Virsmas spraiguma izpratne
Virsmas spraigums rodas tāpēc, ka šķidruma virsmai ir tendence sacietēt, radot plānu membrānai līdzīgu izskatu. To ietekmē kohēzijas spēki starp ūdens molekulām. Lai labāk izprastu šo skaidrojumu, apsveriet šo ilustrāciju. Apskatīsim šķidrumu traukā.
Šķidruma molekulas parasti pievelk viena otru. Šķidruma iekšpusē katru šķidruma molekulu katrā pusē ieskauj citas molekulas; bet šķidruma virsmā ir tikai šķidruma molekulas sānos un apakšā. Virsū nav citu šķidruma molekulu. Tā kā šķidruma molekulas pievelk viena otru, uz šķidruma iekšpusē esošajām molekulām iedarbojas nulles neto spēks. Un otrādi, šķidruma molekulas virsmā pievelk šķidruma molekulas sānos un apakšā. Tā rezultātā šķidruma virsmā darbojas neto spēks, kas vērsts uz leju. Šī neto spēka dēļ uz leju šķidrums virsmā mēdz samazināt savu virsmas laukumu, pēc iespējas vairāk saraujoties.
Tas rada iespaidu, ka šķidruma slānis uz virsmas ir pārklāts ar plānu elastīgu membrānu.
Kad klipsi uzmanīgi novieto uz ūdens virsmas, klipša gravitācija nedaudz piespiež uz virsmas esošās ūdens molekulas, tāpēc zemāk esošās ūdens molekulas iedarbojas uz augšu vērstu atjaunojošu spēku, lai atbalstītu klipsi (atcerieties elastības un Hūka likumu ).
Patiesībā saspraudes nav vienīgā lieta, ko var izmantot; tās var būt arī citi priekšmeti, piemēram, adatas. Ja uzmanīgi novietosiet adatu uz ūdens virsmas, tā peldēs. Tāpēc arī kukaiņi var peldēt pa ūdeni.
Virsmas spraiguma vienādojums
Lai palīdzētu mums atvasināt virsmas spraiguma vienādojumu, mēs aplūkojam stiepli, kas ir saliekta burta U formā. Vēl viena taisna stieple ir piestiprināta pie U stieples abām kājām, kur taisno stiepli var pārvietot.
Ja šo stiepli ievieto ziepju šķīdumā, tad pēc tā izņemšanas uz stieples virsmas izveidosies ziepjūdens slānis. Līdzīgi kā spēlējoties ar ziepju burbuļiem. Tā kā taisno stiepli var kustināt un tās masa nav pārāk liela, ziepjūdens slānis radīs virsmas spraiguma spēku uz taisno stiepli, lai tā kustētos uz augšu (ņemiet vērā bultiņas virzienu). Lai taisnā stieple nekustētos (stieple atrodas līdzsvarā), ir nepieciešams kopējais spēks, kas vērsts uz leju, kur kopējā spēka lielums ir F = w + T. Līdzsvarā F = spēks, ko ziepjūdens slānis iedarbojas uz taisno stiepli.
Pieņemsim, ka taisna vada garums ir l. Tā kā ziepjūdens slānim, kas pieskaras taisnajam vadam, ir divas virsmas, ziepjūdens slāņa radītais spēks darbojas 2l garumā. Virsmas spraigums uz ziepju slāņa ir attiecība starp spēku (F) un virsmas garumu, uz kuru iedarbojas spēks (d). Šajā gadījumā virsmas garums ir 2l. Matemātiski to raksta:
Tā kā virsmas spraigums ir spēka attiecība pret garuma vienību, mērvienības ir ņūtoni uz metru (N/m) vai dins uz centimetru (din/cm).
Tālāk ir norādītas dažas virsmas spraiguma vērtības, kas iegūtas, pamatojoties uz eksperimentiem.
Pamatojoties uz iepriekš minētajiem datiem, šķiet, ka temperatūra ietekmē šķidruma virsmas spraigumu. Parasti, paaugstinoties temperatūrai, vērtība samazinās. Tas ir tāpēc, ka, paaugstinoties temperatūrai, šķidruma molekulas pārvietojas ātrāk, samazinot mijiedarbību starp šķidruma molekulām. Līdz ar to samazinās arī virsmas spraiguma vērtība.
