Coesione e adesione
Prima di tutto cerchiamo di capire alcuni termini utili nello studio della tensione superficiale. Il liquido ha proprietà come la coesione. Coesione è una proprietà in cui una molecola di liquido attrae un'altra molecola più vicina. Adesione è una proprietà in cui le molecole del fluido sono attratte dal contatto superficiale solido con esso. In breve, possiamo dire che la forza tra molecole simili è Coesione e la forza tra molecole dissimili è adesione.
Facciamo un esempio.
Se lasciamo cadere una goccia di mercurio su qualsiasi superficie, cerca di formarsi in goccioline perché la coesione è superiore alla forza di adesione. Riceverai un avviso che la gocciolina di mercurio non si attacca alla superficie solida. Il Mercury cercherà di stare lontano dalla superficie solida; non bagnerà la superficie solida.
Facciamo ora un altro esempio se consideriamo le particelle d'acqua che cadono sulla superficie. Si diffonderà su tutta la superficie del calcestruzzo. Succede perché la forza di attrazione è più significativa della forza coesiva in quel caso. L'angolo di contatto tra il liquido e la superficie solida può descrivere la bagnatura e la non bagnatura della superficie.
Fare riferimento alla figura sopra, il gas liquido e la superficie solida si interfacciano con il liquido sulla superficie solida quando l'angolo è inferiore a 90 gradi (π / 2). La bagnabilità della superficie aumenta al diminuire dell'angolo. Se l'angolo è superiore a 90 gradi, il liquido non bagnerà la superficie solida. L'angolo dipende dalla natura della superficie, dai tipi di liquido, dalla superficie solida e dalla pulizia.
Se consideriamo che l'acqua pura viene a contatto con la superficie del vetro pulita. L'angolo è 0 (zero) gradi in quel caso. Se aggiungiamo impurità nell'acqua: L'angolo aumenterà con l'aggiunta di impurità. Come abbiamo discusso, il mercurio è un liquido non bagnante, quindi l'angolo è compreso tra 130 e 150 gradi.
Tensione superficiale
Nel liquido, le molecole giacciono sotto la superficie libera. Ogni molecola di liquido attira la molecola vicina. La forza di coesione molecolare è la stessa in tutte le direzioni. Tutte le forze sono le stesse in grandezza e opposte in direzione. Quindi, verrà annullato in liquido. Può essere la ragione dell'equilibrio nel liquido. Non è presente alcuna forza risultante nel liquido.
Supponiamo di aver considerato le molecole più alte di liquido che giacciono su una superficie libera poiché sappiamo che non ci sono molecole liquide su di esse. Quindi qui, vengono attratti dalle molecole liquide che si trovano sotto di loro. Queste molecole di liquido a superficie libera percepiranno la forza di trazione all'interno del liquido. Questa forza agisce come una forza elastica. Viene chiamato Speso per unità di superficie della superficie tensione superficiale.
La tensione superficiale è indicata da Sigma (σ). La tensione superficiale si verifica all'interfaccia liquido-gas, interfaccia liquido-liquido. La ragione alla base della tensione superficiale è un'attrazione intermolecolare dovuta alla coesione.
Comprendiamolo in profondità considerando alcuni esempi pratici,
- Hai visto goccioline liquide di forma sferica. Il motivo dietro la sua forma sferica è la tensione superficiale.
- Potresti notare che se versiamo abbondantemente l'acqua all'interno del bicchiere. Anche se il bicchiere è pieno, possiamo comunque aggiungere dell'acqua oltre il limite del bicchiere.
- Supponiamo di sperimentare con un sottile tubo di vetro sulla superficie dell'acqua. Possiamo notare rapidamente un aumento e una depressione capillare all'interno di un sottile tubo di vetro.
- Gli uccelli possono bere l'acqua dal corpo idrico a causa della tensione superficiale.
