Ar kada nors žaidėte muilo burbulus? Muilo burbulas apvalus. Juokinga. Galima pūsti. Nuskridę muilo burbulai sprogsta. Oho, koks smagus, vaikystės žaidimas. Kodėl muilo burbulas apvalus?
Prašau, pabuskite ryte ir atkreipkite dėmesį į lapus aplink namą. Stebėkite rasos lašelius, prilipusius prie lapų. Keista; rasos lašai yra apvalūs. Kaip taip gali būti?
Paviršiaus įtempimas atsiranda dėl to, kad skysčio paviršius linkęs susitraukti, todėl paviršius atrodo kaip plona membrana. Tam įtakos turi vandens molekulių kohezijos jėga. Norėdami geriau suprasti šį paaiškinimą, apsvarstykite šią iliustraciją. Nagrinėjame skystį inde.
Skysčio viduje kiekvieną skysčio molekulę iš abiejų pusių supa kitos molekulės; tačiau skysčio paviršiuje yra tik žemiau esančios skysčio molekulės. Viršuje nėra kitų skysčio molekulių. Kadangi skysčio molekulės traukia viena kitą, skysčio viduje esančioje molekulėje bendra jėga lygi nuliui. Priešingai, paviršiuje esančias skysčio molekules traukia apačioje esančios skysčio dalelės. Dėl to skysčio paviršiuje veikia bendra jėga, nukreipta žemyn. Dėl grynosios jėgos žemyn, paviršiuje esantis skystis linkęs mažinti savo paviršiaus plotą, kuo labiau susitraukdamas.
Dėl to skysčio sluoksnis paviršiuje atrodo tarsi padengtas plona elastinga membrana. Šis reiškinys vadinamas paviršiaus įtempimu.
[irp]
Kai segtukas atsargiai uždedamas ant vandens paviršiaus, paviršiuje esančios vandens molekulės yra šiek tiek spaudžiamos segtuko gravitacijos, todėl apačioje esančios vandens molekulės suteikia atstatymo jėgą, kad išlaikytų segtuką.
Iš tikrųjų tai ne tik sąvaržėlės ar sąvaržėlės, bet ir kiti daiktai, pavyzdžiui, adatos. Jei atsargiai iškelsime adatą virš vandens paviršiaus, ji plūduriuos. Skysčio paviršiaus įtempimas taip pat yra priežastis, kodėl vabzdžiai gali plūduriuoti vandens paviršiuje.
Paviršiaus įtempimo lygtis
Ankstesnėje diskusijoje paviršiaus įtempties sąvoką nagrinėjome kokybiškai (matematinės lygties nėra). Dabar paviršiaus įtemptį apžvelgsime kiekybiškai. Kad galėtume išvesti paviršiaus įtempties lygtį, panagrinėsime vielą, sulenktą taip, kad sudarytų raidę U. Kita tiesi viela pritvirtinta prie dviejų U vielos šakelių, kur tiesa viela gali būti perkelta.
Jei ši viela įkišama į muilą, ją ištraukus, ant jos paviršiaus susidaro muiluoto vandens sluoksnis. Tai panašu į žaidimą muilo burbulais. Kadangi tiesią vielą galima judinti, o jos masė nėra per didelė, muiluoto vandens sluoksnis sukuria paviršiaus įtempimo jėgą tiesiai vielai, todėl ji kyla tiesiai į viršų. Kad tiesi viela nejudėtų (viela būtų pusiausvyroje), reikalinga bendra žemyn nukreipta jėga, kurios dydis yra F = w + T. Kita vertus, F = paviršiaus įtempimo jėga, kurią perneša muilo sluoksnis ant tiesaus vielos.
Tarkime, kad tiesaus laido ilgis yra l. Kadangi muiluoto vandens sluoksnis, liečiantis tiesų laidą, turi du paviršius, muiluoto vandens sluoksnio sukuriama paviršiaus įtempimo jėga veikia išilgai 2l. Paviršiaus įtempimas muilo sluoksnyje yra paviršiaus įtempimo jėgos (F) ir paviršiaus ilgio, kuriame veikia jėga (d), palyginimas. Šiuo atveju paviršiaus ilgis yra 2l. Matematiškai parašyti:
Kadangi paviršiaus įtempimas yra paviršiaus įtempimo jėgos ir ilgio santykis, paviršiaus įtempimo vienetas yra niutonas metrui (N/m) arba dinas centimetrui (dinai/cm).
