Paviršiaus įtempimo supratimas
Paviršiaus įtempimas atsiranda dėl to, kad skysčio paviršius linkęs stingti, sukurdamas ploną membraną primenančią išvaizdą. Tam įtakos turi vandens molekulių sanglaudos jėgos. Norėdami geriau suprasti šį paaiškinimą, panagrinėkime šią iliustraciją. Panagrinėkime skystį inde.
Skysčio molekulės paprastai traukia viena kitą. Skysčio viduje kiekviena skysčio molekulė yra apsupta kitų molekulių iš abiejų pusių; tačiau skysčio paviršiuje yra tik skysčio molekulės šonuose ir apačioje. Viršuje nėra jokių kitų skysčio molekulių. Kadangi skysčio molekulės traukia viena kitą, skysčio viduje esančioms molekulėms veikiama nulinė grynoji jėga. Ir atvirkščiai, paviršiuje esančias skysčio molekules traukia šonuose ir apačioje esančios skysčio molekulės. Dėl to skysčio paviršiuje veikia žemyn nukreipta grynoji jėga. Dėl šios žemyn nukreiptos grynosios jėgos skystis paviršiuje linkęs mažinti savo paviršiaus plotą, kiek įmanoma labiau susitraukdamas.
Dėl to skysčio sluoksnis ant paviršiaus atrodo tarsi padengtas plona elastinga membrana.
Kai spaustukas atsargiai padedamas ant vandens paviršiaus, paviršiuje esančios vandens molekulės yra šiek tiek spaudžiamos spaustuko gravitacijos , todėl apačioje esančios vandens molekulės veikia aukštyn nukreiptą atstatomąją jėgą, kad prilaikytų spaustuką (prisiminkite elastingumo ir Huko dėsnį ).
Iš tiesų, sąvaržėlės nėra vienintelis dalykas, kurį galite naudoti; jas taip pat galima naudoti kaip kitus daiktus, pavyzdžiui, adatas. Jei atsargiai padėsite adatą ant vandens paviršiaus, ji plūduriuos. Štai kodėl vabzdžiai gali plūduriuoti vandens paviršiuje.
Paviršiaus įtempimo lygtis
Kad būtų lengviau gauti paviršiaus įtempimo lygtį, panagrinėkime U formos sulenktą vielą. Prie dviejų U formos vielos šakelių pritvirtinta kita tiesi viela, kuria remiantis galima perkelti tiesiąją vielą.
Jei ši viela panardinama į muilo tirpalą, ją ištraukus, ant vielos paviršiaus susidarys muiluoto vandens sluoksnis. Panašiai kaip žaidžiant muilo burbulais. Kadangi tiesią vielą galima judinti ir jos masė nėra per didelė, muiluoto vandens sluoksnis sukurs paviršiaus įtempimo jėgą tiesiai vielai, kad ji judėtų aukštyn (atkreipkite dėmesį į rodyklės kryptį). Kad tiesi viela nejudėtų (viela yra pusiausvyroje), reikalinga bendra jėga, nukreipta žemyn, kur bendros jėgos dydis yra F = w + T. Pusiausvyros būsenoje F = jėga, kuria muiluoto vandens sluoksnis veikia tiesią vielą.
Tarkime, kad tiesaus laido ilgis yra l. Kadangi muiluoto vandens sluoksnis, liečiantis tiesų laidą, turi du paviršius, muiluoto vandens sluoksnio sukuriama jėga veikia išilgai 2l ilgio. Muiluoto sluoksnio paviršiaus įtempimas yra jėgos (F) ir paviršiaus, kurį veikia jėga, ilgio (d) santykis. Šiuo atveju paviršiaus ilgis yra 2l. Matematiškai tai užrašoma:
Kadangi paviršiaus įtempimas yra jėgos ir ilgio vieneto santykis, matavimo vienetai yra niutonai metrui (N/m) arba dinai centimetrui (dyn/cm).
