Jelenség: A folyadék szabad felszíne másképp iselkedik, mint a folyadék belseje. A felületen leő molekulákra a saját részecskéik onzása csak alulról hat, a felülettel érintkező leegő molekulái által kifejtett erőhatás ennél lényegesen kisebb.. Energetikai leírás ELÜLETI ESZÜLTSÉG Jellemzés fenomenológiai fogalmakon keresztül: energia, erő Ha egy molekulát a felületre akarunk juttatni, munkát kell égeznünk, a befektetett munka árán a részecske helyzeti energiához jut. A határfelületnek a folyadék belsejéhez képest nagyobb energiája ez az energia többlet a felületi energia. elületi feszültség : az egységnyi felület létrehozásához szükséges energia: Mértékegysége: J m Cseppek összeoladása: csökken a felületi energia E A
. Leírás felületben működő erők segítségéel: elületi feszültség: a felület síkjában az egységnyi onal mentén ható erő Az l hosszúságú onalra ható erő:.kísérlet :. A cérnaszál mindkét felén folyadék an, a felületi erő mindkét irányba húzza. A két erő eredője egy adott felületelemre nulla.. Egyik oldalon a hártyát kiszúrjuk, csak az egyik oldalon működik erő, a maradék l l N m hártyarész kifeszül... Drótkeretet szappanoldatba márta ékony folyadékréteget emelhetünk ki. Az így kifeszített hártyát az ábra szerint h erőel egyenletesen húzunk lefelé. A felületi feszültségből származó erő a k keretszárat f erőel felfelé húzza issza. Egyenletes mozgás esetén a két erő egyenlő: f h k
A. keret mozgatásáal új részecskéket juttattunk a felszínre, nőtt a hártya felülete, közben csökken a folyadékréteg mennyisége. A hártyát oldalról néze: A keret mozgatásakor befektetett munka árán a részecskéket a magasabb energiájú felületre juttattuk. létrehozott új felület: A kdx dx elmozdulás során égzett munka: A létrehozott új felület energiája: W dx kdx W E A A Szappanbuborék fújásakor a buborék nagyságának nöekedése nem rugalmas a alakáltozás köetkezménye, mint a luftballon esetében. A befektetett munka itt nem a rugalmas alakáltozásra fordítódik, hanem az energia befektetése árán új folyadékrészecskék jutnak a felszínre, A hártyák mindig minimál felületre törekszenek. A kis határfelületi feszültségű hártyák stabilak. Pl: szappanhártya
3. Görbületi nyomás Görbült felületek esetén a felületi feszültség ektor mindig a felület érintősíkjában an, eredőjüknek an a felületre merőleges összeteője is. Görbült felületek esetén a felületi feszültségből származó erőknek egy adott felületelemre merőleges összeteőjük is an. A homorú oldal felé mutató eredő erő lép fel. Az eredő erő és a felületelem nagyságának hányadosa a görbületi nyomás: p g A felületelemhez tartozó görbületi sugár Gömbfelület esetén p g A kisebb buborék felfújja a nagyobbat. A görbületi nyomás annál nagyobb, minél nagyobb a görbület.
A határfelületek mindig két közeget álasztanak el egymástól, a felületi feszültség értéke a két közeg anyagi minőségétől függ: határfelületi feszültségnek kellene híni. 4. Kapilláris jelenségek Illeszkedési szög: A különböző anyagú folyadékcseppek a szilárd felületen különböző alakúak lesznek. Alakjukat az illeszkedési szöggel jellemezhetjük. folyadék sz,f f, l sz,l leegő szilárd A határfelületi feszültségek ízszintes komponenseinek egyensúlya határozza meg az illeszkedési szöget. Három közeg, három határfelületi feszültség: sz,f : a szilárd-folyadék határfelület felületi feszültsége f,l sz,l : a folyadék-leegő határfelület felületi feszültsége : a szilárd-leegő határfelület felületi feszültsége Az egyensúly feltétele: Az egyensúlyi illeszkedési szög: sz,l sz.f f.l cos cos sz,l lf,l sz,f
Példák: Víz és higany üegfelületen Az üeg-leegő határfelületi feszültség nagyobb, mint az üeg-íz határfelületi feszültség, A a íz az üeget nedesíti, ezáltal az üeg felületi feszültsége csökkenhet. Higany esetén ez fordíta an. ü,l ü, A íz az üeget nedesíti, szétterül rajta. ü,l ü,hg A higany az üeget nem nedesíti, elálik tőle. A ízcsepp szétterüléséel csökken az üeg felületi energiája Vízcsepp a zsíros leélfelületen A íz a zsíros felületet nem nedesíti, csepp formájában látható a leeleken. A ízcseppek optikai lencseként is működnek
Jelenség: Kapilláris emelkedés Kellően ékony üegcsőben a íz magasabban an, mint a szélesebb csőben. A higany esetében ez fordíta an. Vékony csöekben, ahol eléggé görbült a folyadékfelszín, nem a közlekedőedények szerint áll be a folyadékszint. A íz az üeget nedesíti, minél ékonyabb az üeg átmérője, annál magasabbra kúszik. Az üeg leegő határfelület felületi feszültsége nagyobb, mint az üeg-íz határfelületé, így a nedesítés során az üeg felületi energiája csökken. Milyen magasra kúszik fel a folyadék a kapillárisban? A íz és az üeg találkozási onala mentén a felületi feszültségekből származó emelő erő működik: em r( ü,l ü,l ü, ü, l ü, ü, A folyadékoszlop addig emelkedik az r sugarú kapillárisban, amíg ez az emelőerő egyenlőé nem álik a megemelkedett folyadékoszlop súlyáal: G r ) gh üeg leegő íz
r G em gh r ( h ( ü,l r g ü, ü,l ) ü, ) ü,l ü, A felületi feszültségek egyensúlyából a r íz-leegő értéket behelyettesíte: A felületi feszültségek egyensúlyt tartanak h,l cos r g,l ( ü,l ü,), l h cos Az illeszkedési szög A kapilláris emelkedés annál nagyobb, minél kisebb a kapilláris sugara. A kapilláris emelkedés a görbületi nyomásból is kiszámítható. A görbületi nyomásnak egyensúlyt kell tartania a megemelkedett folyadék hidrosztatikai nyomásáal: pg p hidr : a görbült felszín görbületi sugara cos r Ezt behelyettesíte az előző egyenletet kapjuk:,l h g h,l r cos g
Hajszálcsöesség a nöényeknél. Tápanyag felszíás: A nöények a tápanyagot a talajból a hajszálgyökereken keresztül a kapillaritás segítségéel szíják fel.. Miért kell kapálni? A frissen/rendszeresen kapált föld ízesztesége alacsonyabb. Ennek az az oka, hogy a háborítatlan talajban hajszálcsöecskék alakulnak ki, melyeken keresztül elpárolog a íz. égi igazság, hogy a kapálás felér egy öntözéssel. A kapálással ugyanis megakadályozzuk a gyökerek által behálózott rétegek kiszáradását