Toliau pateikiamos kai kurios paviršiaus įtempimo vertės, gautos remiantis eksperimentais.
Remiantis paviršiaus įtempimo duomenimis, temperatūra turi įtakos skysčio paviršiaus įtempimo vertei. Paprastai, didėjant temperatūrai, paviršiaus įtempimo vertė mažėja (palyginkite vandens paviršiaus įtempimą kiekvienoje temperatūroje. Žr. lentelę). Taip yra todėl, kad didėjant temperatūrai, skysčio molekulės juda greičiau, todėl sąveikos tarp skysčio molekulių poveikis mažėja. Dėl to paviršiaus įtempimo vertė taip pat sumažėja.
Paviršiaus įtempimo sąvokų taikymas kasdieniame gyvenime
Ar kada nors klausėte savęs, kodėl turėtume skalbti drabužius su muilu? Problema ta, kad drabužiai, kuriuos skalbiame, iš tiesų yra švarūs; vanduo turi prasiskverbti pro labai siaurą drabužių pluoštų tarpą. Dėl šios priežasties būtina padidinti vandens paviršiaus plotą. Tai labai sunku padaryti dėl paviršiaus įtempimo. Pirmiausia neišvengiamai reikia sumažinti paviršiaus įtempimo vertę. Paviršiaus įtempimą galime sumažinti naudodami karštą vandenį. Kuo aukštesnė vandens temperatūra, tuo geriau, nes kuo aukštesnė vandens temperatūra, tuo mažesnis paviršiaus įtempimas (žr. lentelę). Tai pirmoji alternatyva ir retai naudojamas metodas. Kita galimybė – naudoti muilą.
Esant 20 ° C temperatūrai , muilo vandens paviršiaus įtempimo vertė yra 25.00 mN/m. Pabandykite palyginti muilą ir karštą vandenį, kuris paviršiaus įtempimo dydis yra mažiausias? Esant 100 ° C temperatūrai, karšto vandens paviršiaus įtempimo vertė = 58.90. Esant 20 ° C temperatūrai , muilo paviršiaus įtempimo vertė yra 25.00 mN/m. Pelningiau naudoti muilą. Tai, kas paaiškinta aukščiau, yra tik vienas iš įtakos veiksnių?
Kodėl muilo ar vandens burbulas yra apvalus?
Muilo burbuliukai arba vandens lašai yra apvalūs, nes juos veikia paviršiaus įtempimas. Pirmiausia aptarsime muilo burbulus. Muilo burbuliukų paviršiuje yra dvi plonos membranos, o tarp jų yra ploni vandens sluoksniai.
Dėl paviršiaus įtempimo membrana susitraukia ir linkusi sumažinti savo paviršiaus plotą. Kai muiluoto vandens membrana susitraukia ir bando sumažinti savo paviršiaus plotą, atsiranda skirtumas tarp oro slėgio membranos išorėje (atmosferos slėgis) ir oro slėgio sluoksnio viduje. Oro slėgis sluoksnio išorėje (atmosferos slėgis) taip pat stumia muiluoto vandens membraną, kai ji susitraukia, nes oro slėgis membranos viduje yra mažesnis.
Membranai susitraukus, viduje esantis oras (oras, įstrigęs tarp dviejų membranų) yra slopinamas, todėl oro slėgis sluoksnio viduje didėja, kol susitraukimas nutrūksta. Kitaip tariant, kai susitraukimas nutrūksta, oro slėgis tarp membranų yra toks pat kaip atmosferos slėgis plius paviršiaus įtempimo jėga, kuri raukšlėja sluoksnį.
O kaip dėl rasos lašų arba vandens lašų, tekančių iš čiaupo? Tas pats, nes pagrindinė priežastis yra paviršiaus įtempimas. Jei muilo burbuliukai turi dvi plonas membranas ant dviejų paviršių, tai vandens lašai turi tik vieną ploną sluoksnį, kuris yra vandens lašų išorėje. Viduje pilna vandens. Dėl sanglaudos jėgos atsiranda paviršiaus įtempimas. Išorinė vandens lašo dalis yra įtraukiama. Dėl to vanduo susitraukia ir linkęs sumažinti savo paviršiaus plotą. Išorėje esantis atmosferos slėgis taip pat slopina vandens lašus. Susitraukimas sustos, kai slėgis vandens viduje bus lygus atmosferos slėgiui plius paviršiaus įtempimo jėga, kuri suspaudžia vandens membraną.
