Játszottál már szappanbuborékot? Kerek szappanbuborék. Vicces. Fújható. Repülés után a szappanbuborékok kipukkadnak. Hú, de jó móka, egy gyerekkori játék. Miért kerek a szappanbuborék?
Kérlek, ébredj fel reggel, és figyeld meg a ház körüli leveleket. Figyeld meg a levelekre tapadt harmatcseppeket. Furcsa; a harmatcseppek kerekek. Hogy lehetséges ez?
A felületi feszültség azért keletkezik, mert a folyadék felülete hajlamos összehúzódni, így a felület egy vékony membránra hasonlít. Ezt befolyásolja a vízmolekulák közötti kohéziós erő. A magyarázat jobb megértéséhez vegyük figyelembe a következő ábrát. Egy tartályban lévő folyadékot vizsgálunk.
A folyadék belsejében minden folyékony molekulát más molekulák vesznek körül minden oldalon; de a folyadék felszínén csak folyékony molekulák vannak alatta. Felül nincsenek más folyékony molekulák. Mivel a folyékony molekulák vonzzák egymást, a folyadék belsejében lévő molekulában nulla az összerő. Ezzel szemben a felszínen található folyékony molekulákat a folyadék alján lévő részecskéi vonzzák. Ennek eredményeként a folyadék felszínén lefelé irányuló összerő hat. A lefelé ható nettó erő miatt a felszínen lévő folyadék a lehető legnagyobb mértékben összezsugorodik, így igyekszik csökkenteni a felületét.
Emiatt a felületen lévő folyadékréteg úgy tűnik, mintha egy vékony, rugalmas membrán borítaná. Ezt a jelenséget felületi feszültségnek nevezik.
[irp]
Amikor a klipet óvatosan a víz felszínére helyezik, a klip gravitációja enyhén megnyomja a felszínen található vízmolekulákat, így az alatta lévő vízmolekulák adják le a helyreállító erőt a klip megtartásához.
A valóságban nem csak gemkapcsokról vagy kapocsról van szó, hanem más dolgokról is, például tűkről. Ha óvatosan a víz felszíne fölé helyezzük a tűt, az lebegni fog. A folyadék felületi feszültsége az oka annak is, hogy a rovarok képesek a vízen úszni.
A felületi feszültség egyenlete
Az előző megbeszélésben kvalitatívan tanulmányoztuk a felületi feszültség fogalmát (nincs matematikai egyenlet). Most kvantitatívan vizsgáljuk meg a felületi feszültséget. A felületi feszültség egyenletének levezetéséhez vizsgáljunk meg egy U betű alakúra hajlított huzalt. Egy másik egyenes huzal van rögzítve az U huzal két szárához, ahol az egyenes huzal mozgatható.
Ha ezt a drótot behelyezzük a szappanba, akkor kihúzása után egy szappanos vízréteg képződik a drót felületén. Ez olyan, mint amikor szappanbuborékokat játszunk. Mivel az egyenes drót mozgatható, és a tömege nem túl nagy, a szappanos vízréteg felületi feszültséget fejt ki az egyenes drótra, így a drót egyenesen felfelé halad. Ahhoz, hogy az egyenes drót ne mozduljon el (a drót egyensúlyban van), teljes lefelé irányuló erőre van szükség, ahol a teljes erő nagysága F = w + T. Egyensúlyban F = a szappanréteg által az egyenes dróton hordozott felületi feszültség ereje.
Tegyük fel, hogy egy egyenes vezeték hossza l. Mivel az egyenes vezetéket érintő szappanos vízréteg két felülettel rendelkezik, a szappanos vízréteg által létrehozott felületi feszültségerő 2l mentén hat. A szappanréteg felületi feszültsége a felületi feszültségerő (F) és az erő által kifejtett felülethossz (d) összehasonlítása. Ebben az esetben a felülethossz 2l. Matematikailag felírva:
Mivel a felületi feszültség a felületi feszültség erő és a hossz aránya, a felületi feszültség mértékegysége Newton per méter (N / m) vagy din per centiméter (dyn/cm).
