Što je površinska napetost? Definicija i eksperimenti

Površinska napetost je pojava u kojoj površina tekućine, gdje je tekućina u kontaktu s plinom, djeluje kao tanak elastični lim. Ovaj se izraz obično koristi samo kad je površina tekućine u kontaktu s plinom (kao što je zrak). Ako je površina između dvije tekućine (poput vode i ulja), to se naziva "napetost sučelja".

Različite intermolekularne sile, poput Van der Waalsovih sila, spajaju tekuće čestice. Duž površine se čestice povlače prema ostatku tekućine, kao što je prikazano na slici desno.

Površinska napetost (označena grčkom varijabli gama) definira se kao odnos površinske sile F prema dužini d duž kojeg sila djeluje:

gama = F / d

Jedinice površinske napetosti

Površinska napetost se mjeri u SI jedinice od N / m (newton po metru), iako je češća jedinica cgs jedinica dyn / cm (dyne po centimetru).

Da bismo razmotrili termodinamiku situacije, ponekad je korisno razmotriti je u smislu raditi po jedinici površine. Jedinica SI je, u tom slučaju, J / m² (joules po metru kvadratnom). Cgs jedinica je erg / cm².

Te sile vežu površinske čestice zajedno. Iako je ovo vezivanje slabo - nakon svega, prilično je lako slomiti površinu tekućine - očituje se na mnogo načina.

Kapi vode. Kada koristite kapalicu za vodu, voda ne teče neprekidno, već u nizu kapi. Oblik kapljica nastaje zbog površinske napetosti vode. Jedini razlog što kap vode nije potpuno sferičan je taj što se sila gravitacije povlači na nju. U nedostatku gravitacije, pad bi smanjio površinu kako bi se smanjila napetost, što bi rezultiralo savršeno sferičnim oblikom.

Insekti koji hodaju po vodi. Nekoliko insekata je u stanju hodati po vodi, poput vodenog štrekera. Njihove noge su formirane tako da raspoređuju svoju težinu, zbog čega površina tekućine postaje depresivna, minimizirajući potencijal energije da stvori ravnotežu snaga tako da se strijelac može kretati po površini vode bez probijanja kroz površinski. U konceptu je to slično nošenju tenisica za hodanje kroz duboke snježne nanose, a da vam noge ne potonu.

Igla (ili kopča za papir) koja pluta na vodi. Iako je gustoća ovih objekata veća od vode, površinska napetost uzduž depresije dovoljna je da se suprotstavi sili gravitacije koja se povlači na metalni objekt. Kliknite na sliku s desne strane, a zatim kliknite "Dalje" da biste vidjeli dijagram sile ove situacije ili isprobajte trik plutajuće igle za sebe.

Kad pušete mjehurić sapuna, stvarate mjehurić zraka pod pritiskom, koji se nalazi unutar tanke, elastične površine tekućine. Većina tekućina ne može održati stabilnu površinsku napetost da bi stvorila mjehurić, zbog čega se sapun uglavnom koristi u procesu... stabilizira površinsku napetost kroz nešto što se naziva Marangonijev efekt.

Kad se mjehurić rasprsne, površinski film ima tendenciju stezanja. Zbog toga se pritisak unutar mjehurića povećava. Veličina mjehurića se stabilizira na veličini u kojoj se plin unutar mjehurića više neće sakupljati, barem bez iskapanja mjehurića.

Zapravo postoje dva sučelja tekućeg plina na mjehuriću sapuna - onaj s unutarnje strane mjehurića i onaj s vanjske strane mjehurića. Između dviju površina nalazi se a tanki film tekućine.

Sferični oblik mjehurića sapuna uzrokovan je minimiziranjem površine - za određeni volumen, sfera je uvijek oblik koji ima najmanju površinu.

Da bismo razmotrili pritisak unutar mjehurića sapuna, smatramo radijus R mjehurića i površinske napetosti, gama, tekućine (sapun u ovom slučaju - oko 25 dyn / cm).

