Dove si verificano i fenomeni capillari in natura? Bagnatura e capillarità

Capillarità (dal lat. Capillare - capelli) - fenomeno fisico, che consiste nella capacità dei liquidi di modificare il livello nei tubi, nei canali stretti di forma arbitraria e nei corpi porosi. Un aumento del liquido si verifica nei casi in cui i canali sono bagnati da liquidi, ad esempio acqua nei tubi di vetro, sabbia, terra, ecc. Una diminuzione del liquido si verifica in tubi e canali che non sono bagnati da liquidi, ad esempio il mercurio in un tubo di vetro. L'attività vitale di animali e piante, le tecnologie chimiche e i fenomeni quotidiani (ad esempio, sollevare il cherosene lungo lo stoppino in una lampada a cherosene, asciugarsi le mani con un asciugamano) si basano sulla capillarità. La capillarità del suolo è determinata dalla velocità con cui l'acqua sale nel suolo e dipende dalla dimensione degli spazi tra le particelle del suolo. I capillari sono tubi sottili, così come i vasi più sottili nel corpo umano e in altri animali.

La curvatura del menisco liquido è particolarmente ben osservata nei tubi sottili chiamati capillari. Se un capillare viene abbassato in un recipiente con liquido, le cui pareti sono bagnate dal liquido, il liquido sale lungo il capillare fino ad una certa altezza H(Fig. 50.1). Ciò è spiegato dal fatto che la curvatura della superficie del liquido provoca una pressione molecolare aggiuntiva. Se la superficie è convessa e ha una forma sferica, ci sarà una pressione aggiuntiva

Figura 50.1

Nel caso di menisco convesso (r > 0), la pressione totale è maggiore della pressione atmosferica e il liquido scende attraverso il capillare. Se il menisco è concavo (r< 0), суммарное давление меньше атмосферного и жидкость поднимается по капилляру. Жидкость поднимается (или опускается) до тех пор, пока гидростатическое давление р = ρqh столба жидкости высотой h не компенсирует добавочное (Лапласовское) давление р л. (Лаплас установил зависимость этого давления от формы мениска.) В этом случае

dove ρ è la densità del liquido; g è l'accelerazione di gravità, r è il raggio del capillare, R è il raggio di curvatura del menisco.

Altezza di salita (profondità di discesa) del liquido nel capillare:

.

§ 51. Il fenomeno della capillarità nella vita quotidiana, nella natura e nella tecnologia

Il fenomeno della capillarità nella vita di tutti i giorni gioca un ruolo enorme in un'ampia varietà di processi che si verificano in natura. Ad esempio, la penetrazione dell'umidità dal terreno nelle piante, negli steli e nelle foglie è dovuta alla capillarità. Le cellule vegetali formano canali capillari e quanto più piccolo è il raggio del capillare, tanto più alto sale il liquido attraverso di esso. Anche il processo di circolazione sanguigna è associato alla capillarità. I vasi sanguigni sono capillari.

La capillarità del suolo è particolarmente importante. Attraverso i vasi più piccoli, l'umidità dalle profondità si mescola alla superficie del terreno. Se vogliono ridurre l'evaporazione dell'umidità, il terreno viene allentato, distruggendo i capillari. Per aumentare il flusso di umidità dalle profondità, il terreno viene rullato, aumentando il numero di canali capillari. In tecnologia i fenomeni di capillarità rivestono grande importanza nei processi di essiccazione e in edilizia.

§ 52. Pressione sotto una superficie curva di un liquido

Una superficie sferica convessa produce una pressione aggiuntiva sul liquido causata dalle forze di tensione interne dirette nel liquido, R è il raggio della sfera. Se la superficie di un liquido è concava, la forza risultante della tensione superficiale è diretta fuori dal liquido e la pressione all'interno del liquido.

Pressione eccessiva all'interno del raggio di una bolla di sapone R causato dall'azione di entrambi gli strati superficiali di una sottile pellicola sferica di sapone:

Figura 52.1

Nel caso generale, la sovrappressione per una superficie liquida arbitraria è descritta dalla formula di Laplace:

, (52.1)

dove e sono i raggi di curvatura di due sezioni qualsiasi tra loro perpendicolari della superficie del liquido in un dato punto.

