в какую сторону действует давление лапласа

В какую сторону действует давление лапласа

Форма поверхности жидкости, налитой в сосуд, определяется тремя факторами: силами взаимодействия между молекулами жидкости, силами взаимодействия между молекулами жидкости и молекулами, входящими в состав стенок сосуда, и действием силы тяжести.

Если достаточно большое количество жидкости налито в широкий сосуд, то жидкость вследствие преобладающего действия силы тяжести в этом случае имеет плоскую горизонтальную поверхность. Однако непосредственно у стенок сосуда поверхность жидкости несколько искривлена. Если молекулы жидкости, соприкасающиеся со стенкой сосуда, взаимодействуют с молекулами твердого тела сильнее, чем между собой, в этом случае жидкость стремится увеличить площадь соприкосновения с твердым телом. При этом поверхность жидкости изгибается вниз и говорят, что она смачивает стенки сосуда, в котором находится.

Если же молекулы жидкости взаимодействуют между собой сильнее, чем с молекулами стенок сосуда, то жидкость стремится сократить площадь соприкосновения с твердым телом, ее поверхность искривляется вверх, имеет место несмачивание жидкостью стенок сосуда.

Рис. 1

В узких трубочках, диаметр которых составляет доли миллиметра, искривленные края жидкости охватывают весь поверхностный слой, и вся поверхность жидкости в таких трубочках имеет вид, напоминающий полусферу. Это так называемый мениск. Он может быть вогнутым, как на рис. 1 а, в случае смачивания, и выпуклым, как на рис. 1 б, при несмачивании. Радиус кривизны поверхности жидкости при этом того же порядка, что и радиус трубки. Явления смачивания и несмачивания характеризуются краевым углом θ между смоченной поверхностью твердого тела и мениском в точках их соприкосновения (рис.1 а, б).

Наличие сил поверхностного натяжения и кривизны поверхности жидкости в капиллярной трубочке ответственно за дополнительное давление под искривленной поверхностью, называемое давлением Лапласа.

Рис. 2

Для вывода формулы, определяющей величину давления Лапласа, рассмотрим случай, когда поверхность жидкости в сосуде принимает форму выпуклого мениска (рис. 2). Пусть – сила поверхностного натяжения, действующая по касательной к поверхности жидкости, R – радиус кривизны поверхности мениска, r – радиус кривизны сечения мениска горизонтальной плоскостью. Силу можно разложить на две составляющие и . Очевидно, что при суммировании по периметру мениска все составляющие дадут ноль, и давление Лапласа будет обусловлено суммарным действием составляющих . Найдем составляющую и проведем суммирование по контуру, ограничивающему мениск в горизонтальном сечении, имея в виду, что сила поверхностного натяжения , где Δl – элемент длины контура.

,

(6.17)

.

(6.18)

.

,

Рис. 3

Радиусы кривизны, входящие в последнюю формулу, являются алгебраическими величинами. Если центр кривизны нормального сечения мениска находится под его поверхностью, то соответствующий радиус кривизны является положительной величиной (рис. 3 а). В случае, когда центр кривизны находится над поверхностью мениска, R – отрицательно (рис. 3 б). Отсюда следует, что под выпуклой поверхностью мениска давление Лапласа положительно (оно добавляется к атмосферному давлению Р₀), под вогнутой поверхностью мениска давление Лапласа отрицательно (оно меньше атмосферного давления Р₀ на величину Р_Л). Очевидно, что давление Лапласа тем больше, чем меньше радиус кривизны сечения, поэтому оно играет наиболее важную роль в капиллярных явлениях.

Применяя формулу Лапласа для частного случая сферической капли , находим:

.

Если поверхность мениска имеет цилиндрическую форму, то один из радиусов кривизны сечения можно считать равным бесконечности. Для этого частного случая давление Лапласа равно

.

В случае мыльного пузырька дополнительное давление, которое испытывает находящийся внутри него газ, равно , так как у пузырька две поверхности – наружная и внутренняя, каждая из которых создает дополнительное давление Лапласа.

Источник

Давление Лапласа

Форма поверхности жидкости, налитой в сосуд, определяется тремя факторами: силами взаимодействия между молекулами жидкости, силами взаимодействия между молекулами жидкости и молекулами, входящими в состав стенок сосуда, и действием силы тяжести.

