Área de tensão superficial. Comece na ciência. Coeficiente de tensão superficial da água

A tensão superficial da água é uma das propriedades mais interessantes da água.

Aqui estão várias definições deste termo de fontes competentes.

A tensão superficial é...

Grande Enciclopédia Médica

A tensão superficial (ST) é a força de atração com a qual cada seção do filme superficial (a superfície livre de um líquido ou qualquer interface entre duas fases) atua em partes adjacentes da superfície. Pressão interna e P. n. A camada superficial do líquido se comporta como uma membrana elástica esticada. De acordo com a ideia desenvolvida pelo Cap. arr. Laplace, esta propriedade das superfícies líquidas depende de “forças moleculares de atração, que diminuem rapidamente com a distância. Dentro de um líquido homogêneo, as forças que atuam sobre cada molécula das moléculas que a cercam são mutuamente equilibradas. Mas perto da superfície, as forças resultantes da atração molecular são direcionadas para dentro; tende a atrair moléculas superficiais para a espessura do líquido. Como resultado, toda a camada superficial, como um filme elástico esticado, exerce uma pressão muito significativa sobre a massa interna do líquido na direção normal à superfície. Pelos cálculos, essa “pressão interna”, sob a qual se encontra toda a massa de líquido, atinge vários milhares de atmosferas. Aumenta em uma superfície convexa e diminui em uma superfície côncava. Devido à tendência da energia livre ao mínimo, qualquer líquido tende a assumir uma forma em que sua superfície - local de ação das forças superficiais - tenha o menor tamanho possível. Quanto maior a superfície de um líquido, maior a área que seu filme superficial ocupa e maior o fornecimento de energia superficial livre liberada durante sua contração. A tensão com a qual cada seção do filme superficial contraído atua nas partes adjacentes (em uma direção paralela à superfície livre) é chamada de tensão. Em contraste com a tensão elástica de um corpo esticado elástico, P. n. não enfraquece à medida que o filme superficial se contrai. ... A tensão superficial é igual ao trabalho que deve ser realizado para aumentar em um a superfície livre de um líquido. P.n. observado na interface de um líquido com um gás (também com seu próprio vapor), com outro líquido imiscível ou com um sólido. Da mesma forma, um corpo sólido possui P. n. na fronteira com gases e líquidos. Ao contrário de P. n., em que um líquido (ou sólido) tem em sua superfície livre um meio gasoso limítrofe, a tensão na fronteira interna de duas fases líquidas (ou líquida e sólida) é convenientemente designada por um termo especial adotado na literatura alemã, o termo “tensão fronteiriça” (Grenzflachenspannung). Se uma substância for dissolvida em um líquido que reduza seu P. n., então a energia livre diminui não apenas pela redução do tamanho da superfície limite, mas também através da adsorção: uma substância surfactante (ou ativa capilar) se acumula em maior concentração na camada superficial...
…

Grande enciclopédia médica. 1970

Todos os itens acima podem ser resumidos desta forma - as moléculas que estão na superfície de qualquer líquido, incluindo a água, são atraídas por outras moléculas dentro do líquido, como resultado do surgimento da tensão superficial. Ressaltamos que este é um entendimento simplificado desta propriedade.

Tensão superficial da água

Para entender melhor essa propriedade, aqui estão diversas manifestações da tensão superficial da água na vida real:

  • Quando vemos água pingando da ponta de uma torneira em vez de fluir, esta é a tensão superficial da água;
  • Quando uma gota de chuva em voo assume uma forma redonda e ligeiramente alongada, esta é a tensão superficial da água;
  • Quando a água em uma superfície impermeável assume uma forma esférica, esta é a tensão superficial da água;
  • As ondulações que aparecem quando o vento sopra na superfície dos reservatórios também são uma manifestação da tensão superficial da água;
  • A água no espaço assume forma esférica devido à tensão superficial;
  • O inseto strider aquático flutua na superfície da água precisamente graças a essa propriedade da água;
  • Se você colocar cuidadosamente uma agulha na superfície da água, ela flutuará;
  • Se derramarmos alternadamente líquidos de diferentes densidades e cores em um copo, veremos que eles não se misturam;
  • Bolhas de sabão arco-íris também são uma manifestação maravilhosa de tensão superficial.

Coeficiente de tensão superficial

Dicionário explicativo terminológico politécnico

O coeficiente de tensão superficial é a densidade linear da força de tensão superficial na superfície de um líquido ou na interface entre dois líquidos imiscíveis.