Il raggio di curvatura è positivo se il centro di curvatura della sezione corrispondente è interno al fluido, negativo se il centro di curvatura è esterno al fluido.

Obiettivi della lezione:

• studio dei fenomeni e delle proprietà più importanti della natura: fenomeni bagnanti, non bagnanti, capillari.

Obiettivi della lezione:

Formativo: approfondimento dei fenomeni di bagnatura e non bagnabilità, nonché della capillarità dei liquidi, per apprendere l'ambito della loro applicazione;

Evolutivo: sviluppare negli studenti pensiero creativo e discorso;

Parole chiave:

Bagnareè un fenomeno superficiale che consiste nell'interazione della superficie solido(altro liquido) con liquido.

Angolo di contatto (mostra il grado di bagnatura)- è l'angolo formato dai piani tangenti alle superfici interfacciali che delimitano il liquido bagnante, mentre il vertice dell'angolo giace sulla linea di divisione delle tre fasi.

Il video mostra il flusso capillare del liquido

La curvatura della superficie porta alla comparsa di una pressione capillare aggiuntiva nel liquido Dp, il cui valore è correlato alla curvatura media r della superficie mediante l'equazione di Laplace: Dp = p1 – p2 = 2s12/r, dove (s12 è la tensione superficiale all'interfaccia di due mezzi; p1 e p2 sono la pressione nel liquido 1 e nel mezzo 2 a contatto con esso.

Aree di utilizzo La bagnatura può spiegare l'uso dei detersivi, il fatto perché le mani unte di olio o grasso si lavano più facilmente con la benzina che con l'acqua, così come perché le oche escono asciutte dall'acqua, ecc. La spiegazione dei fenomeni capillari avviene in il movimento dell'acqua nelle piante e nei capillari. E anche durante la lavorazione del terreno. Ad esempio: preservare l'umidità allentando, ecc., distruggendo i capillari. E anche il fenomeno capillare può spiegare fenomeni elettrici e nucleari, consente di rilevare crepe con un'apertura di 1 micron, che non possono essere viste ad occhio nudo.

Conclusioni.

Viviamo nel mondo del più fenomeni sorprendenti natura. Ce ne sono molti. Li incontriamo ogni giorno senza pensare all'essenza. Ma l'uomo, in quanto fenomeno intelligente, deve comprendere l'essenza di questi fenomeni. Fenomeni come la bagnatura e la non bagnatura, il fenomeno capillare sono molto diffusi nella tecnologia e nella natura. Sono indispensabili in Vita di ogni giorno e nella risoluzione di problemi scientifici e tecnici. Questa conoscenza ci dà risposte a molte domande. Ad esempio, perché appare una goccia in volo libero o perché i pianeti e le stelle hanno una forma sferica, alcuni corpi solidi sono ben bagnati dal liquido, mentre altri no; Perché i fenomeni capillari possono assorbire nutrienti, umidità dal terreno delle radici delle piante, o perché la circolazione sanguigna negli organismi animali si basa su fenomeni capillari, ecc.

Blocco di controllo:

1.Cos'è un capillare?

2.Come riconoscere il bagnante e il non bagnante?

3.Fornisci un esempio di bagnatura.

4.Cos'è il fenomeno capillare?

5.Fornire un esempio di non bagnabilità.

Compiti a casa.

Progresso del robot

1.Mettere gocce di acqua e olio su piastre di vetro, alluminio, rame, paraffina.

2. Disegna le forme delle gocce.

3.Guarda le gocce e trai conclusioni sulla relazione tra le molecole di un solido e di un liquido.

4. Inserisci questi risultati in una tabella.

5.Aggiungere un filo d'olio d'oliva alla miscela di acqua e sparta utilizzando una siringa.

6.Passare un filo attraverso il centro della sfera dell'olio e ruotarlo.

7. Nota come cambia la forma della goccia.

8.Trarre conclusioni sulla forma della superficie del liquido.

