperaturzustand der Flüssigkeit ab.
Betrachten Sie ein Beispiel:
Angenommen, die Flüssigkeit befindet sich im geschlossenen Gefäß. In diesem Gefäß besitzen die Dampfmoleküle einen gewissen Druck. Es heißt Dampfdruck. Wenn der Dampfdruck abnimmt, verlässt das Molekül sehr schnell die Flüssigkeitsoberfläche. Dieses Phänomen ist bekannt als Sieden.
Beim Kochen bilden sich die Blasen in der Flüssigkeit. Diese Blase bewegt sich in die Nähe einer Zone mit höherem Druck und kollabiert aufgrund eines höheren Drucks. Diese kollabierenden Blasen üben einen signifikant höheren Druck um 100 Atmosphärendruck aus. Dieser Druck verursacht eine mechanische Erosion des Metalls. Im Allgemeinen wird dieser Effekt genannt Kavitation. Es ist erforderlich, hydrodynamische Maschinen unter Berücksichtigung der Kavitation zu untersuchen und zu konstruieren.
Kavitation hat beide Seiten vorteilhaft und nicht vorteilhaft. Da wir wissen, dass Kavitation Erosion im Metall verursacht, ist dies nicht vorteilhaft
Einige neue Forschungsbereiche legen kürzlich nahe, dass die hydrodynamische Kavitation für einige chemische und Abwasserbehandlungen nützlich ist. Hydrodynamische Kavitation ist hier also ein nützliches Konzept.
Der Dampfdruck der Flüssigkeit hängt stark von der Temperatur ab: Er steigt mit steigender Temperatur. Bei einer Temperatur von 20 ° C beträgt der Dampfdruck von Wasser 0.235 N / cm2. Der Dampfdruck von Quecksilber beträgt 1.72 * 10-5 N / cm2.
Wenn wir Kavitation in hydraulischen Maschinen vermeiden möchten: Wir sollten nicht zulassen, dass der Flüssigkeitsdruck bei der lokalen Temperatur unter den Dampfdruck fällt.
Sie haben vielleicht schon oft darüber nachgedacht, warum der Quecksilber im Thermometer und Manometer verwendet wird. Warum nicht andere Flüssigkeit?
Ihre Antwort ist hier; Der Quecksilber hat den niedrigsten Dampfdruckwert mit hoher Dichte. Dadurch ist Quecksilber für die Verwendung in Thermometern und Manometern geeignet.
Finden Sie den Kapillareffekt in einem Rohr mit einem Durchmesser von 4 mm. Wenn die Flüssigkeit Wasser ist
Fragen & Antworten
1) Was ist der Unterschied zwischen Kohäsion und Adhäsion?
Kohäsion ist eine Anziehungskraft von Molekülen zwischen derselben Materie, während Adhäsion eine Anziehungskraft zwischen Molekülen verschiedener Materie ist.
2) Der Merkur wird versucht, sich von der Oberfläche fernzuhalten. Warum?
In Quecksilber ist die Kohäsionskraft größer als die Adhäsionskraft. Aus diesem Grund wird Quecksilber als nicht benetzende Flüssigkeit bezeichnet.
3) Was ist die Bedingung für das Benetzen und Nichtbenetzen von Flüssigkeit mit der Oberfläche?
Die Flüssigkeit benetzt die feste Oberfläche um weniger als 90 Grad. Wenn der Winkel größer als 90 Grad ist, benetzt die Flüssigkeit die feste Oberfläche nicht.
4) Erklären Sie die Oberflächenspannung
Die flüssigen Moleküle auf der freien Oberfläche werden von darunter liegenden flüssigen Molekülen angezogen. Diese flüssigen Moleküle der freien Oberfläche fühlen die Zugkraft im Inneren der Flüssigkeit. Diese Kraft wirkt wie eine elastische Kraft. Der pro Flächeneinheit der Oberfläche aufgewendete Wert wird als Oberflächenspannung bezeichnet. Die Oberflächenspannung wird mit Sigma (σ). Oberflächenspannung tritt an der Flüssig-Gas-Grenzfläche, der Flüssig-Flüssig-Grenzfläche auf. Der Grund für die Oberflächenspannung ist eine intermolekulare Anziehungskraft aufgrund der Kohäsion.
5) Nennen Sie einige praktische Beispiele für die Oberflächenspannung.
- Sie werden vielleicht bemerkt, wenn wir gründlich Wasser in das Glas gießen. Selbst wenn das Glas gefüllt ist, können wir dennoch etwas Wasser über der Glasgrenze hinzufügen.
- Angenommen, wir experimentieren mit einem dünnen Glasrohr auf der Wasseroberfläche. Wir können leicht einen Kapillaranstieg und eine Vertiefung in einem dünnen Glasrohr feststellen.
