10.3: Mali ya Liquids

Last updated

Nov 1, 2022
Page ID
188485
Save as PDF
- 10.2: Vikosi vya Masi
- 10.4: Mabadiliko ya Awamu

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

Tofautisha kati ya vikosi vya wambiso
Eleza viscosity, mvutano wa uso, na kupanda kwa capillary
Eleza majukumu ya vikosi vya kuvutia vya intermolecular katika kila mali hizi/matukio

Unapomwaga glasi ya maji, au kujaza gari na petroli, unaona kwamba maji na petroli hutoka kwa uhuru. Lakini unapomwaga syrup kwenye pancakes au kuongeza mafuta kwenye inji ya gari, unaona kwamba syrup na mafuta ya motor hazipatikani kwa urahisi. Viscosity ya kioevu ni kipimo cha upinzani wake wa mtiririko. Maji, petroli, na vinywaji vingine vinavyotembea kwa uhuru vina viscosity ya chini. Asali, syrup, mafuta ya motor, na vinywaji vingine ambavyo hazipatikani kwa uhuru, kama vile vilivyoonyeshwa kwenye Mchoro 10.15, vina viscosities za juu. Tunaweza kupima mnato kwa kupima kiwango ambacho mpira wa chuma huanguka kwa njia ya kioevu (mpira unaanguka polepole zaidi kwa njia ya kioevu kikubwa zaidi) au kwa kupima kiwango ambacho kioevu kinapita kupitia tube nyembamba (zaidi ya maji ya KINATACHO hutoka polepole zaidi).

Picha mbili zinaonyeshwa na kinachoitwa “a” na “b.” Picha a inaonyesha jar ya asali na dipper kuifuta kwenye biskuti. Biskuti zaidi zinaonyeshwa kwenye kikapu nyuma. Picha b inaonyesha inji ya gari na mtu akiongeza mafuta ya motor kwenye inji.

Kielelezo 10.15 (a) Asali na (b) mafuta ya motor ni mifano ya vinywaji na viscosities ya juu; hutoka polepole. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na Scott Bauer; mikopo b: mabadiliko ya kazi na David Nagy)

IMF kati ya molekuli ya kioevu, ukubwa na sura ya molekuli, na joto huamua jinsi kioevu kinapita kwa urahisi. Kama Jedwali 10.2 inaonyesha, ngumu zaidi ya kimuundo ni molekuli katika kioevu na nguvu IMF kati yao, ni vigumu zaidi kwao kuhamia kila mmoja na zaidi ni mnato wa kioevu. Kama joto linavyoongezeka, molekuli huhamia kwa kasi zaidi na nguvu zao za kinetic zina uwezo bora kushinda nguvu zinazowashikilia pamoja; hivyo, mnato wa kioevu hupungua.

Viscosities ya Dutu za kawaida katika 25 °C

Dutu	Mfumo	Viscosity (MPA · s)
maji	H ₂ O	0.890
zebaki	Hg	1.526
ethanoli	C ₂ H ₅ OH	1.074
oktani	C ₈ H ₁₈	0.508
ethylene glycol	CH ₂ (OH) CH ₂ (OH)	16.1
asali	kutofautisha	~2,000-10,000
mafuta ya motor	kutofautisha	~50—500

Jedwali 10.2

IMF mbalimbali kati ya molekuli zinazofanana za dutu ni mifano ya vikosi vya ushirikiano. Molekuli ndani ya kiowevu huzungukwa na molekuli nyingine na huvutiwa sawasawa pande zote na vikosi vya ushirikiano ndani ya kiowevu. Hata hivyo, molekuli juu ya uso wa kiowevu huvutiwa tu na takriban nusu moja kama molekuli nyingi. Kwa sababu ya unbalanced Masi vivutio juu ya molekuli uso, majimaji mkataba kuunda sura ambayo inapunguza idadi ya molekuli juu ya uso—yaani, sura na eneo chini ya uso. Tone ndogo la kioevu huelekea kudhani sura ya spherical, kama inavyoonekana kwenye Mchoro 10.16, kwa sababu katika nyanja, uwiano wa eneo la uso kwa kiasi ni cha chini. Matone makubwa yanaathiriwa sana na mvuto, upinzani wa hewa, mwingiliano wa uso, na kadhalika, na matokeo yake, ni chini ya spherical.