Il film d'acqua che si trova sulla superficie fornisce supporto a molti organismi durante il movimento. Si osserva in piccoli insetti e aracnidi. I più famosi per noi sono i falchi d'acqua, che riposano sull'acqua solo con i segmenti terminali delle zampe distanziate. Il piede, ricoperto da uno strato ceroso, non viene bagnato dall'acqua. Lo strato superficiale dell'acqua si piega sotto la pressione del piede e si formano piccole depressioni. (Figura 6) Le piume e il piumino degli uccelli acquatici sono sempre riccamente lubrificati con secrezioni grasse di ghiandole speciali. Questo spiega la loro impermeabilità. Uno spesso strato d'aria, che si trova tra le piume dell'anatra e non viene spostato dall'acqua, non solo protegge l'anatra dalla perdita di calore, ma aumenta anche notevolmente la sua riserva di galleggiamento.

L'esistenza dell'angolo di bagnatura e di contatto porta alla curvatura della superficie del liquido vicino alle pareti del recipiente. Se il liquido bagna le pareti la superficie ha forma concava; se non bagna le pareti ha forma convessa. Questo tipo di superficie curva di un liquido è chiamata menisco. (Fig. 10.11)

Bagnare	Non bagnante

Sotto una superficie curva in un capillare, la pressione differirà dalla pressione sotto una superficie piana dell'importo
. Tra il liquido nel capillare e in un vaso largo si stabilisce una tale differenza di livello quindi la pressione idrostatica
pressione capillare equilibrata
. Nel caso di un menisco sferico

. Il raggio di curvatura del menisco può essere espresso attraverso l'angolo di contatto e raggio capillare
R
,

, Poi
In caso di bagnatura E altezza di risalita del liquido in un capillaree raggio capillare .

quanto più grande è, tanto più piccolo è il raggio capillare Il fenomeno capillare prende un ruolo eccezionale nella vita umana

. L'apporto di umidità alle piante e agli alberi avviene proprio con l'aiuto dei capillari, che si trovano in ogni pianta. Anche i fenomeni capillari possono svolgere un ruolo negativo. Ad esempio, nell'edilizia. La necessità di impermeabilizzare le fondazioni degli edifici è causata da fenomeni di capillarità.

Domande per l'autocontrollo

1. Descrivi lo stato liquido rispetto a cristalli e gas.

2.Che cos'è l'ordine a lungo e corto raggio?

3.Cosa ti consente di fare la funzione di distribuzione radiale? Disegnalo per cristalli, liquidi e gas.

4.Che cos'è il coefficiente di tensione superficiale?

6.Che cos'è la bagnatura? Qual è la misura della bagnatura? Fornire esempi di processi che richiedono una buona bagnatura.

7.Cosa determina l'altezza del liquido che risale nel capillare?

Lezione n. 5 (11)

Proprietà dei solidi

1. Corpi amorfi e cristallini. Struttura e tipi di cristalli. De

difetti nei cristalli.

2. Proprietà meccaniche dei cristalli. Il meccanismo della deformazione plastica

Corpi amorfi e cristallini.

Nei corpi amorfi esiste ordine chiuso disposizione degli atomi. Cristalli Avere in un lungo cammino disposizione degli atomi. Amorfo corpo isotropo, cristallino – anisotropo.

Durante il raffreddamento e il riscaldamento, le curve temperatura/tempo sono diverse per i materiali amorfi e corpi cristallini. Per i corpi amorfi il passaggio da liquido a solido può essere di decine di gradi. Per i cristalli, il punto di fusione è costante. Ci possono essere casi in cui la stessa sostanza, a seconda delle condizioni di raffreddamento, può essere ottenuta sia allo stato solido cristallino che amorfo. Ad esempio, il vetro raffreddamento molto lento lattina di fusione cristallizzare. In questo caso, la riflessione e la diffusione della luce avverranno ai confini dei piccoli cristalli formati, e il vetro cristallizzato perderà la sua trasparenza.

Cella di cristallo. La proprietà principale dei cristalli è la regolarità della disposizione degli atomi al loro interno. Si parla dell'insieme di punti in cui si trovano gli atomi (più precisamente, i nuclei atomici). reticolo cristallino, e vengono chiamati i punti stessi nodi reticolari.

La caratteristica principale del reticolo cristallino è periodicità spaziale la sua struttura: il cristallo sembra costituito da parti ripetute(cellule).

