Шта је површинска напетост? Дефиниција и експерименти

Површинска напетост је појава у којој површина течности, где је течност у контакту са гасом, делује као танак еластични лим. Овај се термин обично користи само када је површина течности у контакту са гасом (као што је ваздух). Ако је површина између две течности (као што су вода и уље), то се назива "напетост интерфејса".

Различите интермолекуларне силе, попут Ван дер Ваалсових сила, течне честице спајају заједно. Дуж површине се честице повлаче према остатку течности, као што је приказано на слици десно.

Површинска напетост (означена грчком променљивом) гама) је дефинисан као однос површинске силе Ф у дужину д дуж које сила делује:

гама = Ф / д

Јединице површинске напетости

Површинска напетост се мери у СИ јединице Н / м (невтон по метру), мада је најчешћа јединица цгс дин / цм (дине пер центиметар).

Да бисмо размотрили термодинамику ситуације, понекад је корисно размотрити је у смислу посао по јединици површине. Јединица СИ у том случају је Ј / м² (џули на метар у квадрат). Цгс јединица је ерг / цм².

Ове силе везују површинске честице заједно. Иако је ово везивање слабо - поприлично је лако пробити површину течности - ипак се манифестује на више начина.

Капи воде. Када користите капалицу за воду, вода не тече непрекидно, већ у низу капи. Облик капи је узрокован површинском напетошћу воде. Једини разлог зашто кап воде није потпуно сферичан је та што се сила гравитације повлачи на њу. У недостатку гравитације, пад би минимизирао површину да би се смањила напетост, што би резултирало савршено сферичним обликом.

Инсекти који ходају по води. Неколико инсеката је у стању да хода по води, као што је водени стридер. Њихове ноге су формиране тако да распоређују своју тежину, због чега површина течности постаје депресивна, минимизирајући потенцијал енергије да створи равнотежу снага тако да се стрелац може кретати по површини воде без пробијања кроз површина. Ово је у концепту слично као и ношење снежних патика за ходање по дубоким снежним снегом а да вам ноге не потону.

Игла (или копча за папир) која плута на води. Иако је густина ових објеката већа од воде, површинска напетост дуж депресије је довољна да се супротстави сили гравитације која се повлачи на метални предмет. Кликните на слику с десне стране, а затим кликните на „Даље“ да бисте приказали дијаграм силе ове ситуације или испробајте трик Флоатинг Неедле за себе.

Кад пушете мехурић сапуна, стварате мехурић ваздуха под притиском који се налази унутар танке, еластичне површине течности. Већина течности не може да одржи стабилну површинску напетост да би створила мехурић, због чега се сапун углавном користи у процесу... стабилизира површинску напетост кроз нешто што се назива Марангонијев ефекат.

Када се мјехурић напухава, површински филм се сажима. То узрокује пораст притиска унутар мјехурића. Величина мјехурића се стабилизира до величине у којој се гас унутар мјехурића више неће стезати, барем без искакања мјехурића.

У ствари, постоје два сучеља за течни гас на мехури сапуна - онај са унутрашње стране и онај са спољње стране. Између две површине је а танак филм течности.

Сферични облик мјехурића сапуна узрокован је минимизирањем површине - за одређени волумен, сфера је увијек облик који има најмању површину.

Да бисмо размотрили притисак унутар мјехурића сапуна, сматраћемо радијус Р мјехурића и површинске напетости, гама, течности (сапун у овом случају - око 25 дин / цм).

Започињемо претпоставком да нема спољног притиска (што, наравно, није тачно, али о томе ћемо се мало побринути). Затим размотрите пресјек кроз средину мјехурића.

Дуж овог пресјека, занемарујући веома малу разлику у унутрашњем и вањском полумјеру, знамо да ће обим бити 2пиР. Свака унутрашња и спољашња површина имаће притисак гама дуж целе дужине, тако да је укупно. Стога је укупна сила од површинске напетости (и од унутрашње и од спољашње фолије) 2гама (2пи Р).

Унутар мехура, међутим, имамо притисак п која делује преко целог пресека пи Р², резултирајући укупном силом п(пи Р²).

Пошто је балон стабилан, збир ових сила мора бити нула, па ћемо добити:

2 гама (2 пи Р) = п( пи Р²)
или
п = 4 гама / Р

Очигледно је да је ово била поједностављена анализа где је притисак ван мехурића био 0, али то се лако проширује ради добијања разлика између унутрашњег притиска п и спољни притисак п_е:

п - п_е = 4 гама / Р

Анализа капи течности, за разлику од мјехурић сапуна, је једноставније. Уместо две површине треба узети у обзир само спољну површину, па фактор 2 испада ранију једначину (сећате се где смо удвостручили површинску напетост да бисмо израчунали две површине?) на принос:

п - п_е = 2 гама / Р

Површинска напетост настаје током интерфејса гас-течност, али ако тај интерфејс дође у контакт са чврста површина - попут зидова контејнера - сучеље се обично криви према горе или доле близу тога површина. Такав конкавни или конвексни облик површине познат је као а мениск

Угао контакта, тхета, одређује се као што је приказано на слици десно.