Picha ya mtandao wa buibui na matone ya maji yaliyounganishwa nayo yanaonyeshwa. Picha mbili zinaonyeshwa haki ya picha na mishale inayoongoza kutoka picha hadi picha. Picha ya juu inaonyesha nyanja ishirini na nane za bluu zilizowekwa moja juu ya nyingine chini ya background ya mviringo. Mishale mitano hutolewa kwa pande na chini kutoka kwenye nyanja katikati ya kuchora. Picha ya chini inaonyesha background nyingine ya mviringo ya ukubwa sawa na ya kwanza, lakini wakati huu nyanja za bluu zinajaza picha na zimejaa karibu. Tufe katikati ina mishale sita inayoelekeza katika pande zote mbali nayo.

Kielelezo 10.16 Vikosi vya kuvutia husababisha kushuka kwa maji ya spherical ambayo hupunguza eneo la uso; vikosi vya ushirikiano vinashikilia nyanja pamoja; vikosi vya wambiso vinaweka tone lililounganishwa na wavuti. (picha ya mikopo: mabadiliko ya kazi na “OliBAC” /Flickr)

Mvutano wa uso hufafanuliwa kama nishati inayotakiwa kuongeza eneo la uso wa kioevu, au nguvu inayotakiwa kuongeza urefu wa uso wa kioevu kwa kiasi fulani. Mali hii inatokana na vikosi vya ushirikiano kati ya molekuli kwenye uso wa kiowevu, na husababisha uso wa kiowevu kuishi kama utando wa mpira ulionyoshwa. Mvutano wa uso wa vinywaji kadhaa huwasilishwa katika Jedwali 10.3. Miongoni mwa vinywaji vya kawaida, maji huonyesha mvutano wa juu wa uso kutokana na kuunganisha nguvu ya hidrojeni kati ya molekuli zake. Kama matokeo ya mvutano huu wa juu, uso wa maji unawakilisha “ngozi ngumu” ambayo inaweza kuhimili nguvu kubwa bila kuvunja. Siri ya chuma iliyowekwa kwa makini juu ya maji itaelea. Baadhi ya wadudu, kama moja inavyoonekana katika Kielelezo 10.17, hata kama wao ni denser kuliko maji, hoja juu ya uso wake kwa sababu wao ni mkono na mvutano uso.

Mvutano wa uso wa vitu vya kawaida katika 25 °C

Dutu	Mfumo	Mvutano wa uso (Mn/m)
maji	H ₂ O	71.99
zebaki	Hg	458.48
ethanoli	C ₂ H ₅ OH	21.97
oktani	C ₈ H ₁₈	21.14
ethylene glycol	CH ₂ (OH) CH ₂ (OH)	47.99

Jedwali 10.3

Picha na mchoro kama inavyoonyeshwa na mshale unaoelekea kulia unaongoza kutoka picha hadi picha. Picha inaonyesha wadudu wamesimama juu ya uso wa sampuli ya maji. Picha inaonyesha background mraba yaani theluthi mbili kufunikwa katika nyanja bluu kwamba ni karibu pakiti pamoja. Mstari wa kahawia huanza kona ya juu kushoto ya background na inakaa juu ya mstari wa kwanza wa nyanja. Tufe moja kwa moja chini ya hatua hii ya chini ya mstari ina mishale minne inayotolewa juu yake ambayo uso kwa pande zote mbili na chini. Sehemu katika kituo cha chini cha picha ina mishale sita inayotolewa juu yake ambayo wote wanakabiliwa nje kwa njia tofauti.

Kielelezo 10.17 Mvutano wa uso (kulia) huzuia wadudu huu, “mchezaji wa maji,” kutoka kuzama ndani ya maji.

Mvutano wa uso unaathiriwa na vigezo mbalimbali, ikiwa ni pamoja na kuanzishwa kwa vitu vya ziada juu ya uso. Mwishoni mwa miaka ya 1800, Agnes Pockels, ambaye awali alikuwa amezuiwa kutafuta kazi ya kisayansi lakini alisoma peke yake, alianza kuchunguza athari na sifa za filamu za sabuni na za mafuta katika maji. Kutumia vifaa vya kujifanya, alianzisha chombo kinachojulikana kama chombo cha kupima uchafuzi wa uso na madhara yake. Kwa msaada wa mwanasayansi maarufu Bwana Rayleigh, karatasi yake ya 1891 ilionyesha kuwa uchafuzi wa uso hupunguza mvutano wa uso, na pia kwamba kubadilisha tabia za uso (kuimarisha au kupanua) pia huathiri mvutano wa uso. Miongo kadhaa baadaye, Irving Langmuir na Katharine Blodgett walijenga kazi Pockels 'katika kupitia nyimbo zao wenyewe na maendeleo muhimu katika kemia ya uso. Langmuir alianzisha mbinu za kuzalisha tabaka moja-molekuli ya filamu; Blodgett kutumika haya kwa maendeleo ya kioo yasiyo ya kutafakari (muhimu kwa ajili ya maamuzi ya filamu na maombi mengine), na pia alisoma mbinu kuhusiana na kusafisha nyuso, ambayo ni muhimu katika utengenezaji wa semiconductor.