Toliau pateikiamos kai kurios paviršiaus įtempimo vertės, gautos remiantis eksperimentais.
Remiantis aukščiau pateiktais duomenimis, atrodo, kad temperatūra veikia skysčio paviršiaus įtempimą. Paprastai, kylant temperatūrai, vertė mažėja. Taip yra todėl, kad kylant temperatūrai skysčio molekulės juda greičiau, todėl mažėja sąveika tarp jų. Todėl paviršiaus įtempimo vertė taip pat mažėja.
Taikymas kasdieniame gyvenime
Ar kada susimąstėte, kodėl drabužius skalbiame muilu? Problema ta, kad norint gauti tikrai švarius drabužius, vanduo turi prasiskverbti pro labai siaurus pluošto tarpus. Tam reikia padidinti vandens paviršiaus plotą. Tai labai sunku pasiekti dėl paviršiaus įtempimo. Patinka mums tai ar ne, pirmiausia reikia sumažinti vandens paviršiaus įtempimą. 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, kuri naudojama retai, išskyrus tuos, kurie mėgsta žaisti su karštu vandeniu. Kita alternatyva – muilo naudojimas.
Esant 20 ° C temperatūrai , muiluoto vandens paviršiaus įtempties vertė yra 25,00 mN/m. Pabandykite palyginti muiluotą ir karštą vandenį, kuri vertė yra mažiausia? Esant 100 ° C temperatūrai, karšto vandens paviršiaus įtempties vertė = 58,90. Esant 20 ° C temperatūrai , muiluoto vandens paviršiaus įtempties vertė yra 25,00 mN/m. Pelningiau naudoti muilą... vanduo taip pat nėra karštas. Yra ir kitų veiksnių, turinčių įtakos tam, kaip gerai mūsų drabužius ar kūną galima valyti muilu. Taigi, tai, kas paaiškinta aukščiau, yra tik vienas iš įtakos veiksnių.
Kodėl muilo ar vandens burbuliukai yra apvalūs?
Muilo burbulai, arba vandens lašeliai, dėl paviršiaus įtempimo yra sferinės formos. Pirmiausia aptarkime muilo burbulus. Muilo burbulų paviršiuje yra dvi plonos membranos, tarp kurių yra plonas vandens sluoksnis.
Paviršiaus įtempimas sukelia membranos susitraukimą, todėl sumažėja jos paviršiaus plotas. Kai muiluoto vandens membrana susitraukia ir bando sumažinti savo paviršiaus plotą, atsiranda oro slėgio skirtumas tarp membranos išorės (atmosferos slėgis) ir membranos vidaus. Oro slėgis už membranos ribų (atmosferos slėgis) taip pat stumia muiluoto vandens membraną jai susitraukiant, nes oro slėgis membranos viduje yra mažesnis.
Membranai susitraukus, viduje esantis oras (oras, įstrigęs tarp dviejų membranų) taip pat suslegiamas, todėl oro slėgis membranos viduje didėja, kol susitraukimas sustoja. Kitaip tariant, kai susitraukimas sustoja, oro slėgis tarp membranų tampa lygus atmosferos slėgiui + paviršiaus įtempimo jėgai, kuri sutraukia membranas.
Taigi, kaip dėl rasos lašų arba vandens lašų, tekančių iš čiaupo? Jie iš esmės yra tas pats, nes pagrindinė priežastis yra paviršiaus įtempimas. Nors muilo burbulas turi dvi plonas membranas ant dviejų paviršių, vandens lašelis turi tik vieną ploną membraną, esančią lašelio išorėje. Viduje yra vandens. Lašelio išorė yra traukiama į vidų. Dėl to vanduo susitraukia, sumažindamas savo paviršiaus plotą. Išorinis atmosferos slėgis taip pat padeda suspausti vandens lašelį. Susitraukimas sustoja, kai slėgis vandens viduje tampa lygus atmosferos slėgiui ir jėgai, kuri sutraukia vandens membraną.