Если достаточно большое количество жидкости налито в широкий сосуд, то жидкость вследствие преобладающего действия силы тяжести в этом случае имеет плоскую горизонтальную поверхность. Однако непосредственно у стенок сосуда поверхность жидкости несколько искривлена. Если молекулы жидкости, соприкасающиеся со стенкой сосуда, взаимодействуют с молекулами твердого тела сильнее, чем между собой, в этом случае жидкость стремится увеличить площадь соприкосновения с твердым телом. При этом поверхность жидкости изгибается вниз и говорят, что она смачивает стенки сосуда, в котором находится.

Если же молекулы жидкости взаимодействуют между собой сильнее, чем с молекулами стенок сосуда, то жидкость стремится сократить площадь соприкосновения с твердым телом, ее поверхность искривляется вверх, имеет место несмачивание жидкостью стенок сосуда.

В узких трубочках, диаметр которых составляет доли миллиметра, искривленные края жидкости охватывают весь поверхностный слой, и вся поверхность жидкости в таких трубочках имеет вид, напоминающий полусферу. Это так называемый мениск.

Это так называемый мениск. Он может быть вогнутым, как на рис. 1а, в случае смачивания, и выпуклым, как на рис. 1б, при несмачивании. Радиус кривизны поверхности жидкости при этом того же порядка, что и радиус трубки. Явления смачивания и несмачивания характеризуются краевым углом θ между смоченной поверхностью твердого тела и мениском в точках их соприкосновения (рис.1а, б).

Наличие сил поверхностного натяжения и кривизны поверхности жидкости в капиллярной трубочке ответственно за дополнительное давление под искривленной поверхностью, называемое давлением Лапласа.

Для вывода формулы, определяющей величину давления Лапласа, рассмотрим случай, когда поверхность жидкости в сосуде принимает форму выпуклого мениска (рис. 2).Пусть F– сила поверхностного натяжения, действующая по касательной к поверхности жидкости, R – радиус кривизны поверхности мениска, r – радиус кривизны сечения мениска горизонтальной плоскостью.

Источник

В какую сторону действует давление лапласа

Форма поверхности жидкости, налитой в сосуд, определяется тремя факторами: силами взаимодействия между молекулами жидкости, силами взаимодействия между молекулами жидкости и молекулами, входящими в состав стенок сосуда, и действием силы тяжести.

Если достаточно большое количество жидкости налито в широкий сосуд, то жидкость вследствие преобладающего действия силы тяжести в этом случае имеет плоскую горизонтальную поверхность. Однако непосредственно у стенок сосуда поверхность жидкости несколько искривлена. Если молекулы жидкости, соприкасающиеся со стенкой сосуда, взаимодействуют с молекулами твердого тела сильнее, чем между собой, в этом случае жидкость стремится увеличить площадь соприкосновения с твердым телом. При этом поверхность жидкости изгибается вниз и говорят, что она смачивает стенки сосуда, в котором находится.

Если же молекулы жидкости взаимодействуют между собой сильнее, чем с молекулами стенок сосуда, то жидкость стремится сократить площадь соприкосновения с твердым телом, ее поверхность искривляется вверх, имеет место несмачивание жидкостью стенок сосуда.

Рис. 6.13

В узких трубочках, диаметр которых составляет доли миллиметра, искривленные края жидкости охватывают весь поверхностный слой, и вся поверхность жидкости в таких трубочках имеет вид, напоминающий полусферу. Это так называемый мениск. Он может быть вогнутым, как на рис. 6.13а, в случае смачивания, и выпуклым, как на рис. 6.13б, при несмачивании. Радиус кривизны поверхности жидкости при этом того же порядка, что и радиус трубки. Явления смачивания и несмачивания характеризуются краевым углом θ между смоченной поверхностью твердого тела и мениском в точках их соприкосновения (рис. 6.13а, б).

Наличие сил поверхностного натяжения и кривизны поверхности жидкости в капиллярной трубочке ответственно за дополнительное давление под искривленной поверхностью, называемое давлением Лапласа.

Рис. 6.14

Для вывода формулы, определяющей величину давления Лапласа, рассмотрим случай, когда поверхность жидкости в сосуде принимает форму выпуклого мениска (рис. 6.14). Пусть – сила поверхностного натяжения, действующая по касательной к поверхности жидкости, R – радиус кривизны поверхности мениска, r – радиус кривизны сечения мениска горизонтальной плоскостью. Силу можно разложить на две составляющие и . Очевидно, что при суммировании по периметру мениска все составляющие дадут ноль, и давление Лапласа будет обусловлено суммарным действием составляющих . Найдем составляющую и проведем суммирование по контуру, ограничивающему мениск в горизонтальном сечении, имея в виду, что сила поверхностного натяжения , где Δl – элемент длины контура.