IMF ya mvuto kati ya molekuli mbili tofauti huitwa vikosi vya wambiso. Fikiria kinachotokea wakati maji huwasiliana na uso fulani. Ikiwa vikosi vya wambiso kati ya molekuli za maji na molekuli za uso ni dhaifu ikilinganishwa na vikosi vya ushirikiano kati ya molekuli za maji, maji hayana “mvua” uso. Kwa mfano, maji haina mvua nyuso zilizopigwa au plastiki nyingi kama vile polyethilini. Maji huunda matone juu ya nyuso hizi kwa sababu vikosi vya ushirikiano ndani ya matone ni kubwa kuliko vikosi vya wambiso kati ya maji na plastiki. Maji yanaenea kwenye kioo kwa sababu nguvu ya wambiso kati ya maji na kioo ni kubwa kuliko vikosi vya ushirikiano ndani ya maji. Wakati maji yanapofungwa kwenye bomba la kioo, meniscus yake (uso) ina sura ya concave kwa sababu maji hupunguza kioo na huenda upande wa bomba. Kwa upande mwingine, vikosi vya ushirikiano kati ya atomi za zebaki ni kubwa zaidi kuliko vikosi vya wambiso kati ya zebaki na kioo. Kwa hiyo Mercury haina kioo cha mvua, na huunda meniscus ya mbonyeo wakati imefungwa kwenye tube kwa sababu vikosi vya ushirikiano ndani ya zebaki huwa na kuivuta kwenye tone (Mchoro 10.18).

Takwimu hii inaonyesha zilizopo mbili za mtihani. Bomba la mtihani upande wa kushoto lina zebaki na meniscus inayozunguka. Bomba la mtihani upande wa kulia lina maji yenye meniscus inayozunguka.

Kielelezo 10.18 Tofauti katika nguvu za jamaa za nguvu za kushikamana na za wambiso husababisha maumbo tofauti ya meniscus kwa zebaki (kushoto) na maji (kulia) katika zilizopo za kioo. (mikopo: Mark Ott)

Ikiwa unaweka mwisho mmoja wa kitambaa cha karatasi katika divai iliyomwagika, kama inavyoonekana kwenye Mchoro 10.19, kioevu kinachukua kitambaa cha karatasi. Mchakato kama huo hutokea kwenye kitambaa cha kitambaa unapotumia kukauka baada ya kuoga. Hizi ni mifano ya hatua ya kapilari —wakati kiowevu kinapita ndani ya nyenzo zenye porous kutokana na mvuto wa molekuli kiowevu kwenye uso wa nyenzo na kwa molekuli nyingine za kiowevu. Vikosi vya wambiso kati ya kioevu na vifaa vya porous, pamoja na vikosi vya ushirikiano ndani ya kioevu, inaweza kuwa na nguvu ya kutosha kuhamisha kioevu juu dhidi ya mvuto.

Picha na mchoro huonyeshwa. Katika picha, kitambaa cha karatasi kinaingizwa ndani ya bakuli kamili ya kioevu nyekundu ameketi kwenye kompyuta. Kioevu nyekundu kinasafiri sehemu ya chini ya kitambaa cha karatasi, na sehemu hii ya picha ina mraba unaozunguka. Mshale unaoelekea kulia unaongoza kutoka mraba huu hadi picha. Picha ni mraba na ina background ya aina mbili za molekuli, zilizochanganywa pamoja. Aina ya kwanza ya molekuli linajumuisha nyanja mbili za rangi nyeusi, moja ambayo ni moja iliyounganishwa na nyanja tatu nyeupe na moja ambayo ni moja iliyounganishwa na nyanja mbili nyeupe na nyanja nyekundu ambayo yenyewe imefungwa kwenye nyanja nyeupe. Aina nyingine ya molekuli inajumuisha nyanja sita nyeusi zilizounganishwa pamoja mfululizo na zimeunganishwa na nyanja nyingine nyekundu na nyeupe. Mishale sita inayoelekea juu hutolewa juu ya historia hii. Wana ishara nzuri juu ya mwisho wao na ishara hasi juu ya vichwa vyao. Mishale minne inayoelekea juu hutolewa na ishara zao zimebadilishwa.

