Forstå overflatespenning
Overflatespenning oppstår fordi overflaten av en væske har en tendens til å stivne, noe som skaper et tynt membranlignende utseende. Dette påvirkes av kohesjonskreftene mellom vannmolekylene. For å bedre forstå denne forklaringen, se på følgende illustrasjon. La oss se på en væske i en beholder.
Flytende molekyler tiltrekker seg vanligvis hverandre. Inne i en væske er hvert flytende molekyl omgitt av andre molekyler på hver side; men på overflaten av væsken er det bare væskemolekyler på sidene og under. Det er ingen andre væskemolekyler over. Fordi væskemolekyler tiltrekker hverandre, er det en nettokraft på null på molekylene i det indre av væsken. Motsatt tiltrekkes væskemolekyler på overflaten av væskemolekylene på sidene og under. Som et resultat er det en nettokraft på overflaten av væsken som er rettet nedover. På grunn av denne nettokraften nedover, har væsken på overflaten en tendens til å redusere overflatearealet sitt og krympe så mye som mulig.
Dette fører til at væskelaget på overflaten ser ut som om det er dekket av en tynn elastisk membran.
Når klipsen forsiktig plasseres på vannoverflaten, presses vannmolekylene på overflaten noe av tyngdekraften klipsen, slik at vannmolekylene som er plassert nedenfor gir en oppoverrettet kraft som støtter klipsen (husk igjen elastisitet og Hookes lov).
I virkeligheten er ikke binders det eneste du kan bruke; de kan også være andre gjenstander som nåler. Hvis du forsiktig plasserer en nål på vannoverflaten, vil den flyte. Det er også derfor insekter kan flyte på vann.
Overflatespenningsligning
For å hjelpe oss med å utlede overflatespenningsligningen, ser vi på en tråd som er bøyd til formen av bokstaven U. En annen rett tråd er festet til de to beina på U-tråden, hvor den rette tråden kan beveges.
Hvis denne tråden legges i en såpeløsning, vil det dannes et lag med såpevann på overflaten av tråden etter at den er fjernet. Ligner på når du leker såpebobler. Fordi den rette tråden kan beveges og massen ikke er for stor, vil laget med såpevann gi en overflatespenningskraft på den rette tråden slik at den rette tråden beveger seg oppover (merk pilens retning). For å hindre at den rette tråden beveger seg (tråden er i likevekt), trengs en total kraft som er rettet nedover, hvor størrelsen på den totale kraften er F = w + T. I likevekt er F = kraften som utøves av laget med såpevann på den rette tråden.
Anta at lengden på en rett tråd er l. Siden laget med såpevann som berører den rette tråden har to overflater, virker kraften som genereres av såpevannslaget langs en lengde på 2 l. Overflatespenningen på såpelaget er forholdet mellom kraften (F) og lengden på overflaten som kraften virker på (d). I dette tilfellet er lengden på overflaten 2 l. Matematisk skrives det:
Fordi overflatespenning er forholdet mellom kraft og lengdeenhet, er enhetene Newton per meter (N/m) eller dyn per centimeter (dyn/cm).
Følgende er noen overflatespenningsverdier oppnådd basert på eksperimenter.
Basert på dataene ovenfor ser det ut til at temperatur påvirker overflatespenningen til en væske. Generelt sett synker verdien når temperaturen øker. Dette er fordi væskemolekylene beveger seg raskere når temperaturen øker, noe som reduserer samspillet mellom væskemolekylene. Følgelig synker også overflatespenningsverdien.
Anvendelse i hverdagen
Har du noen gang lurt på hvorfor vi vasker klær med såpe? Problemet er at for å få virkelig rene klær, må vannet passere gjennom svært smale hull i fibrene. Dette krever at vannets overflateareal økes. Dette er svært vanskelig å oppnå på grunn av overflatespenningen. Enten du liker det eller ikke, må vannets overflatespenning senkes først. Vi kan senke overflatespenningen ved å bruke varmt vann. Jo høyere vanntemperatur, desto bedre, for jo høyere vanntemperatur, desto lavere er overflatespenningen (se tabell). Dette er det første alternativet og brukes sjelden, bortsett fra for de som liker å leke med varmt vann. Et annet alternativ er å bruke såpe.
Ved en temperatur på 20 oC, overflatespenningsverdien til såpevann er 25,00 mN/m. Prøv å sammenligne såpevann og varmt vann, hvilken har den minste verdien? Ved 100 oC, overflatespenningsverdien for varmt vann = 58,90. Ved en temperatur på 20 oC, overflatespenningen til såpevann er 25,00 mN/m. Det er mer fordelaktig å bruke såpe ... vannet er heller ikke varmt. Det finnes andre faktorer som påvirker hvor godt klærne eller kroppene våre kan rengjøres med såpe. Så det ovennevnte er bare én faktor.
Hvorfor er såpe- eller vannbobler runde?
Såpebobler, eller vanndråper, er sfæriske i formen på grunn av overflatespenning. La oss først snakke om såpebobler. Såpebobler har to tynne membraner på overflaten, med et tynt lag med vann mellom seg.
Overflatespenning får membranen til å trekke seg sammen, noe som har en tendens til å redusere overflatearealet. Når såpevannsmembranen trekker seg sammen og prøver å redusere overflatearealet, oppstår det en forskjell i lufttrykk mellom utsiden av membranen (atmosfærisk trykk) og innsiden av membranen. Lufttrykket utenfor membranen (atmosfærisk trykk) presser også såpevannsmembranen når den trekker seg sammen, fordi lufttrykket inne i membranen er lavere.
Etter at membranen trekker seg sammen, komprimeres også luften inni (luften som er fanget mellom de to membranene), noe som øker lufttrykket inne i membranen til sammentrekningen stopper. Med andre ord, når sammentrekningen stopper, er lufttrykket mellom membranene lik atmosfæretrykket + overflatespenningskraften som trekker membranene sammen.
Så hva med duggdråper eller vanndråper som kommer ut av en kran? De er i hovedsak det samme, ettersom hovedårsaken er overflatespenning. Mens en såpeboble har to tynne membraner på sine to overflater, har en vanndråpe bare én tynn membran, på utsiden av dråpen. Innsiden er fylt med vann. Utsiden av dråpen trekkes innover. Som et resultat trekker vannet seg sammen, noe som har en tendens til å redusere overflatearealet. Det ytre atmosfæriske trykket bidrar også til å komprimere vanndråpen. Sammentrekningen stopper når trykket på innsiden av vannet er lik atmosfærisk trykk pluss kraften som trekker sammen vannmembranen.
