Oberflächenspannung verstehen
Oberflächenspannung entsteht, weil die Oberfläche einer Flüssigkeit dazu neigt, sich zu versteifen und dadurch eine dünne, membranartige Struktur anzunehmen. Dies wird durch die Kohäsionskräfte zwischen den Wassermolekülen beeinflusst. Um diese Erklärung besser zu verstehen, betrachten wir die folgende Abbildung. Stellen wir uns eine Flüssigkeit in einem Behälter vor.
Flüssigkeitsmoleküle ziehen sich typischerweise gegenseitig an. Im Inneren einer Flüssigkeit ist jedes Molekül von anderen Molekülen umgeben; an der Oberfläche befinden sich jedoch nur seitlich und unten Flüssigkeitsmoleküle. Darüber befinden sich keine weiteren Flüssigkeitsmoleküle. Da sich Flüssigkeitsmoleküle gegenseitig anziehen, wirkt auf die Moleküle im Inneren der Flüssigkeit keine resultierende Kraft. Umgekehrt werden die Flüssigkeitsmoleküle an der Oberfläche von den seitlich und unten befindlichen Flüssigkeitsmolekülen angezogen. Dadurch entsteht an der Oberfläche der Flüssigkeit eine nach unten gerichtete resultierende Kraft. Aufgrund dieser nach unten gerichteten Kraft versucht die Flüssigkeit an der Oberfläche, ihre Oberfläche zu verringern und so weit wie möglich zusammenzuziehen.
Dadurch erscheint die Flüssigkeitsschicht an der Oberfläche so, als sei sie von einer dünnen elastischen Membran bedeckt.
Wenn die Klemme vorsichtig auf die Wasseroberfläche gesetzt wird, werden die Wassermoleküle an der Oberfläche etwas zusammengedrückt. Schwerkraft die Klammer, so dass die darunter liegenden Wassermoleküle eine nach oben gerichtete Rückstellkraft ausüben, um die Klammer zu stützen (erinnern Sie sich noch einmal). Elastizität und Hookesches Gesetz).
Tatsächlich kann man nicht nur Büroklammern verwenden; auch andere Gegenstände wie Nadeln eignen sich. Legt man eine Nadel vorsichtig auf die Wasseroberfläche, schwimmt sie. Aus diesem Grund können auch Insekten auf dem Wasser schwimmen.
Gleichung der Oberflächenspannung
Um die Gleichung für die Oberflächenspannung herzuleiten, betrachten wir einen Draht, der in Form eines U gebogen ist. An den beiden Schenkeln des U-förmigen Drahtes ist ein weiterer gerader Draht befestigt, der beweglich ist.
Wenn man diesen Draht in Seifenlauge taucht, bildet sich nach dem Herausnehmen eine Schicht Seifenwasser auf seiner Oberfläche. Ähnlich wie bei Seifenblasen. Da der gerade Draht beweglich ist und seine Masse nicht sehr groß ist, übt die Seifenwasserschicht eine Oberflächenspannung auf ihn aus, sodass er sich nach oben bewegt (siehe Pfeilrichtung). Um die Bewegung des Drahtes zu verhindern (Gleichgewicht), ist eine nach unten gerichtete Gesamtkraft erforderlich, deren Betrag F = w + T beträgt. Im Gleichgewicht entspricht F der Kraft, die die Seifenwasserschicht auf den Draht ausübt.
Angenommen, die Länge eines geraden Drahtes beträgt l. Da die Seifenwasserschicht, die den Draht berührt, zwei Oberflächen besitzt, wirkt die von der Seifenwasserschicht erzeugte Kraft entlang einer Länge von 2l. Die Oberflächenspannung der Seifenwasserschicht ist das Verhältnis zwischen der Kraft (F) und der Länge der Oberfläche, auf die die Kraft wirkt (d). In diesem Fall beträgt die Länge der Oberfläche 2l. Mathematisch ausgedrückt:
Da die Oberflächenspannung das Verhältnis von Kraft zu Längeneinheit ist, werden sie in Newton pro Meter (N/m) oder Dyn pro Zentimeter (dyn/cm) gemessen.
Nachfolgend sind einige auf experimenteller Basis ermittelte Werte für die Oberflächenspannung aufgeführt.
