Studiul lichidelor

Studiul lichidelor

Lichidele sunt considerate a reprezenta o stare intermediara intre solide si gaze. Lichidele se pot obtine din gaze prin lichefiere, iar din solide prin topire. Energia cinetica medie a miscarii termice din lichide nu este suficient de mare pentru a invinge fortele de coeziune dintre molecule, asa cum se intampla in gaze. Din lichid se desprind doar moleculele cu viteza cea mai mare dand nastere fenomenului de evaporare. La cresterea temperaturii numarul de molecule care pot iesi din lichid creste deoarece creste viteza lor termica. Astfel, poate sa inceapa fenomenul de fierbere si apoi cel de vaporizare, pe masura ce temperatura creste.

Lichidele au volum propriu fiind practic incompresibile, curg si nu au forma proprie. Ele iau intotdeauna forma vasului in care sunt puse, nu au tendinta de expansiune a gazelor, ci au un volum bine determinat, limitat de peretii vasului si de o suprafata libera (este suprafata de separatie dintre lichid si gaz).

Intre moleculele sistemului in stare lichida se manifesta forte de interactiune mai mari ca intre moleculele in stare gazoasa. Proprietatile sistemelor lichide se modifica odata cu schimbarea conditiilor externe, in special cu temperatura si foarte putin cu presiunea.

Un lichid este acea stare in care componentele se misca liber intre ele, dar nu tind sa se separe una de alta, asa cum o fac particulele componente ale gazelor si ale vaporilor.

a)     stratul superficial

Intre moleculele de lichid se exercita forte de atractie destul de intense, care devin foarte slabe incepand de la o anumita distanta intre molecule, in care caz pot fi neglijate. Aceasta distanta se numeste raza de actiune moleculara, iar sfera care are aceasta raza se numeste sfera de actiune moleculara (centrul sferei este situat in molecula considerata).

Stratul de lichid de grosime egala cu raza sferei de actiune moleculara, ale carui molecule sunt supuse unor forte orientate spre interiorul lichidului, se numeste strat superficial.

Pe tot stratul superficial al unui lichid actioneaza forte normale la suprafata, orientate spre interiorul lichidului. Acest strat exercita o presiune moleculara asupra restului lichidului.

O masa de lichid, asupra careia nu actioneaza forte exterioare, va lua sub actiunea presiunii moleculare o forma sferica (sfera are cea mai mica arie, la acelasi volum, comparativ cu alte corpuri geometrice)

b)     tensiunea superficiala

Atunci cand stratul superficial se afla in stare de echilibru, energia sa potentiala trebuie sa fie minima si deci variatia suprafetei lui trebuie sa fie minima:

in care: s este coeficient de tensiune superficiala.

Suprafata de separare lichid-mediu exterior se curbeaza tinzand sa devina sferica. O suprafata se mentine curba daca actioneaza niste forte tangente in fiecare punct al ei si perpendicular pe contur. Acestea se numesc forte de tensiune superficiala.

Coeficientul de tensiune superficiala s depinde de temperatura (scade cu cresterea temperaturii) si depinde de natura substantei.

c)     interactiuni moleculare la contactul lichid-solid

In imediata vecinatate a peretilor unui recipient, suprafata libera a unui lichid se curbeaza, luand o forma concava sau convexa numita menisc.

Interactiunile lichid-lichid sunt caracterizate prin forte de coeziune F_c, iar interactiunile lichid-solid sunt caracterizate de forte de adeziune F_a. Sunt intalnite urmatoarele situatii (fig.2.1):

F_a > F_c - caz in care lichidul uda vasul in care se afla (in vas raman urme de apa);

F_a < F_c - caz in care lichidul nu uda vasul in care se afla (in vas nu raman urme de mercur).

Fig.2.1 Interactiuni moleculare la contactul lichid-solid

Se da un tub capilar (cu diametrul mai mic de 1 mm) de raza r, scufundat intr-un vas cu lichid de densitate r care uda peretele vasului (fig.2.2). Lichidul din vas urca in tubul capilar pana cand greutatea G a coloanei de lichid din tub echilibreaza fortele de tensiune superficiala F_s care actioneaza pe conturul circular al meniscului.

Din conditia de echilibru a coloanei de lichid din tubul capilar rezulta:

in care: l este lungimea conturului meniscului (care se presupune tangent la peretii vasului)

,

relatie din care rezulta inaltimea h pana la care se urca lichidul in tubul capilar:

- legea lui Jurin.

In cazul in care lichidul nu uda peretii vasului, meniscul fiind convex, fortele de tensiune superficiala sunt indreptate in jos si lichidul din vasul capilar coboara sub nivelul lichidului din exteriorul capilarului.

Inaltimea h la care urca sau coboara un lichid intr-un vas capilar variaza invers proportional cu diametrul tubului.

O aplicatie practica a acestui fenomen este flotatia: se considera un amestec de substante hidrofobe (nu se imbiba cu apa) si substante hidrofile (se imbiba usor cu apa). Particulele care resping apa au o afinitate pronuntata fata de aer. Daca se insufla aer in amestecul de particule solide si apa, acesta adera sub forma de bule la particule si le face sa se ridice la suprafata, de unde sunt indepartate cu ajutorul unui mecanism.

d)     dilatarea lichidelor

Variatia energiei interne prin schimb de caldura poate fi insotita si de modificarea dimensiunilor geometrice ale lichidelor, fenomen care se numeste dilatare termica.

Lichidele fiind sisteme materiale care nu au forma proprie, fenomenul de dilatare va fi cel corespunzator modificarii lor de volum.

Fenomenul de dilatare a lichidelor se caracterizeaza cu ajutorul coeficientului de dilatare termica in volum g

este variatia volumului de lichid datorita variatiei temperaturii de la t₀ la t;

V₀ - volumul lichidului corespunzator temperaturii initiale t₀

V - volumul lichidului corespunzator temperaturii finale t

In vecinatatea temperaturii de 0 C, volumul V se calculeaza cu relatia:

Deoarece V variaza cu temperatura rezulta ca si densitatea se modifica cu temperatura.

in care: r este densitatea lichidului la temperatura de 0 C.

Obs.: in cazul apei se constatao anomalie, deoarece in intervalul de temperatura 0 C volumul apei se micsoreaza odata cu cresterea temperaturii.