Έχετε παίξει ποτέ σαπουνόφουσκες; Στρογγυλές σαπουνόφουσκες. Αστείο. Μπορεί να φυσήξει. Αφού πετάξει, οι σαπουνόφουσκες σκάνε. Ουάου, είναι διασκεδαστικό, ένα παιδικό παιχνίδι. Γιατί η σαπουνόφουσκα είναι στρογγυλή;
Σε παρακαλώ ξύπνα το πρωί και μετά πρόσεξε τα φύλλα γύρω από το σπίτι. Παρατήρησε τις σταγόνες δροσιάς που είναι κολλημένες στα φύλλα. Είναι παράξενο. Οι σταγόνες δροσιάς είναι στρογγυλές. Πώς γίνεται να είναι έτσι;
Η επιφανειακή τάση εμφανίζεται επειδή η επιφάνεια του υγρού τείνει να σφίγγεται έτσι ώστε η επιφάνεια να μοιάζει με λεπτή μεμβράνη. Αυτό επηρεάζεται από τη δύναμη συνοχής μεταξύ των μορίων του νερού. Για να κατανοήσετε καλύτερα αυτήν την εξήγηση, σκεφτείτε το ακόλουθο παράδειγμα. Εξετάζουμε το υγρό σε ένα δοχείο.
Μέσα στο υγρό, κάθε μόριο υγρού περιβάλλεται από άλλα μόρια σε κάθε πλευρά. Αλλά στην επιφάνεια του υγρού, υπάρχουν μόνο μόρια υγρού από κάτω. Στην κορυφή, δεν υπάρχουν άλλα μόρια υγρού. Επειδή τα μόρια του υγρού έλκονται μεταξύ τους, υπάρχει μια συνολική δύναμη μηδέν στο μόριο που βρίσκεται στο εσωτερικό του υγρού. Αντίθετα, τα μόρια του υγρού που βρίσκονται στην επιφάνεια έλκονται από τα σωματίδια του ρευστού που βρίσκονται στον πυθμένα. Ως αποτέλεσμα, στην επιφάνεια του υγρού, υπάρχει μια συνολική δύναμη που κατευθύνεται προς τα κάτω. Λόγω της καθαρής δύναμης προς τα κάτω, το υγρό που βρίσκεται στην επιφάνεια τείνει να μειώνει την επιφάνειά του, συρρικνώνοντας όσο το δυνατόν περισσότερο.
Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το υγρό στρώμα στην επιφάνεια να φαίνεται σαν να καλύπτεται από μια λεπτή ελαστική μεμβράνη. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως Επιφανειακή Τάση.
[irp]
Όταν το κλιπ τοποθετείται προσεκτικά στην επιφάνεια του νερού, τα μόρια νερού που βρίσκονται στην επιφάνεια πιέζονται ελαφρώς από τη βαρύτητα του κλιπ, έτσι ώστε τα μόρια νερού που βρίσκονται από κάτω να ασκούν τη δύναμη αποκατάστασης προς τα πάνω για να στηρίξουν το κλιπ.
Στην πραγματικότητα, δεν πρόκειται μόνο για κλιπς ή συνδετήρες χαρτιού, αλλά και για άλλα πράγματα, όπως βελόνες. Αν τοποθετήσουμε προσεκτικά τη βελόνα πάνω από την επιφάνεια του νερού, η βελόνα θα επιπλεύσει. Η επιφανειακή τάση του υγρού είναι επίσης ο λόγος για τον οποίο τα έντομα μπορούν να επιπλέουν στο νερό.
Η Εξίσωση της Επιφανειακής Τάσης
Στην προηγούμενη συζήτηση, μελετήσαμε την έννοια της επιφανειακής τάσης ποιοτικά (δεν υπάρχει μαθηματική εξίσωση). Τώρα εξετάζουμε την επιφανειακή τάση ποσοτικά. Για να μας βοηθήσει να εξαγάγουμε την εξίσωση της επιφανειακής τάσης, εξετάζουμε ένα σύρμα που είναι λυγισμένο για να σχηματίσει το γράμμα U. Ένα άλλο ευθύγραμμο σύρμα είναι προσαρτημένο στα δύο πόδια του σύρματος U, όπου το ευθύγραμμο σύρμα μπορεί να μετακινηθεί.