Dicionário explicativo terminológico politécnico. Compilação: V. Butakov, I. Fagradyants. 2014

Abaixo apresentamos os valores do coeficiente de tensão superficial (K.s.n.) para diversos líquidos à temperatura de 20°C:

  • Ph.D. acetona - 0,0233 Newton/Metro;
  • Ph.D. benzeno - 0,0289 Newton/Metro;
  • Ph.D. água destilada - 0,0727 Newton/Metro;
  • Ph.D. glicerol - 0,0657 Newton/Metro;
  • Ph.D. querosene - 0,0289 Newton/Metro;
  • Ph.D. mercúrio - 0,4650 Newton/Metro;
  • Ph.D. álcool etílico - 0,0223 Newton/Metro;
  • Ph.D. éter - 0,0171 Newton/Metro.

Coeficiente de tensão superficial da água

O coeficiente de tensão superficial depende da temperatura do líquido. Apresentamos seus valores em diferentes temperaturas da água.

  • A uma temperatura de 0°C - 75,64 σ, 10 –3 Newton/Metro;
  • A uma temperatura de 10°C - 74,22 σ, 10 –3 Newton/Metro;
  • A uma temperatura de 20°C - 72,25 σ, 10 –3 Newton/Metro;
  • A uma temperatura de 30°C - 71,18 σ, 10 –3 Newton/Metro;
  • A uma temperatura de 40°C - 69,56 σ, 10 –3 Newton/Metro;
  • A uma temperatura de 50°C - 67,91 σ, 10 –3 Newton/Metro;
  • A uma temperatura de 60°C - 66,18 σ, 10 –3 Newton/Metro;
  • A uma temperatura de 70°C - 64,42 σ, 10 –3 Newton/Metro;
  • A uma temperatura de 80°C - 62,61 σ, 10 –3 Newton/Metro;
  • A uma temperatura de 90°C - 60,75 σ, 10 –3 Newton/Metro;
  • A uma temperatura de 100°C - 58,85 σ, 10 -3 Newton/Metro.

Esta lição discutirá líquidos e suas propriedades. Do ponto de vista da física moderna, os líquidos são o objeto de pesquisa mais difícil, pois em comparação com os gases não é mais possível falar em energia desprezível de interação entre moléculas, e em comparação com os sólidos é impossível falar sobre o arranjo ordenado de moléculas líquidas (não há ordem de longo alcance em um líquido). Isso leva ao fato de que os líquidos possuem uma série de propriedades interessantes e suas manifestações. Uma dessas propriedades será discutida nesta lição.

Para começar, vamos discutir as propriedades especiais que as moléculas na camada superficial de um líquido têm em comparação com as moléculas localizadas no volume.

Arroz. 1. Diferença entre moléculas da camada superficial e moléculas localizadas na maior parte do líquido

Vamos considerar duas moléculas A e B. A molécula A está dentro do líquido, a molécula B está em sua superfície (Fig. 1). A molécula A é uniformemente cercada por outras moléculas do líquido, de modo que as forças que atuam na molécula A das moléculas que caem na esfera de interação intermolecular são compensadas, ou sua resultante é zero.

O que acontece com a molécula B, que está localizada na superfície do líquido? Lembremos que a concentração de moléculas de gás localizadas acima do líquido é muito menor que a concentração de moléculas de líquido. A molécula B é cercada de um lado por moléculas líquidas e do outro lado por moléculas de gás altamente rarefeitas. Como muito mais moléculas atuam sobre ele do lado do líquido, a resultante de todas as forças intermoleculares será direcionada para o líquido.

Assim, para que uma molécula das profundezas do líquido entre na camada superficial, deve ser realizado trabalho contra forças intermoleculares não compensadas.

Lembre-se de que trabalho é a variação da energia potencial considerada com sinal negativo.

Isso significa que as moléculas da camada superficial, em comparação com as moléculas do interior do líquido, possuem excesso de energia potencial.

Esse excesso de energia é um componente da energia interna do líquido e é chamado energia superficial. É designada como e é medida, como qualquer outra energia, em joules.

Obviamente, quanto maior a área superficial do líquido, mais moléculas possuem excesso de energia potencial e, portanto, maior será a energia superficial. Este fato pode ser escrito na forma da seguinte relação:

,

onde está a área da superfície e é o coeficiente de proporcionalidade, que chamaremos coeficiente de tensão superficial, este coeficiente caracteriza este ou aquele líquido. Vamos escrever uma definição estrita desta quantidade.

A tensão superficial de um líquido (coeficiente de tensão superficial de um líquido) é uma quantidade física que caracteriza um determinado líquido e é igual à razão entre a energia superficial e a área superficial do líquido

O coeficiente de tensão superficial é medido em newtons dividido por metro.

