Hefurðu einhvern tímann spilað sápukúlur? Sápukúla er kringlótt. Fyndið. Hægt að blása. Eftir að hafa flogið springa sápukúlur. Vá, þetta er skemmtilegur, leikur eins og barn. Af hverju eru sápukúlur kringlóttar?
Vaknaðu á morgnana og taktu eftir laufunum í kringum húsið. Taktu eftir döggdropunum sem festast við laufblöðin. Það er skrýtið; döggdropar eru kringlóttir. Hvernig getur það verið svona?
Yfirborðsspenna myndast vegna þess að yfirborð vökvans hefur tilhneigingu til að herpast þannig að yfirborðið lítur út eins og þunn himna. Þetta er undir áhrifum samloðunarkrafts milli vatnssameinda. Til að skilja þessa skýringu betur, skoðum eftirfarandi mynd. Við skoðum vökvann í íláti.
Inni í vökvanum er hver vökvasameind umkringd öðrum sameindum hvoru megin; en á yfirborði vökvans eru aðeins vökvasameindir fyrir neðan. Efst eru engar aðrar vökvasameindir. Þar sem vökvasameindirnar dragast að hver annarri er heildarkrafturinn núll í sameindinni sem er inni í vökvanum. Aftur á móti eru vökvasameindirnar sem staðsettar eru á yfirborðinu dregnar af vökvaögnum sem eru á botninum. Fyrir vikið er heildarkraftur á yfirborði vökvans sem beinist niður á við. Vegna nettókraftsins niður á við hefur vökvinn sem staðsettur er á yfirborðinu tilhneigingu til að minnka yfirborðsflatarmál sitt með því að skreppa saman eins mikið og mögulegt er.
Þetta veldur því að vökvalagið á yfirborðinu lítur út eins og það sé þakið þunnri teygjanlegri himnu. Þetta fyrirbæri er þekkt sem yfirborðsspenna.
[irp]
Þegar klemmunni er komið varlega fyrir á yfirborð vatnsins þrýsta þyngdarafl klemmunnar örlítið á vatnssameindirnar sem eru á yfirborðinu, þannig að vatnssameindirnar sem eru fyrir neðan gefa upp endurreisnarkraftinn til að styðja við klemmuna.
Í raun og veru eru þetta ekki bara klemmur eða pappírsklemmur, heldur líka aðrir hlutir eins og nálar. Ef við setjum nálina varlega upp fyrir yfirborð vatnsins mun nálin fljóta. Yfirborðsspenna vökvans er einnig ástæðan fyrir því að skordýr geta flotið á vatni.
Jafna yfirborðsspennu
Í fyrri umræðum skoðuðum við hugtakið yfirborðsspenna eigindlega (það er engin stærðfræðileg jafna). Nú skoðum við yfirborðsspennuna megindlega. Til að hjálpa okkur að leiða út yfirborðsspennujöfnuna skoðum við vír sem er beygður til að mynda bókstafinn U. Annar beinn vír er festur við tvo fætur U-vírsins, þar sem hægt er að færa beina vírinn.
Ef þessum vír er stungið í sápuna, þá myndast lag af sápuvatni á yfirborði vírsins eftir að hann er fjarlægður. Þetta er eins og þegar þú leikur sápubólur. Þar sem hægt er að hreyfa beina vírinn og massinn er ekki of stór, mun sápuvatnslagið mynda yfirborðsspennukraft á beina vírnum þannig að vírinn fer beint upp. Til að koma í veg fyrir að beini vírinn hreyfist (vírinn er í jafnvægi) þarf heildarkraft niður á við, þar sem magn heildarkraftsins er F = w + T. Í jafnvægi er F = krafturinn sem myndast vegna yfirborðsspennunnar sem sápulagið ber á beina vírnum.
Segjum sem svo að lengd beinnar vírs sé l. Þar sem sápuvatnslagið sem snertir beinan vír hefur tvær fleti, þá virkar yfirborðsspennan sem myndast af sápuvatnslaginu eftir 2l. Yfirborðsspennan í sápulaginu er samanburður á yfirborðsspennukraftinum (F) og yfirborðslengdinni þar sem krafturinn virkar (d). Í þessu tilfelli er yfirborðslengdin 2l. Stærðfræðilega er það skrifað:
Þar sem yfirborðsspenna er hlutfallið milli yfirborðsspennukrafts og lengdar, er eining yfirborðsspennu Newton á metra (N / m) eða dyn á sentimetra (dynes/cm).