,

(6.17)

.

(6.18)

Радиусы кривизны, входящие в последнюю формулу, являются алгебраическими величинами. Если центр кривизны нормального сечения мениска находится под его поверхностью, то соответствующий радиус кривизны является положительной величиной (рис. 6.15а). В случае, когда центр кривизны находится над поверхностью мениска, R – отрицательно (рис. 6.15б). Отсюда следует, что под выпуклой поверхностью мениска давление Лапласа положительно (оно добавляется к атмосферному давлению Р₀), под вогнутой поверхностью мениска давление Лапласа отрицательно (оно меньше атмосферного давления Р₀ на величину Р_Л). Очевидно, что давление Лапласа тем больше, чем меньше радиус кривизны сечения, поэтому оно играет наиболее важную роль в капиллярных явлениях.

Применяя формулу Лапласа для частного случая сферической капли , находим:

.

(6.21)

Если поверхность мениска имеет цилиндрическую форму, то один из радиусов кривизны сечения можно считать равным бесконечности. Для этого частного случая давление Лапласа равно

.

(6.22)

В случае мыльного пузырька дополнительное давление, которое испытывает находящийся внутри него газ, равно , так как у пузырька две поверхности – наружная и внутренняя, каждая из которых создает дополнительное давление Лапласа.

Убедительной иллюстрацией существования лапласовского давления служит описанный ниже опыт.

Рис. 6.16

С помощью двух сообщающихся трубочек выдуваются мыльные пузыри (рис. 6.16), после этого трубочка С закрывается. Вследствие неизбежных случайных обстоятельств радиусы пузырей будут отличаться друг от друга. Внутри пузырька меньшего радиуса давление Лапласа больше, и воздух из него начнет перемещаться в пузырек большего радиуса. В результате большой пузырек будет увеличиваться в размерах, а маленький спустя непродолжительное время исчезнет.

Источник

Давление Лапласа. Капиллярные явления

О

1. Давление Лапласа. Кривизна поверхности жидкости приводит к изменению внутрижидкостного давления. Чтобы его определить, выделим на поверхности капли малый элемент в форме криволинейного параллелограмма ABCD площадью S (рис.63).

Здесь R₁ и R₂ – радиусы кривизны поверхности в двух взаимно перпендикулярных направлениях MN и KL.

По касательной к поверхности перпендикулярно сторонам AD и BC действуют равные по величине силы поверхностного натяжения и . Разложим эти силы на две составляющие. Одна – нормальная к поверхности в точке O, а другая – касательная к поверхности в этой же точке.

Касательные составляющие в сумме дают нуль, а составляющие вдоль нормали OO₁ направлены в одну сторону. Найдем их сумму.

. (18.1)

. (18.2)

Аналогично находятся составляющие сил и . . (18.3)

Складываем. . (18.4)

Разделив эту силу на площадь S, получаем давление, создаваемое внутри жидкости ее искривленной свободной поверхностью. . Пьер Лаплас, 1806 (18.5)

Эту формулу впервые получил Лаплас в 1806 г., и поэтому ее часто называют законом Лапласа: внутрижидкостное давление, обусловленное поверхностным натяжением, пропорционально коэффициенту поверхностного натяжения и средней кривизне поверхности.

Средней кривизной называют выражение в скобках 1/R₁+1/R₂. В 1831 г. Карл Гаусс показал, что средняя кривизна поверхностей не зависит от ориентации сечений, в которых измерялись радиусы кривизны R₁ и R₂. Важно лишь, чтобы эти сечения были взаимно перпендикулярны. На практике ориентация сечений выбирается из соображений геометрической простоты.

Наиболее часто встречаются три случая.

а. Поверхность сферическая (капли, пузырьки). Радиус кривизны равен радиусу сферы, R₁ = R₂ = R, p = 2s| R.

б. Поверхность цилиндрическая. Одно сечение удобно взять нормально оси цилиндра, R₁ = R, другое – в плоскости оси, R₂ = ¥. Средняя кривизна цилиндрической поверхности 1/R + 1/¥ = 1/R, где R – радиус цилиндра, p = s| R.

