Har du nogensinde leget sæbebobler? Sæbebobler runde. Sjove. Kan blæses. Sæbebobler sprænger efter at være fløjet. Wow, det er sjovt, en barndomsleg. Hvorfor er sæbebobler runde?
Vågn op om morgenen, og læg så mærke til bladene rundt om huset. Læg mærke til dugdråberne, der sidder fast på bladene. Det er mærkeligt; dugdråber er runde. Hvordan kan det være sådan?
Overfladespænding opstår, fordi væskens overflade har tendens til at strammes, så overfladen ligner en tynd membran. Dette påvirkes af kohæsionskraften mellem vandmolekyler. For bedre at forstå denne forklaring kan vi se på følgende illustration. Vi gennemgår væsken i en beholder.
Inde i væsken er hvert væskemolekyle omgivet af andre molekyler på hver side; men på væskens overflade er der kun væskemolekyler nedenunder. Øverst er der ingen andre væskemolekyler. Fordi væskemolekylerne tiltrækker hinanden, er der en samlet kraft på nul i det molekyle, der er inde i væsken. I modsætning hertil trækkes de væskemolekyler, der er placeret på overfladen, af væskepartiklerne, der er på bunden. Som et resultat er der på væskens overflade en samlet kraft, der er rettet nedad. På grund af den nedadgående nettokraft har væsken på overfladen en tendens til at reducere sit overfladeareal ved at krympe så meget som muligt.
Dette får det flydende lag på overfladen til at se ud, som om det er dækket af en tynd elastisk membran. Dette fænomen er kendt som overfladespænding.
[irp]
Når klemmen forsigtigt placeres på vandoverfladen, presses vandmolekylerne på overfladen let af klemmens tyngdekraft, således at vandmolekylerne nedenunder udøver en genoprettelseskraft, der understøtter klemmen.
I virkeligheden er det ikke kun clips eller papirclips, men også andre ting som nåle. Hvis vi forsigtigt placerer nålen over vandoverfladen, vil nålen flyde. Væskens overfladespænding er også årsagen til, at insekter kan flyde på vand.
Ligningen for overfladespænding
I den foregående diskussion har vi studeret begrebet overfladespænding kvalitativt (der er ingen matematisk ligning). Nu gennemgår vi overfladespændingen kvantitativt. For at hjælpe os med at udlede overfladespændingsligningen ser vi på en tråd, der er bøjet for at danne bogstavet U. En anden lige tråd er fastgjort til U-trådens to ben, hvor den lige tråd kan bevæges.
Hvis denne tråd indsættes i sæben, vil den danne et lag sæbevand på trådens overflade efter fjernelse. Det er ligesom når man leger sæbebobler. Fordi den lige tråd kan bevæges, og massen ikke er for stor, vil laget af sæbevand give overfladespændingskraften på den lige tråd, så tråden går lige op. For at forhindre den lige tråd i at bevæge sig (tråden er i ligevægt) er der behov for en samlet nedadgående kraft, hvor størrelsen af den samlede kraft er F = w + T. I balance er F = kraften af overfladespændingen, der bæres af sæbelaget på den lige tråd.
Antag, at længden af en lige tråd er l. Fordi laget af sæbevand, der berører en lige tråd, har to overflader, virker overfladespændingskraften, der genereres af laget af sæbevand, langs 2l. Overfladespændingen i sæbelaget er en sammenligning mellem overfladespændingskraften (F) og den overfladelængde, hvor kraften virker (d). I dette tilfælde er overfladelængden 2l. Matematisk skrevet:
Fordi overfladespænding er forholdet mellem overfladespændingskraften og længden, er overfladespændingsenheden Newton pr. meter (N/m) eller dyn pr. centimeter (dyn/cm).
Følgende er nogle overfladespændingsværdier opnået baseret på eksperimenter.
Baseret på overfladespændingsdataene påvirker temperaturen værdien af væskens overfladespænding. Generelt falder overfladespændingen, når temperaturen stiger (sammenlign vandets overfladespænding ved hver temperatur. Se tabel). Dette skyldes, at når temperaturen stiger, bevæger væskemolekylerne sig hurtigere, så effekten af interaktionen mellem væskemolekylerne falder. Som følge heraf falder overfladespændingen også.
Anvendelse af overfladespændingskoncepter i hverdagen
Har du nogensinde spurgt, hvorfor vi skal vaske tøj med sæbe? Problemet er, at det tøj, vi vasker, virkelig er rent; vandet skal passere gennem en meget smal sprække i tøjfibrene. Af denne grund er det nødvendigt at øge vandets overfladeareal. Dette er meget vanskeligt at gøre på grund af overfladespændingen. Overfladespændingen skal uundgåeligt sænkes først. Vi kan reducere overfladespændingen ved at bruge varmt vand. Jo højere vandtemperaturen er, desto bedre, fordi jo højere vandtemperaturen er, desto mindre er overfladespændingen (se tabel). Dette er det første alternativ og er en sjældent anvendt metode. En anden mulighed er at bruge sæbe.
Ved en temperatur på 20 ° C er overfladespændingen af sæbevandet 25.00 mN/m². Prøv at sammenligne sæbe og varmt vand. Hvilken er den mindste overfladespænding? Ved 100 ° C er overfladespændingen af varmt vand = 58.90. Ved en temperatur på 20 ° C er sæbens overfladespænding 25.00 mN/m². Det er mere rentabelt at bruge sæbe. Det, der er forklaret ovenfor, er kun én af de påvirkende faktorer.
Hvorfor er sæbe- eller vandboblen rund?
Sæbebobler eller vanddråber er runde, fordi de påvirkes af overfladespænding. Først diskuterer vi sæbebobler. Sæbebobler har to tynde membraner på overfladen, og mellem dem er der tynde lag af vand.
Overfladespænding får membranen til at trække sig sammen og har en tendens til at reducere dens overfladeareal. Når sæbevandsmembranen trækker sig sammen og forsøger at minimere sit overfladeareal, er der en forskel i lufttrykket på ydersiden af membranen (atmosfærisk tryk) og lufttrykket på indersiden af laget. Lufttrykket uden for laget (atmosfærisk tryk) skubber også sæbevandsmembranen, når den trækker sig sammen, fordi lufttrykket på indersiden af membranen er mindre.
Efter membranen har trukket sig sammen, undertrykkes luften indeni (luften fanget mellem de to membraner), hvilket øger lufttrykket inde i laget, indtil der ikke længere er nogen sammentrækning. Med andre ord, når der ikke længere er nogen sammentrækning, er mængden af lufttryk mellem membranerne den samme som atmosfærisk tryk + kraften fra overfladespændingen, der rynker laget.
Hvad med dugdråber eller vanddråber, der kommer ud af vandhanen? Det samme, fordi den primære årsag er overfladespænding. Hvis sæbebobler har to tynde membraner på to overflader, har vanddråberne kun ét tyndt lag, som er på ydersiden af vanddråberne. Indersiden er fuld af vand. På grund af kohæsionskraften opstår overfladespænding. Den ydre del af vanddråben trækkes ind. Som følge heraf trækker vandet sig sammen og har en tendens til at reducere sit overfladeareal. Det atmosfæriske tryk udenfor undertrykker også vanddråberne. Sammentrækningen stopper, når trykket på indersiden af vandet er lig med atmosfærisk tryk + kraften fra overfladespændingen, der trækker vandmembranen sammen.
