Беттік керілуді түсіну
Беттік керілу сұйықтықтың беті қатаюға бейім болғандықтан, жұқа мембрана тәрізді көрініс пайда болады. Бұған су молекулалары арасындағы когезия күштері әсер етеді. Бұл түсініктемені жақсырақ түсіну үшін келесі мысалды қарастырайық. Ыдыстағы сұйықтықты қарастырайық.
Сұйық молекулалар әдетте бір-бірін тартады. Сұйықтықтың ішінде әрбір сұйық молекула екі жағынан басқа молекулалармен қоршалған; бірақ сұйықтықтың бетінде тек бүйірлерінде және астында сұйық молекулалар ғана болады. Үстіңгі жағында басқа сұйық молекулалар жоқ. Сұйық молекулалар бір-бірін тартатындықтан, сұйықтықтың ішіндегі молекулаларға нөлдік жалпы күш әсер етеді. Керісінше, бетіндегі сұйық молекулалар бүйірлеріндегі және астындағы сұйық молекулаларымен тартылады. Нәтижесінде, сұйықтықтың бетінде төмен бағытталған жалпы күш пайда болады. Осы жалпы күштің әсерінен бетіндегі сұйықтық бетінің ауданын азайтып, мүмкіндігінше кішірейеді.
Бұл бетіндегі сұйықтық қабатының жұқа серпімді мембранамен жабылғандай көрінуіне әкеледі.
Қысқыш су бетіне мұқият орналастырылған кезде, бетінде орналасқан су молекулалары қысқыштың ауырлық күшімен аздап басылады, сондықтан төменде орналасқан су молекулалары қысқышты ұстап тұру үшін жоғары қарай қалпына келтіру күшін көрсетеді ( серпімділік пен Гук заңын еске түсіріңіз ).
Шын мәнінде, қағаз қыстырғыштарды ғана емес, сонымен қатар инелер сияқты басқа да заттарды пайдалануға болады. Егер сіз инені су бетіне абайлап қойсаңыз, ол қалқып жүреді. Сондықтан да жәндіктер суда қалқып жүре алады.
Беттік керілу теңдеуі
Беттік керілу теңдеуін шығаруға көмектесу үшін U-тәрізді иілген сымды қарастырамыз. U-тәрізді сымның екі аяғына тағы бір түзу сым бекітілген, онда түзу сымды жылжытуға болады.
Егер бұл сым сабын ерітіндісіне салынса, оны алып тастағаннан кейін сымның бетінде сабынды су қабаты пайда болады. Сабын көпіршіктері ойнаған кездегідей. Түзу сымды жылжытуға болатындықтан және оның массасы тым үлкен болмағандықтан, сабынды су қабаты түзу сымға беттік керілу күшін тудырады, осылайша түзу сым жоғары қарай қозғалады (көрсеткінің бағытына назар аударыңыз). Түзу сымды қозғалтпау үшін (сым тепе-теңдікте) төмен бағытталған жалпы күш қажет, мұндағы жалпы күштің шамасы F = w + T. Тепе-теңдікте F = сабынды су қабатының түзу сымға әсер ететін күші.
Түзу сымның ұзындығы l деп есептейік. Түзу сымға тиетін сабынды су қабатының екі беті болғандықтан, сабынды су қабаты тудыратын күш 2л ұзындық бойымен әсер етеді. Сабын қабатындағы беттік керілу күш (F) мен күш әсер ететін беттің ұзындығының (d) қатынасына тең. Бұл жағдайда беттің ұзындығы 2л. Математикалық түрде былай жазылады:
Беттік керілу күштің бірлік ұзындыққа қатынасы болғандықтан, бірліктер метрге Ньютон (Н/м) немесе сантиметрге дин (дин/см) болып табылады.
Төменде тәжірибелер негізінде алынған беттік керілу мәндерінің кейбірі келтірілген.
