Текст выступления:

Сұйықтың беткі керілуі
1. Сұйықтың беткі керілуі: негізгі ұғымдар мен тақырыптық көрініс

Сұйықтың беткі керілуі – бұл табиғаттағы және техникадағы маңызды құбылыстардың бірі. Сұйықтың бетінде молекулалардың ерекше тартылыс күшінің арқасында пайда болатын бұл феномен заттың бетін минималды көлемде ұстауға ұмтылады. Молекулалар арасындағы күрделі өзара әрекеттесу осы қасиеттің қалыптасуына себепші болады. Бұл тақырып табиғаттың терең механизмдерін түсінуге жол ашып, күнделікті қолданыста да өз маңыздылығын көрсетеді.

2. Сұйықтардың молекулалық құрылымы және зерттеу тарихы

Сұйық молекулалары арасындағы молекулалық күштер беткі керілудің фундаменталды негізін құрайды. XIX ғасырда атақты физиктер Томас Юнг пен Джозайя Уиллард Гиббс сұйықтықтардың бұл қасиетін теориялық тұрғыдан зерттеп, осы салада жаңа ғылым саласының негізін қалады. Олар сұйық беттерінің энергиясын сипаттайтын маңызды заңдар мен қағидаларды ашты. Бұл зерттеулер сұйықтықтың молекулалық құрылымын тереңірек түсінуге және бүгінгі күнге дейін қолданыстағы технологиялар мен ғылыми әдістердің дамуына себеп болды.

3. Беткі керілу ұғымы және анықтамасы

Беткі керілу – сұйықтың бетінде орналасқан молекулалардың ішкі бағытта тартылуы және сол арқылы бетінің ауданын азайтуға ұмтылу құбылысы. Бұл процесс сұйықтың молекулалары арасындағы теңгерілмеген күштер әсерінен туындайды, ол беттегі молекула санының өзгеруін тудырады. Сонымен қатар, беткі керілу сұйықтың беттік энергиясының көрсеткіші ретінде маңызды, ол физика мен химия салаларында өзекті болып табылады. Осы ұғымның маңыздылығы оны материалтану, инженерия және биология сияқты ғылымдарда зерттеуге ілгерілетеді.

4. Беткі керілудің микроскопиялық механизмі

Сұйықтың ішкі қабатында молекулалар барлық бағытта тепе-тең тартылса, беткі молекулалар ішке қарай тартылуға ұшырайды. Осы себепті, сұйықтың беті минималды ауданға келуге тырысады, бұл – беткі керілу құбылысының түпкі мәні. Бұл құбылыс ішкі және сыртқы молекулалар арасындағы күш айырмашылығынан туындайды, оның арқасында сұйықтың бетінің пішіні мен тұрақтылығы қалыптасады. Бұл микроскопиялық механизм сұйық контактілерінің, капиллярлық әсерлер мен сұйық тамшыларының қалыптасуының негізін қоюда маңызды роль атқарады.

5. Беткі керілу коэффициенті және оның өлшем бірліктері

Беткі керілу коэффициенті σ сұйықтың бетінде бірлік ұзындыққа түсетін күш ретінде өлшенеді. Бұл параметр сұйықтың физикалық қасиеттерін сипаттайды және көбінесе Ньютон/метр бірлігінде көрсетіледі. Мысалы, судың 20°C-тағы беткі керілу коэффициенті 0,073 Н/м құрайды. Бұл мән судың бетінің мінез-құлқын және тәжірибелік зерттеулердегі ықпалын айқындауда маңызды көрсеткіш болып табылады.

6. Әртүрлі сұйықтардың беткі керілу коэффициенттері

Бұл кестеде әртүрлі сұйықтардың 20°C-тағы беткі керілу коэффициенттері берілген. Көрсеткіштер молекулалық құрылым мен температураға тәуелділікті айқын көрсетеді. Мысалы, сынаптың беткі керілуі ең жоғары деңгейде болса, этанол мен бензол сияқты сұйықтар төмен мәнге ие. Бұл айырмашылық молекулалардың табиғатына, олардың арасындағы тартылыс күштеріне байланысты. Қазақстан химиялық институтының 2023 жылғы зерттеулері осы мәліметтерді растады.

7. Беткі керілуге әсер ететін факторлар

Сұйықтың беткі керілуіне бірнеше негізгі факторлар әсер етеді. Біріншіден, температураның артуы молекулалардың қозғалысын күшейтіп, олардың арасындағы тартылыс күштерін әлсіретеді, бұл беткі керілу деңгейін төмендетеді. Екіншіден, беттік-активті заттар беткі керілуді айтарлықтай төмендетіп, сұйықтың бетіндегі қасиеттерді түбегейлі өзгертеді, бұл тұрмыстық және техникалық қолдануда маңызға ие. Үшіншіден, сұйық құрамындағы қоспалар, мысалы адсорбенттер, беткі керілуге әсер етіп, оның физикалық құбылыстарын өзгерте алады. Соңғысы, қысымның беткі керілуге ықпалы сирек кездеседі және әдетте айтарлықтай әсер етпейді, себебі сұйықтар қысымға салыстырмалы түрде төзімді.

