सतह तनाव

क्या आपने कभी साबुन के बुलबुले बनाए हैं? गोल-गोल साबुन के बुलबुले। मज़ेदार। इन्हें उड़ाया जा सकता है। हवा में उड़ने के बाद साबुन के बुलबुले फूट जाते हैं। वाह, कितना मज़ेदार है, बचपन का खेल। साबुन के बुलबुले गोल क्यों होते हैं?

कृपया सुबह उठें और घर के आसपास के पत्तों को ध्यान से देखें। पत्तों पर चिपकी ओस की बूंदों को देखें। यह अजीब है; ओस की बूंदें गोल होती हैं। ऐसा कैसे हो सकता है?

सतही तनाव इसलिए होता है क्योंकि द्रव की सतह सिकुड़ने लगती है, जिससे वह एक पतली झिल्ली जैसी दिखती है। यह जल के अणुओं के बीच के संसंजन बल से प्रभावित होता है। इस व्याख्या को बेहतर ढंग से समझने के लिए, निम्नलिखित चित्र पर विचार करें। हम एक पात्र में मौजूद द्रव की समीक्षा करते हैं।

द्रव के भीतर, प्रत्येक द्रव अणु चारों ओर से अन्य अणुओं से घिरा होता है; लेकिन द्रव की सतह पर केवल नीचे की ओर द्रव अणु होते हैं। सबसे ऊपर कोई अन्य द्रव अणु नहीं होते। क्योंकि द्रव अणु एक दूसरे को आकर्षित करते हैं, इसलिए द्रव के भीतर स्थित अणुओं पर कुल बल शून्य होता है। इसके विपरीत, सतह पर स्थित द्रव अणुओं को नीचे स्थित द्रव के कण अपनी ओर खींचते हैं। परिणामस्वरूप, द्रव की सतह पर कुल बल नीचे की ओर लगता है। नीचे की ओर लगने वाले इस बल के कारण, सतह पर स्थित द्रव अपना क्षेत्रफल कम करने का प्रयास करता है, और यथासंभव सिकुड़ने की कोशिश करता है।

इसके कारण सतह पर मौजूद तरल परत ऐसी प्रतीत होती है मानो वह एक पतली, लचीली झिल्ली से ढकी हो। इस घटना को पृष्ठ तनाव कहते हैं।

[आईआरपी]

जब क्लिप को सावधानीपूर्वक पानी की सतह पर रखा जाता है, तो सतह पर स्थित पानी के अणु क्लिप के गुरुत्वाकर्षण द्वारा हल्के से दब जाते हैं, जिससे नीचे स्थित पानी के अणु क्लिप को सहारा देने के लिए पुनर्स्थापना बल प्रदान करते हैं।

वास्तव में, यह केवल क्लिप या पेपर क्लिप ही नहीं, बल्कि सुई जैसी अन्य चीजें भी हो सकती हैं। यदि हम सुई को पानी की सतह के ऊपर सावधानीपूर्वक रखें, तो वह तैरने लगेगी। तरल के पृष्ठ तनाव के कारण ही कीड़े भी पानी पर तैर सकते हैं।

पृष्ठ तनाव का समीकरण

पिछली चर्चा में, हमने पृष्ठ तनाव की अवधारणा का गुणात्मक अध्ययन किया (इसका कोई गणितीय समीकरण नहीं है)। अब हम पृष्ठ तनाव की मात्रात्मक समीक्षा करेंगे। पृष्ठ तनाव समीकरण निकालने में सहायता के लिए, हम एक तार को देखते हैं जिसे मोड़कर U अक्षर बनाया गया है। एक और सीधा तार U के दोनों सिरों से जुड़ा है, जहाँ सीधा तार घूम सकता है।

यदि इस तार को साबुन में डाला जाए, तो निकालने के बाद तार की सतह पर साबुन के पानी की एक परत बन जाएगी। यह ठीक वैसे ही है जैसे साबुन के बुलबुले खेलते समय होता है। चूंकि सीधा तार हिल सकता है और इसका द्रव्यमान बहुत अधिक नहीं है, इसलिए साबुन के पानी की परत तार पर पृष्ठ तनाव बल लगाएगी जिससे तार सीधा ऊपर की ओर उठेगा। तार को हिलने से रोकने के लिए (तार संतुलन में है), नीचे की ओर एक बल की आवश्यकता होती है, जहां कुल बल की मात्रा F = w + T होती है। संतुलन में, F = सीधे तार पर साबुन की परत द्वारा लगाए गए पृष्ठ तनाव बल के बराबर होता है।

मान लीजिए एक सीधे तार की लंबाई l है। क्योंकि सीधे तार को छूने वाली साबुन के पानी की परत की दो सतहें होती हैं, इसलिए साबुन के पानी की परत द्वारा उत्पन्न पृष्ठ तनाव बल 2l दिशा में कार्य करता है। साबुन की परत में पृष्ठ तनाव, पृष्ठ तनाव बल (F) और उस सतह की लंबाई (d) के बीच का अंतर है जिस पर बल कार्य करता है। इस स्थिति में, सतह की लंबाई 2l है। गणितीय रूप से, इसे इस प्रकार लिखा जाता है:

क्योंकि पृष्ठ तनाव, पृष्ठ तनाव बल और लंबाई के बीच का अनुपात होता है, इसलिए पृष्ठ तनाव की इकाई न्यूटन प्रति मीटर (N/m) या डाइन प्रति सेंटीमीटर (dynes/cm) होती है।