Жоғарыдағы деректерге сүйене отырып, температура сұйықтықтың беттік керілуіне әсер ететін сияқты. Әдетте, температура жоғарылаған сайын бұл мән төмендейді. Себебі температура жоғарылаған сайын сұйық молекулалары жылдамырақ қозғалады, бұл сұйық молекулалары арасындағы өзара әрекеттесуді азайтады. Демек, беттік керілу мәні де төмендейді.
Күнделікті өмірде қолдану
Неліктен киімдерді сабынмен жуатынымызды ойлап көрдіңіз бе? Мәселе мынада, шынымен таза киім алу үшін су талшықтардағы өте тар саңылаулар арқылы өтуі керек. Бұл судың беткі ауданын ұлғайтуды қажет етеді. Беттік керілуге байланысты бұған жету өте қиын. Ұнаса да, ұнамаса да, алдымен судың беттік керілуін төмендету керек. Біз ыстық суды пайдалану арқылы беттік керілуді төмендете аламыз. Судың температурасы неғұрлым жоғары болса, соғұрлым жақсы, себебі судың температурасы неғұрлым жоғары болса, беттік керілу соғұрлым төмен болады (кестені қараңыз). Бұл бірінші балама және ыстық сумен ойнағанды ұнататындардан басқа сирек қолданылады. Тағы бір балама - сабын қолдану.
20 ° C температурада сабынды судың беттік керілу мәні 25,00 мН/м құрайды. Сабынды су мен ыстық суды салыстырып көріңіз, қайсысы ең кіші? 100 ° C температурада ыстық судың беттік керілу мәні = 58,90. 20 ° C температурада сабынды судың беттік керілу мәні 25,00 мН/м құрайды. Сабынды пайдалану тиімдірек... су да ыстық емес. Киімдерімізді немесе денелерімізді сабынмен қаншалықты жақсы жууға болатынына әсер ететін басқа да факторлар бар. Сондықтан жоғарыда түсіндірілген нәрсе әсер ететін факторлардың бірі ғана.
Неліктен сабын немесе су көпіршіктері дөңгелек?
Сабын көпіршіктері немесе су тамшылары беттік керілуге байланысты сфералық пішінге ие. Алдымен сабын көпіршіктерін талқылайық. Сабын көпіршіктерінің бетінде екі жұқа мембрана бар, олардың арасында жұқа су қабаты бар.
Беттік керілу мембрананың жиырылуына әкеліп соғады, бұл оның беткі ауданын кішірейтуге бейім. Сабынды су мембранасы жиырылып, беткі ауданын кішірейтуге тырысқанда, мембрананың сыртқы жағы (атмосфералық қысым) мен ішкі жағы арасында ауа қысымының айырмашылығы пайда болады. Мембрананың сыртындағы ауа қысымы (атмосфералық қысым) да сабынды су мембранасын жиырған кезде итереді, себебі мембрананың ішіндегі ауа қысымы төмен.
Мембрана жиырылғаннан кейін ішіндегі ауа (екі мембрана арасында қалып қойған ауа) да сығылады, бұл жиырылу тоқтағанша мембрана ішіндегі ауа қысымын арттырады. Басқаша айтқанда, жиырылу тоқтаған кезде, мембраналар арасындағы ауа қысымы атмосфералық қысым + мембраналарды жиыратын беттік керілу күшіне тең болады.
Ал краннан шығатын шық тамшылары немесе су тамшылары туралы не деуге болады? Олар негізінен бірдей, себебі негізгі себеп беттік керілу болып табылады. Сабын көпіршігінің екі бетінде екі жұқа мембрана болса, су тамшысының тек бір ғана жұқа мембранасы болады, ол тамшының сыртында. Ішкі жағы суға толы. Тамшының сырты ішке қарай тартылады. Нәтижесінде су жиырылып, беткі ауданын кішірейтеді. Сыртқы атмосфералық қысым да су тамшысын қысуға көмектеседі. Судың ішкі жағындағы қысым атмосфералық қысым мен су мембранасын жиыратын күшке тең болған кезде жиырылу тоқтайды.
