Разбиране на повърхностното напрежение
Повърхностното напрежение възниква, защото повърхността на течността има тенденция да се втвърдява, създавайки тънък мембраноподобен вид. Това се влияе от кохезионните сили между водните молекули. За да разберем по-добре това обяснение, разгледайте следната илюстрация. Нека разгледаме течност в съд.
Течните молекули обикновено се привличат взаимно. Вътре в течността всяка течна молекула е заобиколена от други молекули от всяка страна; но на повърхността на течността има само течни молекули отстрани и отдолу. Няма други течни молекули отгоре. Тъй като течните молекули се привличат взаимно, има сумарна сила нула върху молекулите във вътрешността на течността. Обратно, течните молекули на повърхността се привличат от течните молекули отстрани и отдолу. В резултат на това има сумарна сила на повърхността на течността, която е насочена надолу. Поради тази сумарна сила надолу, течността на повърхността е склонна да намали повърхността си, свивайки се колкото е възможно повече.
Това кара слоят течност на повърхността да изглежда сякаш е покрит с тънка еластична мембрана.
Когато щипката се постави внимателно върху повърхността на водата, водните молекули, разположени на повърхността, са леко притиснати от гравитация скобата, така че водните молекули, разположени отдолу, да осигурят възстановяваща сила нагоре, която да поддържа скобата (запомнете отново еластичност и закон на Хук).
В действителност, кламерите не са единственото нещо, което можете да използвате; те могат да бъдат и други предмети, като например игли. Ако внимателно поставите игла върху повърхността на водата, тя ще плава. Ето защо и насекомите могат да плават по водата.
Уравнение на повърхностното напрежение
За да ни помогне да изведем уравнението на повърхностното напрежение, разглеждаме тел, огъната във формата на буквата U. Друга права тел е прикрепена към двата крака на U-образната тел, където правата тел може да се движи.
Ако тази тел се постави в сапунен разтвор, след като бъде извадена, върху повърхността ѝ ще се образува слой сапунена вода. Подобно на играта със сапунени мехурчета. Тъй като правата тел може да се движи и масата ѝ не е твърде голяма, слоят сапунена вода ще осигури сила на повърхностно напрежение върху нея, така че тя да се движи нагоре (обърнете внимание на посоката на стрелката). За да се предотврати движението на правата тел (телта е в равновесие), е необходима обща сила, насочена надолу, където големината на общата сила е F = w + T. В равновесие F = силата, упражнявана от слоя сапунена вода върху правата тел.
Да предположим, че дължината на прав проводник е l. Тъй като слоят сапунена вода, който докосва правия проводник, има две повърхности, силата, генерирана от слоя сапунена вода, действа по дължина 2l. Повърхностното напрежение върху сапунения слой е съотношението между Силата (F) и дължината на повърхността, върху която действа силата (d). За този случай дължината на повърхността е 2l. Математически се записва:
Тъй като повърхностното напрежение е съотношението на силата към единица дължина, мерните единици са нютон на метър (N/m) или дини на сантиметър (dyn/cm).
Следват някои стойности на повърхностното напрежение, получени въз основа на експерименти.
Въз основа на горните данни изглежда, че температурата влияе на повърхностното напрежение на флуида. Обикновено с повишаване на температурата стойността намалява. Това е така, защото с повишаване на температурата молекулите на течността се движат по-бързо, намалявайки взаимодействието между тях. Следователно, стойността на повърхностното напрежение също намалява.
Приложение в ежедневието
Чудили ли сте се някога защо перем дрехи със сапун? Проблемът е, че за да получим наистина чисти дрехи, водата трябва да преминава през много тесни пролуки във влакната. Това изисква увеличаване на повърхността на водата. Това е много трудно за постигане поради повърхностното напрежение. Харесва ни или не, повърхностното напрежение на водата първо трябва да се понижи. Можем да намалим повърхностното напрежение, като използваме гореща вода. Колкото по-висока е температурата на водата, толкова по-добре, тъй като колкото по-висока е температурата на водата, толкова по-ниско е повърхностното напрежение (вижте таблицата). Това е първата алтернатива и рядко се използва, освен за тези, които обичат да си играят с гореща вода. Друга алтернатива е използването на сапун.
При температура от 20 oC, стойността на повърхностното напрежение на сапунена вода е 25,00 mN/m. Опитайте да сравните сапунена вода и гореща вода, коя има най-малка стойност? При 100 oC, стойността на повърхностното напрежение на горещата вода = 58,90. При температура от 20 oC, повърхностното напрежение на сапунената вода е 25,00 mN/m. Използването на сапун е по-изгодно... водата също не е гореща. Има и други фактори, които влияят върху това колко добре дрехите или телата ни могат да бъдат почистени със сапун. Така че, горното е само един фактор.
Защо сапунените или водните мехурчета са кръгли?
Сапунените мехурчета или водните капчици имат сферична форма поради повърхностното напрежение. Нека първо обсъдим сапунените мехурчета. Сапунените мехурчета имат две тънки мембрани на повърхността си, с тънък слой вода между тях.
Повърхностното напрежение кара мембраната да се свива, което води до намаляване на повърхността ѝ. Когато сапунената мембрана се свива и се опитва да намали повърхността си, възниква разлика в налягането на въздуха между външната страна на мембраната (атмосферно налягане) и вътрешната страна на мембраната. Налягането на въздуха извън мембраната (атмосферно налягане) също избутва сапунената мембрана, докато тя се свива, защото налягането на въздуха вътре в мембраната е по-ниско.
След като мембраната се свие, въздухът вътре (въздухът, задържан между двете мембрани) също се компресира, увеличавайки налягането на въздуха вътре в мембраната, докато свиването спре. С други думи, когато свиването спре, налягането на въздуха между мембраните е равно на атмосферното налягане + силата на повърхностното напрежение, която свива мембраните.
И така, какво да кажем за капките роса или водните капки, излизащи от кранче? Те са по същество едно и също нещо, тъй като основната причина е повърхностното напрежение. Докато сапуненият мехур има две тънки мембрани на двете си повърхности, водната капка има само една тънка мембрана, от външната страна на капката. Вътрешната част е пълна с вода. Външната страна на капката се издърпва навътре. В резултат на това водата се свива, като се стреми да намали повърхността си. Външното атмосферно налягане също помага за компресирането на водната капка. Свиването спира, когато налягането от вътрешната страна на водата се изравни с атмосферното налягане плюс силата, която свива водната мембрана.