Aus den obigen Daten geht hervor, dass die Temperatur die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit beeinflusst. Im Allgemeinen sinkt der Wert mit steigender Temperatur. Dies liegt daran, dass sich die Flüssigkeitsmoleküle bei höheren Temperaturen schneller bewegen, wodurch die Wechselwirkung zwischen ihnen abnimmt. Folglich sinkt auch die Oberflächenspannung.
Anwendung im Alltag
Haben Sie sich jemals gefragt, warum wir Kleidung mit Seife waschen? Das Problem ist, dass Wasser, um Kleidung wirklich sauber zu bekommen, durch die engsten Zwischenräume der Fasern fließen muss. Dazu muss die Oberfläche des Wassers vergrößert werden. Aufgrund der Oberflächenspannung ist dies sehr schwierig zu erreichen. Ob man es mag oder nicht, die Oberflächenspannung des Wassers muss zunächst gesenkt werden. Wir können die Oberflächenspannung mit heißem Wasser senken. Je höher die Wassertemperatur, desto besser, denn je höher die Wassertemperatur, desto geringer die Oberflächenspannung (siehe Tabelle). Dies ist die erste Möglichkeit und wird selten genutzt, außer von denen, die gerne mit heißem Wasser experimentieren. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Seife.
Bei einer Temperatur von 20 oBei C beträgt die Oberflächenspannung von Seifenwasser 25,00 mN/m. Vergleichen Sie Seifenwasser und heißes Wasser – welches hat den kleinsten Wert? Bei 100 oBei einer Temperatur von 20 °C beträgt die Oberflächenspannung von heißem Wasser 58,90. oC, die Oberflächenspannung von Seifenwasser beträgt 25,00 mN/m. Die Verwendung von Seife ist vorteilhafter… das Wasser ist auch nicht heiß. Es gibt jedoch weitere Faktoren, die beeinflussen, wie gut sich Kleidung oder Körper mit Seife reinigen lassen. Der oben genannte Faktor ist also nur einer davon.
Warum sind Seifen- oder Wasserblasen rund?
Seifenblasen, oder Wassertropfen, sind aufgrund der Oberflächenspannung kugelförmig. Betrachten wir zunächst die Seifenblasen selbst. Sie besitzen zwei dünne Membranen an ihrer Oberfläche, zwischen denen sich eine dünne Wasserschicht befindet.
Die Oberflächenspannung bewirkt, dass sich die Membran zusammenzieht und dadurch ihre Oberfläche verringert. Wenn sich die Seifenwassermembran zusammenzieht und versucht, ihre Oberfläche zu verkleinern, entsteht ein Druckunterschied zwischen der Außenseite der Membran (atmosphärischer Druck) und der Innenseite. Der Luftdruck außerhalb der Membran (atmosphärischer Druck) drückt die Seifenwassermembran bei ihrer Kontraktion zusätzlich zusammen, da der Luftdruck innerhalb der Membran niedriger ist.
Nach der Kontraktion der Membran wird auch die darin eingeschlossene Luft (die Luft zwischen den beiden Membranen) komprimiert, wodurch der Luftdruck innerhalb der Membran ansteigt, bis die Kontraktion aufhört. Anders ausgedrückt: Wenn die Kontraktion stoppt, entspricht der Luftdruck zwischen den Membranen dem Atmosphärendruck zuzüglich der Oberflächenspannung, die die Membranen zusammenzieht.
Und wie verhält es sich mit Tautropfen oder Wassertropfen aus dem Wasserhahn? Im Prinzip ist es dasselbe, da die Oberflächenspannung die Hauptursache ist. Während eine Seifenblase zwei dünne Membranen auf ihren beiden Oberflächen besitzt, hat ein Wassertropfen nur eine dünne Membran an der Außenseite. Das Innere ist mit Wasser gefüllt. Die Außenseite des Tropfens wird nach innen gezogen. Dadurch zieht sich das Wasser zusammen und verringert seine Oberfläche. Der äußere Luftdruck trägt ebenfalls zur Kompression des Wassertropfens bei. Die Kontraktion endet, wenn der Druck im Inneren des Wassers dem Luftdruck plus der Kraft entspricht, die die Wassermembran zusammenzieht.