Vamos discutir de que depende o coeficiente de tensão superficial de um líquido. Para começar, lembremos que o coeficiente de tensão superficial caracteriza a energia específica de interação das moléculas, o que significa que os fatores que alteram essa energia também alterarão o coeficiente de tensão superficial do líquido.

Portanto, o coeficiente de tensão superficial depende de:

1. A natureza do líquido (líquidos “voláteis”, como éter, álcool e gasolina, têm menos tensão superficial do que líquidos “não voláteis” - água, mercúrio e metais líquidos).

2. Temperaturas (quanto maior a temperatura, menor a tensão superficial).

3. Presença de surfactantes que reduzem a tensão superficial (surfactantes), como sabão ou sabão em pó.

4. Propriedades do gás que faz fronteira com o líquido.

Observe que o coeficiente de tensão superficial não depende da área superficial, uma vez que para uma molécula individual próxima à superfície não importa quantas moléculas semelhantes existem ao redor. Preste atenção na tabela que mostra os coeficientes de tensão superficial de várias substâncias à temperatura:

Tabela 1. Coeficientes de tensão superficial de líquidos na interface com o ar, em

Assim, as moléculas da camada superficial possuem excesso de energia potencial em comparação com as moléculas da maior parte do líquido. No curso de mecânica foi demonstrado que qualquer sistema tende a um mínimo de energia potencial. Por exemplo, um corpo atirado de uma certa altura tenderá a cair. Além disso, você se sente muito mais confortável deitado, pois neste caso o centro de massa do seu corpo fica o mais baixo possível. A que leva o desejo de reduzir a energia potencial no caso de um líquido? Como a energia superficial depende da área superficial, é energeticamente desvantajoso para qualquer líquido ter uma grande área superficial. Em outras palavras, no estado livre, o líquido tenderá a tornar sua superfície mínima.

Você pode verificar isso facilmente experimentando uma película de sabão. Se você mergulhar uma determinada armação de arame em uma solução de sabão, uma película de sabão se formará sobre ela, e o filme assumirá uma forma tal que sua área de superfície seja mínima (Fig. 2).

Arroz. 2. Figuras de solução de sabão

Você pode verificar a existência de forças de tensão superficial usando um experimento simples. Se um fio for amarrado a um anel de arame em dois lugares, de modo que o comprimento do fio seja ligeiramente maior que o comprimento da corda que conecta os pontos de fixação do fio, mergulhe o anel de arame em uma solução de sabão (Fig. 3a), a película de sabão cobrirá toda a superfície do anel e o fio ficará sobre a película de sabão. Se você rasgar agora a película de um lado da linha, a película de sabão restante do outro lado da linha irá se contrair e apertar a linha (Fig. 3b).

Arroz. 3. Experiência para detectar forças de tensão superficial

Por quê isso aconteceu? O fato é que a solução de sabão que fica por cima, ou seja, o líquido, tende a reduzir sua área superficial. Assim, o fio é puxado para cima.

Portanto, estamos convencidos da existência de tensão superficial. Agora vamos aprender como calculá-lo. Para fazer isso, vamos realizar um experimento mental. Vamos abaixar uma armação de arame na solução de sabão, com um dos lados móvel (Fig. 4). Esticaremos a película de sabão aplicando uma força no lado móvel da moldura. Assim, três forças atuam na barra transversal - uma força externa e duas forças de tensão superficial atuando ao longo de cada superfície do filme. Usando a segunda lei de Newton, podemos escrever que

Arroz. 4. Cálculo da força de tensão superficial

Se, sob a influência de uma força externa, a barra se mover uma distância, então esta força externa realizará trabalho

Naturalmente, devido a este trabalho, a área superficial do filme aumentará, o que significa que a energia superficial também aumentará, o que podemos determinar através do coeficiente de tensão superficial:

A mudança de área, por sua vez, pode ser determinada da seguinte forma:

onde é o comprimento da parte móvel da estrutura de arame. Levando isso em consideração, podemos escrever que o trabalho realizado pela força externa é igual a

Igualando os lados direitos em (*) e (**), obtemos uma expressão para a força de tensão superficial:

Assim, o coeficiente de tensão superficial é numericamente igual à força de tensão superficial, que atua por unidade de comprimento da linha que delimita a superfície

Assim, estamos mais uma vez convencidos de que o líquido tende a assumir uma forma tal que sua área superficial é mínima. Pode-se mostrar que para um determinado volume a área superficial de uma esfera será mínima. Assim, se nenhuma outra força atuar sobre o líquido ou se seu efeito for pequeno, o líquido tenderá a assumir uma forma esférica. É assim que, por exemplo, a água se comportará na gravidade zero (Fig. 5) ou nas bolhas de sabão (Fig. 6).

