yavor1 (553178), страница 69
Текст из файла (страница 69)
Для сохранения влаги в почве следует капилляры разрушить. Это достигается путем ее вспашки и боронования. В 34.10. Адсорбция. Эффект Ребиидера 1. Все рассуждения и расчеты, которые приводят к выводу о наличия у жидкости избытка энергии в поверхностном слое (см. й 34.7), справедливы и для твердых тел — как аморфных, так и кристаллов. Имеется, правда, одно принципиальное отличие, вызванное анизотропией кристалла. На разных гранях кристалла находится разное число частиц (атомов, молекул или ионов), расстояния между этими частицами также различны.
Отсюда следует, что поверхностная энергия и поверхностное натяжение различны на разных гранях монокристалла. Естественно, что в поликрнсталлах и аморфных телах нет анизотропии поверхност. ного натяжения. При отсутствии внешаих сил форма жидкости полностью определяется силами поверхностного натяжения, и свободная жидкость принимает форму шара. У кристаллов, благодаря их ничтожной текучести, это не происходит. Однако отсюда вовсе пе следует, что силы поверхностного натяжения не играют в кристаллах никакой роли.
Оказывается, что онн существенно влияют на такие механические свойства кристачлов, как твердость и прочность. 2. Некоторые всщестна, называемые поверхностно-акглиаиыми, легко концентрируются на поверхности другого вещества, образуя на нем очень тонкий слой, чаще всего мономолекулярный, т, е, слой толщиной в одну молекулу.
Такое явление называется адсорбяией. Например, на поверхности воды хорошо адсорбируется бутиловый спирт, на поверхности цинка — ртуть и олово, на поверхности ртути — щелочные металлы цезий, калий, натрий. Оказывается, что адсорбция сопровождается резким уменьшением поверхностной энергии и тем самым— уменьшением поверхностного натяжения. Если в литре ртути растворить 0,48 г цезия, то поверхностное натяжение ртути уменьшится с 0,470 Н/м до 0,22811!м, т. е. более чем в два раза. А ведь концентрация цезия в ртути составит при этом 0,48 !О-з кг(13,6кг, т.
е. всего 35 !0-э эУэ( Точно так же при 4эд-ной концентрации бутилового спирта в воде ее нове хностное натяжение уменьшится вдвое. . Оказывается, что при адсорбцин поверхностно-активных жидкостей на поверхности твердых тел механические свойства последних резко меняются, в частности, существенно уменьшается их прочность. Об этом свидетельствует следующий опыт. Цинк при комнатных температурах очень пластичен, поэтому цинковую пластинку толщиной 2 — 3 мм можно легко согнуть под прямым углом, и при этом она не сломается.
Если перед изгибанием очистить поверхность циака от окислов и 335 нанести на нее капельку ртути массой даже в нескольно мнллцграммов, то характер деформации существенно изменится. Из.под капли ртути побежит тонная трещина, н пластина развалится на два пуска (рис. 34.10). Подобные явления наблюдались давно. В инженерной практике было известно немало случаев, когда прочность некоторых конструкций существенно сиижаласгь если этн конструкции работали не в воздухе, а в других средах. Иногда даже сорт смазки существенно влияет на прочность конструкции. Однако теории этого явления не было. 4. В 1928 г, академик П.
А. Ребиндер выдвинул идею, что измеаенне прочности твердых тел при их взаимодействии с поверхностно-активными веществами вызвано именно снижением поверхностного натяжения. В самых общих чертах это явление можно объяснить так. Дефекты кристалла типа дислокации, границ зеуеи и минротрещин обладают нзбыточнон поверхностной энергией.
По. скольку при адсорбции поверхностно.активных веществ поверхностное натяжение '! уменьшается, то соответственно возрастает поверхность этих дефектов, так что полная энергия поверхностного слоя, равная произведению поверхностной энергии на площадь поверхности (см. (34.12)), остаетсн неизменной. Рост поверхностей дефектов, естественно, приводит к уменьшению прочности тела.
5. Явление облегчения деформации н разрушения твердых тел в результате Как снижевия поверхностной энергии этих тел при адсорбцин нми поверхностно-активных веществ называется эффектом Рэбиндери Данный эффект имеет многочисленные нс, 34.! прахтнчеснне применения. Оказалось, что прн обработке металлов давлением или резанием во многих случаях применение поверхностно-антивных веществ в качестве добавхи х сма. зочно-охлаждающим жидкостям дает значительный выигрыш в скорости резания (нногда до 30 — 40%).
Другим примером является метод адсорбцнонного понижения прочности при бурении скважин. Нефтяные скважины имеют глубину в несколько кклометров к проходят часто через скальные породы, обладающие высокой твердостью. Для того чтобы облегчить работу бура, в скважину закачивают растворы поверхностно-активных веществ. При этом процесс бурения заметно облегчается. В настоящее время, особенно в связи с использованием в реакторах жидких металлов в качестве теплоносителей, возникла проблема изучения прочности металлов в присутствии расплавов других металлов.