в. Плоская поверхность. Радиус кривизны в любом сечении R₁ = R₂ = ¥, кривизна равна нулю, давление Лапласа равно нулю.

Если поверхность жидкости выпуклая, как, например, у капли, то лапласовское давление положительно, p > 0, жидкость дополнительно подпрессована (рис.64-а).

Если же поверхность вогнутая, как у воздушного пузырька в жидкости, то лапласовское давление отрицательно, p 0. Если же центр кривизны поверхности находится со стороны газа, то R

По закону сообщающихся сосудов давление на уровне свободной поверхности h = 0 как вне, так и внутри капилляра одно и тоже. Снаружи оно равно атмосферному p₀.

Внутри капилляра (точка А) оно складывается из трех частей: атмосферного p₀, лапласовского p = 2s /R и гидростатического rgH. Так что . (18.6)

Радиус кривизны мениска R в случае смачивающей жидкости – отрицательное число. Он связан с радиусом капилляра r соотношением , (18.7)

где q – краевой угол. Отсюда . (18.8)

Здесь r – плотность жидкости, g – ускорение свободного падения.

По мере поднятия в капилляре внутрижидкостное давление будет уменьшаться за счет уменьшения гидростатического давления. В произвольной точке B на высоте h над уровнем свободной поверхности давление

. (18.9)

Давление под мениском на высоте капиллярного подъема жидкости h = H складывается лишь из атмосферного и лапласовского. В смачивающей жидкости лапласовское давление отрицательно, поэтому давление под мениском меньше атмосферного на величину лапласовского давление, p = p₀+2s| R = p₀—rgH. (18.10)

. Оторвать одну пластинку от другой довольно трудно, но они легко сдвигаются друг относительно друга.

б. Капиллярный клин возникает в области вершины двугранного угла, образованного двумя плоскими поверхностями (рис.68). Поскольку расстояние a между поверхностями по мере удаления от вершины O растет по закону a = a x, где a – двугранный угол, то высота подъема жидкости уменьшается,

. (18.14)

Здесь – постоянная для данного клина в данной жидкости величина.

Уравнение H = c| x есть уравнение гиперболы, которую образует верхняя граница жидкости внутри двугранного угла.

4. Капиллярные явления. Хотя круглый и плоский капилляры являются идеализациями и в природе встречаются нечасто, закономерности, которые выявляются при их изучении, проявляются в капиллярах самых причудливых форм. Перечислим некоторые явления, имеющие капиллярную природу.

а. Капиллярное перемещение жидкости. Если в сужающийся капилляр попадает капля смачивающей жидкости, то за счет разности кривизны свободных поверхностей возникает перепад давлений, смещающий каплю в более узкую область (рис.69).

Капля может перемещаться также в капилляре постоянного сечения, если со стороны одного мениска жидкость имеет более высокую температуру, чем со стороны другого. Разность давлений возникает в этом случае из-за разности поверхностного натяжения, в результате капля перемещается в более холодную область.

Капиллярное перемещение жидкости играет большую роль в живой природе и почве.

б. Капиллярная контракция – это уменьшение объема пористых тел при высушивании. Наиболее заметно капиллярная контракция проявляется при высушивании растительных стеблей – травы и древесины.

Например, при просушке древесины влага, испаряясь из капилляров между волокнами целлюлозы, постепенно стягивается в область все более узких мест. В результате радиус кривизны менисков постепенно уменьшается, а отрицательное лапласовское давление увеличивается. Под действием внешнего давления волокна при высыхании сближаются и остаются в этом положении.

5. Опытное определение коэффициента поверхностного натяжения s включает в себя более пяти различных методов. Наиболее просты в техническом исполнении и наглядны два из них: метод капель и метод капиллярного подъема.

а. Метод капель. Из стеклянной трубки дают возможность жидкости медленно вытекать одиночными каплями (рис.71). Если допустить, что капля отрываeтся от трубки тогда, когда ее вес mg сравняется с силой поверхностного натяжения 2pr×s, удерживающей каплю в висячем положении, где r – радиус выходного конца трубки, то . (18.15)

Здесь m – масса капли, g – ускорение свободного падения.

б. Метод капиллярного подъема основан на явлении втягивания смачивающей жидкости в капилляр или выталкивания несмачивающей жидкости из капилляра. Высота капиллярного подъема (опускания) определяется формулой (18.8).

