Pernahkah anda bermain buih sabun? Buih sabun bulat. Kelakar. Boleh ditiup. Selepas terbang, buih sabun pecah. Wah, seronoknya, permainan zaman kanak-kanak. Mengapa buih sabun bulat?
Sila bangun pada waktu pagi, kemudian perhatikan daun-daun di sekeliling rumah. Perhatikan titisan embun yang melekat pada daun. Peliknya; titisan embun itu bulat. Macam mana boleh jadi macam tu?
Tegangan permukaan berlaku kerana permukaan cecair cenderung untuk menegang sehingga permukaannya kelihatan seperti membran nipis. Ini dipengaruhi oleh daya kohesi antara molekul air. Untuk lebih memahami penjelasan ini, pertimbangkan ilustrasi berikut. Kita kaji semula cecair di dalam bekas.
Di dalam cecair, setiap molekul cecair dikelilingi oleh molekul lain pada setiap sisi; tetapi pada permukaan cecair, hanya terdapat molekul cecair di bawah. Di bahagian atas, tiada molekul cecair lain. Oleh kerana molekul cecair saling menarik antara satu sama lain, terdapat jumlah daya sifar dalam molekul yang berada di bahagian dalam cecair. Sebaliknya, molekul cecair yang terletak di permukaan ditarik oleh zarah bendalir yang berada di bahagian bawah. Akibatnya, pada permukaan cecair, terdapat jumlah daya yang diarahkan ke bawah. Disebabkan daya bersih ke bawah, cecair yang terletak di permukaan cenderung untuk mengurangkan luas permukaannya, dengan mengecut sekuat mungkin.
Ini menyebabkan lapisan cecair pada permukaan kelihatan seolah-olah ia diliputi oleh membran elastik nipis. Fenomena ini dikenali sebagai Tegangan Permukaan.
[irp]
Apabila klip diletakkan dengan berhati-hati di atas permukaan air, molekul air yang terletak di permukaan akan ditekan sedikit oleh graviti klip, supaya molekul air yang terletak di bawah memberikan daya pemulihan ke atas untuk menyokong klip.
Pada hakikatnya, ia bukan sekadar klip atau klip kertas, tetapi juga benda lain seperti jarum. Jika kita meletakkan jarum dengan berhati-hati di atas permukaan air, jarum akan terapung. Tegangan permukaan cecair juga merupakan sebab mengapa serangga boleh terapung di atas air.
Persamaan Tegangan Permukaan
Dalam perbincangan sebelumnya, kita telah mengkaji konsep tegangan permukaan secara kualitatif (tiada persamaan matematik). Sekarang kita mengkaji semula tegangan permukaan secara kuantitatif. Untuk membantu kita memperoleh persamaan tegangan permukaan, kita melihat dawai yang dibengkokkan untuk membentuk huruf U. Satu lagi dawai lurus dipasang pada kedua-dua kaki dawai U, di mana dawai lurus boleh digerakkan.
Jika dawai ini dimasukkan ke dalam sabun, maka selepas ditanggalkan akan membentuk lapisan air sabun pada permukaan dawai. Ia seperti apabila anda bermain buih sabun. Oleh kerana dawai lurus boleh digerakkan dan jisimnya tidak terlalu besar, lapisan air sabun akan memberikan daya tegangan permukaan pada dawai lurus supaya dawai lurus ke atas. Untuk mengelakkan dawai lurus daripada bergerak (dawai berada dalam keseimbangan), jumlah daya ke bawah diperlukan, di mana jumlah daya keseluruhan ialah F = w + T. Secara seimbang, F = daya tegangan permukaan yang dibawa oleh lapisan sabun pada dawai lurus.
Katakan panjang dawai lurus ialah l. Oleh kerana lapisan air sabun yang menyentuh dawai lurus mempunyai dua permukaan, daya tegangan permukaan yang dihasilkan oleh lapisan air sabun berfungsi sepanjang 2l. Tegangan permukaan dalam lapisan sabun adalah perbandingan antara Daya Tegangan Permukaan (F) dan panjang permukaan tempat daya berfungsi (d). Dalam kes ini, panjang permukaan ialah 2l. Secara matematik, ditulis:
Oleh kerana tegangan permukaan ialah nisbah antara daya tegangan permukaan dan panjang, unit tegangan permukaan ialah Newton per meter (N / m) atau dyne per sentimeter (dynes/cm).