Possiamo spezzare il reticolo cristallino in parallelepipedi esattamente identici contenenti lo stesso numero di atomi equidistanti. Il cristallo rappresenta insieme di parallelepipedi, spostati parallelamente l'uno rispetto all'altro. Se si sposta il reticolo cristallino parallelamente a se stesso di una distanza pari alla lunghezza del bordo, il reticolo si allineerà con se stesso. Questi offset vengono chiamati trasmissioni, e si dice che la simmetria del reticolo rispetto a questi spostamenti sia simmetria traslazionale(traslazione parallela, rotazione attorno ad un asse, riflessione speculare, ecc.).

Se c'è un atomo al vertice di qualsiasi cella elementare, allora gli stessi atomi devono ovviamente trovarsi in tutti gli altri vertici di questa e delle altre celle. Viene chiamata una raccolta di atomi identici e posizionati in modo identico Reticolo di Bravais di questo cristallo. Lei immagina scheletro reticolare cristallino, personificandone l'intera simmetria traslazionale, cioè tutta la sua periodicità.

Classificazione dei diversi tipi di simmetria cristallina si basa principalmente sulla classificazione diversi tipi di grigliati Bravais.

Il reticolo di Bravais più simmetrico è un reticolo avente la simmetria Cuba(sistema cubico). Ce ne sono tre diversi

Reticoli di Bravais relativi al sistema cubico: semplice
	centrato sul corpo(al centro del cubo c'è un atomo), centrato sulla faccia (ad eccezione degli atomi ai vertici - c'è anche un atomo in

centri di tutti i loro volti). Oltre al cubico, ci sono tetragonale, rombico, monoclino e altri (non considereremo).

Il reticolo di Bravais, in generale, non comprende tutti gli atomi del cristallo. Vero reticolo cristallino può essere rappresentato come una raccolta di diversi reticoli di Bravais inseriti l'uno nell'altro.

Tipi fisici dei cristalli.

In base al tipo di particelle da cui è costruito il reticolo cristallino e alla natura delle forze di interazione tra loro, si distinguono cristalli ionici, atomici, metallici e molecolari.

1. Cristalli ionici. Gli ioni positivi e negativi si trovano alternativamente ai nodi del reticolo cristallino. Questi ioni sono attratti tra loro dalle forze elettrostatiche (Coulomb). Esempio: griglia del salgemma
(Fig. 11.1).

2. Cristalli atomici. I rappresentanti tipici sono grafite e diamante. Connessione tra gli atomi - covalente. In questo caso, ciascuno degli elettroni di valenza è incluso in una coppia di elettroni che collega questo atomo con uno dei suoi vicini.

3. Cristalli metallici. I grigliati sono costituiti da ioni caricati positivamente, tra i quali sono elettroni “liberi”.. Questi elettroni sono “collettivizzati” e possono essere considerati come una sorta di “gas di elettroni”. Gli elettroni svolgono il ruolo di “cemento”, trattenendo gli ioni “+”, altrimenti il ​​reticolo si disintegrerebbe. Gli ioni trattengono gli elettroni all'interno del reticolo.

4. Cristalli molecolari. Un esempio è il ghiaccio. Ci sono molecole nei nodi, che sono interconnessi dalle forze di van der Waals, cioè. forze interazione molecolare dipoli elettrici.

Possono esserci diversi tipi di legami contemporaneamente (ad esempio, nella grafite: covalente, metallico e di van der Waals).

Difetti nei cristalli.

Nei veri reticoli cristallini c'è deviazioni dalla disposizione ideale degli atomi nei reticoli finora considerati. Tutte queste deviazioni vengono chiamate difetti reticolari.

Difetti puntuali- quelli in cui l’ordine a corto raggio viene interrotto:

1 – assenza di un atomo in qualsiasi sito (posto vacante) (Fig. 11.2);
2 – sostituzione del proprio atomo con “estranei” (Fig. 11.3);
3 – introduzione dell’atomo proprio o di qualcun altro nello spazio interstiziale (Fig. 11.4)

Un altro tipo di difetto è dislocazioni– difetti lineari del reticolo cristallino, violando la corretta alternanza dei piani atomici. Essi sconvolgere l’ordine a lungo termine, distorcendone l'intera struttura. Svolgono un ruolo importante nelle proprietà meccaniche dei solidi. I tipi più semplici di dislocazioni sono il bordo e la vite. Nel caso di una dislocazione del bordo, un ulteriore piano cristallino viene spinto tra strati adiacenti di atomi (Fig. 11.5).

Nel caso di una dislocazione della vite, una parte del reticolo cristallino viene spostata rispetto ad un'altra (Fig. 11.6)

Proprietà meccaniche dei cristalli.

Meccanismo di deformazione plastica. La base della deformazione plastica dei metalli è movimento delle dislocazioni. L'essenza della deformazione plastica è il taglio, a seguito del quale una parte del cristallo viene spostata rispetto all'altra a causa dello scorrimento delle dislocazioni. Nella fig. 11.7 (a, b, c) mostra il movimento di una dislocazione del bordo con la formazione passi di spostamento dell'unità.

Si noti che in realtà gli atomi saltano in nuove posizioni in piccoli gruppi uno alla volta. Questo movimento alternativo degli atomi può essere rappresentato come il movimento di una dislocazione. Causa di lussazioni Quello la deformazione plastica dei cristalli reali avviene sotto l'influenza di sollecitazioni di diversi ordini di grandezza inferiori a quelle calcolate per i cristalli ideali. Ma se la densità di dislocazione e la concentrazione di impurità sono elevate, quindi questo porta a una forte decelerazione delle dislocazioni e alla cessazione del loro movimento. Di conseguenza, paradossalmente, la resistenza del materiale aumenta.

Deformazione di trazione. La legge di Hooke.

La natura del cambiamento nelle forze che collegano gli atomi in un solido a seconda della distanza tra loro è qualitativamente la stessa che nei gas e nei liquidi (Fig. 11.8). Se alla lunghezza dell'asta e sezione trasversale applicare la forza
(Fig. 11.9), quindi sotto l'influenza di questa forza l'asta si allungherà di una certa quantità
. In cui le distanze tra gli atomi vicini lungo l'asse dell'asta aumenteranno di una certa quantità
(Fig. 11.8). Allungando l'intera catena di atomi
Associato a
relazione ovvia:

(*) (Dove – distanza tra atomi vicini a ). Quando gli atomi vengono spostati dalle loro posizioni di equilibrio, tra di loro si creano forze attrattive , E :

aumenta con l'aumentare

Effettuiamo innanzitutto un esame qualitativo utilizzando l'esempio di una bolla di sapone. Se apriamo l'estremità del tubo durante il processo di soffiaggio di una bolla, vedremo che la bolla situata alla sua estremità diminuirà di dimensioni e verrà attirata nel tubo. Poiché l'aria dall'estremità aperta comunicava con l'atmosfera, per mantenere lo stato di equilibrio della bolla di sapone era necessario che la pressione all'interno fosse maggiore di quella all'esterno. Se si collega il tubo a un monometro, su di esso viene registrata una certa differenza di livello: eccesso di pressione DP nella fase volumetrica del gas sul lato concavo della superficie della bolla.

Stabiliamo una relazione quantitativa tra DP ed il raggio di curvatura della superficie 1/r tra due fasi volumetriche che si trovano in equilibrio e separate da una superficie sferica. (ad esempio, una bolla di gas in un liquido o una goccia di liquido in fase vapore). Per fare ciò utilizziamo l'espressione termodinamica generale dell'energia libera sotto la condizione T = cost e l'assenza di trasferimento di materia da una fase all'altra dn i = 0. In uno stato di equilibrio, variazioni della superficie ds e del volume dV sono possibili. Lasciamo che V aumenti di dV e s di ds. Poi:

dF = - P 1 dV 1 - P 2 dV 2 + sds.

In equilibrio dF = 0. Tenendo conto del fatto che dV 1 = dV 2, troviamo:

P1 - P2 = sds/dV.

Quindi P1 > P2 . Considerando che V 1 = 4/3 p r 3, dove r è il raggio di curvatura, otteniamo:

La sostituzione fornisce l'equazione di Laplace:

P1 - P2 = 2s/giro. (1)

In un caso più generale, per un ellissoide di rivoluzione con raggi principali di curvatura r 1 e r 2, la legge di Laplace è formulata:

P1 - P2 = s/(1/R 1 - 1/R 2).

