Heb je ooit met zeepbellen gespeeld? Zeepbellen zijn rond. Grappig. Je kunt ze opblazen. Na het vliegen knappen de zeepbellen. Wauw, het is leuk, een spelletje uit je kindertijd. Waarom zijn zeepbellen rond?
Word 's ochtends wakker en kijk eens naar de bladeren rondom het huis. Observeer de dauwdruppels die aan de bladeren hangen. Het is vreemd; dauwdruppels zijn rond. Hoe kan dat?
Oppervlaktespanning ontstaat doordat het oppervlak van de vloeistof de neiging heeft zich samen te trekken, waardoor het oppervlak eruitziet als een dun membraan. Dit wordt beïnvloed door de cohesiekracht tussen watermoleculen. Om deze uitleg beter te begrijpen, bekijk de volgende afbeelding. We bekijken de vloeistof in een bakje.
Binnenin de vloeistof wordt elk vloeistofmolecuul aan beide kanten omringd door andere moleculen; aan het oppervlak van de vloeistof bevinden zich echter alleen vloeistofmoleculen. Aan de bovenkant zijn geen andere vloeistofmoleculen. Omdat de vloeistofmoleculen elkaar aantrekken, is de totale kracht op de moleculen binnenin de vloeistof nul. Daarentegen worden de vloeistofmoleculen aan het oppervlak aangetrokken door de vloeistofdeeltjes op de bodem. Als gevolg hiervan is er aan het oppervlak van de vloeistof een totale kracht die naar beneden is gericht. Door deze netto neerwaartse kracht heeft de vloeistof aan het oppervlak de neiging om zijn oppervlakte te verkleinen door zo sterk mogelijk te krimpen.
Hierdoor lijkt de vloeistoflaag op het oppervlak alsof deze bedekt is met een dun, elastisch membraan. Dit verschijnsel staat bekend als oppervlaktespanning.
Wanneer de clip voorzichtig op het wateroppervlak wordt geplaatst, worden de watermoleculen aan het oppervlak lichtjes samengedrukt door de zwaartekracht van de clip, waardoor de watermoleculen eronder een terugverende kracht uitoefenen om de clip te ondersteunen.
In werkelijkheid gaat het niet alleen om paperclips, maar ook om andere dingen zoals naalden. Als we de naald voorzichtig boven het wateroppervlak houden, zal de naald blijven drijven. De oppervlaktespanning van de vloeistof is ook de reden waarom insecten op water kunnen drijven.
De vergelijking van oppervlaktespanning
In de vorige bespreking hebben we het concept van oppervlaktespanning kwalitatief bestudeerd (er bestaat geen wiskundige vergelijking). Nu bekijken we de oppervlaktespanning kwantitatief. Om ons te helpen de vergelijking voor oppervlaktespanning af te leiden, bekijken we een draad die in de vorm van een U is gebogen. Aan de twee poten van de U-vormige draad is een rechte draad bevestigd, die beweegbaar is.
Als deze draad in de zeep wordt gestoken, vormt zich na het verwijderen een laagje zeepwater op het oppervlak van de draad. Het is net als spelen met zeepbellen. Omdat de rechte draad kan bewegen en de massa niet te groot is, oefent het laagje zeepwater een oppervlaktespanning uit op de rechte draad, waardoor de draad recht omhoog gaat. Om te voorkomen dat de rechte draad beweegt (de draad is in evenwicht), is een totale neerwaartse kracht nodig, waarbij de grootte van de totale kracht F = w + T is. In evenwicht is F = de oppervlaktespanning die het laagje zeep op de rechte draad uitoefent.
Stel dat de lengte van een rechte draad l is. Omdat de laag zeepwater die de rechte draad raakt twee oppervlakken heeft, werkt de oppervlaktespanningskracht die door de laag zeepwater wordt opgewekt langs een lengte van 2l. De oppervlaktespanning in de zeeplaag is een vergelijking tussen de oppervlaktespanningskracht (F) en de lengte van het oppervlak waarop de kracht werkt (d). In dit geval is de lengte van het oppervlak 2l. Mathematisch geschreven:
Omdat oppervlaktespanning de verhouding is tussen de oppervlaktespanningskracht en de lengte, is de eenheid van oppervlaktespanning Newton per meter (N/m) of dyne per centimeter (dynes/cm).