Контактни угао може се користити за одређивање односа површинске напетости течност-чврста супстанца и површинског напона течни гас, као што следи:

гама_лс = - гама_лг цос тхета

где

• гама_лс је површинска напетост течна-чврста супстанца
• гама_лг је површинска напетост течног гаса
• тхета је контактни угао

Једна ствар коју треба узети у обзир у овој једначини је да је у случајевима када је менискус конвексан (тј. Контактни угао је већи од 90 степени), косинаста компонента ове једначине ће бити негативна, што значи да ће бити површинска напетост течна-чврста супстанца позитивно.

Ако је, с друге стране, менискус конкаван (тј. Спушта се, па је контактни угао мањи од 90 степени), тада је цос тхета израз је позитиван, у том случају би веза резултирала а негативан течна-чврста површинска напетост!

То у суштини значи да се течност лепи за зидове посуде и јесте радећи на максимизирању подручја у додиру са чврстом површином, како би се умањио укупни потенцијал енергије.

Други ефекат повезан са водом у вертикалним цевима је својство капиларности, код које површина течности постаје повишена или притиснута унутар цеви у односу на околну течност. То је такође повезано са посматраним углом контакта.

Ако имате течност у контејнеру, ставите уску цев (или капилара) радијуса р вертикални помак у контејнер и која ће се одвијати унутар капиларе дана је сљедећом једнаџбом:

и = (2 гама_лг цос тхета) / ( дгр)

где

• и је вертикални помак (нагоре ако је позитиван, доле ако је негативан)
• гама_лг је површинска напетост течног гаса
• тхета је контактни угао
• д је густина течности
• г је убрзање гравитације
• р је полумјер капиларе

БЕЛЕШКА: Још једном, ако тхета већи је од 90 степени (конвексни менискус), што резултира негативном површинском напетошћу течна-чврста супстанца, ниво течности ће пасти у поређењу са околним нивоом, за разлику од раста у односу на ниво то.

Капиларност се у свакодневном свету манифестује на више начина. Папирни пешкири упијају се капиларношћу. Када се запали свећа, растопљени восак уздиже се до фитиљка због капиларности. У биологији, иако се крв пумпа по телу, управо тај процес дистрибуира крв у најмањим крвним судовима који се називају, на одговарајући начин, капиларе.

Потребни материјали:

• 10 до 12 четвртине
• чаша пуна воде

Полако и чврстом руком доведите четвртине једну по једну у средину чаше. Поставите уску ивицу четвртине у воду и пустите. (Ово минимизира поремећај на површини и избегава стварање непотребних таласа који могу изазвати преливање.)

Док наставите са још четвртине, запрепашит ћете се како конвексна вода постаје на врху чаше без преливања!

Могућа варијанта: Изведите овај експеримент са идентичним наочарима, али користите различите врсте кованица у свакој чаши. Користите резултате колико их можете ући да одредите однос количине различитих кованица.

Потребни материјали:

• виљушка (варијанта 1)
• парче папира (варијанта 2)
• игла
• чаша пуна воде

Поставите иглу на вилицу, лагано је спуштајући у чашу воде. Пажљиво извуците виљушку и могуће је да иглу пливају на површини воде.

Овај трик захтева стварну чврсту руку и мало вежбања, јер виљушку морате уклонити тако да делови игле не буду мокри... или игла ће лавабо. Претходно можете трљати иглу између прстију да бисте је "уље" повећали шансе за успех.

Варијанта 2 Трик

Поставите иглу за шивање на мали комад папирног папира (довољно велик да држи игла). Игла се поставља на папир од папира. Папир за ткиво ће се натопити водом и потонути на дно чаше, остављајући иглу да плута по површини.

Потребни материјали:

• запаљена свећа (БЕЛЕШКА: Не играјте се мечевима без родитељског одобрења и надзора!)
• левак
• детерџент или раствор са сапуном

Поставите палац преко малог краја лијевка. Пажљиво га приближите свећи. Уклоните палац, а површинска напетост мјехурића сапуна проузроковаће сажимање, истискујући зрак кроз лијевак. Ваздух који се избаци из балона треба бити довољан да угаси свећу.

За понешто повезани експеримент погледајте Ракетни балон.

Потребни материјали:

• комад папира
• маказе
• биљно уље или течни детерџент за суђе
• велика посуда за торту или крух од круха пуна воде

Након што изрежете папирни облик рибе, ставите га на посуду са водом тако да лебди на површини. Ставите кап уља или детерџента у отвор на средини рибе.

Детерџент или уље проузроковаће пад површинске напетости у тој рупи. То ће узроковати да се риба крене напријед, остављајући траг уља док се креће по води, не заустављајући се док уље не спусти површинску напетост цијеле посуде.

Табела испод показује вредности површинске напетости добијене за различите течности на различитим температурама.

Експерименталне вредности површинске напетости

Уредио Др Анне Марие Хелменстине