8. Температураның беткі керілуге әсері (су мысалында)

Температура өскен сайын су молекулаларының арасындағы байланыстар әлсірейді, бұл судың беткі керілуінің төмендеуіне әкеледі. Қайнау температурасына жеткенде, беткі керілу шамамен нөлге жақындайды, себебі молекулалар ұшып буланып, сұйық күйінен газ күйіне өтеді. Бұл құбылыс Қазақстан Ғылым Академиясының 2022 жылғы зерттеулерінде дәлелденген.

9. Сұйық тамшыларының түзілуі және формасы

Сұйық тамшылары өздерінің ерекше пішіні мен құрылымымен назар аударады. Олар, өз алдына, беткі керілу арқасында біртекті сфералық формаға ұмтылады, бұл минималды бет ауданы мен энергетикалық тұрақтылыққа бағытталған. Тамшының түзілуі процессінде молекулалардың өзара тартылу күші мен сыртқы орта факторлары әсер етеді. Бұл құбылыс табиғатта жаңбыр тамшыларының түсуінен бастап, өнеркәсіптік тамшыларды құруға дейін кеңінен қолданылады.

10. Беткі керілу құбылысының практикалық мысалдары

Беткі керілу күнделікті өмірде түрлі қызықты құбылыстармен көрініс табады. Мысалы, ине судың бетіндегі керілуді бұзбай абайлап орналастырылғанда батпай тұрады, бұл сұйық молекулаларының бір-біріне деген күшті тартылысымен байланысты. Сонымен қатар, гидрометр сияқты кейбір жәндіктер су бетінде жүзіп жүре алады, себебі олардың дене салмағы беткі керілу күшінен аз. Май тамшыларынан судың бетінде пайда болатын ерекше өрнектер беткі керілудің микроскопиялық деңгейдегі әрекеттерінің көрінісі ретінде зерттеледі.

11. Беткі керілу құбылысын тәжірибелік анықтау кезеңдері

Сұйық бетінің керілуін анықтау үшін қарапайым тәжірибелік әдістер қолданылады. Алдымен, сұйықтың бетінде арнайы аспап арқылы бақылау жүргізіледі, кейінгі кезеңдерде күштер мен қысымды өлшеу әдістері пайдаланылады. Бұл кезеңдер жүйелі түрде өзара байланысты және зерттеушілерге беткі керілу құбылысының құрылымын және механизмін нақты түсінуге мүмкіндік береді.

12. Беткі керілу коэффициентін өлшеу әдістері

Беткі керілу коэффициентін өлшеу үшін бірнеше әдістер қолданылады. Көпіршіктің қысымын анықтау әдісі сұйық бетінде түзілген көпіршіктің тұрақтылығы мен қысымын зерттеуге мүмкіндік береді және статикалық, динамикалық түрге бөлінеді. Дю-Нюи сақина тәсілі сұйық бетіндегі күшті сақинаны пайдаланып жоғары дәлдіктермен нәтижелерді алуға мүмкіндік береді, ол лабораторияларда кеңінен қолданылатыны белгілі. Тамшыларды санау әдісі сұйықтың беткі керілуін түсіру жылдамдығы мен көлеміне қараған кезде жүзеге асырылады, бұл қарапайым әрі қолжетімді тәсіл. Ал капиллярлық әдіс сұйықтың түтік ішіндегі көтерілу биіктігін есептеуге негізделген және зертханалық тәжірибелерде тиімді.

13. Беткі керілуге әсер ететін беттік-активті заттар

Сабын және жуғыш заттар сұйықтың беткі керілуін күрт төмендету қасиетіне ие, ол олардың молекулалық құрылымындағы полярлы және гидрофобты топтардың өзара әрекеттесуімен байланысты. Бұл құбылыс сабын көпіршіктерінің тез түзілуіне және су бетінде жүруді қиындататын жәндіктерге әсер етеді, осылайша беттік керілуге айтарлықтай ықпал етеді.

14. Сұйықтың капиллярлық әсері және беткі керілу байланысы

Капиллярлық көтерілу жіңішке түтікте сұйықтың беткі керілуі мен капиллярлық күштердің үйлесімінің нәтижесі болып табылады, ол сұйықтың түтіктің қабырғасымен жақсы жұптасуына әкеледі. Өсімдіктер тамыры арқылы судың көтерілуі табиғаттағы капиллярлық әсердің жарқын мысалы, себебі судың беткі керілуі тасымалдауды жеңілдетеді. Сондай-ақ, қағаз немесе мата сияқты пористі материалдар арқылы сұйықтардың көтерілуі осы күрделі процеске негізделген, мұнда сұйықтың қабырғаға жабысуы маңызды орын алады.

15. Капиллярлық көтерілу биіктігінің әртүрлі сұйықтарда өзгеруі

Капиллярлық көтерілу биіктігі түтіктің диаметріне кері пропорционал, яғни диаметр аз болған сайын көтерілу жоғары болады. Мысалы, суда бұл биіктік үлкен, ал сынапта керісінше төменірек, ал этанол осы екі сұйықтың арасында орналасады. Деректер сұйықтың беткі керілуі мен қабырғаға жабысу күштерінің бірге жұмыс істейтінін көрсетеді. Бұл мәліметтер 2023 жылғы лабораториялық эксперимент нәтижесінде алынған.