Hieronder volgen enkele waarden voor de oppervlaktespanning die zijn verkregen op basis van experimenten.
Op basis van de gegevens over oppervlaktespanning blijkt dat de temperatuur de waarde van de oppervlaktespanning van een vloeistof beïnvloedt. Over het algemeen neemt de oppervlaktespanning af naarmate de temperatuur stijgt (vergelijk de oppervlaktespanning van water bij verschillende temperaturen. Zie tabel). Dit komt doordat de vloeistofmoleculen sneller bewegen bij een hogere temperatuur, waardoor de interactie tussen de moleculen afneemt. Als gevolg hiervan daalt ook de oppervlaktespanning.
Toepassing van oppervlaktespanningsconcepten in het dagelijks leven
Heb je je ooit afgevraagd waarom we kleding met zeep zouden wassen? Het probleem is dat de kleding die we wassen echt schoon is; het water moet door een zeer smalle opening in de kledingvezels heen. Daarom is het nodig om het wateroppervlak te vergroten. Dat is echter erg moeilijk vanwege de oppervlaktespanning. De oppervlaktespanning moet dus eerst verlaagd worden. We kunnen de oppervlaktespanning verlagen door heet water te gebruiken. Hoe hoger de watertemperatuur, hoe beter, want hoe hoger de watertemperatuur, hoe lager de oppervlaktespanning (zie tabel). Dit is de eerste optie en een methode die zelden wordt gebruikt. Een andere mogelijkheid is om zeep te gebruiken.
Bij een temperatuur van 20 oC, de oppervlaktespanning van zeepwater is 25.00 mN/m. Vergelijk zeepwater en heet water: welke heeft de laagste oppervlaktespanning? Bij 100 oC, de waarde van de oppervlaktespanning van heet water = 58.90. Bij een temperatuur van 20 oC, de oppervlaktespanning van zeep is 25.00 mN/m. Het is voordeliger om zeep te gebruiken. Wat hierboven is uitgelegd, is slechts één van de beïnvloedende factoren.
Waarom is een zeepbel of waterbel rond?
Zeepbellen of waterdruppels zijn rond omdat ze beïnvloed worden door oppervlaktespanning. Laten we eerst zeepbellen bespreken. Zeepbellen hebben twee dunne membranen aan de oppervlakte en daartussen bevinden zich dunne waterlaagjes.
De aanwezigheid van oppervlaktespanning zorgt ervoor dat het membraan samentrekt en het oppervlak ervan kleiner wordt. Wanneer het zeepwatermembraan samentrekt en probeert het oppervlak te minimaliseren, ontstaat er een verschil tussen de luchtdruk aan de buitenkant van het membraan (atmosferische druk) en de luchtdruk aan de binnenkant van de laag. De luchtdruk aan de buitenkant van de laag (atmosferische druk) duwt het zeepwatermembraan ook naar binnen wanneer het samentrekt, omdat de luchtdruk aan de binnenkant van het membraan lager is.
Nadat het membraan is samengetrokken, wordt de lucht binnenin (de lucht die tussen de twee membranen is opgesloten) samengedrukt, waardoor de luchtdruk binnen de laag toeneemt totdat er geen samentrekking meer optreedt. Met andere woorden, wanneer er geen samentrekking meer is, is de luchtdruk tussen de membranen gelijk aan de atmosferische druk plus de kracht van de oppervlaktespanning die de laag rimpelt.
En hoe zit het dan met dauwdruppels of waterdruppels uit de kraan? Hetzelfde principe, want de voornaamste oorzaak is oppervlaktespanning. Zeepbellen hebben twee dunne membranen aan de buitenkant, terwijl waterdruppels slechts één dun laagje hebben, aan de buitenkant. De binnenkant is gevuld met water. Door de cohesiekracht ontstaat oppervlaktespanning. De buitenkant van de waterdruppel wordt naar binnen getrokken. Hierdoor krimpt het water en neemt het oppervlak af. De atmosferische druk buiten de druppel oefent ook druk uit op de waterdruppel. De krimp stopt wanneer de druk binnenin het water gelijk is aan de atmosferische druk plus de kracht van de oppervlaktespanning die het watermembraan samentrekt.
