Jeste li ikada igrali mjehuriće od sapunice? Okrugli mjehurići od sapunice. Smiješno. Mogu se napuhati. Nakon leta, mjehurići od sapunice pucaju. Vau, to je zabavno, igra iz djetinjstva. Zašto je mjehurić od sapunice okrugao?
Molim te, probudi se ujutro i primijeti lišće oko kuće. Promatraj kapljice rose pričvršćene za lišće. Čudno je; kapi rose su okrugle. Kako je to moguće?
Površinska napetost nastaje zato što površina tekućine teži da se stegne tako da izgleda kao tanka membrana. Na to utječe sila kohezije između molekula vode. Da bismo bolje razumjeli ovo objašnjenje, razmotrimo sljedeću ilustraciju. Razmatramo tekućinu u posudi.
Unutar tečnosti, svaki molekul tečnosti je okružen drugim molekulima sa svake strane; ali na površini tečnosti, postoje samo molekuli tečnosti ispod. Na vrhu nema drugih molekula tečnosti. Budući da se molekuli tečnosti privlače, ukupna sila u molekulu koji se nalazi unutar tečnosti je nula. Nasuprot tome, molekule tečnosti koje se nalaze na površini privlače čestice fluida koje se nalaze na dnu. Kao rezultat toga, na površini tečnosti postoji ukupna sila koja je usmjerena prema dolje. Zbog neto sile prema dolje, tečnost koja se nalazi na površini teži da smanji svoju površinu, skupljajući se što je jače moguće.
Zbog toga sloj tekućine na površini izgleda kao da je prekriven tankom elastičnom membranom. Ovaj fenomen je poznat kao površinska napetost.
[irp]
Kada se kopča pažljivo postavi na površinu vode, molekule vode koje se nalaze na površini lagano su pritisnute gravitacijom kopče, tako da molekule vode koje se nalaze ispod daju silu vraćanja prema gore kako bi poduprle kopču.
U stvarnosti, nisu u pitanju samo spajalice ili spajalice za papir, već i druge stvari poput igala. Ako pažljivo postavimo iglu iznad površine vode, ona će plutati. Površinska napetost tekućine je također razlog zašto insekti mogu plutati na vodi.
Jednačina površinske napetosti
U prethodnoj diskusiji smo kvalitativno proučavali koncept površinske napetosti (ne postoji matematička jednačina). Sada ćemo površinsku napetost pregledati kvantitativno. Da bismo lakše izveli jednačinu površinske napetosti, pogledaćemo žicu koja je savijena u oblik slova U. Druga ravna žica je pričvršćena na dva kraka U žice, gdje se ravna žica može pomicati.
Ako se ova žica umetne u sapun, nakon vađenja će se na površini žice formirati sloj sapunice. To je kao kada se igrate balonima od sapunice. Budući da se ravna žica može pomicati, a masa nije prevelika, sloj sapunice će djelovati na površinsku napetost ravnom žicom tako da žica ide ravno prema gore. Da bi se spriječilo pomicanje ravnog žice (žica je u ravnoteži), potrebna je ukupna sila prema dolje, gdje je iznos ukupne sile F = w + T. U ravnoteži, F = sila površinske napetosti koju nosi sloj sapuna na ravnoj žici.
Pretpostavimo da je dužina ravne žice l. Budući da sloj sapunice koji dodiruje ravnu žicu ima dvije površine, sila površinske napetosti koju generira sloj sapunice djeluje duž 2l. Površinska napetost u sloju sapunice je poređenje između Sile površinske napetosti (F) i dužine površine na kojoj sila djeluje (d). U ovom slučaju, dužina površine je 2l. Matematički, zapisano:
Budući da je površinska napetost odnos između sile površinske napetosti i dužine, jedinica za površinsku napetost je njutn po metru (N/m) ili din po centimetru (din/cm).
