Pintajännityksen ymmärtäminen
Pintajännitys syntyy, koska nesteen pinta pyrkii jäykistymään, mikä luo ohuen kalvomaisen ulkonäön. Tähän vaikuttavat vesimolekyylien väliset koheesiovoimat. Ymmärtääksemme tätä selitystä paremmin, tarkastellaan seuraavaa kuvaa. Tarkastellaan nestettä astiassa.
Nestemäiset molekyylit tyypillisesti vetävät toisiaan puoleensa. Nesteen sisällä kutakin nestemäistä molekyyliä ympäröivät muut molekyylit kummallakin puolella; mutta nesteen pinnalla on vain nestemäisiä molekyylejä sivuilla ja alapuolella. Yläpuolella ei ole muita nestemäisiä molekyylejä. Koska nestemäiset molekyylit vetävät toisiaan puoleensa, nesteen sisällä oleviin molekyyleihin vaikuttaa nollan suuruinen nettovoima. Kääntäen, nestemäiset molekyylit vetävät puoleensa nestemäisiä molekyylejä sivuilla ja alapuolella. Tämän seurauksena nesteen pinnalla on alaspäin suuntautuva nettovoima. Tämän alaspäin suuntautuvan nettovoiman vuoksi nesteen pinta-ala pyrkii pienentämään pinta-alaansa ja kutistumaan mahdollisimman paljon.
Tämä saa nesteen pinnalle ikään kuin se olisi peitetty ohuella elastisella kalvolla.
Kun klipsi asetetaan varovasti veden pinnalle, se painaa pinnalla olevia vesimolekyylejä jonkin verran. painovoima klipsi, niin että sen alla olevat vesimolekyylit tarjoavat ylöspäin suuntautuvan palautusvoiman klipsin tukemiseksi (muista vielä kerran elastisuus ja Hooken laki).
Todellisuudessa paperiliittimet eivät ole ainoita käytettäviä esineitä; niitä voidaan käyttää myös muina esineinä, kuten neuloina. Jos asetat neulan varovasti veden pinnalle, se kelluu. Tästä syystä myös hyönteiset voivat kellua vedessä.
Pintajännitysyhtälö
Pintajännitysyhtälön johtamiseksi tarkastelemme lankaa, joka on taivutettu U-kirjaimen muotoon. Toinen suora lanka on kiinnitetty U-langan kahteen haaraan, joista suoraa lankaa voidaan siirtää.
Jos tämä lanka laitetaan saippualiuokseen, sen poistamisen jälkeen langan pinnalle muodostuu saippuavesikerros. Samalla tavalla kuin saippuakuplia leikitettäessä. Koska suoraa lankaa voi liikuttaa eikä sen massa ole liian suuri, saippuavesikerros kohdistaa suoraan lankaan pintajännitysvoiman, jolloin suora lanka liikkuu ylöspäin (huomaa nuolen suunta). Jotta suora lanka ei liikkuisi (lanka on tasapainossa), tarvitaan alaspäin suuntautuva kokonaisvoima, jonka suuruus on F = w + T. Tasapainossa F = saippuavesikerroksen suoraan lankaan kohdistama voima.
Oletetaan, että suoran langan pituus on l. Koska suoraa lankaa koskettavalla saippuavesikerroksella on kaksi pintaa, saippuavesikerroksen synnyttämä voima vaikuttaa 2l:n matkalla. Saippuakerroksen pintajännitys on voiman (F) ja voiman vaikuttavan pinnan pituuden (d) suhde. Tässä tapauksessa pinnan pituus on 2l. Matemaattisesti se kirjoitetaan:
Koska pintajännitys on voiman suhde pituusyksikköön, yksiköt ovat Newton metriä kohti (N/m) tai dyne senttimetriä kohti (dyn/cm).
Seuraavassa on joitakin kokeisiin perustuvia pintajännitysarvoja.