Arroz. 5. Água em gravidade zero

Arroz. 6. Bolhas de sabão

A presença de forças de tensão superficial também pode explicar por que uma agulha de metal “repousa” na superfície da água (Fig. 7). Uma agulha cuidadosamente colocada sobre uma superfície a deforma, aumentando assim a área dessa superfície. Assim, surge uma força de tensão superficial, que tende a reduzir tal mudança de área. As forças resultantes da tensão superficial serão direcionadas para cima e compensarão a força da gravidade.


Arroz. 7. Agulha na superfície da água

O princípio de funcionamento de uma pipeta pode ser explicado da mesma forma. A gota, que é afetada pela gravidade, é puxada para baixo, aumentando assim a sua área de superfície. Naturalmente, surgem forças de tensão superficial, cuja resultante é oposta à direção da gravidade e que impedem o estiramento da gota (Fig. 8). Ao pressionar a tampa de borracha da pipeta, você cria pressão adicional, o que ajuda a gravidade e, como resultado, a gota cai.

Arroz. 8. Como funciona a pipeta

Vamos dar outro exemplo da vida cotidiana. Se você mergulhar um pincel em um copo d'água, os pelos ficarão arrepiados. Se você tirar agora esta escova da água, notará que todos os fios estão grudados uns nos outros. Isso se deve ao fato de que a área superficial de água aderida ao pincel será então mínima.

E mais um exemplo. Se você quiser construir um castelo com areia seca, é improvável que tenha sucesso, pois a areia se desintegrará sob a influência da gravidade. Porém, se você molhar a areia, ela manterá sua forma devido às forças de tensão superficial da água entre os grãos de areia.

Por fim, notamos que a teoria da tensão superficial ajuda a encontrar analogias bonitas e simples para resolver problemas físicos mais complexos. Por exemplo, quando você precisa construir uma estrutura leve e ao mesmo tempo forte, a física do que acontece nas bolhas de sabão vem em socorro. E foi possível construir o primeiro modelo adequado do núcleo atômico comparando esse núcleo atômico a uma gota de líquido carregado.

Bibliografia

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Trabalho de casa

  1. Depois de resolver os problemas desta lição, você pode se preparar para as questões 7,8,9 do Exame Estadual e para as questões A8, A9, A10 do Exame Estadual Unificado.
  2. Gelfgat I.M., Nenashev I.Yu. "Física. Coleção de problemas para a 10ª série" 5,34, 5,43, 5,44, 5,47 ()
  3. Com base no problema 5.47, determine o coeficiente de tensão superficial da solução de água e sabão.

Lista de perguntas e respostas

Pergunta: Por que a tensão superficial muda com a temperatura?

Responder:À medida que a temperatura aumenta, as moléculas do líquido começam a se mover mais rápido e, portanto, as moléculas superam mais facilmente as forças potenciais de atração. O que leva a uma diminuição das forças de tensão superficial, que são forças potenciais que ligam as moléculas da camada superficial de um líquido.

Pergunta: O coeficiente de tensão superficial depende da densidade do líquido?

Responder: Sim, é verdade, uma vez que a energia das moléculas na camada superficial do líquido depende da densidade do líquido.

Pergunta: Que métodos existem para determinar o coeficiente de tensão superficial de um líquido?

Responder: No curso escolar, duas formas de determinar o coeficiente de tensão superficial de um líquido são estudadas. O primeiro é o método de rasgamento de arame, seu princípio é descrito no problema 5.44 do trabalho de casa, o segundo é o método de contagem de gotas, descrito no problema 5.47.

Pergunta: Por que as bolhas de sabão desmoronam depois de um tempo?

Responder: O fato é que depois de algum tempo, sob a influência da gravidade, a bolha fica mais espessa no fundo do que no topo e então, sob a influência da evaporação, desmorona em algum momento. Isso leva ao fato de que toda a bolha, como um balão, entra em colapso sob a influência de forças de tensão superficial não compensadas.

A tensão superficial descreve a capacidade de um líquido resistir à gravidade. Por exemplo, a água na superfície de uma mesa forma gotículas porque as moléculas de água são atraídas umas pelas outras, o que neutraliza a força da gravidade. É graças à tensão superficial que objetos mais pesados, como insetos, podem permanecer na superfície da água. A tensão superficial é medida em força (N) dividida pela unidade de comprimento (m), ou a quantidade de energia por unidade de área. A força com a qual as moléculas de água interagem (força coesiva) causa tensão, resultando na formação de gotículas de água (ou outros líquidos). A tensão superficial pode ser medida usando alguns itens simples encontrados em quase todas as casas e uma calculadora.