U nastavku su navedene neke vrijednosti površinske napetosti dobijene na osnovu eksperimenata.
Na osnovu podataka o površinskoj napetosti, temperatura utiče na vrijednost površinske napetosti fluida. Generalno, kada dođe do povećanja temperature, vrijednost površinske napetosti se smanjuje (Uporedite površinsku napetost vode na svakoj temperaturi. Pogledajte tabelu). To je zato što se, kada temperatura raste, molekuli tečnosti kreću brže, tako da se efekat interakcije između molekula fluida smanjuje. Kao rezultat toga, vrijednost površinske napetosti se također smanjuje.
Primjena koncepta površinske napetosti u svakodnevnom životu
Jeste li se ikada pitali zašto bismo trebali prati odjeću sapunom? Problem je u tome što je odjeća koju peremo zaista čista; voda mora proći kroz vrlo uzak otvor u vlaknima odjeće. Iz tog razloga, potrebno je povećati površinu vode. Pa, to je vrlo teško učiniti zbog površinske napetosti. Neizbježno je da se prvo mora smanjiti vrijednost površinske napetosti. Površinsku napetost možemo smanjiti korištenjem vruće vode. Što je viša temperatura vode, to bolje, jer što je viša temperatura vode, to je manja površinska napetost (vidi tabelu). Ovo je prva alternativa i rijetko se koristi. Druga opcija je korištenje sapuna.
Na temperaturi od 20 ° C, vrijednost površinske napetosti sapunske vode iznosi 25.00 mN/m. Pokušajte uporediti sapun i vruću vodu, koja je najmanja vrijednost površinske napetosti? Na 100 ° C, vrijednost površinske napetosti vruće vode = 58.90. Na temperaturi od 20 ° C, vrijednost površinske napetosti sapuna iznosi 25.00 mN/m. Isplativije je koristiti sapun. Ono što je gore objašnjeno je samo jedan od faktora koji utiču na to?
Zašto je mjehur od sapunice ili vode okrugao?
Mjehurići sapuna ili kapi vode su okrugli jer na njih djeluje površinska napetost. Prvo ćemo razgovarati o mjehurićima sapuna. Mjehurići sapuna imaju dvije tanke membrane na površini, a između njih su tanki slojevi vode.
Prisustvo površinske napetosti uzrokuje skupljanje membrane i teži smanjenju njene površine. Kada se membrana sapunske vode skuplja i pokušava minimizirati svoju površinu, postoji razlika u pritisku zraka na vanjskoj strani membrane (atmosferski pritisak) i pritisku zraka na unutrašnjoj strani sloja. Pritisak zraka koji je izvan sloja (atmosferski pritisak) također gura membranu sapunske vode kada se skuplja jer je pritisak zraka na unutrašnjoj strani membrane manji.
Nakon što se membrana skupi, zrak unutra (zrak zarobljen između dvije membrane) se potiskuje, povećavajući pritisak zraka unutar sloja sve dok ne prestane skupljanje. Drugim riječima, kada više nema skupljanja, količina pritiska zraka između membrana je ista kao atmosferski pritisak + sila površinske napetosti koja nabira sloj.
Šta je onda sa kapima rose ili kapljicama vode koje izlaze iz slavine? Isto je zato što je primarni uzrok površinska napetost. Ako mjehurići od sapunice imaju dvije tanke membrane na dvije površine, onda kapi vode imaju samo jedan tanki sloj, koji se nalazi na vanjskoj strani kapljica vode. Unutrašnjost je puna vode. Zbog sile kohezije nastaje površinska napetost. Vanjski dio kapljice vode se uvlači. Kao rezultat toga, voda se skuplja i teži smanjenju svoje površine. Atmosferski pritisak koji je vani također potiskuje kapljice vode. Kontrakcija će prestati kada pritisak na unutrašnjosti vode bude jednak atmosferskom pritisku + sili površinske napetosti koja steže vodenu membranu.
