שיחקתם פעם בבועות סבון? בועת סבון עגולה. מצחיק. אפשר לנפח אותה. אחרי שהיא עפה, בועות סבון מתפוצצות. וואו, זה כיף, משחק ילדות. למה בועת סבון עגולה?
אנא התעוררו בבוקר, ואז שימו לב לעלים מסביב לבית. שימו לב לטיפות הטל המחוברות לעלים. זה מוזר; טיפות טל הן עגולות. איך זה יכול להיות ככה?
מתח פנים מתרחש מכיוון שפני הנוזל נוטים להתהדק כך שהם נראים כמו קרום דק. זה מושפע מכוח הלכידות בין מולקולות מים. כדי להבין טוב יותר הסבר זה, נבחן את האיור הבא. אנו סוקרים את הנוזל במיכל.
בתוך הנוזל, כל מולקולת נוזל מוקפת במולקולות אחרות מכל צד; אך על פני הנוזל, יש רק מולקולות נוזל מתחת. בחלק העליון, אין מולקולות נוזל אחרות. מכיוון שמולקולות הנוזל מושכות זו את זו, יש כוח כולל של אפס במולקולה שנמצאת בתוך הנוזל. לעומת זאת, מולקולות הנוזל הנמצאות על פני השטח נמשכות על ידי חלקיקי הנוזל הנמצאים בתחתית. כתוצאה מכך, על פני הנוזל, יש כוח כולל המכוון כלפי מטה. בגלל הכוח נטו כלפי מטה, הנוזל הנמצא על פני השטח נוטה להקטין את שטח הפנים שלו, על ידי התכווצות חזקה ככל האפשר.
זה גורם לשכבת הנוזל על פני השטח להיראות כאילו היא מכוסה בקרום אלסטי דק. תופעה זו ידועה בשם מתח פני השטח.
[IRP]
כאשר הקליפס מונח בזהירות על פני המים, מולקולות המים הממוקמות על פני השטח נלחצות קלות על ידי כוח המשיכה של הקליפס, כך שמולקולות המים הממוקמות מתחת מפעילות את כוח השיקום כדי לתמוך בקליפס.
במציאות, לא מדובר רק בקליפסים או אטבי נייר, אלא גם בדברים אחרים כמו מחטים. אם נניח בזהירות את המחט מעל פני המים, המחט תצוף. מתח הפנים של הנוזל הוא גם הסיבה לכך שחרקים יכולים לצוף על פני המים.
משוואת מתח הפנים
בדיון הקודם, למדנו את מושג מתח הפנים באופן איכותני (אין משוואה מתמטית). כעת נבחן את מתח הפנים באופן כמותי. כדי לעזור לנו לגזור את משוואת מתח הפנים, נבחן חוט מכופף ליצירת האות U. חוט ישר נוסף מחובר לשתי רגלי חוט ה-U, שם ניתן להזיז את החוט הישר.
אם חוט זה מוכנס לתוך הסבון, אז לאחר הוצאתו הוא ייצור שכבה של מי סבון על פני החוט. זה כמו כשמשחקים בועות סבון. מכיוון שניתן להזיז את החוט הישר והמסה אינה גדולה מדי, שכבת מי הסבון תיתן את כוח מתח הפנים על החוט הישר כך שהחוט יעלה ישר. כדי למנוע מהחוט הישר לזוז (החוט נמצא בשיווי משקל), נדרש כוח כולל כלפי מטה, כאשר כמות הכוח הכולל היא F = w + T. באיזון, F = כוח מתח הפנים שנישא על ידי שכבת הסבון על החוט הישר.
נניח שאורך חוט ישר הוא l. מכיוון שלשכבת מי הסבון הנוגעת בחוט ישר יש שני משטחים, כוח מתח הפנים שנוצר על ידי שכבת מי הסבון פועל לאורך 2l. מתח הפנים בשכבת הסבון הוא השוואה בין כוח מתח הפנים (F) לאורך המשטח שבו הכוח פועל (d). במקרה זה, אורך המשטח הוא 2l. מבחינה מתמטית, נכתוב כך:
מכיוון שמתח פנים הוא היחס בין כוח מתח הפנים לאורך, יחידת מתח הפנים היא ניוטון למטר (N / m) או דיין לסנטימטר (דיינים/ס"מ).