Αν αυτό το σύρμα εισαχθεί στο σαπούνι, τότε αφού αφαιρεθεί θα σχηματιστεί ένα στρώμα σαπουνιού στην επιφάνεια του σύρματος. Είναι σαν να παίζετε με σαπουνόφουσκες. Επειδή το ευθύγραμμο σύρμα μπορεί να κινηθεί και η μάζα του δεν είναι πολύ μεγάλη, το στρώμα σαπουνιού θα ασκήσει τη δύναμη επιφανειακής τάσης στο ευθύγραμμο σύρμα έτσι ώστε το σύρμα να κινείται ευθεία προς τα πάνω. Για να μην κινείται το ευθύγραμμο σύρμα (το σύρμα βρίσκεται σε ισορροπία), απαιτείται μια συνολική προς τα κάτω δύναμη, όπου το ποσό της συνολικής δύναμης είναι F = w + T. Σε ισορροπία, F = η δύναμη της επιφανειακής τάσης που ασκείται από το στρώμα σαπουνιού στο ευθύγραμμο σύρμα.
Ας υποθέσουμε ότι το μήκος ενός ευθύγραμμου σύρματος είναι l. Επειδή το στρώμα σαπωνώδους νερού που αγγίζει ένα ευθύγραμμο σύρμα έχει δύο επιφάνειες, η δύναμη επιφανειακής τάσης που παράγεται από το στρώμα σαπωνώδους νερού ασκείται κατά μήκος της γραμμής 2l. Η επιφανειακή τάση στο στρώμα σαπουνιού είναι μια σύγκριση μεταξύ της Δύναμης Επιφανειακής Τάσης (F) και του μήκους της επιφάνειας στο οποίο ασκείται η δύναμη (d). Σε αυτήν την περίπτωση, το μήκος της επιφάνειας είναι 2l. Μαθηματικά, γράφεται:
Επειδή η επιφανειακή τάση είναι η αναλογία μεταξύ της δύναμης επιφανειακής τάσης και του μήκους, η μονάδα επιφανειακής τάσης είναι Newton ανά μέτρο (N / m) ή dyne ανά εκατοστό (dynes/cm).
Ακολουθούν ορισμένες τιμές επιφανειακής τάσης που ελήφθησαν με βάση πειράματα.
Με βάση τα δεδομένα επιφανειακής τάσης, η θερμοκρασία επηρεάζει την τιμή της επιφανειακής τάσης του ρευστού. Γενικά, όταν υπάρχει αύξηση της θερμοκρασίας, η τιμή της επιφανειακής τάσης μειώνεται (Συγκρίνετε την επιφανειακή τάση του νερού σε κάθε θερμοκρασία. Δείτε τον πίνακα). Αυτό συμβαίνει επειδή όταν αυξάνεται η θερμοκρασία, τα μόρια του υγρού κινούνται πιο γρήγορα, με αποτέλεσμα να μειώνεται η επίδραση της αλληλεπίδρασης μεταξύ των μορίων του ρευστού. Ως αποτέλεσμα, μειώνεται και η τιμή της επιφανειακής τάσης.
Εφαρμογή των εννοιών της επιφανειακής τάσης στην καθημερινή ζωή
Έχετε αναρωτηθεί ποτέ γιατί πρέπει να πλένουμε τα ρούχα με σαπούνι; Το πρόβλημα είναι ότι τα ρούχα που πλένουμε είναι πραγματικά καθαρά. Το νερό πρέπει να περάσει μέσα από ένα πολύ στενό κενό στις ίνες των ρούχων. Για αυτόν τον λόγο, είναι απαραίτητο να αυξηθεί η επιφάνεια του νερού. Λοιπόν, αυτό είναι πολύ δύσκολο να γίνει λόγω της επιφανειακής τάσης. Αναπόφευκτα πρέπει πρώτα να μειωθεί η τιμή της επιφανειακής τάσης. Μπορούμε να μειώσουμε την επιφανειακή τάση χρησιμοποιώντας ζεστό νερό. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του νερού, τόσο το καλύτερο, επειδή όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του νερού, τόσο μικρότερη είναι η επιφανειακή τάση (βλ. πίνακα). Αυτή είναι η πρώτη εναλλακτική λύση και είναι μια μέθοδος που χρησιμοποιείται σπάνια. Μια άλλη επιλογή είναι η χρήση σαπουνιού.
