पृष्ठ तनाव को समझना
सतही तनाव द्रव की सतह के सख्त होने के कारण होता है, जिससे एक पतली झिल्ली जैसी आकृति बन जाती है। यह जल के अणुओं के बीच के संसंजक बलों से प्रभावित होता है। इस व्याख्या को बेहतर ढंग से समझने के लिए, निम्नलिखित उदाहरण पर विचार करें। मान लीजिए एक पात्र में द्रव है।
द्रव के अणु सामान्यतः एक दूसरे को आकर्षित करते हैं। द्रव के भीतर, प्रत्येक अणु चारों ओर से अन्य अणुओं से घिरा होता है; परन्तु द्रव की सतह पर केवल किनारों और नीचे की ओर ही अणु होते हैं। ऊपर कोई अन्य अणु नहीं होते। क्योंकि द्रव के अणु एक दूसरे को आकर्षित करते हैं, इसलिए द्रव के भीतर के अणुओं पर लगने वाला कुल बल शून्य होता है। इसके विपरीत, सतह पर स्थित अणु किनारों और नीचे स्थित अणुओं द्वारा आकर्षित होते हैं। परिणामस्वरूप, द्रव की सतह पर एक कुल बल नीचे की ओर लगता है। इस नीचे की ओर लगने वाले कुल बल के कारण, सतह पर स्थित द्रव अपना क्षेत्रफल कम करने का प्रयास करता है, और यथासंभव सिकुड़ जाता है।
इसके कारण सतह पर मौजूद तरल की परत ऐसी प्रतीत होती है मानो वह एक पतली, लचीली झिल्ली से ढकी हो।
जब क्लिप को सावधानीपूर्वक पानी की सतह पर रखा जाता है, तो सतह पर मौजूद पानी के अणु कुछ हद तक दब जाते हैं। गुरुत्वाकर्षण क्लिप को इस प्रकार लगाएं कि नीचे स्थित जल के अणु क्लिप को सहारा देने के लिए ऊपर की ओर प्रत्यानयन बल प्रदान करें (फिर से याद रखें) प्रत्यास्थता और हुक का नियम).
वास्तव में, पेपर क्लिप ही एकमात्र ऐसी चीज़ नहीं है जिसका उपयोग किया जा सकता है; सुई जैसी अन्य वस्तुएँ भी उपयोगी हो सकती हैं। यदि आप किसी सुई को सावधानीपूर्वक पानी की सतह पर रखें, तो वह तैरने लगेगी। यही कारण है कि कीड़े भी पानी पर तैर सकते हैं।
पृष्ठ तनाव समीकरण
पृष्ठ तनाव समीकरण को निकालने में हमारी सहायता के लिए, हम एक तार पर विचार करते हैं जिसे U अक्षर के आकार में मोड़ा गया है। एक और सीधा तार U आकार के तार के दोनों सिरों से जुड़ा हुआ है, जहाँ से सीधे तार को हिलाया जा सकता है।
यदि इस तार को साबुन के घोल में डाला जाए, तो निकालने के बाद तार की सतह पर साबुन के पानी की एक परत बन जाएगी। ठीक वैसे ही जैसे साबुन के बुलबुले खेलते समय होता है। क्योंकि सीधा तार हिलाया जा सकता है और इसका द्रव्यमान बहुत अधिक नहीं है, इसलिए साबुन के पानी की परत तार पर पृष्ठ तनाव बल लगाएगी जिससे तार ऊपर की ओर गति करेगा (तीर की दिशा पर ध्यान दें)। तार को गतिहीन रखने के लिए (तार संतुलन में है), नीचे की ओर निर्देशित एक बल की आवश्यकता होती है, जहाँ कुल बल का परिमाण F = w + T है। संतुलन में, F = साबुन के पानी की परत द्वारा सीधे तार पर लगाया गया बल।
मान लीजिए एक सीधे तार की लंबाई l है। चूंकि सीधे तार को छूने वाली साबुन के पानी की परत की दो सतहें होती हैं, इसलिए साबुन के पानी की परत द्वारा उत्पन्न बल 2l लंबाई के अनुदिश कार्य करता है। साबुन की परत पर पृष्ठ तनाव बल (F) और उस सतह की लंबाई (d) का अनुपात होता 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 बल और इकाई लंबाई का अनुपात है, इसलिए इसकी इकाइयाँ न्यूटन प्रति मीटर (N/m) या डाइन प्रति सेंटीमीटर (dyn/cm) होती हैं।
प्रयोगों के आधार पर प्राप्त कुछ पृष्ठ तनाव मान निम्नलिखित हैं।
