Inzicht in oppervlaktespanning
Oppervlaktespanning ontstaat doordat het oppervlak van een vloeistof de neiging heeft te verstijven, waardoor een dun, membraanachtig uiterlijk ontstaat. Dit wordt beïnvloed door de cohesiekrachten tussen watermoleculen. Om deze uitleg beter te begrijpen, bekijk de volgende illustratie. Laten we een vloeistof in een bakje beschouwen.
Vloeistofmoleculen trekken elkaar doorgaans aan. Binnenin een vloeistof wordt elk vloeistofmolecuul aan beide kanten omringd door andere moleculen; aan het oppervlak van de vloeistof bevinden zich echter alleen vloeistofmoleculen aan de zijkanten en eronder. Er zijn geen andere vloeistofmoleculen erboven. Omdat vloeistofmoleculen elkaar aantrekken, is de netto kracht op de moleculen in het inwendige van de vloeistof nul. Omgekeerd worden vloeistofmoleculen aan het oppervlak aangetrokken door de vloeistofmoleculen aan de zijkanten en eronder. Als gevolg hiervan is er een netto kracht aan het oppervlak van de vloeistof die naar beneden is gericht. Door deze netto kracht naar beneden heeft de vloeistof aan het oppervlak de neiging om zijn oppervlakte te verkleinen en zo veel mogelijk te krimpen.
Hierdoor lijkt de vloeistoflaag op het oppervlak alsof deze bedekt is met een dun, elastisch membraan.
Wanneer de clip voorzichtig op het wateroppervlak wordt geplaatst, worden de watermoleculen aan het oppervlak enigszins samengedrukt door de clip. zwaartekracht de clip, zodat de watermoleculen eronder een opwaartse, herstellende kracht uitoefenen om de clip te ondersteunen (onthoud dit nog eens). elasticiteit en de wet van Hooke).
In werkelijkheid zijn paperclips niet het enige dat je kunt gebruiken; het kunnen ook andere voorwerpen zijn, zoals naalden. Als je een naald voorzichtig op het wateroppervlak legt, blijft hij drijven. Dit is ook de reden waarom insecten op water kunnen drijven.
Oppervlaktespanningsvergelijking
Om de vergelijking voor de oppervlaktespanning af te leiden, beschouwen we een draad die in een U-vorm is gebogen. Aan de twee uiteinden van de U-vormige draad is een rechte draad bevestigd, die beweegbaar is.
Als deze draad in een zeepoplossing wordt geplaatst, vormt zich na het verwijderen een laagje zeepwater op het oppervlak van de draad. Vergelijkbaar met het spelen met zeepbellen. Omdat de rechte draad kan worden bewogen en de massa ervan niet te groot is, oefent het laagje zeepwater een oppervlaktespanning uit op de rechte draad, waardoor deze omhoog beweegt (let op de richting van de pijl). Om te voorkomen dat de rechte draad beweegt (de draad is in evenwicht), is een totale kracht nodig die naar beneden is gericht, waarbij de grootte van de totale kracht F = w + T is. In evenwicht is F = de kracht die het laagje zeepwater uitoefent op de rechte draad.
Stel dat de lengte van een rechte draad l is. Omdat de laag zeepwater die de rechte draad raakt twee oppervlakken heeft, werkt de kracht die door de zeepwaterlaag wordt gegenereerd langs een lengte van 2l. De oppervlaktespanning op de zeeplaag is de verhouding tussen de kracht (F) en de lengte van het oppervlak waarop de kracht werkt (d). In dit geval is de lengte van het oppervlak 2l. Mathematisch wordt dit geschreven als:
Omdat oppervlaktespanning de verhouding is tussen kracht en lengte-eenheid, zijn de eenheden Newton per meter (N/m) of dyne per centimeter (dyn/cm).
Hieronder volgen enkele waarden voor de oppervlaktespanning die zijn verkregen op basis van experimenten.
Op basis van bovenstaande gegevens blijkt dat de temperatuur de oppervlaktespanning van een vloeistof beïnvloedt. Over het algemeen neemt de oppervlaktespanning af naarmate de temperatuur stijgt. Dit komt doordat de vloeistofmoleculen sneller bewegen bij een hogere temperatuur, waardoor de interactie tussen de moleculen afneemt. Bijgevolg neemt ook de oppervlaktespanning af.
Toepassing in het dagelijks leven
Heb je je ooit afgevraagd waarom we kleding met zeep wassen? Het probleem is dat water, om echt schone kleding te krijgen, door zeer smalle openingen in de vezels moet kunnen dringen. Dit vereist een vergroting van het wateroppervlak. Dit is echter lastig te bereiken vanwege de oppervlaktespanning. Of je het nu leuk vindt of niet, de oppervlaktespanning van het water moet 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 het eerste alternatief en wordt zelden gebruikt, behalve door mensen die graag met heet water spelen. Een ander alternatief is het gebruik van zeep.
Bij een temperatuur van 20 oC, de oppervlaktespanning van zeepwater is 25,00 mN/m. Vergelijk zeepwater en heet water: welke heeft de laagste waarde? Bij 100 oC, de oppervlaktespanning van heet water = 58,90. Bij een temperatuur van 20 oC. De oppervlaktespanning van zeepwater is 25,00 mN/m. Het gebruik van zeep is voordeliger... het water is ook niet heet. Er zijn andere factoren die van invloed zijn op hoe goed onze kleding of ons lichaam met zeep gereinigd kunnen worden. Bovenstaande is dus slechts één factor.
Waarom zijn zeepbellen of waterbellen rond?
Zeepbellen, of waterdruppels, zijn bolvormig vanwege de oppervlaktespanning. Laten we eerst eens zeepbellen bespreken. Zeepbellen hebben twee dunne membranen aan hun oppervlak, met daartussen een dun laagje water.
Oppervlaktespanning zorgt ervoor dat het membraan samentrekt, waardoor het oppervlak kleiner wordt. Wanneer het zeepwatermembraan samentrekt en probeert het oppervlak te verkleinen, ontstaat er een verschil in luchtdruk tussen de buitenkant van het membraan (atmosferische druk) en de binnenkant van het membraan. De luchtdruk buiten het membraan (atmosferische druk) duwt het zeepwatermembraan ook naar beneden terwijl het samentrekt, omdat de luchtdruk binnenin het membraan lager is.
Nadat het membraan samentrekt, wordt ook de lucht binnenin (de lucht die tussen de twee membranen is opgesloten) samengedrukt, waardoor de luchtdruk binnen het membraan toeneemt totdat de samentrekking stopt. Met andere woorden, wanneer de samentrekking stopt, is de luchtdruk tussen de membranen gelijk aan de atmosferische druk plus de oppervlaktespanning die de membranen doet samentrekken.
En hoe zit het dan met dauwdruppels of waterdruppels uit een kraan? Die zijn in wezen hetzelfde, omdat de voornaamste oorzaak oppervlaktespanning is. Terwijl een zeepbel twee dunne membranen aan de buitenkant heeft, heeft een waterdruppel er maar één, aan de buitenkant. De binnenkant is gevuld met water. De buitenkant van de druppel wordt naar binnen getrokken. Daardoor krimpt het water, waardoor het oppervlak kleiner wordt. De externe atmosferische druk helpt ook mee om de waterdruppel samen te drukken. De samentrekking stopt wanneer de druk aan de binnenkant van het water gelijk is aan de atmosferische druk plus de kracht die het watermembraan doet samentrekken.