Az alábbiakban néhány, kísérletek alapján kapott felületi feszültségértéket mutatunk be.
A felületi feszültség adatai alapján a hőmérséklet befolyásolja a folyadék felületi feszültségének értékét. Általában a hőmérséklet emelkedésével a felületi feszültség értéke csökken (Hasonlítsa össze a víz felületi feszültségét az egyes hőmérsékleteken. Lásd a táblázatot). Ez azért van, mert a hőmérséklet emelkedésével a folyadék molekulái gyorsabban mozognak, így a folyadék molekulái közötti kölcsönhatás hatása csökken. Ennek eredményeként a felületi feszültség értéke is csökken.
A felületi feszültség fogalmának alkalmazása a mindennapi életben
Feltetted már magadnak a kérdést, hogy miért kell szappannal mosni a ruhákat? A probléma az, hogy a mosott ruhák valójában tiszták; a víznek át kell haladnia a ruhaszálak között lévő nagyon keskeny résen. Emiatt növelni kell a vízfelületet. Nos, ezt nagyon nehéz megtenni a felületi feszültség miatt. Elkerülhetetlenül először a felületi feszültség értékét kell csökkenteni. A felületi feszültséget forró víz használatával csökkenthetjük. Minél magasabb a víz hőmérséklete, annál jobb, mert minél magasabb a víz hőmérséklete, annál kisebb a felületi feszültség (lásd a táblázatot). Ez az első alternatíva, és ritkán használt módszer. Egy másik lehetőség a szappan használata.
20 ° C hőmérsékleten a szappanvíz felületi feszültsége 25.00 mN/m. Próbáld összehasonlítani a szappan és a forró víz felületi feszültségét, melyik a legkisebb? 100 ° C-on a forró víz felületi feszültsége 58.90. 20 ° C hőmérsékleten a szappan felületi feszültsége 25.00 mN/m. Jövedelmezőbb szappant használni. A fent leírtak csak egy a befolyásoló tényezők közül?
Miért kerek a szappan- vagy vízbuborék?
A szappanbuborékok vagy vízcseppek azért kerekek, mert a felületi feszültség befolyásolja őket. Először a szappanbuborékokról lesz szó. A szappanbuborékoknak két vékony membránjuk van a felületükön, közöttük pedig vékony vízrétegek találhatók.
A felületi feszültség jelenléte a membrán összehúzódását okozza, és hajlamos csökkenteni a felületét. Amikor a szappanos víz membránja összehúzódik és megpróbálja minimalizálni a felületét, különbség van a membrán külső oldalán lévő légnyomás (légköri nyomás) és a réteg belsejében lévő légnyomás között. A rétegen kívüli légnyomás (légköri nyomás) szintén nyomja a szappanos víz membránját, amikor az összehúzódik, mivel a membrán belsejében lévő légnyomás kisebb.
Miután a membrán összehúzódott, a benne lévő levegő (a két membrán közé zárt levegő) elnyomódik, növelve a réteg belsejében lévő légnyomást, amíg meg nem szűnik az összehúzódás. Más szóval, amikor már nincs összehúzódás, a membránok közötti légnyomás megegyezik a légköri nyomás + a réteget gyűrő felületi feszültségének összegével.
Akkor mi a helyzet a csapból kifolyó harmatcseppekkel vagy vízcseppekkel? Ugyanez a helyzet, mert az elsődleges ok a felületi feszültség. Ha a szappanbuborékoknak két vékony membránjuk van két felületen, akkor a vízcseppeknek csak egy vékony rétegük van, amely a vízcseppek külső oldalán található. A belseje tele van vízzel. A kohéziós erő miatt felületi feszültség keletkezik. A vízcsepp külső részét behúzza a víz. Ennek eredményeként a víz összehúzódik, és hajlamos csökkenteni a felületét. A külső légköri nyomás szintén elnyomja a vízcseppeket. Az összehúzódás megszűnik, amikor a víz belsejében lévő nyomás megegyezik a légköri nyomás + a vízmembránt összehúzó felületi feszültség ereje.