Hér að neðan eru nokkur gildi fyrir yfirborðsspennu sem fengust með tilraunum.
Samkvæmt gögnum um yfirborðsspennu hefur hitastigið áhrif á yfirborðsspennu vökvans. Almennt þegar hitastig hækkar lækkar yfirborðsspennan (berið saman yfirborðsspennu vatns við hvert hitastig. Sjá töflu). Þetta er vegna þess að þegar hitastigið hækkar hreyfast vökvasameindirnar hraðar þannig að áhrif víxlverkunar milli vökvasameindanna minnka. Þar af leiðandi lækkar yfirborðsspennan einnig.
Notkun hugtaka um yfirborðsspennu í daglegu lífi
Hefur þú einhvern tímann spurt þig, hvers vegna ættum við að þvo föt með sápu? Vandamálið er að fötin sem við þvoum eru mjög hrein; vatnið verður að fara í gegnum mjög þröngt gat í trefjum fatnaðarins. Þess vegna er nauðsynlegt að auka yfirborðsflatarmál vatnsins. Jæja, þetta er mjög erfitt að gera vegna yfirborðsspennunnar. Óhjákvæmilega verður að lækka yfirborðsspennuna fyrst. Við getum dregið úr yfirborðsspennu með því að nota heitt vatn. Því hærra sem vatnshitastigið er, því betra því því hærra sem vatnshitastigið er, því minni er yfirborðsspennan (sjá töflu). Þetta er fyrsti kosturinn og er sjaldgæf aðferð. Annar möguleiki er að nota sápu.
Við 20 ° C hitastig er spennugildi yfirborðs sápuvatnsins 25.00 mN/m². Reynið að bera saman sápu og heitt vatn, hver er lægsta yfirborðsspennugildið? Við 100 ° C er yfirborðsspenna heits vatns = 58.90. Við 20 ° C hitastig er yfirborðsspennugildi sápu 25.00 mN/m². Það er hagkvæmara að nota sápu. Það sem útskýrt er hér að ofan er aðeins einn af áhrifaþáttunum?
Af hverju er sápu- eða vatnsbólan kringlótt?
Sápubólur eða vatnsdropar eru kringlóttar vegna þess að þær verða fyrir áhrifum af yfirborðsspennu. Fyrst ræðum við um sápubólur. Sápubólur hafa tvær þunnar himnur á yfirborðinu og á milli þeirra eru þunn vatnslög.
Yfirborðsspenna veldur því að himnan dregst saman og hefur tilhneigingu til að minnka yfirborðsflatarmál hennar. Þegar sápuvatnshimnan dregst saman og reynir að lágmarka yfirborðsflatarmál sitt, verður munur á loftþrýstingnum utan á himnunni (loftþrýstingur) og loftþrýstingnum innan á laginu. Loftþrýstingurinn utan lagsins (loftþrýstingur) ýtir einnig á himnu sápuvatnsins þegar hún dregst saman vegna þess að loftþrýstingurinn innan á himnunni er minni.
Eftir að himnan hefur dregist saman er loftið inni í laginu (loftið sem er fast á milli himnanna tveggja) haldið niðri, sem eykur loftþrýstinginn inni í laginu þar til samdrátturinn er ekki lengur til staðar. Með öðrum orðum, þegar samdrátturinn er ekki lengur til staðar er loftþrýstingurinn milli himnanna sá sami og loftþrýstingurinn + kraftur yfirborðsspennunnar sem hrukkur lagið.
Hvað með döggdropa eða vatnsdropa sem koma úr krananum? Það sama gildir um yfirborðsspennu því aðalorsökin er yfirborðsspenna. Ef sápubólur hafa tvær þunnar himnur á tveimur yfirborðum, þá hafa vatnsdroparnir aðeins eitt þunnt lag, sem er á ytra byrði vatnsdropanna. Innra lagið er fullt af vatni. Vegna samloðunarkraftsins myndast yfirborðsspenna. Ytri hluti vatnsdropanna er dreginn inn. Þar af leiðandi dregst vatnið saman og hefur tilhneigingu til að minnka yfirborðsflatarmál sitt. Loftþrýstingurinn sem er fyrir utan bælir einnig niður vatnsdropana. Samdrátturinn hættir þegar þrýstingurinn á innra byrði vatnsins er jafn loftþrýstingnum + krafti yfirborðsspennunnar sem þrengir að vatnshimnunni.
