Razumijevanje površinske napetosti
Površinska napetost nastaje jer površina tekućine teži ukrućivanju, stvarajući tanki membranski izgled. Na to utječu kohezijske sile između molekula vode. Da bismo bolje razumjeli ovo objašnjenje, razmotrimo sljedeću ilustraciju. Razmotrimo tekućinu u posudi.
Molekule tekućine se obično privlače. Unutar tekućine, svaka molekula tekućine okružena je drugim molekulama sa svake strane; ali na površini tekućine postoje samo molekule tekućine sa strane i ispod. Nema drugih molekula tekućine iznad. Budući da se molekule tekućine privlače, na molekule u unutrašnjosti tekućine djeluje neto sila jednaka nuli. Suprotno tome, molekule tekućine na površini privlače molekule tekućine sa strane i ispod. Kao rezultat toga, na površini tekućine djeluje neto sila usmjerena prema dolje. Zbog ove neto sile prema dolje, tekućina na površini nastoji smanjiti svoju površinu, skupljajući se što je više moguće.
Zbog toga sloj tekućine na površini izgleda kao da je prekriven tankom elastičnom membranom.
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 vrše silu vraćanja prema gore kako bi poduprle kopču (podsjetimo se na elastičnost i Hookeov zakon ).
U stvarnosti, spajalice nisu jedino što možete koristiti; mogu biti i drugi predmeti poput igala. Ako pažljivo postavite iglu na površinu vode, ona će plutati. To je i razlog zašto insekti mogu plutati na vodi.
Jednadžba površinske napetosti
Kako bismo lakše izveli jednadžbu površinske napetosti, razmotrit ćemo 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 stavi u otopinu sapuna, nakon što se izvadi, na površini žice će se stvoriti sloj sapunice. Slično kao kada se igrate mjehurićima od sapunice. Budući da se ravna žica može pomicati i njezina masa nije prevelika, sloj sapunice će stvoriti silu površinske napetosti na ravnoj žici tako da se ravna žica pomiče prema gore (imajte na umu smjer strelice). Da bi se ravna žica spriječila u pomicanju (žica je u ravnoteži), potrebna je ukupna sila usmjerena prema dolje, gdje je veličina ukupne sile F = w + T. U ravnoteži, F = sila kojom sloj sapunice djeluje na ravnu žicu.
Pretpostavimo da je duljina ravne žice l. Budući da sloj sapunice koji dodiruje ravnu žicu ima dvije površine, sila koju generira sloj sapunice djeluje duž duljine od 2l. Površinska napetost na sloju sapunice je omjer između Sile (F) i duljine površine na koju sila djeluje (d). U ovom slučaju, duljina površine je 2l. Matematički se piše:
Budući da je površinska napetost omjer sile i jedinice duljine, jedinice su njutn po metru (N/m) ili din po centimetru (dyn/cm).
Slijede neke vrijednosti površinske napetosti dobivene na temelju eksperimenata.
Na temelju gore navedenih podataka, čini se da temperatura utječe na površinsku napetost fluida. Općenito, kako temperatura raste, vrijednost se smanjuje. To je zato što se s porastom temperature molekule tekućine kreću brže, smanjujući interakciju između molekula tekućine. Posljedično, vrijednost površinske napetosti također se smanjuje.
Primjena u svakodnevnom životu
Jeste li se ikada zapitali zašto peremo odjeću sapunom? Problem je u tome što, da bismo dobili zaista čistu odjeću, voda mora proći kroz vrlo uske pukotine u vlaknima. To zahtijeva povećanje površine vode. To je vrlo teško postići zbog površinske napetosti. Sviđalo se to vama ili ne, površinska napetost vode prvo se mora smanjiti. Površinsku napetost možemo smanjiti korištenjem vruće vode. Što je temperatura vode viša, to bolje, jer što je temperatura vode viša, to je niža površinska napetost (vidi tablicu). Ovo je prva alternativa i rijetko se koristi, osim za one koji se vole igrati s vrućom vodom. Druga alternativa je korištenje sapuna.
Na temperaturi od 20 ° C, vrijednost površinske napetosti sapunice je 25,00 mN/m. Pokušajte usporediti sapunicu i vruću vodu, koja je vrijednost najmanja? Na 100 ° C, vrijednost površinske napetosti vruće vode = 58,90. Na temperaturi od 20 ° C, vrijednost površinske napetosti sapunice je 25,00 mN/m. Isplativije je koristiti sapun... voda također nije vruća. Postoje i drugi čimbenici koji utječu na to koliko dobro se naša odjeća ili tijelo mogu očistiti sapunom. Dakle, ono što je gore objašnjeno samo je jedan od utjecajnih čimbenika.
Zašto su mjehurići sapuna ili vode okrugli?
Mjehurići sapunice, ili kapljice vode, sfernog su oblika zbog površinske napetosti. Prvo ćemo razgovarati o mjehurićima sapunice. Mjehurići sapunice imaju dvije tanke membrane na svojoj površini, s tankim slojem vode između njih.
Površinska napetost uzrokuje skupljanje membrane, što nastoji smanjiti njezinu površinu. Kada se membrana od sapunice skuplja i pokušava smanjiti svoju površinu, nastaje razlika u tlaku zraka između vanjske strane membrane (atmosferski tlak) i unutarnje strane membrane. Tlak zraka izvan membrane (atmosferski tlak) također gura membranu od sapunice dok se skuplja, jer je tlak zraka unutar membrane niži.
Nakon što se membrana skupi, zrak unutra (zrak zarobljen između dvije membrane) također se komprimira, povećavajući tlak zraka unutar membrane dok se kontrakcija ne zaustavi. Drugim riječima, kada se kontrakcija zaustavi, tlak zraka između membrana jednak je atmosferskom tlaku + sili površinske napetosti koja skuplja membrane.
Što je s kapljicama rose ili kapljicama vode koje izlaze iz slavine? U biti su iste, jer je primarni uzrok površinska napetost. Dok mjehurić od sapunice ima dvije tanke membrane na svoje dvije površine, kapljica vode ima samo jednu tanku membranu, na vanjskoj strani kapljice. Unutrašnjost je ispunjena vodom. Vanjski dio kapljice povučen je prema unutra. Kao rezultat toga, voda se skuplja, nastojeći smanjiti svoju površinu. Vanjski atmosferski tlak također pomaže u kompresiji kapljice vode. Skupljanje prestaje kada tlak unutar vode postane jednak atmosferskom tlaku plus sila koja skuplja vodenu membranu.
