Kas sa oled kunagi seebimulle mänginud? Seebimull on ümmargune. Naljakas. Seda saab puhuda. Pärast lendamist seebimullid lõhkevad. Vau, see on lõbus, lapsepõlvemäng. Miks on seebimull ümmargune?
Palun ärka hommikul üles ja pane tähele maja ümber olevaid lehti. Jälgi lehtedele kinnitunud kastetilku. See on kummaline; kastetilgad on ümmargused. Kuidas see saab nii olla?
Pindpinevus tekib seetõttu, et vedeliku pind kipub pingulduma, nii et pind näeb välja nagu õhuke membraan. Seda mõjutab veemolekulide vaheline kohesioonijõud. Selle seletuse paremaks mõistmiseks vaatleme järgmist illustratsiooni. Vaatleme vedelikku anumas.
Vedeliku sees on iga vedeliku molekul ümbritsetud mõlemalt poolt teiste molekulidega; aga vedeliku pinnal on ainult allpool olevad vedeliku molekulid. Üleval ei ole ühtegi teist vedeliku molekuli. Kuna vedeliku molekulid tõmbavad üksteist ligi, on vedeliku sees olevas molekulis kogujõud null. Seevastu pinnal asuvaid vedeliku molekule tõmbavad ligi allosas olevad vedeliku osakesed. Selle tulemusena on vedeliku pinnal kogujõud, mis on suunatud allapoole. Allapoole suunatud netojõu tõttu kipub pinnal asuv vedelik oma pindala vähendama, kahanedes nii palju kui võimalik.
See põhjustab vedelikukihi pinnale ilmumist, justkui oleks see kaetud õhukese elastse membraaniga. Seda nähtust nimetatakse pindpinevuseks.
Kui klamber ettevaatlikult veepinnale asetada, surub klambri raskusjõud pinnal asuvaid veemolekule kergelt, nii et allpool asuvad veemolekulid annavad klambri toetamiseks taastava jõu ülespoole.
Tegelikkuses pole tegemist ainult klambrite või kirjaklambritega, vaid ka muude asjadega, näiteks nõeltega. Kui asetame nõela ettevaatlikult veepinna kohale, siis see jääb pinnale ujuma. Vedeliku pindpinevus on ka põhjus, miks putukad saavad vee peal hõljuda.
Pindpinevuse võrrand
Eelmises arutelus uurisime pindpinevuse mõistet kvalitatiivselt (matemaatilist võrrandit pole). Nüüd vaatame pindpinevust kvantitatiivselt. Pindpinevuse võrrandi tuletamiseks vaatleme traati, mis on painutatud U-tähe moodustamiseks. U-traadi kahe haru külge on kinnitatud teine sirge traat, kust sirget traati saab liigutada.
Kui see traat seepi sisestada, siis pärast selle eemaldamist tekib traadi pinnale seebivee kiht. See on nagu seebimullide mängimine. Kuna sirget traati saab liigutada ja mass pole liiga suur, annab seebivee kiht sirgele traadile pindpinevuse jõu, nii et traat liigub otse ülespoole. Selleks, et sirge traat ei liiguks (traat on tasakaalus), on vaja allapoole suunatud kogujõudu, kus kogujõu suurus on F = w + T. Tasakaalus on F = seebikihi poolt sirgel traadil kantav pindpinevuse jõud.
Oletame, et sirge traadi pikkus on l. Kuna seebivee kihil, mis puudutab sirget traati, on kaks pinda, siis seebivee kihi tekitatud pindpinevusjõud toimib piki 2l. Seebikihi pindpinevus on võrdlus pindpinevusjõu (F) ja pinna pikkuse vahel, millel jõud toimib (d). Sel juhul on pinna pikkus 2l. Matemaatiliselt kirjutatuna:
Kuna pindpinevus on pindpinevusjõu ja pikkuse suhe, on pindpinevuse ühik njuuton meetri kohta (N/m) või düün sentimeetri kohta (düün/cm).