Započinjemo pretpostavkom da nema vanjskog pritiska (što, naravno, nije istina, ali o tome ćemo se pobrinuti malo). Zatim razmotrite presjek kroz sredinu mjehurića.

Duž ovog presjeka, zanemarujući vrlo malu razliku unutarnjeg i vanjskog polumjera, znamo da će opseg biti 2pobožanR. Svaka unutarnja i vanjska površina imat će pritisak od gama duž cijele duljine, pa ukupno. Stoga je ukupna sila površinske napetosti (iz unutarnjeg i vanjskog filma) 2gama (2pi R).

Unutar mjehurića, međutim, imamo pritisak p koja djeluje na čitav presjek pi R², što rezultira ukupnom silom od p(pi R²).

Budući da je mjehur stabilan, zbroj tih sila mora biti jednak nuli pa ćemo dobiti:

2 gama (2 pi R) = p( pi R²)
ili
p = 4 gama / R

Očito je da je ovo bila pojednostavljena analiza gdje je tlak izvan mjehurića bio 0, ali to se lako proširuje radi dobivanja vrijednosti razlika između unutarnjeg pritiska p a vanjski tlak p_e:

p - p_e = 4 gama / R

Analizirajući kapljicu tekućine, za razliku od mjehurić sapuna, je jednostavnije. Umjesto dvije površine, treba uzeti u obzir samo vanjsku površinu, pa faktor 2 ispada raniju jednadžbu (sjećate se gdje smo udvostručili površinsku napetost na račun dvije površine?) na prinos:

p - p_e = 2 gama / R

Površinska napetost nastaje za vrijeme sučelja plina-tekućina, ali ako to sučelje dođe u dodir sa čvrsta površina - poput zidova spremnika - sučelje se obično krivi prema gore ili dolje blizu toga površinski. Takav konkavni ili konveksni oblik površine poznat je kao a meniskus

Kut kontakta, teta,, određuje se kao što je prikazano na slici desno.

Kontaktni kut može se koristiti za određivanje odnosa površinske napetosti tekućina-kruta i površinske napetosti tečni plin, kako slijedi:

gama_ls = - gama_LG cos teta

gdje

• gama_ls je površinska napetost tekućina-čvrsta tvar
• gama_LG je površinska napetost tekućeg plina
• teta je kontaktni kut

Jedna stvar koju treba uzeti u obzir u ovoj jednadžbi je da je u slučajevima kada je meniskus konveksan (tj. Kontaktni kut je veći od 90 stupnjeva), kosinusova komponenta ove jednadžbe bit će negativna što znači da će biti površinska napetost tekućina-čvrsta tvar pozitivan.

Ako je, s druge strane, meniskus konkavan (tj. Spušta se, pa je kontaktni kut manji od 90 stupnjeva), tada je cos teta izraz je pozitivan, u tom slučaju bi veza rezultirala a negativan površinska napetost tekućina-čvrsta!

Što to u biti znači jest da se tekućina lijepi na zidove spremnika i jest radeći na maksimiziranju područja u dodiru s čvrstom površinom, kako bi se umanjio ukupni potencijal energija.

Drugi učinak vezan za vodu u vertikalnim cijevima je svojstvo kapilarnosti, kod koje površina tekućine postaje povišena ili pritisnuta unutar cijevi u odnosu na okolnu tekućinu. To se, također, odnosi na opaženi kontaktni kut.

Ako u spremniku imate tekućinu, stavite usku cjevčicu (ili kapilara) polumjera r vertikalni pomak u spremnik y koja će se odvijati unutar kapilare dana je sljedećom jednadžbom:

y = (2 gama_LG cos teta) / ( klasa)

gdje

• y je vertikalni pomak (prema gore ako je pozitivan, dolje ako je negativan)
• gama_LG je površinska napetost tekućeg plina
• teta je kontaktni kut
• d je gustoća tekućine
• g je ubrzanje gravitacije
• r je polumjer kapilara

BILJEŠKA: Još jednom, ako teta veći je od 90 stupnjeva (konveksni meniskus), što rezultira negativnom površinskom napetošću od tekućine-krute tvari, razina tekućine će pasti u odnosu na okolnu razinu, za razliku od rasta u odnosu na to.