प्रयोगों के आधार पर प्राप्त कुछ पृष्ठ तनाव मान निम्नलिखित हैं।

पृष्ठ तनाव के आंकड़ों के आधार पर, तापमान द्रव के पृष्ठ तनाव के मान को प्रभावित करता है। सामान्यतः तापमान बढ़ने पर पृष्ठ तनाव का मान घटता है (प्रत्येक तापमान पर पानी के पृष्ठ तनाव की तुलना करें। तालिका देखें)। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि तापमान बढ़ने पर द्रव के अणु अधिक तेज़ी से गति करते हैं, जिससे द्रव अणुओं के बीच परस्पर क्रिया का प्रभाव कम हो जाता है। परिणामस्वरूप पृष्ठ तनाव का मान भी घट जाता है।

रोजमर्रा की जिंदगी में पृष्ठ तनाव की अवधारणाओं का अनुप्रयोग

क्या आपने कभी सोचा है कि हमें कपड़े साबुन से क्यों धोने चाहिए? असल में, कपड़े धोने के बाद उन्हें साफ करने के लिए पानी को कपड़ों के रेशों के बीच की बहुत पतली जगह से होकर गुजरना पड़ता है। इसी कारण पानी का सतही क्षेत्रफल बढ़ाना आवश्यक होता है। लेकिन सतही तनाव के कारण ऐसा करना बहुत मुश्किल होता है। इसलिए, पहले सतही तनाव को कम करना ज़रूरी है। हम गर्म पानी का इस्तेमाल करके सतही तनाव को कम कर सकते हैं। पानी का तापमान जितना अधिक होगा, उतना ही बेहतर होगा, क्योंकि पानी का तापमान जितना अधिक होगा, सतही तनाव उतना ही कम होगा (तालिका देखें)। यह पहला विकल्प है और इसका इस्तेमाल कम ही होता है। दूसरा विकल्प साबुन का इस्तेमाल करना है।

^{20 °} C तापमान पर , साबुन के पानी की सतह का तनाव मान 25.00 मिलीन्यूटन/मीटर है। साबुन और गर्म पानी की तुलना करके बताइए कि किसका सतह तनाव मान सबसे कम है? 100 ^{° C पर, गर्म पानी का सतह तनाव मान 58.90 है। 20 °} C तापमान पर , साबुन का सतह तनाव मान 25.00 मिलीन्यूटन/मीटर है। साबुन का उपयोग करना अधिक लाभदायक है। ऊपर बताई गई बातें केवल एक कारक हैं जो इसे प्रभावित करती हैं?

साबुन या पानी का बुलबुला गोल क्यों होता है?

साबुन के बुलबुले या पानी की बूंदें गोल होती हैं क्योंकि वे पृष्ठ तनाव से प्रभावित होती हैं। सबसे पहले, हम साबुन के बुलबुलों के बारे में चर्चा करते हैं। साबुन के बुलबुलों की सतह पर दो पतली झिल्लियाँ होती हैं और उनके बीच पानी की पतली परतें होती हैं।

पृष्ठ तनाव की उपस्थिति के कारण झिल्ली सिकुड़ती है और उसका सतही क्षेत्रफल कम हो जाता है। जब साबुन के पानी की झिल्ली सिकुड़ती है और अपना सतही क्षेत्रफल कम करने का प्रयास करती है, तो झिल्ली के बाहर (वायुमंडलीय दबाव) और अंदर (परत के भीतर) वायु दाब में अंतर होता है। झिल्ली के बाहर (परत के भीतर) वायु दाब कम होने के कारण, सिकुड़ती हुई झिल्ली पर बाहर (वायुमंडलीय दबाव) वायु दाब भी पड़ता है।

झिल्ली के सिकुड़ने के बाद, अंदर की हवा (दोनों झिल्लियों के बीच फंसी हवा) दब जाती है, जिससे परत के अंदर हवा का दबाव तब तक बढ़ता रहता है जब तक कि सिकुड़न बंद न हो जाए। दूसरे शब्दों में, जब सिकुड़न पूरी तरह बंद हो जाती है, तो झिल्लियों के बीच हवा का दबाव वायुमंडलीय दबाव + परत को सिकोड़ने वाले पृष्ठ तनाव बल के बराबर हो जाता है।

तो फिर ओस की बूंदों या नल से टपकते पानी की बूंदों का क्या? वही बात है, क्योंकि इसका मुख्य कारण पृष्ठ तनाव है। यदि साबुन के बुलबुलों में दो सतहों पर दो पतली झिल्लियाँ होती हैं, तो पानी की बूंदों में केवल एक पतली परत होती है, जो बूंद के बाहरी भाग पर होती है। अंदर का भाग पानी से भरा होता है। संसंजन बल के कारण पृष्ठ तनाव उत्पन्न होता है। पानी की बूंद का बाहरी भाग अंदर की ओर खिंचता है। परिणामस्वरूप, पानी सिकुड़ता है और उसका पृष्ठीय क्षेत्रफल कम होने लगता है। बाहर का वायुमंडलीय दाब भी पानी की बूंदों को दबाता है। यह संकुचन तब रुकता है जब पानी के अंदर का दाब वायुमंडलीय दाब + पानी की झिल्ली को संकुचित करने वाले पृष्ठ तनाव बल के बराबर हो जाता है।