curs-5-fizica-sem-2 - Cadre Didactice

Curs 5
Fenomene moleculare în lichide

FORŢE MOLECULARE LA CONTACTUL
LICHID – SOLID.
MENISCURI. FORMULA LUI LAPLACE
Datorită tensiunii superficiale, suprafaţa liberă a unui lichid în echilibru,
aflat în contact cu alte medii, ia o formă curbă, numită menisc.
La suprafaţa de contact solid – lichid apar de asemeni forţe de atracţie
moleculară, denumite forţe de adeziune în timp ce forţele ce acţionează
între molecule mai sunt denumite şi forţe de coeziune.
În funcţie de raportul intensităţii acestor două forţe, apar două cazuri
diferite, reflectate în forma stratului superficial la suprafaţa de separaţie
dintre lichid şi solid.
Parametrul care caracterizează meniscul este unghiul format de tangenta
la suprafaţa lichidului cu suprafaţa solidă cu care este în contact, numit
unghi de udare sau unghi de racordare.

a. Cazul în care forţele de coeziune sunt mai mari decât
forţele de adeziune. În acest caz, suprafaţa de contact dintre
lichid şi solid are tendinţa de micşorare, iar unghiul de udare este
mai mare decât π/2 (Fig.3.4).
Se spune despre lichidele care sunt în această situaţie
că nu udă pereţii vasului, iar suprafaţa lichidului in apropierea
vasului (meniscul) este concavă.
b. Cazul în care forţele de coeziune sunt mai mici decât
forţele de adeziune. În acest caz, unghiul de udare este mai mic
decât π/2 (Fig.3.5).
Se spune despre lichidele care sunt în această situaţie
că udă pereţii vasului, iar suprafaţa lichidului in apropierea vasului
(meniscul) este convexă.

θ
a) b)
Fig.3.4 Cazul lichidului care nu udă pereţii vasului pentru o picătură
(a) şi pentru lichidul dintr-un vas (b)
θ

Trebuie precizat că această comportare a suprafeţei
libere a lichidului la suprafaţa de contact cu solidul
depinde (într-o mică măsură) şi de natura gazului
aflat în contact cu lichidul.
Un alt parametru care influenţează forma
meniscului este puritatea celor trei medii aflate în
contact.

θ
a) b)
Fig.3.5 Cazul lichidului care udă pereţii vasului pentru o picătură (a) şi
pentru lichidul dintr-un vas (b)
θ

Existenţa meniscului determină apariţia unei presiuni
suplimentare Δp, faţă de cea exercitată de suprafaţa plană a
lichidului.
Expresia matematică a presiunii suplimentare a fost obţinută de
Laplace (1807).
Pentru o suprafaţă sferică se poate scrie:
Pentru o suprafaţă cilindrică:
p
=
p
=
2
R
2
cos
d

Această suprapresiune este importantă în cazul picăturilor de lichid în
aer sau invers, al picăturilor de aer în lichid. Sub acţiunea forţelor de
tensiune superficială, picăturile iau formă sferică, datorită condiţiei
fizice de atingere a unui minim al energiei potenţiale .
Pentru un volum dat, forma sferică are suprafaţa cea mai mică şi de
aceea şi forma picăturilor este sferică.
Dacă pentru picăturile de aer în lichid nu mai apar alte probleme,
picăturile de lichid sunt supuse şi acţiunii greutăţii proprii, astfel încât,
o dată cu creşterea în dimensiune, forma picăturii se depărtează tot
mai mult de sferă, ea aplatizându-se.
După cum se poate vedea din relaţia lui Laplace, suprapresiunea dată
de forţele superficiale este invers proporţională cu raza bulei, ea fiind
cu atât mai importantă cu cât raza este mai mică.
Folosind date cunoscute se poate calcula ce valoare atinge presiunea
într-o bulă de aer cu raza de un micron, aflată în apă.
Această valoare este de 1.46x105 N/m 2 , adică mai mare decât
presiunea atmosferică.

FENOMENE CAPILARE. FORMULA LUI JURIN
Fenomenele capilare sunt determinate de forţele de interacţiune
dintre un lichid şi un corp solid şi conduc la abaterea păturii
superficiale de la forma plană. Aceste fenomene sunt mai evidente în
cazul tuburilor de secţiuni mici, numite capilare.

Să presupunem un tub de rază r, aşezat într-un lichid care udă
pereţii tubului şi a cărui tensiune superficială este σ. Coloana de
lichid va fi în echilibru atunci când presiunea suplimentară va fi egală
cu cea hidrostatică.
In acest caz putem scrie:Formula lui Jurin.
2
R
=
R
=
g
h
r
cos

De reţinut!
σ este caracteristic fiecărui lichid
depinde de raportul forţelor de interacţiune moleculare.
coeficientul de tensiune superficială depinde de temperatură
În cazul apei coeficientul de tensiune superficială are o valoare mare
justificată de faptul că molecula de apă are polaritate mare ce induce un
moment dipolar mărit
Se defineşte un coeficient de tensiune superficială static (σ static) şi unul
dinamic (σ dinamic).
σ dinamic = specifică suprafeţei de separare în momentul primordial
σ static = specifică suprafeţei lichidului după un anumit timp , când s-a
instalat un echilibru de absorbţie.
În cazul lichidelor pure, compoziţia stratului superficial este identică cu restul
lichidului în orice moment, deci σ dinamic = σ static

Tensiunea interfacială
Să vedem ce este tensiunea interfacială, adică forţele care apar la contactul a două
lichide.
Pentru aceasta, considerăm trei medii I,II şi III, separate între ele prin suprafeţele
OA, OB şi OC, ca în figura 3.39.
La suprafaţa de separaţie OA dintre mediile I şi II, acţionează tensiunea superficială
σ 12, tangentă în O la această interfaţă şi în mod analog se definesc şi tensiunile σ 23
şi σ 13.