Passos

Usando um balancim

    Escreva a equação da tensão superficial. Neste experimento, a equação para determinar a tensão superficial é a seguinte: F = 2Sd, Onde F- força em newtons (N), S- tensão superficial em newtons por metro (N/m), d- comprimento da agulha utilizada no experimento. Vamos expressar a tensão superficial a partir desta equação: S = F/2d.

    • A força será calculada no final do experimento.
    • Antes de iniciar o experimento, use uma régua para medir o comprimento da agulha em metros.

  1. Construa um pequeno balancim. Neste experimento, um balancim e uma pequena agulha que flutua na superfície da água são usados ​​para determinar a tensão superficial. É necessário considerar cuidadosamente a construção do balancim, pois disso depende a precisão do resultado. Você pode usar vários materiais, o principal é fazer uma barra horizontal com algo duro: madeira, plástico ou papelão grosso.

    • Localize o centro da haste (como um canudo ou régua de plástico) que você pretende usar como barra transversal e faça um furo nesse local; este será o fulcro da barra transversal sobre a qual ela girará livremente. Se você estiver usando um canudo de plástico, basta furá-lo com um alfinete ou prego.
    • Faça furos nas extremidades da barra transversal para que fiquem à mesma distância do centro. Passe as linhas pelos orifícios para pendurar o copo de peso e a agulha.
    • Se necessário, apoie o balancim com livros ou outros objetos suficientemente duros para manter a barra transversal na horizontal. É necessário que a barra transversal gire livremente em torno de um prego ou haste inserida em seu meio.

  2. Pegue um pedaço de papel alumínio e enrole-o em forma de caixa ou pires. Não é necessário que este pires tenha o formato quadrado ou redondo correto. Você vai enchê-lo com água ou outro peso, então certifique-se de que ele possa suportar o peso.

    • Pendure uma caixa de papel alumínio ou pires em uma das extremidades da barra. Faça pequenos furos nas bordas do pires e passe um fio por eles para que o pires fique pendurado na barra transversal.

  3. Pendure uma agulha ou clipe de papel na outra extremidade da barra para que fique na horizontal. Amarre uma agulha ou clipe de papel horizontalmente na linha que fica pendurada na outra extremidade da barra transversal. Para que o experimento seja bem-sucedido, é necessário posicionar a agulha ou clipe de papel exatamente na horizontal.

  4. Coloque algo, como massinha, na barra para equilibrar o recipiente de papel alumínio. Antes de iniciar o experimento, é necessário garantir que a barra transversal esteja na horizontal. O pires de papel alumínio é mais pesado que a agulha, então a barra transversal cairá de lado. Prenda plasticina suficiente no lado oposto da barra transversal para que fique na horizontal.

    • Isso é chamado de balanceamento.

  5. Coloque uma agulha ou clipe de papel pendurado em um fio em um recipiente com água. Esta etapa exigirá um esforço extra para posicionar a agulha na superfície da água. Certifique-se de que a agulha não mergulhe na água. Encha um recipiente com água (ou outro líquido com tensão superficial desconhecida) e coloque-o sob a agulha pendurada de forma que a agulha fique diretamente na superfície do líquido.

    • Certifique-se de que a corda que segura a agulha permanece no lugar e está suficientemente esticada.

  6. Pese alguns alfinetes ou uma pequena quantidade de gotas medidas de água em pequena escala. Você adicionará um alfinete ou uma gota de água ao pires de alumínio no balancim. Neste caso, é necessário saber o peso exato com que a agulha sairá da superfície da água.

    • Conte o número de alfinetes ou gotas de água e pese-os.
    • Determine o peso de um alfinete ou gota d'água. Para fazer isso, divida o peso total pelo número de pinos ou gotas.
    • Digamos que 30 alfinetes pesem 15 gramas, então 15/30 = 0,5, ou seja, um alfinete pesa 0,5 gramas.

  7. Adicione alfinetes ou gotas de água, um de cada vez, ao pires de papel alumínio até que o alfinete saia da superfície da água. Adicione gradualmente um alfinete ou gota de água de cada vez. Observe atentamente a agulha para não perder o momento em que, após o próximo aumento de carga, ela sai da água. Assim que a agulha sair da superfície do líquido, pare de adicionar alfinetes ou gotas de água.

