Tensão Superficial: 7 Fatores Importantes Relacionados a Ela

Coesão e Adesão

Em primeiro lugar, tentamos compreender alguns termos úteis no estudo da tensão superficial. O líquido tem propriedades como a coesão. Coesão é uma propriedade na qual uma molécula de líquido atrai outra molécula mais próxima. Adesão é uma propriedade na qual as moléculas do fluido são atraídas pelo contato de uma superfície sólida com ele. Em suma, podemos dizer que a força entre moléculas semelhantes é a coesão e a força entre as moléculas diferentes é a adesão.

Vamos dar um exemplo.

Se colocarmos uma gota de mercúrio em qualquer superfície, ela tentará se formar em uma gota porque a coesão é maior do que a força de adesão. Você verá que a gota de mercúrio não gruda na superfície sólida. O Mercúrio tentará ficar longe da superfície sólida; não molhará a superfície sólida.

Agora vamos dar outro exemplo se considerarmos que as partículas de água caem na superfície. Vai se espalhar por toda a superfície de concreto. Isso acontece porque a força adesiva é mais significativa do que a força coesiva nesse caso. O ângulo de contato entre o líquido e a superfície sólida pode descrever o molhamento e não molhamento da superfície.

Tensão Superficial
Umedecimento e não umedecimento do líquido crédito HISOKI

Consulte a figura acima para ver a interface de gás líquido e superfície sólida do líquido onde a superfície sólida quando o ângulo for inferior a 90 graus (π / 2). O umedecimento da superfície está aumentando com a diminuição do ângulo. Se o ângulo for superior a 90 graus, o líquido não molhará a superfície sólida. O ângulo depende da natureza da superfície, tipos de líquido, superfície sólida e limpeza.

Se considerarmos que a água pura entra em contato com a superfície de vidro limpa. O ângulo é 0 (zero) grau nesse caso. Se adicionarmos impurezas na água: O ângulo aumentará com a adição de impurezas. Como já discutimos, o Mercúrio é um líquido não umectante, então o ângulo varia de 130 a 150 graus.

Tensão Superficial

No líquido, as moléculas estão abaixo da superfície livre. Cada molécula de líquido atrai para a molécula próxima. A força de coesão molecular é a mesma em todas as direções. Todas as forças têm a mesma magnitude e direções opostas. Então, ele será cancelado no líquido. Pode ser a razão do equilíbrio em líquido. Não há força resultante presente no líquido.

Suponha que considerássemos as moléculas superiores de líquido em uma superfície livre, pois sabemos que não há moléculas de líquido sobre elas. Então, aqui, eles estão sendo atraídos por moléculas líquidas abaixo deles. Essas moléculas de líquido de superfície livre sentirão a força de tração no interior do líquido. Essa força atua como força elástica. O gasto por unidade de área da superfície é chamado tensão superficial.

A tensão superficial é denotada por Sigma (σ) A tensão superficial ocorre na interface líquido-gás e na interface líquido-líquido. A razão por trás da tensão superficial é uma atração intermolecular por causa da coesão.

Vamos entender isso em profundidade considerando alguns exemplos práticos,

  • Você viu uma gota de líquido de forma esférica. A razão por trás de sua forma esférica é a tensão superficial.
  • Você pode notar isso se derramarmos bastante água dentro do copo. Mesmo que o copo esteja cheio, ainda podemos adicionar um pouco de água acima do limite do copo.
  • Suponha que faremos experiências com um tubo de vidro fino na superfície da água. Podemos notar rapidamente uma elevação e depressão capilar dentro de um tubo de vidro fino.
  • Os pássaros podem beber água do corpo d'água devido à tensão superficial.

Embora a pressão e a força da gravidade sejam maiores do que a força da tensão superficial, a força da tensão superficial desempenha um papel importante quando há superfície livre e pequenas dimensões. A unidade de tensão superficial é N / m. A magnitude da tensão superficial depende dos seguintes fatores:

  • Tipo de líquido
  • Tipo de estado circundante de gás, líquido ou sólido
  • A energia cinética das moléculas
  • Temperatura das moléculas

Se aumentarmos a temperatura de uma substância como o líquido, a atração intermolecular diminui porque a distância entre as moléculas aumenta. A tensão superficial depende da atração intermolecular (Coesão). O valor da tensão superficial para o líquido é considerado para o ar como um meio circundante,

A tensão superficial para a interface ar-água é 0.073 N / m.

O valor da tensão superficial diminui com o aumento da temperatura.