Аналогичные проблемы возникают в ракетной технике. Правильный подбор металличесннх пар с учетом того, чтобы жидкая фаза по возможности мевее адсорбировалась на твердой, позволяет избежать уменьшения прочности конструкций. Наконец, недавно начали проводить интенсивные исследования с целью продления срока службы катализаторов. Катализаторы участвуют в химических реакциях лишь косвенно, сами они в реакцию ие вступают. Казалось бы, 1то онн должны быть вечными. Между тем они интенсивно изнашиваются н потому в совеменной химической промышленности расходуются в огромных количествах. огранить у катализаторов адсорбцню принципиально невозможно, иначе овн перестанут быть катализаторами. Следовательно, здесь яужны иные пути повышения прочности.
Один из них — устранение внутренних напряжений в гранулах этих материалов, что достигается путем внбрационного прессования катализаторов нз порогпков. Второй путь — подбор оптимального температурного режима в процессе их термической обработки. Эффект Ребяндера представляет собой чрезвычайно общее явление, характеризующее физико химию поверхностных явлений в твердых телах и дисперсных средах. Дальнейшая разработка теории поверхностных явлений и экспериментальные исследования в этой области позволят решить проблему создания материалов с заранее заданными свойствами, в частности материалов с повышенной прочностью.
ГЛАВА Зб ПАРЫ в 35.1. Испарение 1. Как известно из опыта, жидкости способны испаряться, т. е. переходить в газообразное состояние. Скорость испарения оценивается числом молекул, переходящих с единицы поверхности в пар за единицу времени. У разных жидкостей она различна: эфир, налитый в блюдце, испарится при комнатной температуре в течение нескольких минут, вода при тех же условиях сохранится в течение нескольких часов, а ртуть — несколько лет. Испарений жидкостей происходит при любой температуре, но с ростом температуры скорость испарения очень быстро возрастает.
Этим пользуются на практике: если нужно быстро высушить какую-либо вещь, то ее помещают рядом с нагретым телом, например с печкой или батареей отопления. 2. Испаряются не только жидкости, но и твердые тела; например, нафталин или камфара испаряются при комнатной температуре и нормальном давлении, минуя жидкое состояние. Точно так же испаряются кристаллы брома или йода, особенно если пх подогреть Испаряется также лед. Если влажное белье развесить на морозе, то вода замерзает, а затем лед испаряется, и белье становится сухим. Испарение кристаллических тел называется субдилат1ией или возгонкой.
Скорость сублимации также зависит от температуры и химической природы вещества. Молекулярные кристаллы, как бром или йод, испаряются легко, так как силы молекулярного притяжения, связывающие молекулы в кристаллической решетке, являются весьма слабыми. Легко испаряется лед, имеющий очень рыхлую кристаллическую решетку. Наоборот, плотно упакованные ионные, ковалентные или металлические кристаллы испаряются очень плохо. 3, Механизм испарения можно объяснить следующим образом.
Молекула (или атом), находящаяся на поверхностк жидкости или кристалла, втягивается внутрь силами молекулярного взаимодействия и тем самым удерживается на поверхности. Для того чтобы эта частица могла покинуть вещество, ее кинетическая энергия должна быть больше энергии испарения и„которая равна той работе, которую нужно совершить, чтобы преодолеть силы молекулярного притяжения и удалить молекулу на такое расстояние от поверхности, где молекулярные силы уже не проявляются.
Следовательно, 337 условием испарения будет ед)и, или /и»о~/2 ~~ и». (35.1) Отсюда следует, что покинуть поверхностный слой могут ие любые молекулы, а только более быстрые, скорость которых удовлетворяет условию (35.1). Это позволяет понять, почему при испарении происходит охлаждение жидкости. Мы знаем, что температура тела определяется средней кинетической энергией движения молекул.
Естественно, что если из жидкости улетают наиболее быстрые молекулы, то средняя энергия оставшихся молекул уменьшается, что и означает понижение температуры. 4. Вероятность испарения можно найти с помощью рассуждений, аналогичных тем, которые в $ 34.3 позволили определить вероятность «переселения» частицы в «дырку». Получим, заменив е, на и,: (35.2) Скорость испарения пропорциональна вероятности испарения, ибо чем вероятнее переход молекул с поверхности тела в пар, тем больше будет число молекул, переходящих в пар с единицы площади в единицу времени.
Итак, скорость испарения 6- ю„,„,р или 6=6 е (35.3) В этом выражении 6, пропорционально числу молекул, способных покинуть поверхностный слой, т. е. молекул, скорости которых удовлетворяют условию (35.1). Естественно, что с повышением температуры тела число таких молекул возрастает. Можно показать, что 6,=ВТ', где  — постоянная, зависящая от химического состава вещества, а=Ч,. Подставив в (35.3), получим окончательное выражение для скорости испарения: И 6 = ВТ«е»г (35.4) $35.2. Насыщенный пар 1, Если достаточно большое количество жидкости поместить в закрытый сосуд, то часть ее испарится, и далее количество жидкости будет оставаться неизменным сколько угодно долго.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