Измерив диаметр капилляра 2r, плотность жидкости r и высоту капиллярного подъема (опускания) H, можно вычислить поверхностное натяжение s. Строго говоря, если жидкость неизвестная, и неизвестен краевой угол q при ее контакте с данной твердой поверхностью, то в этих методах определяется произведение s×cosq.

Краевой угол q может быть определен прямым его измерением на большой капле, помещенной на горизонтальную поверхность.

Жидкие растворы

1. Растворы – это макроскопические однородные смеси двух или большего числа веществ (компонентов), образующих термодинамически равновесные системы. В растворах все компоненты находятся в молекулярно-дисперсном состоянии. Они равномерно распределены в виде отдельных атомов, молекул, ионов или в виде групп из небольшого числа этих частиц. Различают газообразные, жидкие и твердые растворы. В данном параграфе речь пойдет о жидких растворах двухкомпонентного состава.

2. Концентрация растворов. Растворяться в жидкостях могут газы, жидкости и твердые тела. Взаимное растворение жидкостей может быть полным или частичным. Вода и спирт, например, растворяются друг в друге в любом соотношении, а вода и анилин растворяются частично.

Жидкость, взятая в большем количестве, называется растворителем. Другой компонент – растворяемым веществом. Для количественной характеристики соотношения между компонентами растворов используется понятие концентрации.

а. Весовая концентрация c_m есть отношение массы растворенного вещества m₁ к массе раствора m₁+m₂, где m₂ – масса растворителя. . (19.1)

Обычно весовую концентрацию выражают в процентах. Например, 5%-й раствор йода, 40%-й раствор спирта, 70%-й раствор уксусной кислоты.

Для приготовления раствора нужной весовой концентрации исходной для расчетов величиной является масса необходимого раствора. Например, для приготовления m = 1 кг 10%-го раствора сахара надо взять m₁ = c_m1×m = 0,1×1 кг = 0,1 кг сахара и растворить его в m—m₁ = 1-0,1 = 0,9 кг воды.

б. Молярная концентрация С_м выражается числом молей вещества, растворенного в единице объема раствора. . (19.2)

При одномолярной концентрации в единице объема раствора содержится 1 моль растворенного вещества, содержащий число Авогадро N_А частиц.

В общем случае, если известна молярная концентрация раствора С_м, то известна и концентрация частиц n растворенного вещества, n = С_м×N_А. (19.3)

Поэтому молярная концентрация удобна не только в лабораторной практике, но и в теоретических исследованиях. Для приготовления растворов с известной молярной концентрацией в мерную колбу объемом V помещается вначале известное число v молей растворяемого вещества, а затем заливается растворитель до метки.

в. Молярная доля c_n. В случае молярной концентрации C_м неизвестна концентрация в растворе молекул растворителя. Это приемлемо в тех случаях, когда растворитель пассивный и не участвует в физико-химическом процессе. Если же количество растворителя должно быть известно, используют молярную долю c_n. . (19.4)

Здесь n₁ – число молей растворенного вещества, n₂ – число молей растворителя. Оба этих вещества выступают здесь как равноправные компоненты, число которых не ограничено. Молярная доля растворителя . (19.5)

Переход от весовой концентрации c_m к молярной C_м и молярной доле c_n можно выполнить с использованием формул: . (19.6)

3. Растворимость веществ. Раствор, содержащий наибольшее количество вещества, которое может в нем раствориться, называется насыщенным. Если концентрация растворенного вещества меньше, чем в насыщенном растворе, то раствор называется ненасыщенным. Если концентрация больше, раствор называется перенасыщенным. Перенасыщенные растворы метастабильны. При появлении зародышей избыток растворенного вещества выпадает из раствора, и раствор становится насыщенным.

Концентрация насыщенного раствора есть мера растворимости, то есть способности вещества растворяться в растворителе. Растворимость выражают обычно в граммах вещества, растворяющегося в 100 граммах растворителя. Например, растворимость в воде при 20°C сахара составляет 20,4 г, поваренной соли – 36,0 г, соды Na₂CO₃ – 21,5 г, нитрата серебра AgNO₃ – 222 г.

4. Растворение в жидкостях газов, молекулы которых химически не взаимодействуют между собой и с молекулами растворителя, подчиняется закону Генри: при постоянной температуре растворимость газа пропорциональна парциальному давлению его над раствором (Уильям Генри, 1903 г.). m = kp. (19.7)

Здесь m – масса растворенного газа, p – его парциальное давление над растворителем, k – коэффициент, который зависит от природы газа, растворителя и температуры.