Yllä olevien tietojen perusteella näyttää siltä, että lämpötila vaikuttaa nesteen pintajännitykseen. Yleisesti ottaen lämpötilan noustessa arvo pienenee. Tämä johtuu siitä, että lämpötilan noustessa nestemolekyylit liikkuvat nopeammin, mikä vähentää niiden välistä vuorovaikutusta. Näin ollen myös pintajännityksen arvo pienenee.
Sovellus jokapäiväisessä elämässä
Oletko koskaan miettinyt, miksi pesemme vaatteita saippualla? Ongelmana on, että saadaksesi todella puhtaat vaatteet, veden on mentävä kuitujen hyvin kapeiden rakojen läpi. Tämä vaatii veden pinta-alan kasvattamista. Tämä on erittäin vaikea saavuttaa pintajännityksen vuoksi. Halusitpa sitä tai et, veden pintajännitystä on ensin laskettava. Voimme alentaa pintajännitystä käyttämällä kuumaa vettä. Mitä korkeampi veden lämpötila, sitä parempi, sillä mitä korkeampi veden lämpötila, sitä pienempi pintajännitys (katso taulukko). Tämä on ensimmäinen vaihtoehto, ja sitä käytetään harvoin, paitsi niillä, jotka pitävät kuuman veden kanssa leikkimisestä. Toinen vaihtoehto on saippuan käyttö.
20 asteen lämpötilassa oC, saippuaveden pintajännitysarvo on 25,00 mN/m. Kokeile verrata saippuavettä ja kuumaa vettä, kummalla on pienin arvo? 100 oC, kuuman veden pintajännitysarvo = 58,90. 20 °C:n lämpötilassa oC, saippuaveden pintajännitys on 25,00 mN/m. Saippuan käyttö on edullisempaa… vesi ei myöskään ole kuumaa. On myös muita tekijöitä, jotka vaikuttavat siihen, kuinka hyvin vaatteemme tai kehomme puhdistuvat saippualla. Joten yllä oleva on vain yksi tekijä.
Miksi saippua- tai vesikuplat ovat pyöreitä?
Saippuakuplat eli vesipisarat ovat pallomaisia pintajännityksen vuoksi. Tarkastellaan ensin saippuakuplia. Saippuakuplien pinnalla on kaksi ohutta kalvoa, joiden välissä on ohut vesikerros.
Pintajännitys saa kalvon supistumaan, mikä pyrkii pienentämään sen pinta-alaa. Kun saippuavesikalvo supistuu ja pyrkii pienentämään pinta-alaansa, kalvon ulkopuolen (ilmakehän paine) ja sisäpuolen välille syntyy ilmanpaine-ero. Kalvon ulkopuolinen ilmanpaine (ilmakehän paine) myös työntää saippuavesikalvoa sen supistuessa, koska kalvon sisällä oleva ilmanpaine on alhaisempi.
Kun kalvo supistuu, sen sisällä oleva ilma (kahden kalvon väliin jäävä ilma) puristuu myös kokoon, mikä lisää kalvon sisällä olevaa ilmanpainetta, kunnes supistuminen loppuu. Toisin sanoen, kun supistuminen loppuu, kalvojen välinen ilmanpaine on yhtä suuri kuin ilmakehän paine + kalvoja supistava pintajännitysvoima.
Entä sitten kastepisarat tai hanasta tulevat vesipisarat? Ne ovat pohjimmiltaan sama asia, koska ensisijainen syy on pintajännitys. Saippuakuplassa on kaksi ohutta kalvoa kahdella pinnallaan, kun taas vesipisarassa on vain yksi ohut kalvo pisaran ulkopuolella. Sisäpuoli on täynnä vettä. Pisaran ulkopuoli vetää itseään sisäänpäin. Tämän seurauksena vesi supistuu, jolloin sen pinta-ala pienenee. Ulkoinen ilmakehän paine auttaa myös puristamaan vesipisaraa kokoon. Supistuminen loppuu, kun veden sisällä oleva paine on yhtä suuri kuin ilmakehän paine lisättynä vesikalvoa supistavalla voimalla.