Pielietojums ikdienas dzīvē
Vai esat kādreiz domājuši, kāpēc mēs mazgājam drēbes ar ziepēm? Problēma ir tā, ka, lai iegūtu patiesi tīras drēbes, ūdenim ir jāizplūst cauri ļoti šaurām spraugām šķiedrās. Tas prasa palielināt ūdens virsmas laukumu. To ir ļoti grūti panākt virsmas spraiguma dēļ. Patīk tas vai nē, vispirms ir jāsamazina ūdens virsmas spraigums. Virsmas spraigumu var samazināt, izmantojot karstu ūdeni. Jo augstāka ūdens temperatūra, jo labāk, jo augstāka ūdens temperatūra, jo zemāks virsmas spraigums (skatiet tabulu). Šī ir pirmā alternatīva, un to izmanto reti, izņemot tos, kam patīk spēlēties ar karstu ūdeni. Vēl viena alternatīva ir ziepju lietošana.
20 ° C temperatūrā ziepjūdens virsmas spraiguma vērtība ir 25,00 mN/m. Mēģiniet salīdzināt ziepjūdeni un karstu ūdeni, kura vērtība ir mazākā? 100 ° C temperatūrā karstā ūdens virsmas spraiguma vērtība = 58,90. 20 ° C temperatūrā ziepjūdens virsmas spraiguma vērtība ir 25,00 mN/m. Ir izdevīgāk lietot ziepes… ūdens arī nav karsts. Ir arī citi faktori, kas ietekmē to, cik labi mūsu drēbes vai ķermeni var notīrīt ar ziepēm. Tātad iepriekš minētais ir tikai viens no ietekmējošajiem faktoriem.
Kāpēc ziepju vai ūdens burbuļi ir apaļi?
Ziepju burbuļi jeb ūdens pilieni virsmas spraiguma dēļ ir sfēriskas formas. Vispirms apspriedīsim ziepju burbuļus. Ziepju burbuļu virsmā ir divas plānas membrānas, starp kurām ir plāns ūdens slānis.
Virsmas spraigums izraisa membrānas saraušanos, tādējādi samazinot tās virsmas laukumu. Kad ziepjūdens membrāna saraujas un cenšas samazināt savu virsmas laukumu, rodas gaisa spiediena atšķirība starp membrānas ārējo pusi (atmosfēras spiediens) un iekšējo pusi. Gaisa spiediens ārpus membrānas (atmosfēras spiediens) arī spiež ziepjūdens membrānu, tai saraujoties, jo gaisa spiediens membrānas iekšpusē ir zemāks.
Pēc membrānas saraušanās gaiss iekšpusē (gaiss, kas iesprostots starp abām membrānām) arī tiek saspiests, palielinot gaisa spiedienu membrānas iekšpusē, līdz saraušanās apstājas. Citiem vārdiem sakot, kad saraušanās apstājas, gaisa spiediens starp membrānām ir vienāds ar atmosfēras spiedienu + virsmas spraiguma spēku, kas sarauj membrānas.
Kā tad ir ar rasas pilieniem vai ūdens pilieniem, kas tek no krāna? Tie būtībā ir viens un tas pats, jo galvenais iemesls ir virsmas spraigums. Kamēr ziepju burbulim uz divām virsmām ir divas plānas membrānas, ūdens pilienam ir tikai viena plāna membrāna, kas atrodas piliena ārpusē. Iekšpuse ir piepildīta ar ūdeni. Piliena ārējā daļa tiek ievilkta uz iekšu. Tā rezultātā ūdens saraujas, samazinot tā virsmas laukumu. Ārējais atmosfēras spiediens arī palīdz saspiest ūdens pilienu. Saraušanās apstājas, kad spiediens ūdens iekšpusē ir vienāds ar atmosfēras spiedienu plus spēku, kas sarauj ūdens membrānu.
