Razumijevanje površinske napetosti
Površinska napetost nastaje zato što površina tečnosti teži da se ukruti, stvarajući tanki membranski izgled. Na to utiču kohezivne sile između molekula vode. Da bismo bolje razumjeli ovo objašnjenje, razmotrimo sljedeću ilustraciju. Razmotrimo tečnost u posudi.
Molekule tečnosti se obično privlače. Unutar tečnosti, svaka molekula tečnosti je okružena drugim molekulama sa svake strane; ali na površini tečnosti, molekule tečnosti se nalaze samo sa strane i ispod. Nema drugih molekula tečnosti iznad. Budući da se molekule tečnosti privlače, postoji neto sila nula na molekule u unutrašnjosti tečnosti. Suprotno tome, molekule tečnosti na površini privlače molekule tečnosti sa strane i ispod. Kao rezultat toga, postoji neto sila na površini tečnosti koja je usmjerena prema dolje. Zbog ove neto sile prema dolje, tečnost na površini teži da smanji svoju površinu, skupljajući se što je više moguće.
Zbog toga sloj tekućine na površini izgleda kao da je prekriven tankom elastičnom membranom.
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 vrše silu vraćanja prema gore kako bi poduprle kopču (podsjetimo se elastičnosti i Hookeovog zakona ).
U stvarnosti, spajalice nisu jedina stvar koju možete koristiti; mogu biti i drugi predmeti poput igala. Ako pažljivo postavite iglu na površinu vode, ona će plutati. To je i razlog zašto insekti mogu plutati na vodi.
Jednačina površinske napetosti
Da bismo lakše izveli jednačinu površinske napetosti, razmotrit ćemo žicu koja je savijena u obliku slova U. Druga ravna žica je pričvršćena na dva kraka žice u obliku slova U, gdje se ravna žica može pomicati.
Ako se ova žica stavi u rastvor sapuna, nakon što se ukloni, na površini žice će se formirati sloj sapunice. Slično kao kada se igrate balonima od sapunice. Budući da se ravna žica može pomicati i njena masa nije prevelika, sloj sapunice će stvoriti silu površinske napetosti na ravnoj žici tako da se ravna žica kreće prema gore (obratite pažnju na smjer strelice). Da bi se spriječilo pomicanje ravne žice (žica je u ravnoteži), potrebna je ukupna sila usmjerena prema dolje, gdje je veličina ukupne sile F = w + T. U ravnoteži, F = sila koju sloj sapunice vrši na ravnu žicu.
Pretpostavimo da je dužina ravne žice l. Budući da sloj sapunice koji dodiruje ravnu žicu ima dvije površine, sila koju generira sloj sapunice djeluje duž dužine od 2l. Površinska napetost na sloju sapunice je odnos između Sile (F) i dužine površine na koju sila djeluje (d). U ovom slučaju, dužina površine je 2l. Matematički se piše:
Budući da je površinska napetost odnos sile i jedinice dužine, jedinice su njutn po metru (N/m) ili din po centimetru (dyn/cm).
Slijede neke vrijednosti površinske napetosti dobijene na osnovu eksperimenata.
Na osnovu gore navedenih podataka, čini se da temperatura utiče na površinsku napetost fluida. Općenito, kako temperatura raste, vrijednost se smanjuje. To je zato što se, kako temperatura raste, molekule tečnosti kreću brže, smanjujući interakciju između molekula tečnosti. Posljedično, vrijednost površinske napetosti se također smanjuje.
Primjena u svakodnevnom životu
Jeste li se ikada zapitali zašto peremo odjeću sapunom? Problem je u tome što, da bi odjeća bila zaista čista, voda mora proći kroz vrlo uske pukotine u vlaknima. To zahtijeva povećanje površine vode. To je vrlo teško postići zbog površinske napetosti. Sviđalo se to vama ili ne, površinska napetost vode se prvo mora smanjiti. Površinsku napetost možemo smanjiti korištenjem vruće vode. Što je temperatura vode viša, to bolje, jer što je temperatura vode viša, to je niža površinska napetost (vidi tabelu). Ovo je prva alternativa i rijetko se koristi, osim za one koji vole igrati se s vrućom vodom. Druga alternativa je korištenje sapuna.
Na temperaturi od 20 ° C, vrijednost površinske napetosti sapunice je 25,00 mN/m. Pokušajte uporediti sapunicu i vruću vodu, koja je vrijednost najmanja? Na 100 ° C, vrijednost površinske napetosti vruće vode = 58,90. Na temperaturi od 20 ° C, vrijednost površinske napetosti sapunice je 25,00 mN/m. Isplativije je koristiti sapun... voda također nije vruća. Postoje i drugi faktori koji utiču na to koliko dobro se naša odjeća ili tijelo mogu očistiti sapunom. Dakle, ono što je gore objašnjeno samo je jedan od faktora koji utiču.
Zašto su mjehurići od sapuna ili vode okrugli?
Mjehurići sapunice, ili kapljice vode, su sfernog oblika zbog površinske napetosti. Prvo ćemo razgovarati o mjehurićima sapunice. Mjehurići sapunice imaju dvije tanke membrane na svojoj površini, s tankim slojem vode između njih.
Površinska napetost uzrokuje skupljanje membrane, što teži smanjenju njene površine. Kada se membrana od sapunice skuplja i pokušava smanjiti svoju površinu, nastaje razlika u tlaku zraka između vanjske strane membrane (atmosferski tlak) i unutarnje strane membrane. Tlak zraka izvan membrane (atmosferski tlak) također gura membranu od sapunice dok se skuplja, jer je tlak zraka unutar membrane niži.
Nakon što se membrana skupi, zrak unutra (zrak zarobljen između dvije membrane) također se komprimira, povećavajući tlak zraka unutar membrane sve dok se kontrakcija ne zaustavi. Drugim riječima, kada se kontrakcija zaustavi, tlak zraka između membrana jednak je atmosferskom tlaku + sili površinske napetosti koja skuplja membrane.
Šta je sa kapljicama rose ili kapljicama vode koje izlaze iz slavine? U suštini su iste, jer je primarni uzrok površinska napetost. Dok mjehurić od sapunice ima dvije tanke membrane na svoje dvije površine, kapljica vode ima samo jednu tanku membranu, na vanjskoj strani kapljice. Unutrašnjost je ispunjena vodom. Vanjski dio kapljice se povlači prema unutra. Kao rezultat toga, voda se skuplja, težeći smanjenju svoje površine. Vanjski atmosferski pritisak također pomaže u kompresiji kapljice vode. Kontrakcija prestaje kada pritisak na unutrašnjosti vode postane jednak atmosferskom pritisku plus sila koja skuplja vodenu membranu.