Kielelezo 10.19 Mvinyo hupiga kitambaa cha karatasi (kushoto) kwa sababu ya vivutio vikali vya maji (na ethanol) kwa makundi ya -OH kwenye nyuzi za selulosi za kitambaa na vivutio vikali vya molekuli za maji kwa maji mengine (na ethanol) molekuli (kulia). (mikopo picha: mabadiliko ya kazi na Mark Blaser)

Taulo zinamisha vinywaji kama maji kwa sababu nyuzi za kitambaa hutengenezwa kwa molekuli zinazovutiwa na molekuli za maji. Taulo nyingi za nguo zinafanywa kwa pamba, na taulo za karatasi hufanywa kwa ujumla kutoka kwenye karatasi ya karatasi. Zote zinajumuisha molekuli ndefu za selulosi ambazo zina vikundi vingi -OH. Molekuli za maji huvutiwa na makundi haya -OH na huunda vifungo vya hidrojeni pamoja nao, ambayo huchota molekuli ya H ₂ O juu ya molekuli za selulosi. Molekuli ya maji pia huvutiwa, hivyo kiasi kikubwa cha maji hutolewa nyuzi za selulosi.

Hatua ya capillary pia inaweza kutokea wakati mwisho mmoja wa tube ndogo ya kipenyo huingizwa kwenye kioevu, kama ilivyoonyeshwa kwenye Mchoro 10.20. Ikiwa molekuli za kioevu zinavutiwa sana na molekuli za tube, kioevu kinaingia ndani ya tube mpaka uzito wa kioevu na majeshi ya wambiso yana usawa. Kidogo kipenyo cha tube ni, juu ya kioevu hupanda. Ni sehemu kwa hatua ya kapilari inayotokea katika seli za mimea inayoitwa xylem kwamba maji na virutubisho vilivyoharibika huletwa kutoka kwenye udongo hadi kupitia mizizi na ndani ya mmea. Hatua ya capillary ni msingi wa chromatography nyembamba safu, mbinu ya maabara ambayo hutumiwa kutenganisha kiasi kidogo cha mchanganyiko. Unategemea ugavi wa mara kwa mara wa machozi ili kuweka macho yako lubricated na juu ya hatua capillary kusubu maji ya machozi mbali.

Picha ya beakers mbili na tube inavyoonyeshwa. Beaker ya kwanza, inayotolewa upande wa kushoto na iliyoitwa “Maji,” hutolewa nusu kamili ya kioevu cha bluu. Vipande viwili vya capillary vilivyofunguliwa vimewekwa kwa wima kwenye beaker na kuingizwa ndani ya kioevu. Kioevu kinaonyeshwa juu katika zilizopo kuliko kwenye beaker na kinachoitwa “kivutio cha Capillary.” Beaker ya pili, inayotolewa katikati na iliyoitwa “Mercury,” hutolewa nusu kamili ya kioevu kijivu. Vipande viwili vya capillary vilivyofunguliwa vimewekwa kwa wima kwenye beaker na kuingizwa ndani ya kioevu. Kioevu kinaonyeshwa chini katika zilizopo kuliko kwenye beaker na kinachoitwa “Upungufu wa Capillary.” Mistari inaelezea zilizopo za wima na uziweke “zilizopo za capillary.” Mchoro tofauti wa moja ya zilizopo wima kutoka kwa beaker ya kwanza inavyoonyeshwa upande wa kulia. Mshale unaoelekea kulia unaongoza kutoka kwenye kioevu kwenye bomba hadi kwenye sanduku la kupiga simu ambalo linaonyesha mtazamo wa karibu wa uso wa kioevu. Umbali katika bomba ni kinachoitwa “2 r” katika picha hii.

Kielelezo 10.20 Kulingana na uwezo wa jamaa wa nguvu za wambiso na ushirikiano, kioevu kinaweza kuongezeka (kama vile maji) au kuanguka (kama vile zebaki) katika tube ya kioo ya capillary. Kiwango cha kupanda (au kuanguka) ni sawa sawa na mvutano wa uso wa kioevu na inversely sawia na wiani wa kioevu na radius ya tube.