Curba de separaţie dintre aceste trei medii este în echilibru când există relaţia
vectorială:
+ + = 0
12 13 23
2 2 2
13 12 23
= + = 2 cos
12 23

In cazul unei picături de lichid care stă pe suprafaţa unui alt lichid, mediul al
treilea fiind aerul notăm cu σ 1=σ 13 tensiunea superficială a primului lichid în
contact cu aerul şi respectiv σ 2=σ 23 tensiunea celui de-al doilea lichid faţă de
aer.
Pentru o picătură foarte turtită, de formă lenticulară, unghiul θ este foarte mic
şi ecuaţia precedentă devine:
2 2 2
1 12 2
= + + 2 = ( + )
12 2 12 2
= -
12 1 2
Această relaţie arată că tensiunea interfacială este egală cu diferenţa tensiunilor superficiale a lichidelor în contact.
2

Rolul fenomenului de capilaritate
Fenomenul de capilaritate joacă un rol important în natură.
Viaţa este strâns legată de existenţa apei şi a lichidelor
biologice.
De aceea este normal ca şi efectele superficiale să joace un
rol în viaţa de zi cu zi.
In natură, apa nu se regăseşte practic niciodată în stare pură,
ea conţine totdeauna minerale sau materie organică.
Toate acestea influenţează valoarea coeficientului de
tensiune superficială, mărindu-l sau micşorându-l, după caz.

Rolul tensiunii superficiale în cazul detergenţilor
Pentru ca aceştia să spele cât mai eficient posibil este necesar ca
lichidul să ude cât mai bine posibil ţesăturile sau materialele ce
trebuiesc spălate, pentru ca apoi să emulsioneze, să dizolve şi să
înlăture murdăria sau petele de grăsime.
Pentru aceasta detergenţii trebuie să conţină substanţe tensioactive,
substanţe care adăugate în cantitate mică au drept efect o reducere
importantă a tensiunii superficiale, rezultând o capacitate mult mărită a
apei de a uda materialele cu care vine în contact.
In alte situaţii, din contră, substanţele prezente în apă au drept efect
creşterea lui σ, făcând suprafaţa apei mai „rigidă”, stratul superficial
comportându-se ca o membrană elastică, făcând pătrunderea în
interiorul lichidului mai dificilă.

Emulsiile sunt sisteme disperse cu mediul de dispersie şi faza de dispersie lichidă.
O condiţie indispensabilă pentru existenţa a unui astfel de sistem (ca de altfel a oricărui
sistem microeterogen) este ca cele două faze să fie practic nemiscibile.
Datorit tensiunii interfaciale care apare între faza continuă şi cea dispersă, mărimea
suprafeţei de separaţie dintre faza dispersă şi cea continuă tinde să aibă valoarea cea mai
mică posibilă.
Din aceast cauză, în condiţii normale de concentraţie (pâna la cca 70% faza dispersă),
faza dispersă se regăseşte distribuită în mediul continuu sub forma unor picturi aproape
sferice.
Diametrele picturilor fazei disperse au în general valori cuprinse intre 0,1 i 10 micrometri
CONSIDERAII ASUPRA UNOR PROPRIETI ALE EMULSIILOR UTILIZATE CA LUBRIFIANI
PENTRU CUPLELE DE FRECARE Dumitru POP, Adrian POCOLA
Vol. I – Mecanisme şi Tribologie,7-8 Noiembrie, Braşov, P R A S I C ' 02

Tensiunile superficiale ale diferitelor sorturi de uleiuri au valori
apropiate.
Dar, tensiunea superficială a uleiurilor se modifică semnificativ prin
oxidarea sau contaminarea uleiului cu compuşi polari solubili.
Astfel, uleiurile uzate au o tensiune superficială mult mai mică decât
cele noi, în special datorită acizilor organici rezultaţi din procesul de
degradare oxidativă.
CONSIDERAII ASUPRA UNOR PROPRIETI ALE EMULSIILOR UTILIZATE CA LUBRIFIANI
PENTRU CUPLELE DE FRECARE Dumitru POP, Adrian POCOLA
Vol. I – Mecanisme şi Tribologie,7-8 Noiembrie, Braşov, P R A S I C ' 02

Tabel 11.1. Tensiunile superficiale ale alcanilor si tensiunile interfaciale între alcani si apa.
Tabela 11.1. Tensiunile superficiale ale alcanilor si tensiunile interfaciale între alcani si apa.
Lichidul Tensiunea
superficiala,
la 20 0 C ,
mJ/m 2 (mN/m)
Tensiunea interficiala
în contact cu apa, la
20 0 C
mJ/m 2 (mN/m)
n-pentan 16,1 -
Benzen 29 35
ciclohexan 25,5 51
heptan 20 50,7
n-Octan 21,8 51
n-Tetradecan 27,5 52
Ciclohexan 25 51
Octadecan 28 52
Parafina 25 ~50
http://www.scritube.com/geografie/Interactiunea-fluidfluid7271555.php

Influenta temperaturii asupra tensiunii interfaciale apa-titei pentru trei titeiuri este prezentata în
figura alăturată
Fig. Influenta temperaturii asupra tensiunii interfaciale apa-titei
(cifrele de pe curbe reprezinta vâscozitatea titeiului în mPa∙s).
http://www.scritube.com/geografie/Interactiunea-fluidfluid7271555.php