Hast du schon mal Seifenblasen gespielt? Seifenblasen sind rund. Lustig! Man kann sie anpusten. Nach dem Flug platzen sie. Wow, das macht Spaß, ein Spiel aus der Kindheit. Warum sind Seifenblasen rund?
Bitte wachen Sie morgens auf und betrachten Sie die Blätter rund ums Haus. Beobachten Sie die Tautropfen, die an den Blättern haften. Es ist seltsam; Tautropfen sind rund. Wie kann das sein?
Die Oberflächenspannung entsteht dadurch, dass sich die Flüssigkeitsoberfläche zusammenzieht und wie eine dünne Membran wirkt. Dies wird durch die Kohäsionskräfte zwischen den Wassermolekülen beeinflusst. Um dies besser zu verstehen, betrachten wir die folgende Abbildung: Wir sehen eine Flüssigkeit in einem Behälter.
Im Inneren der Flüssigkeit ist jedes Flüssigkeitsmolekül von anderen Molekülen umgeben; an der Oberfläche befinden sich jedoch nur Flüssigkeitsmoleküle unterhalb der Flüssigkeit. Da sich die Flüssigkeitsmoleküle gegenseitig anziehen, wirkt auf die Moleküle im Inneren der Flüssigkeit keine Kraft. Die Flüssigkeitsmoleküle an der Oberfläche werden hingegen von den Molekülen am Boden angezogen. Dadurch wirkt an der Oberfläche eine nach unten gerichtete Gesamtkraft. Aufgrund dieser nach unten gerichteten Kraft schrumpft die Flüssigkeit an der Oberfläche maximal.
Dadurch erscheint die Flüssigkeitsschicht an der Oberfläche, als sei sie von einer dünnen, elastischen Membran bedeckt. Dieses Phänomen wird als Oberflächenspannung bezeichnet.
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Wenn die Klemme vorsichtig auf die Wasseroberfläche gesetzt wird, werden die Wassermoleküle an der Oberfläche durch die Schwerkraft der Klemme leicht zusammengedrückt, sodass die darunter liegenden Wassermoleküle eine Rückstellkraft nach oben abgeben, um die Klemme zu stützen.
Tatsächlich sind es nicht nur Büroklammern, sondern auch andere Dinge wie Nadeln. Hält man eine Nadel vorsichtig über die Wasseroberfläche, schwimmt sie. Die Oberflächenspannung der Flüssigkeit ist auch der Grund, warum Insekten auf dem Wasser schwimmen können.
Die Gleichung der Oberflächenspannung
In der vorangegangenen Diskussion haben wir das Konzept der Oberflächenspannung qualitativ betrachtet (es gibt keine mathematische Gleichung). Nun betrachten wir die Oberflächenspannung quantitativ. Um die Gleichung für die Oberflächenspannung herzuleiten, betrachten wir einen Draht, der zu einem U gebogen ist. An den beiden Schenkeln des U ist ein weiterer, gerader Draht befestigt, der beweglich ist.
Wenn man diesen Draht in Seifenlauge taucht, bildet sich nach dem Herausnehmen eine Seifenwasserschicht auf seiner Oberfläche. Das ist vergleichbar mit Seifenblasen. Da der gerade Draht beweglich ist und seine Masse nicht sehr groß ist, übt die Seifenwasserschicht eine Oberflächenspannung auf ihn aus, die ihn senkrecht nach oben zieht. Um den Draht in dieser Position zu halten (er befindet sich im Gleichgewicht), ist eine nach unten gerichtete Gesamtkraft erforderlich, deren Betrag F = w + T beträgt. Im Gleichgewicht entspricht F der Oberflächenspannung, die von der Seifenwasserschicht auf den Draht ausgeübt wird.
Angenommen, die Länge eines geraden Drahtes beträgt l. Da die Seifenwasserschicht, die einen geraden Draht berührt, zwei Oberflächen besitzt, wirkt die von der Seifenwasserschicht erzeugte Oberflächenspannung entlang der Länge 2l. Die Oberflächenspannung in der Seifenwasserschicht ist ein Vergleich der Oberflächenspannung (F) mit der Länge der Oberfläche, an der die Kraft wirkt (d). In diesem Fall beträgt die Länge der Oberfläche 2l. Mathematisch ausgedrückt:
Da die Oberflächenspannung das Verhältnis zwischen der Oberflächenspannungskraft und der Länge ist, wird die Oberflächenspannung in Newton pro Meter (N/m) oder Dyn pro Zentimeter (dyn/cm) gemessen.