Σε θερμοκρασία 20 ° C, η τιμή τάσης της επιφάνειας του σαπωνόνερου είναι 25.00 mN/m. Προσπαθήστε να συγκρίνετε μεταξύ σαπουνιού και ζεστού νερού, ποια είναι η μικρότερη τιμή επιφανειακής τάσης; Στους 100 ° C, η τιμή της επιφανειακής τάσης του ζεστού νερού = 58.90. Σε θερμοκρασία 20 ° C, η τιμή επιφανειακής τάσης του σαπουνιού είναι 25.00 mN/m. Είναι πιο επικερδής η χρήση σαπουνιού. Αυτό που εξηγείται παραπάνω είναι μόνο ένας από τους παράγοντες που επηρεάζουν;
Γιατί η σαπουνόφουσκα ή η σαπουνόφουσκα είναι στρογγυλή;
Οι φυσαλίδες σαπουνιού ή οι σταγόνες νερού είναι στρογγυλές επειδή επηρεάζονται από την επιφανειακή τάση. Αρχικά, συζητάμε για τις σαπουνόφουσκες. Οι σαπουνόφουσκες έχουν δύο λεπτές μεμβράνες στην επιφάνεια και ανάμεσά τους υπάρχουν λεπτά στρώματα νερού.
Η παρουσία επιφανειακής τάσης προκαλεί τη σύσπαση της μεμβράνης και τείνει να μειώνει την επιφάνειά της. Όταν η μεμβράνη σαπωνώδους νερού συστέλλεται και προσπαθεί να ελαχιστοποιήσει την επιφάνειά της, υπάρχει διαφορά στην πίεση του αέρα στο εξωτερικό της μεμβράνης (ατμοσφαιρική πίεση) και στην πίεση του αέρα στο εσωτερικό του στρώματος. Η πίεση του αέρα που βρίσκεται έξω από το στρώμα (ατμοσφαιρική πίεση) ωθεί επίσης τη μεμβράνη του σαπωνώδους νερού όταν αυτή συστέλλεται, επειδή η πίεση του αέρα στο εσωτερικό της μεμβράνης είναι μικρότερη.
Αφού συσταλεί η μεμβράνη, ο αέρας στο εσωτερικό (ο αέρας που παγιδεύεται μεταξύ των δύο μεμβρανών) καταστέλλεται, αυξάνοντας την πίεση του αέρα στο εσωτερικό του στρώματος μέχρι να μην υπάρχει πλέον συστολή. Με άλλα λόγια, όταν δεν υπάρχει πλέον συστολή, η ποσότητα της πίεσης του αέρα μεταξύ των μεμβρανών είναι η ίδια με την ατμοσφαιρική πίεση + τη δύναμη της επιφανειακής τάσης που ρυτιδώνει το στρώμα.
Τι γίνεται λοιπόν με τις δροσοσταλίδες ή τις σταγόνες νερού που βγαίνουν από τη βρύση; Το ίδιο συμβαίνει επειδή η κύρια αιτία είναι η επιφανειακή τάση. Αν οι σαπουνόφουσκες έχουν δύο λεπτές μεμβράνες σε δύο επιφάνειες, τότε οι σταγόνες νερού έχουν μόνο ένα λεπτό στρώμα, το οποίο βρίσκεται στο εξωτερικό των σταγόνων νερού. Το εσωτερικό είναι γεμάτο νερό. Λόγω της δύναμης συνοχής, δημιουργείται επιφανειακή τάση. Το εξωτερικό μέρος της σταγόνας νερού έλκεται προς τα μέσα. Ως αποτέλεσμα, το νερό συστέλλεται και τείνει να μειώσει την επιφάνειά του. Η ατμοσφαιρική πίεση που βρίσκεται έξω καταστέλλει επίσης τις σταγόνες νερού. Η συστολή θα σταματήσει όταν η πίεση στο εσωτερικό του νερού γίνει ίση με την ατμοσφαιρική πίεση + τη δύναμη της επιφανειακής τάσης που συστέλλει την μεμβράνη του νερού.