Sebbene la pressione e la forza di gravità siano superiori alla forza di tensione superficiale, la forza di tensione superficiale gioca un ruolo importante quando ci sono superficie libera e piccole dimensioni. L'unità di tensione superficiale è N / m. L'entità della tensione superficiale dipende dai seguenti fattori:
- Tipo di liquido
- Tipo di gas allo stato circostante, liquido o solido
- L'energia cinetica delle molecole
- Temperatura delle molecole
Se aumentiamo la temperatura di una sostanza come un liquido, l'attrazione intermolecolare diminuisce perché aumenta la distanza tra le molecole. La tensione superficiale dipende dall'attrazione intermolecolare (coesione). Il valore della tensione superficiale per il liquido è preso per l'aria come mezzo circostante,
La tensione superficiale per l'interfaccia aria-acqua è 0.073 N / m.
Il valore della tensione superficiale diminuisce con l'aumentare della temperatura.
capillare
Se un tubo stretto viene immerso nell'acqua, l'acqua salirà all'interno del tubo a un certo livello. Questo tipo di tubo è chiamato a tubo capillaree questo fenomeno è chiamato effetto capillare. Un altro nome dell'effetto capillare è l'effetto menisco.
L'effetto capillare è dovuto alla forza di tensione superficiale. L'aumento e la depressione capillare avvengono a causa della coesione e dell'adesione dell'attrazione intermolecolare. La forza di adesione tra la superficie del tubo e una molecola d'acqua è maggiore della forza di coesione tra le molecole d'acqua. Per questo motivo, le molecole d'acqua possono essere osservate in forma concava sulla superficie del tubo.
Il peso del liquido sale o si abbassa nel tubo di piccolo diametro
= (Area del tubo * Salita o discesa) * (peso specifico)
= (π / 4 * d2* h) w
Componente verticale della forza di tensione superficiale
= σ cosθ * circonferenza
= σ cosθ * πd
Se consideriamo l'equilibrio, la forza verso l'alto bilancia la forza verso il basso, quindi la componente della forza è data come,
(π / 4 * d2 * h * w) = σ cosθ * πd
H = (4 σ cosθ / wd)
Si può osservare da un angolo che se l'angolo è compreso tra 0 e 90 gradi, il valore di h è positivo, formazione di forma concava e risalita capillare. Se l'angolo è compreso tra 90 e 180 gradi, il h è negativo, formazione di forma convessa e depressione capillare.
Se il liquido è Mercurio, l'effetto è completamente opposto. Nel caso del mercurio, la forza di coesione è più significativa della forza di adesione. A causa di ciò, le molecole di mercurio formano una forma convessa sulla superficie del tubo.
L'effetto capillare è inversamente proporzionale al diametro del tubo. Se vuoi evitare l'effetto capillare, non dovresti scegliere un tubo di piccolo diametro. Il diametro minimo del tubo è consigliato per l'acqua e Mercury lo è 6 mm. La superficie all'interno del tubo dovrebbe essere pulita.
Evaporazione
L'evaporazione è definita come un cambiamento di stato da liquido a gassoso. La velocità di funzionamento dipende dalle condizioni di pressione e temperatura del liquido.
Considera un esempio,
Supponiamo che il liquido sia all'interno del recipiente chiuso. In questo vaso, le molecole di vapore possiedono una certa pressione. Si chiama pressione di vapore. Se la pressione del vapore inizia a diminuire, la molecola inizia a partire dalla superficie del liquido molto velocemente, questo fenomeno è noto come bollente.
In ebollizione, le bolle si formano all'interno del liquido. Questa bolla si sposta vicino alla zona di pressione più alta e collassa a causa della pressione più alta. Queste bolle che collassano esercitano una pressione significativamente più alta intorno a 100 pressioni atmosferiche. Questa pressione provoca l'erosione meccanica sul metallo. Comunemente, questo effetto è chiamato cavitazione. È necessario studiare e progettare macchinari idrodinamici considerando la Cavitazione.