Urefu ambao kioevu kitatokea katika tube ya capillary ni kuamua na mambo kadhaa kama inavyoonekana katika equation ifuatayo:

$h = \frac{2 T gharama ρ}{r ρ g}$

Katika equation hii, h ni urefu wa kioevu ndani ya tube ya capillary kuhusiana na uso wa kioevu nje ya tube, T ni mvutano wa uso wa kioevu, ni angle ya kuwasiliana kati ya kioevu na tube, r ni radius ya tube, ρ ni wiani wa kioevu, na g ni kasi kutokana na mvuto, 9.8 m/s ². Wakati bomba linatengenezwa kwa nyenzo ambazo molekuli za kioevu zinavutia sana, zitaenea kabisa juu ya uso, ambayo inalingana na angle ya kuwasiliana ya 0°. Hii ni hali ya maji inayoongezeka katika tube ya kioo.

Mfano 10.4

kapilari kupanda

Katika 25 °C, maji yatatokea kiasi gani katika tube ya kapilari ya kioo yenye kipenyo cha ndani cha 0.25 mm?

Kwa maji, T = 71.99 MN/m na ρ = 1.0 g/cm ³.

Suluhisho

Kioevu kitafufuliwa hadi urefu h iliyotolewa na:

$h = \frac{2 T gharama ρ}{r ρ g}$

Newton hufafanuliwa kama kilo m/s ², na hivyo mvutano wa uso unaotolewa ni sawa na 0.07199 kg/s ². Uzito uliotolewa lazima uongozwe kuwa vitengo ambavyo vitafuta ipasavyo: ρ = 1000 kg/m ³. Kipenyo cha tube katika mita ni 0.00025 m, hivyo radius ni 0.000125 m Kwa tube ya kioo iliyoingizwa ndani ya maji, angle ya kuwasiliana ni ε = 0°, hivyo cos ε = 1. Hatimaye, kuongeza kasi kutokana na mvuto duniani ni g = 9.8 m/s ². Kubadilisha maadili haya katika equation, na kufuta vitengo, tuna:

$h = \frac{2 (0.07199 {kg/s}^{2})}{(0.000125 m) (1000 {kg/m}^{3}) (9.8 {m/s}^{2})} = 0.12 m = 12 cm$

Angalia Kujifunza Yako

Maji huongezeka katika tube ya capillary ya kioo hadi urefu wa cm 8.4. Je, ni kipenyo cha tube ya capillary?

Jibu:

kipenyo = 0.36 mm

Kemia katika Maisha ya Kila siku

Matumizi ya Biomedical ya Action Capillary

Vipimo vingi vya matibabu vinahitaji kuchora kiasi kidogo cha damu, kwa mfano kuamua kiasi cha glucose kwa mtu mwenye ugonjwa wa kisukari au kiwango cha hematocrit kwa mwanariadha. Utaratibu huu unaweza kufanywa kwa urahisi kwa sababu ya hatua ya capillary, uwezo wa kioevu kuzunguka tube ndogo dhidi ya mvuto, kama inavyoonekana kwenye Mchoro 10.21. Wakati kidole chako kinachochomwa, tone la fomu za damu na linashikilia pamoja kutokana na mvutano wa uso-vivutio vya intermolecular unbalanced kwenye uso wa tone. Kisha, wakati mwisho wa bomba la kioo nyembamba la kipenyo hugusa tone la damu, vikosi vya wambiso kati ya molekuli katika damu na wale walio kwenye uso wa kioo huchota damu juu ya tube. Je, damu inakwenda juu ya bomba inategemea ukubwa wa tube (na aina ya maji). Bomba ndogo ina eneo kubwa la uso kwa kiasi fulani cha damu, ambacho husababisha nguvu kubwa (jamaa) zinazovutia, kuruhusu damu kupatikana zaidi juu ya tube. Kioevu yenyewe kinafanyika pamoja na majeshi yake ya ushirikiano. Wakati uzito wa kioevu katika tube huzalisha nguvu ya chini sawa na nguvu ya juu inayohusishwa na hatua ya capillary, kioevu kinaacha kupanda.

Picha inaonyesha mkono wa mtu unashikiliwa na mtu aliyevaa kinga za matibabu. Bomba nyembamba la kioo linakabiliwa na kidole cha mtu na damu inahamia juu ya tube.

Kielelezo 10.21 Damu hukusanywa kwa ajili ya uchambuzi wa matibabu na hatua ya capillary, ambayo huchota damu kwenye tube ndogo ya kioo cha kipenyo. (mikopo: mabadiliko ya kazi na Vituo vya Kudhibiti na Kuzuia Magonjwa)