Kapilarnost se u svakodnevnom svijetu manifestira na više načina. Papirnati ručnici upijaju se kapilarnošću. Prilikom paljenja svijeće, rastopljeni vosak uzdiže se do fitiljka zbog kapilarnosti. Iako se u biologiji krv pumpa po cijelom tijelu, upravo taj proces distribuira krv u najmanjim krvnim žilama koje se nazivaju, prikladno, kapilare.

Potrebni materijali:

• 10 do 12 četvrtina
• čaša puna vode

Polako i čvrstom rukom dovedite četvrtine jednu po jednu u sredinu čaše. Uzak rub četvrtine stavite u vodu i pustite da proključa. (To minimizira poremećaj na površini i izbjegava stvaranje nepotrebnih valova koji mogu prouzrokovati prelijevanje.)

Ako nastavite s više četvrtina, začudit ​​ćete se kako konveksna voda postaje na vrhu čaše bez prelijevanja!

Moguća varijanta: Izvedite ovaj eksperiment s identičnim čašama, ali koristite različite vrste novčića u svakoj čaši. Pomoću rezultata koliko možete ući odredite omjer volumena različitih kovanica.

Potrebni materijali:

• viljuška (varijanta 1)
• komad papira (varijanta 2)
• igla za šivanje
• čaša puna vode

Stavite iglu na vilicu, nježno je spuštajući u čašu vode. Pažljivo izvucite vilicu, a iglu je moguće ostaviti da pluta na površini vode.

Ovaj trik zahtijeva stvarnu čvrstu ruku i određenu praksu, jer morate vilicu izvaditi na takav način da se dijelovi igle ne zaprljaju... ili igla htjeti umivaonik. Prethodno možete trljati iglu između prstiju da biste je "uljem" povećali šanse za uspjeh.

Varijanta 2 Trik

Na iglu za šivanje stavite mali komad papira (dovoljno velik da drži iglu). Igla se postavlja na papir za tkivo. Papir za tkivo natopit će se vodom i potonuti na dno čaše, ostavljajući iglu da lebdi na površini.

Potrebni materijali:

• zapaljena svijeća (BILJEŠKA: Ne igrajte se s utakmicama bez roditeljskog odobrenja i nadzora!)
• lijevak
• deterdženta ili otopine mjehurića sapuna

Postavite palac preko malog kraja lijevka. Pažljivo ga privucite prema svijeći. Uklonite palac, a površinska napetost mjehurića sapuna prouzročit će se savijanje, istiskujući zrak kroz lijevak. Zrak koji istječe iz mjehurića trebao bi biti dovoljan da ugasi svijeću.

Za ponešto povezani eksperiment pogledajte Raketni balon.

Potrebni materijali:

• komad papira
• škare
• biljno ulje ili tekući deterdžent za suđe
• velika zdjela ili posuda za kolače od kruha puna vode

Nakon što je izrezan uzorak papirnate ribe, stavite ga na posudu s vodom tako da lebdi na površini. Stavite kap ulja ili deterdženta u otvor na sredini ribe.

Deterdžent ili ulje uzrokovat će pad površinske napetosti u toj rupi. Zbog toga će se riba kretati naprijed, ostavljajući trag ulja dok se kreće po vodi, ne zaustavljajući se dok ulje ne spusti površinsku napetost cijele zdjele.

Donja tablica prikazuje vrijednosti površinske napetosti dobivene za različite tekućine na različitim temperaturama.

Eksperimentalne vrijednosti površinske napetosti

Uredio Anne Marie Helmenstine, dr. Sc.