Järgnevalt on toodud mõned katsete põhjal saadud pindpinevuse väärtused.
Pindpinevuse andmete põhjal mõjutab temperatuur vedeliku pindpinevuse väärtust. Üldiselt väheneb temperatuuri tõustes pindpinevuse väärtus (võrrelge vee pindpinevust igal temperatuuril. Vt tabelit). See on tingitud asjaolust, et temperatuuri tõustes liiguvad vedeliku molekulid kiiremini, mistõttu vedeliku molekulide vahelise interaktsiooni mõju väheneb. Selle tulemusena väheneb ka pindpinevuse väärtus.
Pindpinevuse kontseptsioonide rakendamine igapäevaelus
Kas olete kunagi küsinud, miks peaksime riideid seebiga pesema? Probleem on selles, et meie pestavad riided on tegelikult puhtad; vesi peab läbima väga kitsa pilu rõivakiududes. Sel põhjusel on vaja suurendada vee pindala. Seda on aga pindpinevuse tõttu väga raske teha. Paratamatult tuleb kõigepealt alandada pindpinevust. Pindpinevust saame vähendada kuuma vee abil. Mida kõrgem on vee temperatuur, seda parem, sest mida kõrgem on vee temperatuur, seda väiksem on pindpinevus (vt tabelit). See on esimene alternatiiv ja seda kasutatakse harva. Teine võimalus on kasutada seepi.
Temperatuuril 20 oC, seebivee pinna pingeväärtus on 25.00 mN/m. Proovige võrrelda seepi ja kuuma vett, milline on väikseim pindpinevuse väärtus? 100 juures oC, kuuma vee pindpinevuse väärtus = 58.90. Temperatuuril 20 oC, seebi pindpinevuse väärtus on 25.00 mN/m. Seepi on kasumlikum kasutada. Eeltoodu on vaid üks mõjutavatest teguritest?
Miks on seebi- või veemull ümmargune?
Seebimullid või veetilgad on ümmargused, kuna neid mõjutab pindpinevus. Esmalt arutame seebimulle. Seebimullidel on pinnal kaks õhukest membraani ja nende vahel on õhukesed veekihid.
Pindpinevuse olemasolu põhjustab membraani kokkutõmbumist ja kipub selle pindala vähendama. Kui seebiveemembraan tõmbub kokku ja püüab oma pindala minimeerida, tekib membraani välispinnal (atmosfäärirõhk) ja kihi sisepinnal oleva õhurõhu vahel erinevus. Kihist väljaspool olev õhurõhk (atmosfäärirõhk) surub seebiveemembraani kokkutõmbumisel samuti vastu, kuna membraani sisepinnal on õhurõhk väiksem.
Pärast membraani kokkutõmbumist surutakse sees olev õhk (kahe membraani vahele jäänud õhk) alla, suurendades kihi sees olevat õhurõhku, kuni kokkutõmbumist enam ei toimu. Teisisõnu, kui kokkutõmbumist enam ei toimu, on membraanide vaheline õhurõhk sama suur kui atmosfäärirõhk + pindpinevuse jõud, mis kihti kortsutab.
Aga kuidas on lood kastetilkadega või kraanist tulevate veepiiskadega? Sama lugu on sellega, sest peamine põhjus on pindpinevus. Kui seebimullidel on kahel pinnal kaks õhukest membraani, siis veepiiskadel on ainult üks õhuke kiht, mis asub veepiiskade välisküljel. Sisemine osa on vett täis. Kohesioonijõu tõttu tekib pindpinevus. Veetilga välimine osa tõmmatakse sissepoole. Selle tulemusena vesi tõmbub kokku ja kipub oma pindala vähendama. Väline atmosfäärirõhk surub samuti veepiisad alla. Kokkutõmbumine peatub, kui rõhk vee sees on võrdne atmosfäärirõhuga + pindpinevusjõuga, mis veemembraani kokku surub.