Nachfolgend sind einige auf der Grundlage von Experimenten ermittelte Oberflächenspannungswerte aufgeführt.
Den Daten zur Oberflächenspannung zufolge beeinflusst die Temperatur den Wert der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten. Im Allgemeinen sinkt die Oberflächenspannung mit steigender Temperatur (siehe Tabelle: Oberflächenspannung von Wasser bei verschiedenen Temperaturen). Dies liegt daran, dass sich die Flüssigkeitsmoleküle bei steigender Temperatur schneller bewegen, wodurch die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen abnehmen. Folglich sinkt auch die Oberflächenspannung.
Anwendung von Oberflächenspannungskonzepten im Alltag
Haben Sie sich jemals gefragt, warum wir Kleidung mit Seife waschen? Das Problem ist, dass die Kleidung, die wir waschen, eigentlich sauber sein sollte; das Wasser muss nur durch sehr enge Zwischenräume zwischen den Fasern dringen. Deshalb muss die Wasseroberfläche vergrößert werden. Das ist aufgrund der Oberflächenspannung sehr schwierig. Daher muss die Oberflächenspannung zunächst verringert werden. Wir können die Oberflächenspannung mit heißem Wasser reduzieren. Je höher die Wassertemperatur, desto besser, denn je höher die Wassertemperatur, desto geringer die Oberflächenspannung (siehe Tabelle). Dies ist die erste, aber selten angewandte Methode. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Seife.
Bei einer Temperatur von 20 ° C beträgt die Oberflächenspannung von Seifenwasser 25.00 mN/m. Vergleichen Sie Seife und heißes Wasser: Welches hat die geringste Oberflächenspannung? Bei 100 ° C beträgt die Oberflächenspannung von heißem Wasser 58.90 mN/m. Bei 20 ° C beträgt die Oberflächenspannung von Seife 25.00 mN/m. Die Verwendung von Seife ist daher vorteilhafter. Ist der oben genannte Faktor nur einer der Einflussfaktoren?
Warum ist die Seifen- oder Wasserblase rund?
Seifenblasen oder Wassertropfen sind rund, weil sie von der Oberflächenspannung beeinflusst werden. Zunächst betrachten wir Seifenblasen. Seifenblasen besitzen zwei dünne Membranen an der Oberfläche, zwischen denen sich dünne Wasserschichten befinden.
Die Oberflächenspannung bewirkt, dass sich die Membran zusammenzieht und ihre Oberfläche verringert. Beim Zusammenziehen der Seifenwassermembran entsteht ein Unterschied zwischen dem Luftdruck außerhalb (atmosphärischer Druck) und dem Luftdruck innerhalb der Schicht. Der äußere Luftdruck (atmosphärischer Druck) drückt die Seifenwassermembran beim Zusammenziehen ebenfalls nach unten, da der Luftdruck innerhalb der Membran geringer ist.
Nachdem sich die Membran zusammengezogen hat, wird die darin eingeschlossene Luft (die Luft zwischen den beiden Membranen) verdrängt, wodurch der Luftdruck innerhalb der Schicht ansteigt, bis keine weitere Kontraktion mehr erfolgt. Anders ausgedrückt: Wenn keine Kontraktion mehr stattfindet, entspricht der Luftdruck zwischen den Membranen dem Atmosphärendruck zuzüglich der Oberflächenspannung, die die Schicht kräuselt.
Und was ist mit Tautropfen oder Wassertropfen aus dem Wasserhahn? Dasselbe gilt, denn die Hauptursache ist die Oberflächenspannung. Während Seifenblasen zwei dünne Membranen auf ihren Oberflächen besitzen, haben Wassertropfen nur eine dünne Membran an der Außenseite. Das Innere ist mit Wasser gefüllt. Durch die Kohäsionskraft entsteht Oberflächenspannung. Die äußere Schicht des Wassertropfens wird nach innen gezogen. Dadurch zieht sich das Wasser zusammen und verringert seine Oberfläche. Der äußere Luftdruck wirkt dem Zusammenziehen der Wassertropfen zusätzlich entgegen. Die Kontraktion endet, wenn der Druck im Inneren des Wassertropfens der Summe aus Luftdruck und Oberflächenspannung entspricht.
