Har du noen gang lekt såpebobler? Såpeboble rund. Morsomt. Kan blåses. Etter å ha fløyet, sprekker såpebobler. Wow, det er gøy, en barndomslek. Hvorfor er såpebobler runde?
Våkn opp om morgenen, og legg så merke til bladene rundt huset. Legg merke til duggdråpene som fester seg til bladene. Det er merkelig; duggdråper er runde. Hvordan kan det være sånn?
Overflatespenning oppstår fordi væskens overflate har en tendens til å strammes slik at overflaten ser ut som en tynn membran. Dette påvirkes av kohesjonskraften mellom vannmolekylene. For å bedre forstå denne forklaringen, se på følgende illustrasjon. Vi ser på væsken i en beholder.
Inne i væsken er hvert væskemolekyl omgitt av andre molekyler på hver side; men på overflaten av væsken er det bare væskemolekyler under. På toppen er det ingen andre væskemolekyler. Fordi væskemolekylene tiltrekker hverandre, er det en total kraft på null i molekylet som er inne i væsken. I motsetning til dette trekkes væskemolekylene som befinner seg på overflaten av væskepartiklene som er på bunnen. Som et resultat er det på overflaten av væsken en total kraft som er rettet nedover. På grunn av nettokraften nedover, har væsken som befinner seg på overflaten en tendens til å redusere overflatearealet sitt ved å krympe så mye som mulig.
Dette fører til at væskelaget på overflaten ser ut som om det er dekket av en tynn elastisk membran. Dette fenomenet er kjent som overflatespenning.
[IRP]
Når klipsen forsiktig plasseres på vannoverflaten, presses vannmolekylene på overflaten litt av klipsens tyngdekraft, slik at vannmolekylene under gir opprettingskraften opp for å støtte klipsen.
I virkeligheten er det ikke bare binders eller binders, men også andre ting som nåler. Hvis vi forsiktig plasserer nålen over vannoverflaten, vil nålen flyte. Overflatespenningen til væsken er også grunnen til at insekter kan flyte på vann.
Ligningen for overflatespenning
I den forrige diskusjonen har vi studert konseptet overflatespenning kvalitativt (det finnes ingen matematisk ligning). Nå gjennomgår vi overflatespenningen kvantitativt. For å hjelpe oss med å utlede overflatespenningsligningen ser vi på en tråd som er bøyd for å danne bokstaven U. En annen rett tråd er festet til de to beina på U-tråden, hvor den rette tråden kan beveges.
Hvis denne tråden føres inn i såpen, vil den danne et lag med såpevann på overflaten av tråden etter at den er fjernet. Det er som når du leker såpebobler. Fordi den rette tråden kan beveges og massen ikke er for stor, vil laget med såpevann gi overflatespenningskraften på den rette tråden slik at tråden går rett opp. For å hindre at den rette tråden beveger seg (tråden er i likevekt), trengs en total nedadgående kraft, der mengden av den totale kraften er F = w + T. I balanse er F = kraften av overflatespenningen som bæres av såpelaget på den rette tråden.
Anta at lengden på en rett tråd er l. Fordi laget med såpevann som berører en rett tråd har to overflater, virker overflatespenningskraften som genereres av laget med såpevann langs 2l. Overflatespenningen i såpelaget er en sammenligning mellom overflatespenningskraften (F) og overflatelengden som kraften virker på (d). I dette tilfellet er overflatelengden 2l. Matematisk skrevet:
Fordi overflatespenning er forholdet mellom overflatespenningskraften og lengden, er overflatespenningsenheten Newton per meter (N/m) eller dyn per centimeter (dyn/cm).
Følgende er noen overflatespenningsverdier oppnådd basert på eksperimenter.
Basert på overflatespenningsdataene påvirker temperaturen verdien av væskens overflatespenning. Generelt sett synker verdien av overflatespenningen når temperaturen øker (sammenlign overflatespenningen til vann ved hver temperatur. Se tabell). Dette er fordi når temperaturen øker, beveger væskemolekylene seg raskere, slik at effekten av interaksjon mellom væskemolekylene avtar. Som et resultat av dette synker også overflatespenningsverdien.
Anvendelse av overflatespenningskonsepter i hverdagen
Har du noen gang spurt hvorfor vi skal vaske klær med såpe? Problemet er at klærne vi vasker er veldig rene; vannet må passere gjennom en veldig smal spalte i klesfibrene. Av denne grunn er det nødvendig å øke vannoverflatearealet. Vel, dette er veldig vanskelig å gjøre på grunn av overflatespenningen. Overflatespenningen må uunngåelig senkes først. Vi kan redusere overflatespenningen ved å bruke varmt vann. Jo høyere vanntemperatur, desto bedre, fordi jo høyere vanntemperatur, desto mindre er overflatespenningen (se tabell). Dette er det første alternativet og er en sjelden brukt metode. Et annet alternativ er å bruke såpe.
Ved en temperatur på 20 ° C er overflatespenningen til såpevannet 25.00 mN/m². Prøv å sammenligne såpe og varmt vann. Hva er den minste overflatespenningen? Ved 100 ° C er overflatespenningen til varmtvannet = 58.90. Ved en temperatur på 20 ° C er overflatespenningen til såpe 25.00 mN/m². Det er mer lønnsomt å bruke såpe. Det som er forklart ovenfor er bare én av de påvirkende faktorene.
Hvorfor er såpe- eller vannboblen rund?
Såpebobler eller vanndråper er runde fordi de påvirkes av overflatespenning. Først diskuterer vi såpebobler. Såpebobler har to tynne membraner på overflaten, og mellom dem er det tynne lag med vann.
Overflatespenningen fører til at membranen trekker seg sammen og har en tendens til å redusere overflatearealet. Når såpevannsmembranen trekker seg sammen og prøver å minimere overflatearealet, er det en forskjell i lufttrykket på utsiden av membranen (atmosfærisk trykk) og lufttrykket på innsiden av laget. Lufttrykket utenfor laget (atmosfærisk trykk) presser også membranen til såpevannet når det trekker seg sammen fordi lufttrykket på innsiden av membranen er mindre.
Etter at membranen har trukket seg sammen, undertrykkes luften inni (luften som er fanget mellom de to membranene), noe som øker lufttrykket inne i laget til det ikke lenger er noen sammentrekning. Med andre ord, når det ikke lenger er noen sammentrekning, er mengden lufttrykk mellom membranene den samme som atmosfæretrykket + kraften fra overflatespenningen som rynker laget.
Hva med duggdråper eller vanndråper som kommer ut av kranen? Det samme fordi den primære årsaken er overflatespenning. Hvis såpebobler har to tynne membraner på to overflater, har vanndråpene bare ett tynt lag, som er på utsiden av vanndråpene. Innsiden er full av vann. På grunn av kohesjonskraften oppstår overflatespenning. Den ytre delen av vanndråpen trekkes inn. Som et resultat trekker vannet seg sammen og har en tendens til å redusere overflatearealet. Det atmosfæriske trykket som er utenfor undertrykker også vanndråpene. Sammentrekningen vil stoppe når trykket på innsiden av vannet er lik atmosfærisk trykk + kraften fra overflatespenningen som trekker sammen vannmembranen.