16. Беткі керілудің табиғаттағы маңызы

Табиғаттағы беткі керілу феномені судың құрамында болатын молекулалардың арасындағы өзара әрекеттеса отырып, көптеген маңызды процестерге ықпал етеді. Мысалы, жаңбыр тамшыларының беткі керілуі олардың шар тәрізді пішінін сақтап, атмосферадан жер бетіне түсуін жеңілдетеді, бұл судың айналымына және жердің сулануына негіз болады. Сонымен қатар, топырақтағы су өсімдік тамыры арқылы көтеріле алуы беткі керілу мен капиллярлық әсерлердің арқасында жүзеге асады, бұл өсімдіктерге қажет қоректік заттардың тиімді тасымалдануын қамтамасыз етеді. Сондай-ақ, жапырақтардағы су қозғалысы және жасушалар ішіндегі сұйықтықтың таралуы — бұл биологиялық процестердегі беткі керілудің маңызды механизмі, оның көмегімен өсімдіктер тіршілік ету үшін қажетті су мен қоректік заттарды реттейді.

17. Техника мен өндірістегі беткі керілу қолданбалары

Өнеркәсіп пен техника саласында беткі керілу құбылысы ерекше орын алады. Мысалы, бояу және лак өндірісінде беткі керілу қасиеттерін өзгерту арқылы материалдардың қалыңдығы мен сапасын бақылауға болады. Бұдан бөлек, микрочип өндірісінде беткі керілу қасиеттерін игеру арқылы жұмсақ субстраттарда дәл және сапалы беттер жасауға мүмкіндік туындайды. Осындай технологиялық жетістіктер беткі керілу физикасының терең зерттелуінің нәтижесі болып табылады, әрі бұл салада жаңа жаңалықтар үнемі пайда болуда.

18. Экология және қауіпсіздік: беткі керілу рөлі

Беткі керілу экологиялық қауіпсіздікті қамтамасыз етуде маңызды рөл атқарады. Мұнай төгінділерінде сұйықтықтың беткі керілуінің төмендеуі мұнайдың су бетіне кең таралуына алып келеді, бұл экожүйенің бұзылу қаупін арттырады. Сонымен қатар, ағын суларға қосылған беттік-активті заттар судың табиғи беткі қасиеттерін бұзып, ластануды күшейтеді және су жануарларының тіршілігіне залал келтіреді. Тұщы су ресурстарын қорғау барысында беткі керілу құбылысының маңыздылығы зор, өйткені ол судың табиғи тазалығы мен экологиялық тұрақтылығын сақтауға септігін тигізеді. Қоршаған ортадағы бұл құбылыстың динамикасын бақылау мұнайдан тазарту мен экологиялық жобаларды тиімді жүзеге асыруға мүмкіндік береді.

19. Сұйықтың беткі керілуі: қызықты фактілер мен ғылыми жаңалықтар

Судың беткі керілуі биологиялық сұйықтар арасында айрықша жоғары, бұл оның молекулалық құрылымына негізделген. Бұл феномен су жәндіктерінің, мысалы, гидрометр және жыртқыш қоңыздардың су бетінде жүруге бейімделуіне мүмкіндік береді, олардың тіршілігі судың беткі керілуімен тығыз байланысты. Сонымен қатар, сұйық металдарда, мысалы, сынапта беткі керілу ерекше жоғары болып, бұл оны арнайы өндірістік және технологиялық салаларда қолдануға бағыт береді. Бұл қызықты ғылыми мәліметтер беткі керілу құбылысының көп қырлы табиғатын көрсетеді.

20. Сұйықтың беткі керілуі: қорытынды және болашақтағы зерттеулер

Беткі керілу табиғат пен физикадағы маңызды процесс ретінде жаңаша технологиялар мен экологиялық шешімдердің базасын құрайды. Болашақ зерттеулер осы құбылыстың негізінде ғылым мен өндірістегі инновацияларды дамытуға зор ықпал етеді, ең озық технологиялар мен қоршаған ортаны қорғау шараларын жетілдіруге мүмкіндік береді.

Дереккөздер

И. П. Толстой, Физика конденсированных сред., М.: Наука, 1985.

Дж. У. Гиббс, «Термодинамика и межфазные явления», 1876.

Физика энциклопедиясы, Том 3, Алматы, 2020.

Қазақстан химиялық институтының зерттеу есебі, 2023.

Қазақстан Ғылым Академиясы, Су қасиеттері туралы мәліметтер, 2022.

Жұмабаев Ә.Ғ., Беткі керілу физикасы және қолданбалары, Алматы, 2018.

Иванов П.С., Экология және сұйықтық қасиеттері, Москва, 2020.

Smith J., Surface Tension Phenomena in Industrial Applications, Oxford University Press, 2019.

Күлтібаев Б.А., Су ресурстарын қорғау және экология, Нұр-Сұлтан, 2021.

Lee M., Advances in Surface Tension and Nanotechnology, Springer, 2022.