Закон Генри применим к идеальным плохо растворимым газам, например, к азоту, кислороду, водороду, гелию и др. Для аммиака NH₃ и углекислого газа CO₂, хорошо растворяющихся в воде, закон Генри неприменим.

5. Теплота растворения. Растворение вещества в жидкостях является результатом взаимодействия частиц растворяемого вещества с частицами растворителя. Поскольку растворение – это разделение частиц растворяемого вещества, которые были связаны между собой силами притяжения, то оно требует затраты энергии.

Против сил притяжения должна быть совершена работа, и она совершается силами взаимодействия между частицами растворяемого вещества и растворителя.

Энергию растворения 1 моля вещества в настолько большом количестве растворителя, чтобы частицы растворенного вещества не взаимодействовали между собой, называют молярной теплотой растворения Q_p. Эта теплота поглощается из раствора, в результате температура раствора в процессе растворения может понижаться.

Нередко молекулы или ионы растворенного вещества образуют с молекулами растворителя довольно устойчивые комплексы – сольваты (от лат. solvo – растворяю). Так как сольваты обладают меньшей потенциальной энергией по сравнению с молекулами чистого растворителя, то процесс сольватации сопровождается выделением энергии Q_s.

В результате этих двух процессов растворение вещества может сопровождаться как поглощением энергии, Q_p > Q_s, температура раствора понижается, так и выделением энергии, Q_p 0. Растворимость всех газов с ростом температуры уменьшается.

6. Осмос. (от греч. osmos – толчок, давление) – диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану, разделяющую раствор и чистый растворитель.

Пусть слева от мембраны – чистый растворитель A, а справа – раствор A + B (рис.72). Молекулы A могут свободно проходить слева направо и справа налево. Но размер молекул B больше размера отверстий в мембране, поэтому молекулы B не проходят из раствора в чистый растворитель. Так как концентрация молекул растворителя A слева больше, чем справа, то и поток диффузии молекул A слева больше, чем справа. В результате уровень раствора справа повышается. Это продолжается до тех пор, пока потоки диффузии слева и справа не уравновесятся.

Количественной характеристикой осмоса является осмотическое давление. Величина его равна тому давлению, которое, будучи приложенным к раствору, уравновешивает потоки диффузии молекул растворителя слева и справа. В 1887 г. нидерландский физико-химик Якоб Вант-Гофф открыл закон, определяющий зависимость осмотического давления П от концентрации и температуры раствора. П = vRT| V. Вант-Гофф, 1887 (19.8)

Здесь v | V – молярная концентрация раствора (v – число молей вещества, растворенного в объеме V раствора), T – температура, R = 8,31 Дж/(моль×K) – газовая постоянная.

По закону Вант-Гоффа, осмотическое давление, создаваемое растворенным веществом, равно давлению, которое производило бы это вещество, будучи в газообразном состоянии в том же объеме, при той же температуре и в том же структурном составе.

Закон Вант-Гоффа лучше выполняется для растворов малых концентраций, когда отсутствует взаимодействие между молекулами растворенного вещества. Осмотическое давление не зависит от вида полупроницаемой мембраны, от рода растворителя и от особенностей растворенного вещества. Лишь бы его молекулы не проходили сквозь мембрану.

7. Осмос в электролитах. В растворах кислот, солей и щелочей осмотическое давление оказалось больше, чем это следует из формулы (19.8). Выходило, что число частиц в электролитах больше числа молекул растворенного вещества. Поэтому Вант-Гофф ввел в свой закон для электролитов поправочный множитель i (изотонический коэффициент), который показывает, во сколько раз наблюдаемое осмотическое давление больше вычисленного по формуле (19.8). П = inRTçV. (19.9)

Она применима как к электролитам (a > 0), так и к неэлектролитам (a = 0).

8. Осмос в живой природе играет исключительно важную роль. Осмос лежит в основе корневой системы питания растений. В результате фотосинтеза в них вырабатываются крупные молекулы органических кислот, сахаров и других соединений, которые и создают внутри растений осмотическое давление. Роль полупроницаемой мембраны играет корневая система, которая всасывает воду с мелкими молекулами неорганических веществ. Последние нужны как строительные элементы для синтеза необходимых растению органических веществ. Благодаря осмосу влага в растениях удерживается на высоте в десятки метров.