Per r 1 = r 2 otteniamo (1), per r 1 = r 2 = ¥ (piano) P 1 = P 2 .

La differenza DP è chiamata pressione capillare. Consideriamo il significato fisico e le conseguenze della legge di Laplace, che è alla base delle teorie dei fenomeni capillari. L'equazione mostra che la differenza di pressione nelle fasi di massa aumenta con l'aumentare di s e con la diminuzione del raggio di curvatura. Pertanto, maggiore è la dispersione, maggiore è la pressione interna di un liquido con superficie sferica. Ad esempio, per una goccia d'acqua in fase vapore a r = 10 -5 cm, DP = 2. 73. 10 5 dine/cm 2 » 15 a. Pertanto la pressione all'interno della goccia rispetto al vapore è di 15 atm superiore rispetto alla fase vapore. Va ricordato che a prescindere stato di aggregazione fasi, in uno stato di equilibrio, la pressione sul lato concavo della superficie è sempre maggiore che sul lato convesso L'uranio fornisce la base per la misurazione sperimentale di s con il metodo della massima pressione di bolla. Una delle conseguenze più importanti dell'esistenza della pressione capillare è l'aumento del liquido nel capillare.

Fenomeni capillari si osservano in contenitori liquidi

In recipienti stretti in cui la distanza tra le pareti è commisurata al raggio di curvatura della superficie del liquido. La curvatura si verifica a seguito dell'interazione del liquido con le pareti del vaso. Il comportamento specifico di un liquido nei vasi capillari dipende dal fatto che il liquido bagni o meno le pareti del vaso, più precisamente dal valore dell'angolo di contatto.

Consideriamo la posizione dei livelli di liquido in due capillari, uno dei quali ha superficie liofila e quindi ha le pareti bagnate, e l'altro ha superficie liofobica e non è bagnato. Nel primo capillare la superficie ha curvatura negativa. La pressione di Laplace aggiuntiva tende ad allungare il liquido. (la pressione è diretta verso il centro di curvatura). La pressione sotto la superficie è inferiore alla pressione sulla superficie piana. Di conseguenza, si crea una forza di galleggiamento che solleva il liquido nel capillare fino a quando il peso della colonna bilancia la forza agente. Nel secondo capillare, la curvatura della superficie è positiva e di conseguenza viene diretta una pressione aggiuntiva nel liquido , il liquido nel capillare scende.

All'equilibrio, la pressione di Laplace è uguale alla pressione idrostatica di una colonna liquida di altezza h:

DP = ± 2s/r = (r - r o) gh, dove r, r o sono le densità della fase liquida e gassosa, g è l'accelerazione di gravità, r è il raggio del menisco.

Per mettere in relazione l'altezza della risalita capillare con la caratteristica di bagnatura, il raggio del menisco sarà espresso in termini di angolo di bagnatura Q e raggio capillare r 0. È chiaro che r 0 = r cosQ, l'altezza di la risalita capillare sarà espressa nella forma (formula di Jurin):

h = 2sсosQ / r 0 (r - r 0)g

In assenza di bagnatura Q>90 0 , сosQ< 0, уровень жидкости опускается на величину h. При полном смачивании Q = 0, сosQ = 1, в этом случае радиус мениска равен радиусу капилляра. Измерение высоты капиллярного поднятия лежит в основе одного из наиболее точных методов определения поверхностного натяжения жидкостей.

La risalita capillare dei liquidi spiega una serie di fenomeni e processi ben noti: l'impregnazione della carta e dei tessuti è causata dalla risalita capillare del liquido nei pori. L'impermeabilità dei tessuti è garantita dalla loro idrofobicità, una conseguenza della risalita capillare negativa. La risalita dell'acqua dal suolo avviene a causa della struttura del suolo e garantisce l'esistenza della vegetazione terrestre, la risalita dell'acqua dal suolo lungo i tronchi delle piante avviene a causa della struttura fibrosa del legno, il processo di circolazione sanguigna nei vasi sanguigni, l'aumento di umidità nelle pareti dell'edificio (viene posata l'impermeabilizzazione), ecc.

Reattività termodinamica (t.r.s.).

