Jeste li se ikada igrali s mjehurićima od sapunice? Okrugli mjehurići od sapunice. Smiješno. Može se napuhati. Nakon leta, mjehurići od sapunice pucaju. Vau, to je zabavna igra iz djetinjstva. Zašto je mjehurići od sapunice okrugli?
Molim te, probudi se ujutro i primijeti lišće oko kuće. Promatraj kapljice rose pričvršćene za lišće. Čudno je; kapljice rose su okrugle. Kako to može biti tako?
Površinska napetost nastaje jer se površina tekućine nastoji stegnuti tako da izgleda poput tanke membrane. Na to utječe kohezijska sila između molekula vode. Kako bismo bolje razumjeli ovo objašnjenje, razmotrimo sljedeću ilustraciju. Promatramo tekućinu u posudi.
Unutar tekućine, svaka molekula tekućine okružena je drugim molekulama sa svake strane; ali na površini tekućine, nalaze se samo molekule tekućine ispod. Na vrhu nema drugih molekula tekućine. Budući da se molekule tekućine međusobno privlače, ukupna sila u molekuli koja se nalazi unutar tekućine jednaka je nuli. Nasuprot tome, molekule tekućine koje se nalaze na površini privlače čestice fluida koje se nalaze na dnu. Kao rezultat toga, na površini tekućine postoji ukupna sila usmjerena prema dolje. Zbog neto sile prema dolje, tekućina koja se nalazi na površini nastoji smanjiti svoju površinu, skupljajući se što je jače moguće.
Zbog toga se sloj tekućine na površini čini kao da je prekriven tankom elastičnom membranom. Taj je fenomen poznat kao površinska napetost.
Kada se kopča pažljivo postavi na površinu vode, molekule vode koje se nalaze na površini lagano su pritisnute gravitacijom kopče, tako da molekule vode koje se nalaze ispod daju silu vraćanja prema gore kako bi poduprle kopču.
U stvarnosti, nisu to samo spajalice ili spajalice za papir, već i druge stvari poput igala. Ako pažljivo postavimo iglu iznad površine vode, igla će plutati. Površinska napetost tekućine također je razlog zašto kukci mogu plutati na vodi.
Jednadžba površinske napetosti
U prethodnoj raspravi kvalitativno smo proučavali koncept površinske napetosti (ne postoji matematička jednadžba). Sada ćemo površinsku napetost pregledati kvantitativno. Kako bismo lakše izveli jednadžbu površinske napetosti, promatramo žicu koja je savijena u oblik slova U. Druga ravna žica pričvršćena je na dva kraka žice u obliku slova U, gdje se ravna žica može pomicati.
Ako se ova žica umetne u sapun, nakon vađenja će se na površini žice stvoriti sloj sapunice. To je kao kada se igrate mjehurićima od sapunice. Budući da se ravna žica može pomicati, a masa nije prevelika, sloj sapunice će djelovati površinskom napetošću na ravnoj žici tako da žica ide ravno prema gore. Da bi se spriječilo pomicanje ravne žice (žica je u ravnoteži), potrebna je ukupna sila prema dolje, gdje je iznos ukupne sile F = w + T. U ravnoteži, F = sila površinske napetosti koju nosi sloj sapuna na ravnoj žici.
Pretpostavimo da je duljina ravne žice l. Budući da sloj sapunice koji dodiruje ravnu žicu ima dvije površine, sila površinske napetosti koju generira sloj sapunice djeluje duž 2l. Površinska napetost u sloju sapunice je usporedba između sile površinske napetosti (F) i duljine površine na kojoj sila djeluje (d). U ovom slučaju, duljina površine je 2l. Matematički se piše:
Budući da je površinska napetost omjer između sile površinske napetosti i duljine, jedinica za površinsku napetost je Newton po metru (N/m) ili din po centimetru (din/cm).
Slijede neke vrijednosti površinske napetosti dobivene na temelju eksperimenata.
Na temelju podataka o površinskoj napetosti, temperatura utječe na vrijednost površinske napetosti fluida. Općenito, kada dođe do porasta temperature, vrijednost površinske napetosti se smanjuje (Usporedite površinsku napetost vode pri svakoj temperaturi. Vidi tablicu). To je zato što se kada temperatura poraste, molekule tekućine kreću brže, pa se učinak interakcije između molekula fluida smanjuje. Kao rezultat toga, smanjuje se i vrijednost površinske napetosti.
Primjena koncepta površinske napetosti u svakodnevnom životu
Jeste li se ikada pitali zašto bismo trebali prati odjeću sapunom? Problem je u tome što je odjeća koju peremo stvarno čista; voda mora proći kroz vrlo uski otvor u vlaknima odjeće. Zbog toga je potrebno povećati površinu vode. Pa, to je vrlo teško učiniti zbog površinske napetosti. Neizbježno je da se prvo mora smanjiti vrijednost površinske napetosti. Površinsku napetost možemo smanjiti korištenjem vruće vode. Što je viša temperatura vode, to bolje jer što je viša temperatura vode, to je manja površinska napetost (vidi tablicu). Ovo je prva alternativa i rijetko se koristi. Druga mogućnost je korištenje sapuna.
Na temperaturi od 20 ° C, vrijednost površinske napetosti sapunske vode iznosi 25.00 mN/m. Pokušajte usporediti sapun i vruću vodu, koja je najmanja vrijednost površinske napetosti? Na 100 ° C, vrijednost površinske napetosti vruće vode = 58.90. Na temperaturi od 20 ° C, vrijednost površinske napetosti sapuna iznosi 25.00 mN/m. Isplativije je koristiti sapun. Ono što je gore objašnjeno samo je jedan od utjecajnih čimbenika?
Zašto je mjehurić od sapunice ili vode okrugao?
Mjehurići sapuna ili kapljice vode su okrugli jer na njih utječe površinska napetost. Prvo ćemo raspravljati o mjehurićima sapuna. Mjehurići sapuna imaju dvije tanke membrane na površini, a između njih su tanki slojevi vode.
Prisutnost površinske napetosti uzrokuje skupljanje membrane i nastoji smanjiti njezinu površinu. Kada se membrana sapunske vode skuplja i pokušava smanjiti svoju površinu, postoji razlika u tlaku zraka na vanjskoj strani membrane (atmosferski tlak) i tlaku zraka na unutarnjoj strani sloja. Tlak zraka koji je izvan sloja (atmosferski tlak) također gura membranu sapunske vode kada se skuplja jer je tlak zraka na unutarnjoj strani membrane manji.
Nakon što se membrana skupi, zrak unutra (zrak zarobljen između dvije membrane) se potiskuje, povećavajući tlak zraka unutar sloja sve dok ne prestane skupljanje. Drugim riječima, kada više nema skupljanja, količina tlaka zraka između membrana jednaka je atmosferskom tlaku + sili površinske napetosti koja nabira sloj.
Što je onda s kapljicama rose ili kapljicama vode koje izlaze iz slavine? Isto jer je primarni uzrok površinska napetost. Ako mjehurići sapunice imaju dvije tanke membrane na dvije površine, tada kapljice vode imaju samo jedan tanki sloj, koji se nalazi na vanjskoj strani kapljica vode. Unutrašnjost je puna vode. Zbog sile kohezije nastaje površinska napetost. Vanjski dio kapljice vode se uvlači. Kao rezultat toga, voda se skuplja i nastoji smanjiti svoju površinu. Atmosferski tlak koji je izvana također potiskuje kapljice vode. Skupljanje će prestati kada tlak na unutarnjoj strani vode bude jednak atmosferskom tlaku + sili površinske napetosti koja steže vodenu membranu.
