Verstaan Oppervlakspanning
Oppervlakspanning vind plaas omdat die oppervlak van 'n vloeistof geneig is om te styf, wat 'n dun membraanagtige voorkoms skep. Dit word beïnvloed deur die kohesiewe kragte tussen watermolekules. Om hierdie verduideliking beter te verstaan, kyk na die volgende illustrasie. Kom ons kyk na 'n vloeistof in 'n houer.
Vloeistofmolekules trek mekaar tipies aan. Binne-in 'n vloeistof word elke vloeistofmolekule omring deur ander molekules aan elke kant; maar aan die oppervlak van die vloeistof is daar slegs vloeistofmolekules aan die kante en onder. Daar is geen ander vloeistofmolekules bo nie. Omdat vloeistofmolekules mekaar aantrek, is daar 'n netto krag van nul op die molekules in die binnekant van die vloeistof. Omgekeerd word vloeistofmolekules aan die oppervlak aangetrek deur die vloeistofmolekules aan die kante en onder. Gevolglik is daar 'n netto krag aan die oppervlak van die vloeistof wat afwaarts gerig is. As gevolg van hierdie netto krag afwaarts, is die vloeistof aan die oppervlak geneig om sy oppervlakarea te verminder en soveel as moontlik te krimp.
Dit veroorsaak dat die vloeistoflaag op die oppervlak lyk asof dit deur 'n dun elastiese membraan bedek is.
Wanneer die klem versigtig op die wateroppervlak geplaas word, word die watermolekules wat op die oppervlak geleë is ietwat gedruk deur swaartekrag die klem, sodat die watermolekules wat onder geleë is, 'n opwaartse herstelkrag bied om die klem te ondersteun (onthou weer elastisiteit en Hooke se wet).
In werklikheid is skuifspelde nie die enigste ding wat jy kan gebruik nie; hulle kan ook ander voorwerpe soos naalde wees. As jy 'n naald versigtig op die wateroppervlak plaas, sal dit dryf. Dit is ook hoekom insekte op water kan dryf.
Oppervlakspanningsvergelyking
Om ons te help om die oppervlakspanningsvergelyking af te lei, beskou ons 'n draad wat in die vorm van die letter U gebuig is. Nog 'n reguit draad is aan die twee bene van die U-draad vasgemaak, waar die reguit draad beweeg kan word.
As hierdie draad in 'n seepoplossing geplaas word, sal 'n laag seepwater op die oppervlak van die draad vorm nadat dit verwyder is. Soortgelyk aan wanneer jy seepborrels speel. Omdat die reguit draad beweeg kan word en die massa daarvan nie te groot is nie, sal die laag seepwater 'n oppervlakspanningskrag op die reguit draad verskaf sodat die reguit draad opwaarts beweeg (let op die rigting van die pyl). Om te verhoed dat die reguit draad beweeg (die draad is in ewewig), is 'n totale krag nodig wat afwaarts gerig is, waar die grootte van die totale krag F = w + T is. In ewewig is F = die krag wat deur die laag seepwater op die reguit draad uitgeoefen word.
Veronderstel die lengte van 'n reguit draad is l. Aangesien die laag seepwater wat aan die reguit draad raak twee oppervlaktes het, werk die krag wat deur die seepwaterlaag gegenereer word, oor 'n lengte van 2l. Die oppervlakspanning op die seeplaag is die verhouding tussen die Krag (F) en die lengte van die oppervlak waarop die krag inwerk (d). Vir hierdie geval is die lengte van die oppervlak 2l. Wiskundig word dit geskryf:
Omdat oppervlakspanning die verhouding van krag tot eenheidslengte is, is die eenhede Newton per meter (N/m) of dyn per sentimeter (dyn/cm).
Die volgende is 'n paar oppervlakspanningswaardes wat verkry is gebaseer op eksperimente.
Gebaseer op die data hierbo, blyk dit dat temperatuur die oppervlakspanning van 'n vloeistof beïnvloed. Oor die algemeen, soos die temperatuur toeneem, neem die waarde af. Dit is omdat soos die temperatuur toeneem, die vloeistofmolekules vinniger beweeg, wat die interaksie tussen die vloeistofmolekules verminder. Gevolglik neem die oppervlakspanningswaarde ook af.
Toepassing in die daaglikse lewe
Het jy al ooit gewonder hoekom ons klere met seep was? Die probleem is, om werklik skoon klere te kry, moet water deur baie nou gapings in die vesels vloei. Dit vereis dat die oppervlakarea van die water vergroot word. Dit is baie moeilik om te bereik as gevolg van oppervlakspanning. Of jy daarvan hou of nie, die oppervlakspanning van die water moet eers verlaag word. Ons kan die oppervlakspanning verlaag deur warm water te gebruik. Hoe hoër die watertemperatuur, hoe beter, want hoe hoër die watertemperatuur, hoe laer die oppervlakspanning (sien tabel). Dit is die eerste alternatief en word selde gebruik, behalwe vir diegene wat daarvan hou om met warm water te speel. Nog 'n alternatief is om seep te gebruik.
Teen 'n temperatuur van 20 oC, die oppervlakspanningswaarde van seepwater is 25,00 mN/m. Probeer om seepwater en warm water te vergelyk, watter een het die kleinste waarde? Teen 100 oC, die oppervlakspanningswaarde van warm water = 58,90. By 'n temperatuur van 20 oC, die oppervlakspanning van seepwater is 25,00 mN/m. Die gebruik van seep is meer voordelig ... die water is ook nie warm nie. Daar is ander faktore wat beïnvloed hoe goed ons klere of liggame met seep skoongemaak kan word. Dus, bogenoemde is net een faktor.
Waarom is seep- of waterborrels rond?
Seepbelle, of waterdruppels, is sferies in vorm as gevolg van oppervlakspanning. Kom ons bespreek eers seepbelle. Seepbelle het twee dun membrane op hul oppervlak, met 'n dun lagie water tussen hulle.
Oppervlakspanning veroorsaak dat die membraan saamtrek, wat geneig is om die oppervlakarea te verminder. Wanneer die seepwatermembraan saamtrek en probeer om sy oppervlakarea te verminder, ontstaan 'n verskil in lugdruk tussen die buitekant van die membraan (atmosferiese druk) en die binnekant van die membraan. Die lugdruk buite die membraan (atmosferiese druk) druk ook die seepwatermembraan terwyl dit saamtrek, omdat die lugdruk binne die membraan laer is.
Nadat die membraan saamtrek, word die lug binne (die lug wat tussen die twee membrane vasgevang is) ook saamgepers, wat die lugdruk binne die membraan verhoog totdat die sametrekking stop. Met ander woorde, wanneer die sametrekking stop, is die lugdruk tussen die membrane gelyk aan atmosferiese druk + die oppervlakspanningskrag wat die membrane saamtrek.
So, wat van doudruppels of waterdruppels wat uit 'n kraan kom? Hulle is in wese dieselfde, aangesien die primêre oorsaak oppervlakspanning is. Terwyl 'n seepbel twee dun membrane op sy twee oppervlaktes het, het 'n waterdruppel slegs een dun membraan, aan die buitekant van die druppel. Die binnekant is gevul met water. Die buitekant van die druppel word na binne getrek. Gevolglik trek die water saam, wat geneig is om die oppervlakarea te verminder. Die eksterne atmosferiese druk help ook om die waterdruppel saam te pers. Die sametrekking stop wanneer die druk aan die binnekant van die water gelyk is aan atmosferiese druk plus die krag wat die watermembraan saamtrek.
