Memahami Ketegangan Permukaan
Tegangan permukaan berlaku kerana permukaan cecair cenderung untuk mengeras, menghasilkan rupa seperti membran nipis. Ini dipengaruhi oleh daya kohesi antara molekul air. Untuk lebih memahami penjelasan ini, pertimbangkan ilustrasi berikut. Mari kita pertimbangkan cecair dalam bekas.
Molekul cecair biasanya menarik antara satu sama lain. Di dalam cecair, setiap molekul cecair dikelilingi oleh molekul lain pada setiap sisi; tetapi pada permukaan cecair, hanya terdapat molekul cecair di sisi dan bawah. Tiada molekul cecair lain di atas. Oleh kerana molekul cecair menarik antara satu sama lain, terdapat daya bersih sifar pada molekul di bahagian dalam cecair. Sebaliknya, molekul cecair di permukaan tertarik oleh molekul cecair di sisi dan bawah. Akibatnya, terdapat daya bersih di permukaan cecair yang diarahkan ke bawah. Disebabkan daya bersih ke bawah ini, cecair di permukaan cenderung untuk mengurangkan luas permukaannya, mengecil sebanyak mungkin.
Ini menyebabkan lapisan cecair di permukaan kelihatan seolah-olah ia diliputi oleh membran elastik yang nipis.
Apabila klip diletakkan dengan teliti di atas permukaan air, molekul air yang terletak di permukaan akan sedikit ditekan oleh graviti klip itu, supaya molekul air yang terletak di bawah memberikan daya pemulihan ke atas untuk menyokong klip itu (ingat sekali lagi keanjalan dan hukum Hooke).
Pada hakikatnya, klip kertas bukanlah satu-satunya benda yang boleh anda gunakan; ia juga boleh menjadi objek lain seperti jarum. Jika anda meletakkan jarum dengan berhati-hati di permukaan air, ia akan terapung. Inilah juga sebabnya serangga boleh terapung di atas air.
Persamaan Tegangan Permukaan
Untuk membantu kita memperoleh persamaan tegangan permukaan, kita pertimbangkan dawai yang dibengkokkan ke dalam bentuk huruf U. Satu lagi dawai lurus dipasang pada kedua-dua kaki dawai U, di mana dawai lurus itu boleh digerakkan.
Jika dawai ini dimasukkan ke dalam larutan sabun, maka selepas ia ditanggalkan, lapisan air sabun akan terbentuk pada permukaan dawai. Sama 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 bergerak ke atas (perhatikan arah anak panah). Untuk mengelakkan dawai lurus daripada bergerak (dawai berada dalam keseimbangan), jumlah daya diperlukan yang diarahkan ke bawah, di mana magnitud jumlah daya ialah F = w + T. Dalam keseimbangan, F = daya yang dikenakan oleh lapisan air sabun pada dawai lurus.
Katakan panjang dawai lurus ialah l. Oleh kerana lapisan air sabun yang menyentuh dawai lurus mempunyai dua permukaan, daya yang dihasilkan oleh lapisan air sabun bertindak sepanjang 2l. Tegangan permukaan pada lapisan sabun ialah nisbah antara Daya (F) dan panjang permukaan tempat daya bertindak (d). Untuk kes ini, panjang permukaan ialah 2l. Secara matematik, ia ditulis:
Oleh kerana tegangan permukaan ialah nisbah daya kepada unit panjang, unitnya ialah Newton per meter (N/m) atau dyne per sentimeter (dyn/cm).
Berikut adalah beberapa nilai Tegangan Permukaan yang diperoleh berdasarkan eksperimen.
Berdasarkan data di atas, nampaknya suhu mempengaruhi tegangan permukaan bendalir. Secara amnya, apabila suhu meningkat, nilainya berkurangan. Ini kerana apabila suhu meningkat, molekul cecair bergerak lebih pantas, sekali gus mengurangkan interaksi antara molekul cecair. Akibatnya, nilai tegangan permukaan juga berkurangan.
Aplikasi dalam kehidupan seharian
Pernahkah anda tertanya-tanya mengapa kita mencuci pakaian dengan sabun? Masalahnya, untuk mendapatkan pakaian yang benar-benar bersih, air mesti melalui celah yang sangat sempit pada gentian. Ini memerlukan peningkatan luas permukaan air. Ini sangat sukar dicapai kerana tegangan permukaan. Suka atau tidak, tegangan permukaan air mesti diturunkan terlebih dahulu. Kita boleh menurunkan tegangan permukaan dengan menggunakan air panas. Semakin tinggi suhu air, semakin baik, kerana semakin tinggi suhu air, semakin rendah tegangan permukaan (lihat jadual). Ini adalah alternatif pertama dan jarang digunakan, kecuali bagi mereka yang suka bermain dengan air panas. Alternatif lain ialah menggunakan sabun.
Pada suhu 20 oC, nilai tegangan permukaan air sabun ialah 25,00 mN/m. Cuba bandingkan air sabun dan air panas, yang manakah mempunyai nilai terkecil? Pada 100 oC, nilai tegangan permukaan air panas = 58,90. Pada suhu 20 oC, tegangan permukaan air sabun ialah 25,00 mN/m. Menggunakan sabun adalah lebih berfaedah… airnya juga tidak panas. Terdapat faktor lain yang mempengaruhi seberapa baik pakaian atau badan kita boleh dibersihkan dengan sabun. Jadi, perkara di atas hanyalah satu faktor.
Mengapakah gelembung sabun atau air berbentuk bulat?
Gelembung sabun, atau titisan air, berbentuk sfera disebabkan oleh tegangan permukaan. Mari kita bincangkan dahulu tentang gelembung sabun. Gelembung sabun mempunyai dua membran nipis di permukaannya, dengan lapisan air nipis di antaranya.
Tegangan permukaan menyebabkan membran mengecut, cenderung untuk mengurangkan luas permukaannya. Apabila membran air sabun mengecut dan cuba mengurangkan luas permukaannya, perbezaan tekanan udara timbul antara bahagian luar membran (tekanan atmosfera) dan bahagian dalam membran. Tekanan udara di luar membran (tekanan atmosfera) juga menolak membran air sabun semasa ia mengecut, kerana tekanan udara di dalam membran adalah lebih rendah.
Selepas membran mengecut, udara di dalam (udara yang terperangkap di antara kedua-dua membran) juga dimampatkan, meningkatkan tekanan udara di dalam membran sehingga pengecutan berhenti. Dalam erti kata lain, apabila pengecutan berhenti, tekanan udara di antara membran adalah sama dengan tekanan atmosfera + daya tegangan permukaan yang mengecutkan membran.
Jadi bagaimana pula dengan titisan embun atau titisan air yang keluar dari paip? Pada asasnya, kedua-duanya sama, kerana punca utamanya adalah tegangan permukaan. Walaupun gelembung sabun mempunyai dua membran nipis pada dua permukaannya, titisan air hanya mempunyai satu membran nipis, di bahagian luar titisan. Bahagian dalamnya dipenuhi dengan air. Bahagian luar titisan ditarik ke dalam. Akibatnya, air mengecut, cenderung untuk mengurangkan luas permukaannya. Tekanan atmosfera luaran juga membantu memampatkan titisan air. Pengecutan berhenti apabila tekanan di bahagian dalam air sama dengan tekanan atmosfera ditambah daya yang mengecutkan membran air.