La cavitazione ha entrambi i lati benefici e non. Come sappiamo che la cavitazione provoca l'erosione del metallo, quindi non è benefico
Alcune nuove aree di ricerca suggeriscono recentemente che la cavitazione idrodinamica è utile per alcuni trattamenti chimici e delle acque reflue. Quindi qui, la cavitazione idrodinamica è un concetto vantaggioso.
La tensione di vapore del liquido dipende fortemente dalla temperatura: aumenta con l'aumentare della temperatura. Alla temperatura di 20 ° C, la pressione del vapore dell'acqua è 0.235 N / cm2. La tensione di vapore di Mercurio è 1.72 * 10-5 N / cm2.
Se vogliamo evitare la cavitazione nei macchinari idraulici: Non dobbiamo permettere che la pressione del liquido scenda al di sotto della pressione del vapore alla temperatura locale.
Potresti aver pensato molte volte al motivo per cui il mercurio viene utilizzato all'interno del termometro e del manometro. Perché non altro liquido?
La tua risposta è qui; il Mercurio ha il valore più basso di tensione di vapore con alta densità. Il suo mercurio rende adatto per l'uso in termometro e manometro.
Trova l'effetto capillare in un tubo di diametro 4 mm. Quando il liquido è acqua
domande e risposte
1) Qual è la differenza tra coesione e adesione?
La coesione è una forza di attrazione di molecole tra la stessa materia mentre l'adesione è un'attrazione tra molecole di materia diversa.
2) Il Mercury si cerca di stare lontano dalla superficie, perché?
In Mercury, la forza di coesione è maggiore della forza di adesione. Per questo motivo, il mercurio è chiamato liquido non bagnante.
3) Qual è la condizione per bagnare e non bagnare il liquido con la superficie?
Il liquido bagnerà la superficie solida è inferiore a 90 gradi. Se l'angolo è maggiore di 90 gradi, il liquido non bagnerà la superficie solida.
4) Spiegare la tensione superficiale
Le molecole liquide sulla superficie libera vengono attratte dalle molecole liquide che si trovano sotto di loro. Queste molecole di liquido a superficie libera percepiranno la forza di trazione all'interno del liquido. Questa forza agisce come una forza elastica. La spesa per unità di superficie della superficie è chiamata tensione superficiale. La tensione superficiale è indicata da Sigma (σ). La tensione superficiale si verifica all'interfaccia liquido-gas, interfaccia liquido-liquido. La ragione alla base della tensione superficiale è un'attrazione intermolecolare dovuta alla coesione.
5) Fornire alcuni esempi pratici di tensione superficiale.
- Potresti notare che se versiamo abbondantemente l'acqua all'interno del bicchiere. Anche se il bicchiere è pieno, possiamo comunque aggiungere dell'acqua oltre il limite del bicchiere.
- Supponiamo di sperimentare con un sottile tubo di vetro sulla superficie dell'acqua. Possiamo facilmente notare un aumento e una depressione capillare all'interno di un sottile tubo di vetro.
- Gli uccelli possono bere l'acqua dal corpo idrico a causa della tensione superficiale.
6) Qual è l'unità di tensione superficiale?
L'unità di tensione superficiale è N / m.
7) Fornire il valore della tensione superficiale per l'interfaccia aria-acqua e aria-mercurio a pressione e temperatura standard.
La tensione superficiale per l'interfaccia aria-acqua è 0.073 N / m.
La tensione superficiale per l'interfaccia aria-mercurio è di 0.480 N / m.
8) Qual è l'effetto capillare?
Se il tubo stretto viene immerso nell'acqua, l'acqua salirà all'interno del tubo a un certo livello. Questo tipo di tubo è chiamato tubo capillare e questo fenomeno è chiamato effetto capillare.
9) C'è qualche relazione tra l'effetto capillare e la tensione superficiale? Se sì, cosa?
Sì. L'effetto capillare è dovuto alla forza di tensione superficiale. L'aumento e la depressione capillare avvengono a causa della coesione e dell'adesione dell'attrazione intermolecolare.