    • Conte o número de alfinetes ou gotas de água antes que a agulha na extremidade oposta da barra se separe da superfície da água.
    • Anote o resultado.
    • Repita o experimento várias (5 ou 6) vezes para obter resultados mais precisos.
    • Calcule a média dos resultados obtidos. Para fazer isso, some o número de pinos ou quedas em todos os experimentos e divida a soma pelo número de experimentos.

  8. Converta o número de pinos em força. Para fazer isso, multiplique o número de gramas por 0,00981 N/g. Para calcular a tensão superficial, você precisa saber a força necessária para levantar a agulha da superfície da água. Como você calculou o peso dos pinos na etapa anterior, para determinar a força, basta multiplicar esse peso por 0,00981 N/g.

    • Multiplique o número de alfinetes colocados no pires pelo peso de um alfinete. Por exemplo, se você colocar 5 alfinetes pesando 0,5 gramas, o peso total deles será de 0,5 g/alfinete = 5 x 0,5 = 2,5 gramas.
    • Multiplique o número de gramas pelo fator de 0,00981 N/g: 2,5 x 0,00981 = 0,025 N.

  9. Substitua os valores resultantes na equação e encontre o valor desejado. Usando os resultados obtidos durante o experimento, a tensão superficial pode ser determinada. Basta inserir os valores encontrados e calcular o resultado.

    • Digamos que no exemplo acima o comprimento da agulha seja 0,025 metros. Substituímos os valores na equação e obtemos: S = F/2d = 0,025 N/(2 x 0,025) = 0,05 N/m. Assim, a tensão superficial do líquido é 0,05 N/m.

Líquido–uma substância em estado líquido de agregação, ocupando uma posição intermediária entre os estados sólido e gasoso. A principal propriedade de um líquido, que o distingue das substâncias em outros estados de agregação, é a capacidade de mudar sua forma indefinidamente sob a influência de tensões mecânicas tangenciais, mesmo arbitrariamente pequenas, mantendo praticamente seu volume.

Informações gerais sobre o estado líquido

O estado líquido é geralmente considerado intermediário entre um sólido e um gás: um gás não retém volume nem forma, mas um sólido retém ambos.

A forma dos corpos líquidos pode ser determinada total ou parcialmente pelo fato de sua superfície se comportar como uma membrana elástica. Portanto, a água pode se acumular em gotas. Mas um líquido é capaz de fluir mesmo sob sua superfície estacionária, e isso também significa que a forma (as partes internas do corpo líquido) não é preservada.

As moléculas líquidas não têm uma posição definida, mas ao mesmo tempo não têm total liberdade de movimento. Há uma atração entre eles, forte o suficiente para mantê-los próximos.

Uma substância no estado líquido existe em uma determinada faixa de temperatura, abaixo da qual passa para o estado sólido (ocorre a cristalização ou transformação para o estado sólido amorfo - vidro), acima da qual passa para o estado gasoso (ocorre a evaporação). Os limites deste intervalo dependem da pressão.

Via de regra, uma substância no estado líquido apresenta apenas uma modificação. (As exceções mais importantes são os líquidos quânticos e os cristais líquidos.) Portanto, na maioria dos casos, um líquido não é apenas um estado de agregação, mas também uma fase termodinâmica (fase líquida).

Todos os líquidos são geralmente divididos em líquidos puros e misturas. Algumas misturas de fluidos são de grande importância para a vida: sangue, água do mar etc. Os líquidos podem atuar como solventes.

Propriedades físicas líquidos

1 ).Fluidez

A principal propriedade dos líquidos é a fluidez. Se uma força externa for aplicada a uma seção de um líquido que está em equilíbrio, então surge um fluxo de partículas líquidas na direção em que essa força é aplicada: o líquido flui. Assim, sob a influência de desequilíbrio forças externas o líquido não mantém sua forma e disposição relativa das partes e, portanto, assume a forma do recipiente em que está localizado.

Ao contrário dos sólidos plásticos, um líquido não tem limite de rendimento: basta aplicar uma força externa arbitrariamente pequena para que o líquido flua.

2).Conservação de volume

Uma das propriedades características de um líquido é que ele possui um certo volume (sob condições externas constantes). Um líquido é extremamente difícil de comprimir mecanicamente porque, ao contrário de um gás, há muito pouco entre as moléculas. espaço livre. A pressão exercida sobre um líquido encerrado num recipiente é transmitida sem alteração a cada ponto do volume deste líquido (a lei de Pascal também é válida para gases). Esta característica, juntamente com uma compressibilidade muito baixa, é utilizada em máquinas hidráulicas.

Os líquidos geralmente aumentam de volume (expandem) quando aquecidos e diminuem de volume (contraem) quando resfriados. No entanto, há exceções, por exemplo, a água se contrai quando aquecida, à pressão e temperatura normais de até aproximadamente .

