Comprender a tensión superficial
A tensión superficial prodúcese porque a superficie dun líquido tende a endurecerse, creando unha aparencia de membrana delgada. Isto está influenciado polas forzas de cohesión entre as moléculas de auga. Para comprender mellor esta explicación, considere a seguinte ilustración. Consideremos un líquido nun recipiente.
As moléculas líquidas adoitan atraerse entre si. Dentro dun líquido, cada molécula líquida está rodeada por outras moléculas a cada lado; pero na superficie dun líquido, só hai moléculas líquidas aos lados e debaixo dela. Non hai outras moléculas líquidas enriba del. Debido a que as moléculas líquidas se atraen entre si, hai unha forza neta de cero sobre as moléculas do interior do líquido. Pola contra, as moléculas líquidas na superficie son atraídas polas moléculas líquidas dos lados e debaixo delas. Como resultado, hai unha forza neta na superficie do líquido que se dirixe cara abaixo. Debido a esta forza neta cara abaixo, o líquido na superficie tende a reducir a súa superficie, reducindo o máximo posible.
Isto fai que a capa de líquido na superficie pareza coma se estivese cuberta por unha fina membrana elástica.
Cando a pinza se coloca coidadosamente sobre a superficie da auga, as moléculas de auga situadas na superficie son algo presionadas por gravidade o clip, de xeito que as moléculas de auga situadas debaixo proporcionen unha forza de restauración cara arriba para soportar o clip (lembra de novo elasticidade e lei de Hooke).
En realidade, os clips non son o único que se pode usar; tamén poden ser outros obxectos como agullas. Se colocas con coidado unha agulla na superficie da auga, flotará. Esta é tamén a razón pola que os insectos poden flotar na auga.
Ecuación da tensión superficial
Para axudarnos a derivar a ecuación da tensión superficial, consideramos un arame dobrado en forma de U. Outro arame recto está unido ás dúas patas do arame en U, onde se pode mover o arame recto.
Se este arame se introduce nunha solución de xabón, despois de retiralo, formarase unha capa de auga xabonosa na súa superficie. De xeito similar a cando se xoga con burbullas de xabón. Dado que o arame recto pódese mover e a súa masa non é demasiado grande, a capa de auga xabonosa proporcionará unha forza de tensión superficial sobre o arame recto, de xeito que este se mova cara arriba (observe a dirección da frecha). Para evitar que o arame recto se mova (o arame está en equilibrio), necesítase unha forza total dirixida cara abaixo, onde a magnitude da forza total é F = w + T. En equilibrio, F = a forza exercida pola capa de auga xabonosa sobre o arame recto.
Supoñamos que a lonxitude dun arame recto é l. Dado que a capa de auga xabonosa que toca o arame recto ten dúas superficies, a forza xerada pola capa de auga xabonosa actúa ao longo dunha lonxitude de 2l. A tensión superficial na capa de xabón é a relación entre a Forza (F) e a lonxitude da superficie sobre a que actúa a forza (d). Neste caso, a lonxitude da superficie é 2l. Matematicamente, escríbese:
Dado que a tensión superficial é a relación entre a forza e a unidade de lonxitude, as unidades son newton por metro (N/m) ou dinas por centímetro (dyn/cm).
Os seguintes son algúns valores de tensión superficial obtidos en base a experimentos.
Segundo os datos anteriores, parece que a temperatura afecta á tensión superficial dun fluído. Xeralmente, a medida que a temperatura aumenta, o valor diminúe. Isto débese a que a medida que a temperatura aumenta, as moléculas do líquido móvense máis rápido, o que reduce a interacción entre elas. En consecuencia, o valor da tensión superficial tamén diminúe.
Aplicación na vida cotiá
Algunha vez te preguntaches por que lavamos a roupa con xabón? O problema é que, para conseguir roupa realmente limpa, a auga debe pasar a través de ocos moi estreitos nas fibras. Isto require aumentar a superficie da auga. Isto é moi difícil de conseguir debido á tensión superficial. Gústenos ou non, primeiro hai que baixar a tensión superficial da auga. Podemos baixar a tensión superficial usando auga quente. Canto maior sexa a temperatura da auga, mellor, xa que canto maior sexa a temperatura da auga, menor será a tensión superficial (ver táboa). Esta é a primeira alternativa e raramente se usa, agás para aqueles aos que lles gusta xogar coa auga quente. Outra alternativa é usar xabón.
A unha temperatura de 20 oC, o valor da tensión superficial da auga xabonosa é de 25,00 mN/m. Tenta comparar a auga xabonosa e a auga quente, cal ten o valor máis pequeno? A 100 oC, o valor da tensión superficial da auga quente = 58,90. A unha temperatura de 20 oC, a tensión superficial da auga xabonosa é de 25,00 mN/m. Usar xabón é máis vantaxoso... a auga tampouco está quente. Hai outros factores que inflúen en como se pode limpar a nosa roupa ou o noso corpo con xabón. Polo tanto, o anterior é só un factor.
Por que son redondas as burbullas de xabón ou de auga?
As burbullas de xabón, ou gotas de auga, teñen forma esférica debido á tensión superficial. Primeiro imos falar das burbullas de xabón. As burbullas de xabón teñen dúas membranas finas na súa superficie, cunha fina capa de auga entre elas.
A tensión superficial fai que a membrana se contraia, tendendo a reducir a súa superficie. Cando a membrana de auga xabonosa se contrae e intenta reducir a súa superficie, xorde unha diferenza de presión de aire entre o exterior da membrana (presión atmosférica) e o interior da membrana. A presión de aire no exterior da membrana (presión atmosférica) tamén empurra a membrana de auga xabonosa mentres se contrae, porque a presión de aire no interior da membrana é menor.
Despois de que a membrana se contraia, o aire do interior (o aire atrapado entre as dúas membranas) tamén se comprime, o que aumenta a presión do aire dentro da membrana ata que a contracción se detén. Noutras palabras, cando a contracción se detén, a presión do aire entre as membranas é igual á presión atmosférica + a forza de tensión superficial que contrae as membranas.
Entón, que pasa coas pingas de orballo ou as pingas de auga que saen dunha billa? Son esencialmente o mesmo, xa que a causa principal é a tensión superficial. Mentres que unha burbulla de xabón ten dúas membranas finas nas súas dúas superficies, unha pinga de auga só ten unha membrana fina, na parte exterior da pinga. O interior está cheo de auga. A parte exterior da pinga é atráese cara a dentro. Como resultado, a auga contráese, tendendo a reducir a súa superficie. A presión atmosférica externa tamén axuda a comprimir a pinga de auga. A contracción detense cando a presión no interior da auga é igual á presión atmosférica máis a forza que contrae a membrana da auga.