Caratterizza la capacità di una sostanza di trasformarsi in un altro stato, ad esempio in un'altra fase, o di entrare in una reazione chimica. Indica la distanza di un dato sistema dallo stato di equilibrio in determinate condizioni. T.r.s. è determinato dall'affinità chimica, che può essere espressa da un cambiamento nell'energia di Gibbs o da una differenza nei potenziali chimici.

R.s dipende dal grado di dispersione della sostanza. Un cambiamento nel grado di dispersione può portare a uno spostamento della fase o dell'equilibrio chimico.

Il corrispondente incremento dell'energia di Gibbs dG d (dovuto a un cambiamento nella dispersione) può essere rappresentato come un'equazione combinata della prima e della seconda legge della termodinamica: dG d = -S dT + V dp

Per una singola sostanza V =V mol e con T = const abbiamo: dG d = V mol dp oppure DG d = V mol Dp

Sostituendo la relazione di Laplace in questa equazione, otteniamo dG d = s V mol ds/dV

per curvatura sferica: dG d =±2 s V mol /r (3)

Le equazioni mostrano che l'incremento reattività, causato da un cambiamento nella dispersione, è proporzionale alla curvatura della superficie, o dispersione.

Se si considera la transizione di una sostanza dalla fase condensata alla fase gassosa, allora l'energia di Gibbs può essere espressa in termini di tensione di vapore, assumendola come ideale. Quindi la variazione aggiuntiva nell’energia di Gibbs associata alla variazione di dispersione è:

dG d = RT ln (p d / p s) (4), dove p d e p s - pressione vapore saturo su superfici curve e lisce.

Sostituendo la (4) nella (3) otteniamo: ln (p d / p s) = ±2 s V mol /RT r

La relazione è chiamata equazione di Kelvin-Thomson. Da questa equazione ne consegue che con curvatura positiva, la pressione del vapore saturo su una superficie curva sarà tanto maggiore quanto maggiore è la curvatura, cioè raggio più piccolo della goccia. Ad esempio, per una goccia d'acqua con raggio r = 10 -5 cm (s = 73, V mol = 18) p d / p s = 0,01, ovvero 1%. Questa conseguenza della legge di Kelvin-Thomson permette di prevedere il fenomeno della distillazione isotremica, che consiste nell'evaporazione delle gocce più piccole e nella condensazione del vapore su gocce più grandi e su una superficie piana.

Con la curvatura negativa, che si verifica nei capillari durante la bagnatura, si ottiene una relazione inversa: la pressione del vapore saturo sopra la superficie curva (sopra la goccia) diminuisce all'aumentare della curvatura (con la diminuzione del raggio del capillare). Pertanto, se un liquido bagna un capillare, la condensazione dei vapori nel capillare avviene a una pressione inferiore rispetto a quella su una superficie piana. Questo è il motivo per cui le equazioni di Kelvin sono spesso chiamate l'equazione della condensazione capillare.

Consideriamo l'effetto della dispersione delle particelle sulla loro solubilità. Tenendo conto che la variazione dell'energia di Gibbs è espressa attraverso la solubilità di una sostanza in diversi stati dispersi simili alla relazione (4), otteniamo per i non elettroliti:

ln(c d /c a) = ±2 s V mol /RT r dove c d e c a sono la solubilità della sostanza in uno stato altamente disperso e la solubilità all'equilibrio con grandi particelle di questa sostanza

Per un elettrolita che in soluzione si dissocia in n ioni possiamo scrivere (trascurando i coefficienti di attività):

ln(a d /a s) = n ln (c d /c s) = ±2 s V mol /RT r, dove a d e a s sono le attività dell'elettrolita in soluzioni sature rispetto allo stato altamente disperso e grossolanamente disperso. Le equazioni mostrano che con l'aumentare della dispersione aumenta la solubilità, ovvero il potenziale chimico delle particelle sistema dispersivo maggiore di quella di una particella grande di 2 s V mol /r. Allo stesso tempo, la solubilità dipende dal segno della curvatura superficiale, il che significa che se le particelle di una sostanza solida hanno forma irregolare con curvatura positiva e negativa e si trovano in una soluzione satura, le aree con curvatura positiva si dissolveranno e le aree con curvatura negativa cresceranno. Di conseguenza, le particelle della sostanza solubile acquisiscono nel tempo una forma completamente definita che corrisponde allo stato di equilibrio.