Питание представителей царства животных также происходит благодаря осмосу. Кровь и лимфа животных – это растворы органических и неорганических веществ. Если осмотическое давление в пищеварительном тракте ниже, чем в крови, влага с питательными веществами всасывается в кровь. Если осмотическое давление в крови по каким-то причинам оказалось ниже, чем в кишечнике (животное объелось соли), всасывание меняет направление, организм обезвоживается, животное погибает.

9. Поверхностное натяжение растворов зависит от концентрации растворов и от вида растворенного вещества. Наибольшее практическое значение имеют водные растворы.

При растворении в воде неорганических электролитов – кислот, солей и щелочей – поверхностное натяжение раствора увеличивается по линейному закону: s = s₀+kC_м, (19.11)

где s₀ – поверхностное натяжение чистой воды, C_м – молярная концентрация раствора, k – коэффициент.

Таблица 20

Сольk, KCl NaCl Na₂CO₃ NaNO₃ Na₂SO₄1,4 1,6 1,3 1,2 1,4

Вещества, повышающие поверхностное натяжение, называются поверхностно-инактивными.

Растворение органических веществ – мыл, спиртов, жирных кислот – обычно понижает поверхностное натяжение. Вещества этой группы называются поверхностно-активными (ПАВ). Молекулы ПАВ построены из двух частей – полярной, гидрофильной группы, имеющей сродство к воде (COOH, OH, NH₂, NO₂) и неполярного радикала, с которым связана пониженная растворимость ПАВ в воде.

Понижение s в растворах ПАВ сопровождается повышением концентрации их молекул в поверхностном слое по сравнению с объемной концентрацией. Это явление называется адсорбцией (от лат. ad – на, sorbeo – поглощаю).

При малой концентрации адсорбированных молекул тепловое движение нарушает их ориентацию, и молекулы в основном лежат в поверхностном слое (рис.73-а). С повышением концентрации взаимодействие углеводородных цепей между собой усиливается, это способствует их вертикальной ориентации (рис.73-б). При насыщении адсорбционного слоя образуется мономолекулярный слой ориентированных молекул (рис.73-в).

Образование адсорбционного слоя полярных молекул позволяет использовать растворы ПАВ в качестве моющих средств. Полярные молекулы обволакивают частицы загрязнений и переносят их в раствор в качестве фрагментов эмульсий.

Адсорбция полярных молекул ПАВ не только понижает поверхностное натяжение жидкости, но и существенно стабилизирует поверхность, позволяя получать устойчивые двусторонние тонкие пленки типа мыльных пузырей. Толщина таких пленок не может быть меньше удвоенного радиуса 2r действия сил межмолекулярного притяжения (рис.74). При толщине пленки меньше 2r отрицательная энергия молекулярного взаимодействия в середине пленки будет убывать по абсолютной величине, разница между энергиями молекул в глубине и в поверхностном слое будет уменьшаться, и система перестанет быть устойчивой.

Реальная минимальная толщина пленок колеблется около 1 мкм, что составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч поперечников молекул жидкости.

6.Принцип Ле-Шателье-Брауна. Для качественной оценки изменений в равновесной системе, происходящих при внешнем взаимодействии, в термодинамике широко применяется принцип подвижного равновесия. Он гласит: если на систему, находящуюся в равновесии, направить внешнее воздействие, нарушающее равновесие, в ней самопроизвольно происходят изменения в направлении уменьшения этого воздействия.

Этот принцип открыл в 1884 г. Анри Ле-Шателье, обобщая частные закономерности, а Карл Браун обосновал его на основе 2-го закона термодинамики в 1888 г.

В отличие от 2-го закона термодинамики, также указывающего направление самопроизвольно протекающих процессов и являющегося эффективным методом количественного исследования систем, принцип Ле-Шателье-Брауна носит качественный характер.

Примером действия принципа Ле-Шателье-Брауна может служить увеличение растворимости газов с ростом давления. Когда давление газа над жидкостью за счет внешнего воздействия увеличивается, система переводит часть газа в жидкость, тем самым ослабляя внешнее воздействие, растворимость газа растет. Если давление газа над жидкостью понижать, то система выделяет обратно часть газа из жидкости, стремясь к тому, чтобы понижение давления было как можно меньше. Растворимость газа уменьшается.

Принцип Ле-Шателье-Брауна имеет общефизический характер. Примером может служить правило Ленца, определяющее направление индукционного тока.

Глава 5. Твердые тела

Дата добавления: 2018-04-15 ; просмотров: 1965 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник