Að skilja yfirborðsspennu
Yfirborðsspenna á sér stað vegna þess að yfirborð vökva hefur tilhneigingu til að stífna og myndar þunna himnulíka ásýnd. Þetta er undir áhrifum samloðunarkrafta milli vatnssameinda. Til að skilja þessa skýringu betur, skoðum eftirfarandi mynd. Við skulum skoða vökva í íláti.
Vökvasameindir dragast yfirleitt hver að annarri. Inni í vökva er hver vökvasameind umkringd öðrum sameindum hvoru megin við hann; en á yfirborði vökvans eru aðeins vökvasameindir til hliðanna og fyrir neðan. Það eru engar aðrar vökvasameindir fyrir ofan. Þar sem vökvasameindir dragast hver að annarri er nettókraftur núll á sameindirnar inni í vökvanum. Aftur á móti eru vökvasameindir á yfirborðinu dregnar að vökvasameindunum á hliðunum og fyrir neðan. Fyrir vikið er nettókraftur á yfirborði vökvans sem beinist niður á við. Vegna þessa nettókrafts niður á við hefur vökvinn á yfirborðinu tilhneigingu til að minnka yfirborðsflatarmál sitt og skreppa saman eins mikið og mögulegt er.
Þetta veldur því að vökvalagið á yfirborðinu lítur út eins og það sé þakið þunnri teygjanlegri himnu.
Þegar klemmunni er sett varlega á yfirborð vatnsins þrýsta þyngdarafl klemmunnar lítillega á vatnssameindirnar sem eru á yfirborðinu, þannig að vatnssameindirnar sem eru fyrir neðan beita uppáviðreisnarkrafti til að styðja við klemmuna (rifið upp teygjanleika og lögmál Hooke ).
Í raun eru pappírsklemmur ekki það eina sem þú getur notað; þær geta líka verið aðrir hlutir, eins og nálar. Ef þú setur nál varlega á vatnsyfirborðið mun hún fljóta. Þetta er líka ástæðan fyrir því að skordýr geta flotið á vatni.
Yfirborðsspennujafna
Til að hjálpa okkur að reikna út yfirborðsspennujöfnuna skoðum við vír sem er beygður í lögun bókstafsins U. Annar beinn vír er festur við tvo fætur U-vírsins, þar sem hægt er að færa beina vírinn.
Ef þessi vír er settur í sápuvatn, þá myndast lag af sápuvatni á yfirborði vírsins eftir að hann er fjarlægður. Líkt og þegar þú leikur sápubólur. Þar sem hægt er að hreyfa beina vírinn og massi hans er ekki of stór, mun sápuvatnslagið mynda yfirborðsspennukraft á beina vírinn þannig að hann hreyfist upp á við (athugið stefnu örvarinnar). Til að koma í veg fyrir að beini vírinn hreyfist (vírinn er í jafnvægi) þarf heildarkraft sem beinist niður á við, þar sem stærð heildarkraftsins er F = w + T. Í jafnvægi er F = krafturinn sem sápuvatnslagið verkar á beina vírinn.
Segjum sem svo að lengd beinnar vírs sé l. Þar sem sápuvatnslagið sem snertir beina vírinn hefur tvær fleti, þá verkar krafturinn sem myndast af sápuvatnslaginu eftir lengd sem er 2l. Yfirborðsspennan á sápulaginu er hlutfallið milli kraftsins (F) og lengdar yfirborðsins sem krafturinn verkar á (d). Í þessu tilfelli er lengd yfirborðsins 2l. Stærðfræðilega er það skrifað:
Þar sem yfirborðsspenna er hlutfall krafts og lengdareiningar eru einingarnar Newton á metra (N/m) eða dyn á sentimetra (dyn/cm).
Eftirfarandi eru nokkur yfirborðsspennugildi sem fengust út frá tilraunum.
Miðað við ofangreindar upplýsingar virðist sem hitastig hafi áhrif á yfirborðsspennu vökva. Almennt séð, þegar hitastigið hækkar, lækkar gildið. Þetta er vegna þess að þegar hitastigið hækkar, hreyfast vökvasameindirnar hraðar, sem dregur úr víxlverkun milli vökvasameindanna. Þar af leiðandi lækkar yfirborðsspennugildið einnig.
Notkun í daglegu lífi
Hefur þú einhvern tíma velt því fyrir þér hvers vegna við þvoum föt með sápu? Vandamálið er að til að fá sannarlega hrein föt verður vatn að fara í gegnum mjög þröngar glufur í trefjunum. Þetta krefst þess að yfirborðsflatarmál vatnsins aukist. Þetta er mjög erfitt að ná vegna yfirborðsspennu. Hvort sem þér líkar það eða ekki, þá verður fyrst að lækka yfirborðsspennu vatnsins. Við getum lækkað yfirborðsspennuna með því að nota heitt vatn. Því hærra sem vatnshitastigið er, því betra, því hærra sem vatnshitastigið er, því lægri er yfirborðsspennan (sjá töflu). Þetta er fyrsti kosturinn og er sjaldan notaður, nema fyrir þá sem vilja leika sér með heitt vatn. Annar valkostur er að nota sápu.
Við 20 ° C hitastig er yfirborðsspenna sápuvatns 25,00 mN/m². Reynið að bera saman sápuvatn og heitt vatn, hvor spennan er lægst? Við 100 ° C hitastig er yfirborðsspenna heits vatns = 58,90. Við 20 ° C hitastig er yfirborðsspenna sápuvatns 25,00 mN/m². Það er hagkvæmara að nota sápu ... vatnið er heldur ekki heitt. Það eru enn aðrir þættir sem hafa áhrif á hversu vel hægt er að þrífa föt okkar eða líkama með sápu. Þannig að það sem útskýrt er hér að ofan er aðeins einn af áhrifaþáttunum.
Af hverju eru sápu- eða vatnsbólur kringlóttar?
Sápukúlur, eða vatnsdropar, eru kúlulaga vegna yfirborðsspennu. Við skulum fyrst ræða um sápukúlur. Sápukúlur hafa tvær þunnar himnur á yfirborðinu, með þunnu lagi af vatni á milli þeirra.
Yfirborðsspenna veldur því að himnan dregst saman, sem hefur tilhneigingu til að minnka yfirborðsflatarmál hennar. Þegar sápuvatnshimnan dregst saman og reynir að minnka yfirborðsflatarmál sitt myndast munur á loftþrýstingi milli ytra byrði himnunnar (loftþrýstingur) og innra byrði hennar. Loftþrýstingurinn utan himnunnar (loftþrýstingur) ýtir einnig á sápuvatnshimnuna þegar hún dregst saman, vegna þess að loftþrýstingurinn inni í himnunni er lægri.
Eftir að himnan dregst saman þjappast loftið inni í henni (loftið sem er fast á milli himnanna tveggja) einnig saman, sem eykur loftþrýstinginn inni í himnunni þar til samdrátturinn hættir. Með öðrum orðum, þegar samdrátturinn hættir er loftþrýstingurinn milli himnanna jafn loftþrýstingnum + yfirborðsspennunni sem dregur saman himnurnar.
Hvað með döggdropa eða vatnsdropa sem koma úr krana? Þetta er í raun það sama, þar sem aðalorsökin er yfirborðsspenna. Þó að sápukúla hafi tvær þunnar himnur á báðum hliðum sínum, hefur vatnsdropi aðeins eina þunna himnu, á ytra byrði dropans. Innra byrðið er fyllt af vatni. Ytra byrði dropans er dregið inn á við. Fyrir vikið dregst vatnið saman og minnkar yfirborðsflatarmál þess. Ytri loftþrýstingur hjálpar einnig til við að þjappa vatnsdropunum saman. Samdrátturinn hættir þegar þrýstingurinn á innra byrði vatnsins er jafn loftþrýstingnum að viðbættum kraftinum sem dregur saman vatnshimnuna.