Capilar

Se um tubo estreito for mergulhado na água, a água subirá dentro do tubo em um determinado nível. Este tipo de tubo é chamado de tubo capilar, e este fenômeno é denominado efeito capilar. Outro nome do efeito capilar é efeito menisco.

O efeito capilar é devido à força da tensão superficial. O aumento e a depressão capilares estão acontecendo por causa da coesão e da atração intermolecular de adesão. A força de adesão entre a superfície do tubo e uma molécula de água é maior do que a força de coesão entre as moléculas de água. Por conta disso, as moléculas de água podem ser observadas em forma côncava na superfície do tubo.

Peso do líquido sobe ou desce em tubo de pequeno diâmetro

= (Área do tubo * Subida ou descida) * (peso específico)

= (π / 4 * d2* h) w

Componente vertical da força de tensão superficial

= σ cosθ * circunferência

= σ cosθ * πd

Se considerarmos o equilíbrio, então a força para cima equilibra a força para baixo, então o componente da força é dado como,

(π / 4 * d2 * h * w) = σ cosθ * πd

H = (4 σ cosθ / wd)

capilar 1
Tubo capilar

Pode-se observar de um ângulo que se o ângulo estiver entre 0 e 90 graus, o valor de h é positivo, formação de forma côncava e aumento capilar. Se o ângulo estiver entre 90 e 180 graus, o h é negativo, com formação de forma convexa e depressão capilar.

Se o líquido for Mercúrio, o efeito será totalmente oposto. No caso de Mercúrio, a força de coesão é mais significativa do que a força de adesão. Por causa disso, as moléculas de Mercúrio adquirem forma convexa na superfície do tubo.

O efeito capilar é inversamente proporcional ao diâmetro do tubo. Se você deseja evitar o efeito capilar, não deve escolher um tubo de pequeno diâmetro. O diâmetro mínimo do tubo é recomendado para água, e Mercúrio é 6 mm. A superfície dentro do tubo deve estar limpa.

evaporação

A evaporação é definida como uma mudança de estado de líquido para gasoso. A taxa de operação depende da condição de pressão e temperatura do líquido.

Considere um exemplo,

Suponha que o líquido esteja dentro do recipiente fechado. Neste vaso, as moléculas de vapor possuem alguma pressão. É chamada de pressão de vapor. Se a pressão de vapor começar a diminuir, a molécula começa a sair da superfície do líquido muito rápido, esse fenômeno é conhecido como ebulição.

Na fervura, as bolhas se formam dentro do líquido. Esta bolha viaja perto da zona de alta pressão e colapsa devido à alta pressão. Essas bolhas em colapso estão exercendo uma pressão significativamente maior em torno de 100 pressão atmosférica. Essa pressão causa erosão mecânica no metal. Normalmente, este efeito é chamado Cavitação. É necessário estudar e projetar maquinários hidrodinâmicos considerando a cavitação.

A cavitação tem ambos os lados benéficos e não benéficos. Como sabemos que a cavitação causa erosão no metal, por isso não é benéfica

Algumas novas áreas de pesquisa sugerem recentemente que a cavitação hidrodinâmica é útil para alguns tratamentos químicos e de águas residuais. Portanto, aqui, a cavitação hidrodinâmica é um conceito benéfico.

A pressão de vapor do líquido depende firmemente da temperatura: aumenta com o aumento da temperatura. Na temperatura de 20 ° C, a pressão de vapor da água é 0.235 N / cm2. A pressão de vapor de Mercúrio é 1.72 * 10-5 N / cm2.

Se quisermos evitar a cavitação em máquinas hidráulicas: Não devemos permitir que a pressão do líquido caia abaixo da pressão de vapor na temperatura local.

Você pode ter pensado muitas vezes por isso que o Mercúrio é usado dentro do termômetro e manômetro. Por que não outro líquido?

Sua resposta está aqui; o Mercúrio possui o menor valor de pressão de vapor com alta densidade. Isso torna o Mercúrio adequado para uso em termômetro e manômetro. 

Encontre o efeito capilar em um tubo de 4 mm de diâmetro. Quando o líquido é água

Perguntas & Respostas

1) Qual é a diferença entre Coesão e adesão?

A coesão é uma força de atração de moléculas entre a mesma matéria, enquanto a adesão é uma atração entre moléculas de matéria diferente.

2) O Mercúrio é tentado ficar longe da superfície, por quê?

Em Mercúrio, a força de coesão é maior do que a força de adesão. Por causa disso, o mercúrio é chamado de líquido não umectante.

3) Qual é a condição de umedecimento e não umedecimento do líquido com a superfície?