3).Viscosidade

Além disso, os líquidos (como gases) são caracterizados pela viscosidade. É definido como a capacidade de resistir ao movimento de uma parte em relação a outra - isto é, como atrito interno.

Quando camadas adjacentes de líquido se movem umas em relação às outras, ocorrem inevitavelmente colisões de moléculas, além daquelas causadas pelo movimento térmico. Surgem forças que inibem o movimento ordenado. Neste caso, a energia cinética do movimento ordenado se transforma em energia térmica do movimento caótico das moléculas.

O líquido no recipiente, colocado em movimento e deixado por conta própria, irá parar gradualmente, mas sua temperatura aumentará.

4).Miscibilidade

Miscibilidade é a capacidade dos líquidos de se dissolverem uns nos outros. Um exemplo de líquidos miscíveis: água e álcool etílico, um exemplo de líquidos imiscíveis: água e óleo líquido.

5).Formação de superfície livre e tensão superficial

Devido à conservação do volume, o líquido consegue formar uma superfície livre. Tal superfície é a interface entre as fases de uma determinada substância: de um lado está a fase líquida, do outro há uma fase gasosa (vapor) e, possivelmente, outros gases, por exemplo, o ar.

Se as fases líquida e gasosa da mesma substância entrarem em contato, surgem forças que tendem a reduzir a área de interface - forças de tensão superficial. A interface se comporta como uma membrana elástica que tende a se contrair.

6).Ondas de densidade

Embora um líquido seja extremamente difícil de comprimir, o seu volume e densidade ainda mudam quando a pressão muda. Isso não acontece instantaneamente; Portanto, se uma área for comprimida, essa compressão será transmitida para outras áreas com atraso. Isto significa que ondas elásticas, mais especificamente ondas de densidade, podem se propagar dentro do líquido. Junto com a densidade, outras quantidades físicas, como a temperatura, também mudam.

Se a densidade mudar ligeiramente à medida que a onda se propaga, tal onda é chamada de onda sonora, ou som.

Se a densidade mudar com força suficiente, essa onda será chamada de onda de choque. A onda de choque é descrita por outras equações.

As ondas de densidade em um líquido são longitudinais, ou seja, a densidade muda ao longo da direção de propagação da onda. Não há ondas elásticas transversais no líquido devido à não conservação da forma.

Ondas elásticas em um líquido desaparecem com o tempo, sua energia gradualmente se transforma em energia térmica. Os motivos da atenuação são viscosidade, “absorção clássica”, relaxamento molecular e outros. Nesse caso, funciona a chamada segunda viscosidade, ou viscosidade volumétrica - atrito interno quando a densidade muda. A onda de choque, como resultado da atenuação, depois de algum tempo se transforma em onda sonora.

Ondas elásticas em um líquido também estão sujeitas ao espalhamento por heterogeneidades resultantes do movimento térmico caótico das moléculas.

Estrutura dos líquidos


Estudos experimentais do estado líquido da matéria, baseados na observação da difração de raios X e dos fluxos de nêutrons à medida que passam pelo meio líquido, descobriram a presença de ordem de curto alcance, ou seja a presença de alguma ordem no arranjo das partículas apenas a uma pequena distância de qualquer posição selecionada (Fig. 140).

O arranjo mútuo das partículas vizinhas nos líquidos é semelhante ao arranjo ordenado das partículas vizinhas nos cristais. No entanto, esta ordenação em líquidos é observada apenas em pequenos volumes. A distâncias: de alguma molécula “central” selecionada, a ordem é interrompida (é o diâmetro efetivo da molécula). Tal ordenação no arranjo das partículas em líquidos é chamada de ordem de curto alcance. .

Devido à falta de ordem de longo alcance, os líquidos, com poucas exceções, não apresentam a anisotropia característica dos cristais. Por esta razão, a estrutura do líquido é às vezes chamada de quase cristalina ou semelhante a cristal. .

Pela primeira vez, a ideia da semelhança de algumas propriedades de líquidos (especialmente metais fundidos) e sólidos cristalinos foi expressa e depois desenvolvida nos trabalhos do físico soviético Ya.I. Frenkel nas décadas de 1930-1940. De acordo com as opiniões de Frenkel, que agora receberam reconhecimento universal, o movimento térmico de átomos e moléculas em um líquido consiste em vibrações irregulares com frequência média próxima à frequência das vibrações dos átomos em corpos cristalinos. O centro das oscilações é determinado pelo campo de força das partículas vizinhas e muda junto com os deslocamentos dessas partículas.

