A felületi feszültség megértése
A felületi feszültség azért keletkezik, mert a folyadék felülete hajlamos megmerevedni, ami egy vékony, membránszerű megjelenést hoz létre. Ezt a vízmolekulák közötti kohéziós erők befolyásolják. A magyarázat jobb megértéséhez vegyük figyelembe a következő ábrát. Vegyünk egy tartályban lévő folyadékot.
A folyékony molekulák jellemzően vonzzák egymást. Egy folyadék belsejében minden folyékony molekulát más molekulák vesznek körül minden oldalon; de a folyadék felszínén csak az oldalán és alatta találhatók folyékony molekulák. Felettük nincsenek más folyékony molekulák. Mivel a folyékony molekulák vonzzák egymást, a folyadék belsejében lévő molekulákra nulla nettó erő hat. Fordítva, a felszínen lévő folyékony molekulákat vonzzák az oldalt és alatta lévő folyékony molekulák. Ennek eredményeként a folyadék felszínén egy lefelé irányuló nettó erő hat. Ezen lefelé ható nettó erő miatt a felszínen lévő folyadék hajlamos csökkenteni a felületét, amennyire csak lehetséges, összezsugorodni.
Emiatt a folyadékréteg a felületen úgy tűnik, mintha egy vékony, rugalmas membrán borítaná.
Amikor a klipet óvatosan a víz felszínére helyezik, a felszínen található vízmolekulákat némileg megnyomja gravitáció a klipet, hogy az alatta található vízmolekulák felfelé ható helyreállító erőt fejtsenek ki a klip megtámasztására (emlékezzünk vissza újra rugalmasság és Hooke törvénye).
A valóságban nem csak a gemkapcsokat használhatod; más tárgyakat is, például tűket. Ha óvatosan a víz felszínére helyezel egy tűt, az úszni fog. Ezért tudnak a rovarok is a vízen úszni.
Felületi feszültség egyenlet
A felületi feszültség egyenletének levezetéséhez tekintsünk egy U alakúra hajlított huzalt. Egy másik egyenes huzal van rögzítve az U alakú huzal két szárához, ahol az egyenes huzal mozgatható.
Ha ezt a drótot szappanos oldatba helyezzük, akkor miután eltávolítjuk, egy szappanos vízréteg képződik a drót felületén. Hasonlóan ahhoz, mint amikor szappanbuborékokkal játszunk. Mivel az egyenes drót mozgatható, és a tömege nem túl nagy, a szappanos vízréteg felületi feszültséget fejt ki az egyenes drótra, így az egyenes drót felfelé mozdul (figyeljük meg a nyíl irányát). Ahhoz, hogy az egyenes drót ne mozduljon el (a drót egyensúlyban van), lefelé irányuló összerőre van szükség, ahol az összerő nagysága F = w + T. Egyensúlyban F = a szappanos vízréteg által az egyenes drótra kifejtett erő.
Tegyük fel, hogy egy egyenes vezeték hossza l. Mivel az egyenes vezetéket érintő szappanos vízréteg két felülettel rendelkezik, a szappanos vízréteg által létrehozott erő 2l hosszan hat. A szappanréteg felületi feszültsége az erő (F) és az erő által ható felület hosszának (d) aránya. Ebben az esetben a felület hossza 2l. Matematikailag ez így írható fel:
Mivel a felületi feszültség az erő és az egységnyi hossz aránya, a mértékegységek Newton per méter (N/m) vagy dyn per centiméter (dyn/cm).
Az alábbiakban néhány, kísérletek alapján kapott felületi feszültségértéket mutatunk be.
A fenti adatok alapján úgy tűnik, hogy a hőmérséklet befolyásolja a folyadék felületi feszültségét. Általában a hőmérséklet növekedésével az érték csökken. Ez azért van, mert a hőmérséklet növekedésével a folyadék molekulái gyorsabban mozognak, ami csökkenti a köztük lévő kölcsönhatást. Következésképpen a felületi feszültség értéke is csökken.
Alkalmazás a mindennapi életben
Elgondolkodtál már azon, hogy miért szappannal mosunk ruhákat? A probléma az, hogy ahhoz, hogy valóban tiszta ruhákat kapjunk, a víznek nagyon keskeny réseken kell áthaladnia a szálakban. Ehhez növelni kell a víz felületét. Ezt a felületi feszültség miatt nagyon nehéz elérni. Akár tetszik, akár nem, először a víz felületi feszültségét kell csökkenteni. A felületi feszültséget forró víz használatával csökkenthetjük. Minél magasabb a víz hőmérséklete, annál jobb, mivel minél magasabb a víz hőmérséklete, annál kisebb a felületi feszültség (lásd a táblázatot). Ez az első alternatíva, és ritkán használják, kivéve azokat, akik szeretnek a forró vízzel játszani. Egy másik alternatíva a szappan használata.
20 fokos hőmérsékleten oC-on a szappanos víz felületi feszültsége 25,00 mN/m. Próbáld meg összehasonlítani a szappanos vizet és a forró vizet, melyiknek a legkisebb az értéke? 100-nál oC-on a forró víz felületi feszültsége = 58,90. 20 °C hőmérsékleten oC, a szappanos víz felületi feszültsége 25,00 mN/m. A szappan használata előnyösebb… a víz sem forró. Vannak más tényezők is, amelyek befolyásolják, hogy ruháink vagy testünk milyen jól tisztítható szappannal. Tehát a fentiek csak egy tényezőt mutatnak be.
Miért kerekek a szappan- vagy vízbuborékok?
A szappanbuborékok, vagy vízcseppek, a felületi feszültség miatt gömb alakúak. Először is beszéljünk a szappanbuborékokról. A szappanbuborékok felületén két vékony membrán található, közöttük egy vékony vízréteg.
A felületi feszültség a membrán összehúzódását okozza, ami általában csökkenti a felületét. Amikor a szappanos víz membránja összehúzódik és megpróbálja csökkenteni a felületét, légnyomáskülönbség keletkezik a membrán külső része (légköri nyomás) és belseje között. A membránon kívüli légnyomás (légköri nyomás) szintén nyomja a szappanos víz membránját az összehúzódás során, mivel a membránon belüli légnyomás alacsonyabb.
Miután a membrán összehúzódik, a benne lévő levegő (a két membrán közé zárt levegő) is összenyomódik, ami növeli a membránon belüli légnyomást, amíg az összehúzódás meg nem áll. Más szóval, amikor az összehúzódás megszűnik, a membránok közötti légnyomás megegyezik a légköri nyomás + a membránokat összehúzó felületi feszültség erővel.
Mi a helyzet a csapból kifolyó harmatcseppekkel vagy vízcseppekkel? Lényegében ugyanazok, mivel az elsődleges ok a felületi feszültség. Míg egy szappanbuboréknak két vékony membránja van a két felületén, egy vízcseppnek csak egy vékony membránja van, a csepp külső oldalán. A belseje vízzel van kitöltve. A csepp külseje befelé húzódik. Ennek eredményeként a víz összehúzódik, és ezáltal csökken a felülete. A külső légköri nyomás is segít a vízcsepp összenyomódásában. Az összehúzódás megszűnik, amikor a víz belsejében lévő nyomás megegyezik a légköri nyomás plusz a vízmembránt összehúzó erő összegével.