Berikut adalah beberapa nilai Tegangan Permukaan yang diperoleh berdasarkan eksperimen.
Berdasarkan data Tegangan Permukaan, suhu mempengaruhi nilai tegangan permukaan bendalir. Secara amnya apabila terdapat peningkatan suhu, nilai tegangan permukaan berkurangan (Bandingkan tegangan permukaan air pada setiap suhu. Lihat jadual). Ini kerana apabila suhu meningkat, molekul cecair bergerak lebih pantas sehingga kesan interaksi antara molekul bendalir berkurangan. Akibatnya, nilai tegangan permukaan juga berkurangan.
Aplikasi Konsep Tegangan Permukaan dalam kehidupan seharian
Pernahkah anda bertanya, mengapa kita perlu mencuci pakaian dengan sabun? Masalahnya ialah pakaian yang kita basuh benar-benar bersih; air mesti melalui celah yang sangat sempit dalam gentian pakaian. Atas sebab ini, adalah perlu untuk meningkatkan luas permukaan air. Ini sangat sukar dilakukan kerana tegangan permukaan. Tidak dapat dielakkan nilai tegangan permukaan mesti diturunkan terlebih dahulu. Kita boleh mengurangkan tegangan permukaan dengan menggunakan air panas. Semakin tinggi suhu air, semakin baik kerana, semakin tinggi suhu air, semakin kecil tegangan permukaan (lihat jadual). Ini adalah alternatif pertama dan merupakan kaedah yang jarang digunakan. Pilihan lain ialah menggunakan sabun.
Pada suhu 20 o C, nilai tegangan permukaan air sabun ialah 25.00 mN/m. Cuba bandingkan antara sabun dan air panas, yang manakah merupakan nilai tegangan permukaan terkecil? Pada 100 o C, nilai tegangan permukaan air panas = 58.90. Pada suhu 20 o C, nilai tegangan permukaan sabun ialah 25.00 mN/m. Lebih menguntungkan untuk menggunakan sabun. Apakah yang dijelaskan di atas hanyalah salah satu faktor yang mempengaruhi?
Mengapakah sabun atau air itu berbuih bulat?
Gelembung sabun atau titisan air adalah bulat kerana ia dipengaruhi oleh tegangan permukaan. Pertama, kita membincangkan tentang gelembung sabun. Gelembung sabun mempunyai dua membran nipis di permukaan dan di antaranya terdapat lapisan air nipis.
Kehadiran tegangan permukaan menyebabkan membran mengecut dan cenderung untuk mengurangkan luas permukaannya. Apabila membran air sabun mengecut dan cuba meminimumkan luas permukaannya, terdapat perbezaan tekanan udara di bahagian luar membran (tekanan atmosfera) dan tekanan udara di bahagian dalam lapisan. Tekanan udara yang berada di luar lapisan (tekanan atmosfera) juga menolak membran air sabun semasa ia mengecut kerana tekanan udara di bahagian dalam membran adalah lebih kecil.
Selepas membran mengecut, udara di dalam (udara yang terperangkap di antara dua membran) ditindas, meningkatkan tekanan udara di dalam lapisan sehingga tiada pengecutan. Dalam erti kata lain, apabila tiada pengecutan lagi, jumlah tekanan udara di antara membran adalah sama dengan tekanan atmosfera + daya tegangan permukaan yang mengecutkan lapisan.
Kemudian bagaimana pula dengan titisan embun atau titisan air yang keluar dari paip? Begitu juga kerana punca utamanya ialah tegangan permukaan. Jika buih sabun mempunyai dua membran nipis pada dua permukaan, maka titisan air hanya mempunyai satu lapisan nipis, iaitu di bahagian luar titisan air. Bahagian dalamnya penuh dengan air. Disebabkan oleh daya kohesi, tegangan permukaan timbul. Bahagian luar titisan air ditarik ke dalam. Akibatnya, air mengecut dan cenderung untuk mengurangkan luas permukaannya. Tekanan atmosfera yang berada di luar juga menyekat titisan air. Pengecutan akan berhenti apabila tekanan di bahagian dalam air adalah sama dengan tekanan atmosfera + daya tegangan permukaan yang menyempitkan membran air.