उपरोक्त आंकड़ों के आधार पर, ऐसा प्रतीत होता है कि तापमान किसी द्रव के पृष्ठ तनाव को प्रभावित करता है। सामान्यतः, तापमान बढ़ने पर पृष्ठ तनाव का मान घटता है। इसका कारण यह है कि तापमान बढ़ने पर द्रव के अणु अधिक तेज़ी से गति करते हैं, जिससे उनके बीच परस्पर क्रिया कम हो जाती है। परिणामस्वरूप, पृष्ठ तनाव का मान भी घट जाता है।
दैनिक जीवन में अनुप्रयोग
क्या आपने कभी सोचा है कि हम कपड़े साबुन से क्यों धोते हैं? दरअसल, कपड़ों को पूरी तरह से साफ करने के लिए पानी को रेशों के बीच मौजूद बहुत ही पतले छिद्रों से होकर गुजरना पड़ता है। इसके लिए पानी का सतही क्षेत्रफल बढ़ाना आवश्यक है। सतही तनाव के कारण ऐसा करना बहुत मुश्किल होता है। चाहे आप मानें या न मानें, पानी का सतही तनाव पहले कम करना ही पड़ता है। हम गर्म पानी का उपयोग 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 उपयोग बहुत कम किया जाता है, सिवाय उन लोगों के जिन्हें गर्म पानी से खेलना पसंद है। दूसरा विकल्प साबुन का उपयोग करना है।
20 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर oC, साबुन के पानी का पृष्ठ तनाव मान 25,00 mN/m है। साबुन के पानी और गर्म पानी की तुलना करके देखें, किसका मान सबसे कम है? 100 पर oगर्म पानी का पृष्ठ तनाव मान 58,90 है। 20 डिग्री सेल्सियस तापमान पर गर्म पानी का पृष्ठ तनाव मान 58.90 होता है। oसाबुन वाले पानी का पृष्ठ तनाव 25,00 मिलीन्यूटन मीटर होता है। साबुन का इस्तेमाल करना ज़्यादा फ़ायदेमंद है... पानी भी गर्म नहीं होता। ऐसे और भी कारक हैं जो यह प्रभावित करते हैं कि साबुन से हमारे कपड़े या शरीर कितनी अच्छी तरह साफ़ हो सकते हैं। इसलिए, ऊपर दिया गया उदाहरण केवल एक कारक है।
साबुन या पानी के बुलबुले गोल क्यों होते हैं?
सतह तनाव के कारण साबुन के बुलबुले, या पानी की बूंदें, गोलाकार होती हैं। आइए पहले साबुन के बुलबुलों के बारे में बात करते हैं। साबुन के बुलबुलों की सतह पर दो पतली झिल्लियाँ होती हैं, जिनके बीच पानी की एक पतली परत होती है।
पृष्ठ तनाव के कारण झिल्ली सिकुड़ती है, जिससे उसका पृष्ठीय क्षेत्रफल कम हो जाता है। जब साबुन के पानी से भीगी झिल्ली सिकुड़ती है और अपना पृष्ठीय क्षेत्रफल कम करने का प्रयास करती है, तो झिल्ली के बाहर (वायुमंडलीय दबाव) और अंदर के वायु दाब में अंतर उत्पन्न होता है। झिल्ली के बाहर का वायु दाब (वायुमंडलीय दबाव) भी झिल्ली को सिकुड़ने के दौरान धकेलता है, क्योंकि झिल्ली के अंदर का वायु दाब कम होता है।
झिल्ली के सिकुड़ने के बाद, अंदर की हवा (दोनों झिल्लियों के बीच फंसी हवा) भी संपीड़ित हो जाती है, जिससे झिल्ली के अंदर हवा का दबाव तब तक बढ़ता है जब तक कि संकुचन बंद नहीं हो जाता। दूसरे शब्दों में, संकुचन बंद होने पर, झिल्लियों के बीच हवा का दबाव वायुमंडलीय दबाव + झिल्लियों को संकुचित करने वाले पृष्ठ तनाव बल के बराबर होता है।
तो ओस की बूंदों या नल से निकलने वाली पानी की बूंदों के बारे में क्या? वे मूलतः एक ही हैं, क्योंकि इसका मुख्य कारण पृष्ठ तनाव है। जहाँ साबुन के बुलबुले की दोनों सतहों पर दो पतली झिल्लियाँ होती हैं, वहीं पानी की बूंद में केवल एक पतली झिल्ली होती है, जो बूंद के बाहरी भाग पर होती है। बूंद के अंदर पानी भरा होता है। बूंद का बाहरी भाग अंदर की ओर खिंचता है। परिणामस्वरूप, पानी सिकुड़ता है, जिससे उसका पृष्ठीय क्षेत्रफल कम हो जाता है। बाहरी वायुमंडलीय दाब भी पानी की बूंद को संकुचित करने में मदद करता है। संकुचन तब रुकता है जब पानी के अंदर का दाब वायुमंडलीय दाब और पानी की झिल्ली को संकुचित करने वाले बल के योग के बराबर हो जाता है।