Anche il grado di dispersione può influenzare l’equilibrio reazione chimica: - DG 0 d = RT ln (K d / K), dove DG 0 d è l'aumento dell'affinità chimica dovuto alla dispersione, K d e K sono le costanti di equilibrio delle reazioni che coinvolgono sostanze disperse e non disperse.

Con l'aumentare della dispersione, l'attività dei componenti aumenta e, di conseguenza, la costante dell'equilibrio chimico cambia in una direzione o nell'altra, a seconda del grado di dispersione delle sostanze di partenza e dei prodotti di reazione. Ad esempio, per la reazione di decomposizione del carbonato di calcio: CaCO 3 « CaO + CO 2

Un aumento della dispersione del carbonato di calcio iniziale sposta l'equilibrio verso destra e aumenta la pressione dell'anidride carbonica sopra il sistema. Aumentando la dispersione dell'ossido di calcio si ottiene il risultato opposto.

Per lo stesso motivo, con l'aumentare della dispersione, si indebolisce il collegamento tra l'acqua di cristallizzazione e la sostanza. Quindi un macrocristallo di Al 2 O 3. 3 H 2 O cede acqua a 473 K, mentre in un precipitato di particelle di dimensioni colloidali, l'idrato cristallino si decompone a 373 K. L'oro non interagisce con l'acido cloridrico e l'oro colloidale si dissolve in esso. Lo zolfo grossolanamente disperso non reagisce in modo evidente con i sali d'argento e lo zolfo colloidale forma solfuro d'argento.

La curvatura della superficie del liquido sui bordi del recipiente è particolarmente chiaramente visibile nei tubi stretti, dove l'intera superficie libera del liquido è curva. Nei tubi con una sezione trasversale stretta, questa superficie fa parte di una sfera, come viene chiamata menisco. Un liquido bagnante forma un menisco concavo (Fig. 1, a), mentre un liquido non bagnante forma un menisco convesso (Fig. 1, b).

Poiché la superficie del menisco è maggiore della sezione trasversale del tubo, sotto l'influenza delle forze molecolari la superficie curva del liquido tende a raddrizzarsi.

Le forze di tensione superficiale creano una pressione aggiuntiva (laplaciana) sotto la superficie curva del liquido.

Per il calcolo sovrapressione Supponiamo che la superficie del liquido abbia la forma di una sfera di raggio R (Fig. 2.a), dalla quale si taglia mentalmente un segmento sferico, poggiante su un cerchio di raggio .

Su ogni elemento infinitesimo della lunghezza di questo contorno agisce una forza di tensione superficiale tangente alla superficie della sfera, il cui modulo è . Scomponiamo il vettore in due componenti della forza. Dalla Figura 2 a vediamo che la somma geometrica delle forze per due elementi selezionati diametralmente opposti è uguale a zero. Pertanto, la forza di tensione superficiale è diretta perpendicolarmente al piano di sezione nel liquido (Fig. 2, c) e il suo modulo è uguale a

La pressione in eccesso creata da questa forza

dove è l'area della base del segmento sferico. Ecco perché

Se la superficie del liquido è concava, la forza di tensione superficiale viene diretta fuori dal liquido (Fig. 2, b) e la pressione sotto la superficie concava del liquido è inferiore della stessa quantità rispetto a quella sotto la superficie piana. Questa formula determina la pressione di Laplace nel caso di una superficie libera sferica del liquido. È un caso speciale della formula di Laplace, che determina la sovrappressione per una superficie liquida arbitraria di doppia curvatura:

dove sono i raggi di curvatura di due qualsiasi reciprocamente perpendicolari sezioni normali superficie del liquido. Il raggio di curvatura è positivo se il centro di curvatura della sezione corrispondente è interno al fluido, negativo se il centro di curvatura è esterno al fluido. Per superficie cilindrica sovrapressione.

Se si posiziona un tubo stretto ( capillare) un'estremità in un liquido versato in un recipiente ampio, quindi a causa della presenza della forza di pressione di Laplace, il liquido nel capillare sale (se il liquido è bagnante) o scende (se il liquido non è bagnante) (Fig. 3, a, b), poiché sotto la superficie piana del liquido in un vaso ampio non c'è sovrappressione.