O líquido molha a superfície sólida a menos de 90 graus. Se o ângulo for maior que 90 graus, o líquido não molhará a superfície sólida.

4) Explique sobre a tensão superficial

As moléculas líquidas na superfície livre são atraídas por moléculas líquidas abaixo delas. Essas moléculas de líquido de superfície livre sentirão a força de tração no interior do líquido. Essa força atua como força elástica. O gasto por unidade de área da superfície é chamado de tensão superficial. A tensão superficial é denotada por Sigma (σ) A tensão superficial ocorre na interface líquido-gás e na interface líquido-líquido. A razão por trás da tensão superficial é uma atração intermolecular por causa da coesão.

5) Dê alguns exemplos práticos de tensão superficial.

  • Você pode notar isso se derramarmos bastante água dentro do copo. Mesmo que o copo esteja cheio, ainda podemos adicionar um pouco de água acima do limite do copo.
  • Suponha que faremos experiências com um tubo de vidro fino na superfície da água. Podemos notar facilmente uma elevação e depressão capilar dentro de um tubo de vidro fino.
  • Os pássaros podem beber água do corpo d'água devido à tensão superficial.

6) Qual é a unidade de tensão superficial?

A unidade de tensão superficial é N / m.

7) Forneça o valor da tensão superficial para a interface ar-água e ar-mercúrio na pressão e temperatura padrão.

A tensão superficial para a interface ar-água é 0.073 N / m.

A tensão superficial para a interface ar-mercúrio é de 0.480 N / m.

8) Qual é o efeito capilar?

Se o tubo estreito for mergulhado na água, a água subirá dentro do tubo em um determinado nível. Esse tipo de tubo é denominado tubo capilar e esse fenômeno é denominado efeito capilar.

9) Existe alguma relação entre o efeito capilar e a tensão superficial? Se sim, o quê?

Sim. O efeito capilar é devido à força da tensão superficial. O aumento e a depressão capilares estão acontecendo por causa da coesão e da atração intermolecular de adesão.

10) Defina: Ebulição, Cavitação

Ebulição: As bolhas de vapor se formam dentro do líquido devido à mudança de temperatura e pressão. A fervura é uma mudança de estado) de líquido para vapor.

Cavitação: A formação de uma bolha de vapor dentro do maquinário devido à pressão do líquido cai abaixo da pressão de vapor saturado.

Questões de múltipla escolha

1) Para umedecer o líquido, o ângulo de contato θ deve ser ________

(a) 0 (b) θ <π / 2                           (c) θ> π / 2 (d) Nenhum

2) Para líquido não umectante, o ângulo de contato θ deve ser ________

(a) 0 (b) θ <π / 2 (c) θ> π / 2                            (d) Nenhum

3) O valor da tensão superficial diminui com __________

(a) Pressão constante

(B) Aumento da temperatura

(c) Aumento da pressão

(d) Diminuição da temperatura

4) Se o valor do ângulo estiver entre 0 e 90, o que acontece no efeito capilar?

 (A) h é positivo com formação de forma côncava

(b) h é negativo com formação de forma côncava

(c) h é negativo com formação de forma convexa

(d) h é positivo com formação de forma convexa

5) Por que o mercúrio é usado em termômetro e manômetro?

(a) Alta pressão de vapor e baixa densidade

(b) Alta pressão de vapor e alta densidade

(c) Baixa pressão de vapor e baixa densidade

(D) Baixa pressão de vapor e alta densidade

6) O que é aprox. pressão de colapso de bolhas em fenômenos de cavitação?

(a) Cerca de 20 pressão atmosférica

(b) Cerca de 50 pressão atmosférica

(c) Cerca de 75 pressão atmosférica

(D) Cerca de 100 pressão atmosférica

7) Qual é o valor da pressão de vapor da água na temperatura de 20 ° C?

(a) 0.126 N / cm2

(b) 0.513 N / cm2

(C) 0.235 N / cm2

(d) 0.995 N / cm2

8) Qual é o valor da pressão de vapor de Mercúrio na temperatura de 20 ° C?

(a) 1.25 * 10-5 N / cm2

(B) 1.72 * 10-5 N / cm2

(c) 1.5 * 10-5 N / cm2

(d) 1.25 N / cm2

Conclusão

Este artigo é apresentado para você entender o conceito de tensão superficial, efeito capilar, cavitação, evaporação e seus efeitos. Alguns dos exemplos práticos estão incluídos neste artigo para representá-lo de forma prática. O esforço foi feito para fazer você correlacionar o conceito de mecânica dos fluidos com o seu dia a dia.

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