De forma simplificada, pode-se imaginar tal movimento térmico como a superposição de saltos relativamente raros de partículas de uma posição de equilíbrio temporário para outra e oscilações térmicas nos intervalos entre os saltos. O tempo médio de permanência “estabelecida” de uma molécula líquida perto de uma certa posição de equilíbrio é chamado momento de relaxamento. Com o passar do tempo, a molécula muda seu local de equilíbrio, passando abruptamente para uma nova posição, separada da anterior por uma distância da ordem do tamanho das próprias moléculas. Assim, a molécula se move lentamente dentro do líquido. Com o aumento da temperatura, o tempo diminui, a mobilidade das moléculas aumenta, o que acarreta uma diminuição da viscosidade dos líquidos (aumenta a fluidez). Segundo a expressão figurativa de Ya. I. Frenkel, as moléculas vagam por todo o volume do líquido, levando um estilo de vida nômade, em que movimentos de curto prazo são substituídos por períodos relativamente longos de vida sedentária.

Sólidos amorfos (vidro, resinas, betume, etc.) podem ser considerados líquidos super-resfriados, cujas partículas têm mobilidade limitada devido ao seu grande aumento de viscosidade.

Devido à baixa ordem do estado líquido, a teoria dos líquidos acaba sendo menos desenvolvida do que a teoria dos gases e dos sólidos cristalinos. Ainda não existe uma teoria completa do líquido.

Um tipo especial de líquidos são certos compostos orgânicos que consistem em moléculas alongadas ou em forma de disco, ou os chamados cristais líquidos. A interação entre as moléculas em tais líquidos tende a alinhar os longos eixos das moléculas em uma determinada ordem. Em altas temperaturas, o movimento térmico evita isso, e a substância é um líquido comum. Em temperaturas abaixo da crítica, uma direção preferencial aparece no líquido e surge uma ordem de orientação de longo alcance. Embora mantenham as características básicas de um líquido, por exemplo, fluidez, os cristais líquidos têm as propriedades características dos cristais sólidos - anisotropia de propriedades magnéticas, elétricas e propriedades ópticas. Estas propriedades (juntamente com a fluidez) são encontradas em numerosos aplicações técnicas, por exemplo, em relógios eletrônicos, calculadoras, telefones celulares, bem como em monitores de computadores pessoais, televisores, como indicadores, placares e telas para exibição de informações digitais, alfabéticas e analógicas.

Tensão superficial

A característica mais interessante dos líquidos é a presença Superfície livre. Conectado à superfície do líquido energia livre, proporcional à área de superfície livre do líquido: . Como a energia livre de um sistema isolado tende ao mínimo, o líquido (na ausência de campos externos) tende a assumir uma forma que possui uma área superficial mínima. Assim, o problema da forma de um líquido é reduzido a um problema isoperimétrico sob determinadas condições adicionais (distribuição inicial, volume, etc.). Uma gota livre assume a forma de uma esfera, mas sob condições mais complexas o problema da forma da superfície do líquido torna-se extremamente difícil.

O líquido, ao contrário dos gases, não preenche todo o volume do recipiente em que é derramado. Forma-se uma interface entre o líquido e o gás (ou vapor), que se encontra em condições especiais em relação ao restante do líquido. As moléculas na camada limite de um líquido, diferentemente das moléculas em sua profundidade, não são cercadas por outras moléculas do mesmo líquido em todos os lados. As forças de interação intermolecular que atuam sobre uma das moléculas dentro de um líquido de moléculas vizinhas são, em média, compensadas mutuamente (Fig. 141).

Mas todas as moléculas, incluindo as moléculas da camada limite, devem estar em estado de equilíbrio. Este equilíbrio é alcançado reduzindo ligeiramente a distância entre as moléculas da camada superficial e seus vizinhos mais próximos dentro do líquido. À medida que a distância entre as moléculas diminui, surgem forças repulsivas. As moléculas da camada superficial são compactadas um pouco mais densamente e, portanto, possuem um suprimento adicional de energia potencial em comparação com as moléculas internas. Por isso, moléculas da camada superficial de um líquido têm excesso de energia potencial em comparação com as moléculas dentro do líquido, igual à energia livre. .Assim, a energia potencial da superfície de um líquido é proporcional à sua área: .

É sabido pela mecânica que os estados de equilíbrio de um sistema correspondem ao valor mínimo de sua energia potencial, ou seja, a superfície livre do líquido tende a reduzir sua área. O líquido se comporta como se forças que atuam tangencialmente à sua superfície estivessem contraindo (puxando) esta superfície. Essas forças são chamadas forças de tensão superficial .