10) Definire: ebollizione, cavitazione
Ebollizione: le bolle di vapore si formano all'interno del liquido a causa del cambiamento di temperatura e pressione. L'ebollizione è un cambiamento di stato da liquido a vapore.
Cavitazione: La formazione di una bolla di vapore all'interno dei macchinari a causa della pressione del liquido scende al di sotto della pressione del vapore saturo.
Domande a scelta multipla
1) Per bagnare il liquido, l'angolo di contatto θ dovrebbe essere ________
(a) 0 (b) θ <π / 2 (c) θ> π / 2 (d) Nessuno
2) Per il liquido non bagnante, l'angolo di contatto θ dovrebbe essere ________
(a) 0 (b) θ <π / 2 (c) θ> π / 2 (d) Nessuno
3) Diminuzione del valore della tensione superficiale con __________
(a) Pressione costante
(B) Aumento della temperatura
(c) Aumento della pressione
(d) Diminuzione della temperatura
4) Se il valore dell'angolo è compreso tra 0 e 90, cosa succede in effetto capillare?
(A) h è positivo con formazione di forma concava
(b) h è negativo con formazione di forma concava
(c) h è negativo con formazione di forma convessa
(d) h è positivo con formazione di forma convessa
5) Perché il mercurio viene utilizzato nel termometro e nel manometro?
(a) Alta pressione di vapore e bassa densità
(b) Alta pressione di vapore e alta densità
(c) Bassa pressione di vapore e bassa densità
(D) Bassa pressione di vapore e alta densità
6) Che cos'è ca. pressione di collasso delle bolle nei fenomeni di cavitazione?
(a) Circa 20 pressione atmosferica
(b) Circa 50 pressione atmosferica
(c) Circa 75 pressione atmosferica
(D) Circa 100 pressione atmosferica
7) Qual è il valore della tensione di vapore dell'acqua alla temperatura di 20 ° C?
(a) 0.126 N / cm2
(b) 0.513 N / cm2
(C) 0.235 N / cm2
(d) 0.995 N / cm2
8) Qual è il valore della tensione di vapore del mercurio alla temperatura di 20 ° C?
(a) 1.25 * 10-5 N / cm2
(B) 1.72 * 10-5 N / cm2
(c) 1.5 * 10-5 N / cm2
(d) 1.25 N / cm2
Conclusione
Questo articolo è presentato per comprendere il concetto di tensione superficiale, effetto capillare, cavitazione, evaporazione e suoi effetti. Alcuni degli esempi pratici sono inclusi in questo articolo per rappresentarlo praticamente. Lo sforzo è stato fatto per farti correlare il concetto di meccanica dei fluidi con la tua vita quotidiana.
Per saperne di più sulla meccanica dei fluidi, per favore clicca qui.
Sono Deepak Kumar Jani, sto perseguendo il dottorato in energia meccanica e rinnovabile. Ho cinque anni di insegnamento e due anni di esperienza di ricerca. La mia area tematica di interesse è l'ingegneria termica, l'ingegneria automobilistica, la misurazione meccanica, il disegno tecnico, la meccanica dei fluidi ecc. Ho depositato un brevetto su "Ibridazione di energia verde per la produzione di energia". Ho pubblicato 17 articoli di ricerca e due libri.
Sono felice di far parte di Lambdageeks e vorrei presentare ai lettori parte della mia esperienza in modo semplicistico.
A parte gli studi accademici e la ricerca, mi piace vagare nella natura, catturarla e creare consapevolezza sulla natura tra le persone.
Consulta anche il mio canale You-tube riguardante “Invito dalla Natura”
Ciao amico lettore,
Siamo una piccola squadra alla Techiescience, che lavora duro tra i grandi player. Se ti piace quello che vedi, condividi i nostri contenuti sui social media. Il tuo supporto fa una grande differenza. Grazie!