להלן מספר ערכי מתח פנים שהתקבלו על סמך ניסויים.
בהתבסס על נתוני מתח הפנים, הטמפרטורה משפיעה על ערך מתח הפנים של הנוזל. באופן כללי, כאשר יש עלייה בטמפרטורה, ערך מתח הפנים יורד (השווה את מתח הפנים של מים בכל טמפרטורה. ראה טבלה). הסיבה לכך היא שכאשר הטמפרטורה עולה, מולקולות הנוזל נעות מהר יותר, כך שהשפעת האינטראקציה בין מולקולות הנוזל פוחתת. כתוצאה מכך, גם ערך מתח הפנים יורד.
יישום מושגי מתח פנים בחיי היומיום
האם שאלתם פעם, מדוע עלינו לכבס בגדים עם סבון? הבעיה היא שהבגדים שאנו מכבסים הם באמת נקיים; המים חייבים לעבור דרך פער צר מאוד בסיבי הבגד. מסיבה זו, יש צורך להגדיל את שטח פני המים. ובכן, זה מאוד קשה לעשות בגלל מתח הפנים. בהכרח יש להוריד תחילה את ערך מתח הפנים. אנו יכולים להפחית את מתח הפנים באמצעות מים חמים. ככל שטמפרטורת המים גבוהה יותר, כך ייטב, מכיוון שככל שטמפרטורת המים גבוהה יותר, כך מתח הפנים קטן יותר (ראו טבלה). זוהי החלופה הראשונה וזו שיטה שכמעט ולא נעשה בה שימוש. אפשרות נוספת היא להשתמש בסבון.
בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס, ערך מתח הפנים של מי הסבון הוא 25.00 mN/m. נסו להשוות בין סבון למים חמים, מהו ערך מתח הפנים הקטן ביותר? ב-100 מעלות צלזיוס, ערך מתח הפנים של מים חמים = 58.90. בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס, ערך מתח הפנים של סבון הוא 25.00 mN/m. כדאי יותר להשתמש בסבון. מה שהוסבר לעיל הוא רק אחד מגורמי המשפיעים?
למה בועת הסבון או המים עגולה?
בועות סבון או טיפות מים הן עגולות משום שהן מושפעות ממתח פנים. ראשית, נדון בבועות סבון. לבועות סבון יש שתי קרומים דקים על פני השטח וביניהן שכבות דקות של מים.
נוכחות מתח פנים גורמת לקרום להתכווץ ונוטה להקטין את שטח הפנים שלו. כאשר קרום מי הסבון מתכווץ ומנסה למזער את שטח הפנים שלו, יש הבדל בלחץ האוויר בצד החיצוני של הקרום (לחץ אטמוספרי) ובלחץ האוויר בצד הפנימי של השכבה. לחץ האוויר שנמצא מחוץ לשכבה (לחץ אטמוספרי) דוחף גם את קרום מי הסבון כשהם מתכווצים מכיוון שלחץ האוויר בצד הפנימי של הקרום קטן יותר.
לאחר שהממברנה התכווצה, האוויר שבתוכה (האוויר הכלוא בין שתי הממברנות) נדכא, מה שמגביר את לחץ האוויר בתוך השכבה עד שאין עוד התכווצות. במילים אחרות, כאשר אין עוד התכווצות, כמות לחץ האוויר בין הממברנות זהה ללחץ האטמוספרי + כוח מתח הפנים שמקמט את השכבה.
אז מה לגבי טיפות טל או טיפות מים שיוצאות מהברז? אותו הדבר מכיוון שהסיבה העיקרית היא מתח פנים. אם לבועות סבון יש שני ממברנות דקות על שני משטחים, אז לטיפות המים יש רק שכבה דקה אחת, שנמצאת בצד החיצוני של טיפות המים. החלק הפנימי מלא במים. עקב כוח הלכידות, נוצר מתח פנים. החלק החיצוני של טיפת המים נמשך פנימה. כתוצאה מכך, המים מתכווצים ונוטים להקטין את שטח הפנים שלהם. הלחץ האטמוספרי שבחוץ גם מדכא את טיפות המים. ההתכווצות תיפסק כאשר הלחץ בצד הפנימי של המים יהיה שווה ללחץ האטמוספרי + כוח מתח הפנים שמכווץ את קרום המים.