- Vögel können aufgrund der Oberflächenspannung Wasser aus dem Gewässer trinken.
6) Was ist die Einheit der Oberflächenspannung?
Die Einheit der Oberflächenspannung ist N / m.
7) Geben Sie den Wert der Oberflächenspannung für die Luft-Wasser- und Luft-Quecksilber-Grenzfläche bei Standarddruck und -temperatur an.
Die Oberflächenspannung für die Luft-Wasser-Grenzfläche beträgt 0.073 N / m.
Die Oberflächenspannung für die Luft-Quecksilber-Grenzfläche beträgt 0.480 N / m.
8) Was ist der Kapillareffekt?
Wenn das schmale Rohr ins Wasser getaucht wird, steigt das Wasser in einem bestimmten Niveau im Rohr auf. Dieser Röhrentyp wird als Kapillarröhrchen bezeichnet, und dieses Phänomen wird als Kapillareffekt bezeichnet.
9) Gibt es einen Zusammenhang zwischen dem Kapillareffekt und der Oberflächenspannung? Wenn ja, was?
Ja. Der Kapillareffekt ist auf die Oberflächenspannungskraft zurückzuführen. Der Kapillaranstieg und die Depression treten aufgrund der intermolekularen Anziehung von Kohäsion und Adhäsion auf.
10) Definieren: Kochen, Kavitation
Kochen: Die Dampfblasen bilden sich aufgrund von Temperatur- und Druckänderungen in der Flüssigkeit. Das Kochen ist eine Zustandsänderung von Flüssigkeit zu Dampf.
Kavitation: Die Bildung einer Dampfblase innerhalb der Maschine aufgrund des Drucks der Flüssigkeit fällt unter den gesättigten Dampfdruck.
Fragen mit mehreren Antworten
1) Zum Benetzen von Flüssigkeit sollte der Kontaktwinkel θ ________ sein
(a) 0 (b) θ <π / 2 (c) θ> π / 2 (d) Keine
2) Für nicht benetzende Flüssigkeit sollte der Kontaktwinkel θ ________ sein
(a) 0 (b) θ <π / 2 (c) θ> π / 2 (d) Keine
3) Der Wert der Oberflächenspannung nimmt mit __________ ab
(a) Konstanter Druck
(B) Temperaturerhöhung
(c) Druckanstieg
(d) Temperaturabfall
4) Wenn der Wertwinkel zwischen 0 und 90 liegt, was passiert dann beim Kapillareffekt?
(A) h ist positiv bei konkaver Formbildung
(b) h ist negativ mit konkaver Formbildung
(c) h ist negativ mit konvexer Formbildung
(d) h ist positiv bei konvexer Formbildung
5) Warum wird Quecksilber in Thermometern und Manometern verwendet?
(a) Hoher Dampfdruck und niedrige Dichte
(b) Hoher Dampfdruck und hohe Dichte
(c) Niedriger Dampfdruck und niedrige Dichte
(D) Niedriger Dampfdruck und hohe Dichte
6) Was ist ca. kollabierender Blasendruck bei Kavitationsphänomenen?
(a) Ungefähr 20 atmosphärischer Druck
(b) Etwa 50 atmosphärischer Druck
(c) Etwa 75 atmosphärischer Druck
(D) Rund 100 atmosphärischer Druck
7) Wie hoch ist der Dampfdruck von Wasser bei 20 ° C?
(a) 0.126 N / cm²
(b) 0.513 N / cm²
(C) 0.235 N / cm²
(d) 0.995 N / cm²
8) Wie hoch ist der Dampfdruck von Quecksilber bei 20 ° C?
(a) 1.25 · 10 & supmin; & sup5; N / cm²
(B) 1.72 * 10-5 N / cm²
(c) 1.5 · 10 & supmin; & sup5; N / cm²
(d) 1.25 N / cm²
Zusammenfassung
In diesem Artikel lernen Sie das Konzept der Oberflächenspannung, des Kapillareffekts, der Kavitation, der Verdunstung und seiner Auswirkungen kennen. Einige der praktischen Beispiele sind in diesem Artikel enthalten, um sie praktisch darzustellen. Es wurde versucht, Sie dazu zu bringen, das Konzept der Strömungsmechanik mit Ihrem täglichen Leben in Beziehung zu setzen.
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Ich bin Deepak Kumar Jani und promoviere in Mechanik und erneuerbaren Energien. Ich verfüge über fünf Jahre Lehrerfahrung und zwei Jahre Forschungserfahrung. Meine Interessengebiete sind Wärmetechnik, Automobiltechnik, mechanische Messung, technisches Zeichnen, Strömungsmechanik usw. Ich habe ein Patent zum Thema „Hybridisierung grüner Energie zur Stromerzeugung“ angemeldet. Ich habe 17 Forschungsarbeiten und zwei Bücher veröffentlicht.
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