Bawiłeś się kiedyś bańkami mydlanymi? Bańki mydlane są okrągłe. Zabawne. Można je nadmuchać. Po locie bańki mydlane pękają. Wow, to świetna zabawa, gra z dzieciństwa. Dlaczego bańki mydlane są okrągłe?
Proszę, obudź się rano i spójrz na liście wokół domu. Przyjrzyj się kropelkom rosy przyczepionym do liści. To dziwne; krople rosy są okrągłe. Jak to możliwe?
Napięcie powierzchniowe występuje, ponieważ powierzchnia cieczy ma tendencję do napinania się, przez co wygląda jak cienka membrana. Wpływ na to ma siła spójności między cząsteczkami wody. Aby lepiej zrozumieć to wyjaśnienie, rozważmy poniższą ilustrację. Przyjrzyjmy się cieczy w pojemniku.
Wewnątrz cieczy każda cząsteczka cieczy jest otoczona z każdej strony przez inne cząsteczki; ale na powierzchni cieczy znajdują się tylko cząsteczki cieczy poniżej. Na górze nie ma innych cząsteczek cieczy. Ponieważ cząsteczki cieczy przyciągają się wzajemnie, całkowita siła w cząsteczce znajdującej się wewnątrz cieczy wynosi zero. Natomiast cząsteczki cieczy znajdujące się na powierzchni są przyciągane przez cząsteczki cieczy znajdujące się na dole. W rezultacie na powierzchni cieczy działa całkowita siła skierowana w dół. Z powodu wypadkowej siły skierowanej w dół, ciecz znajdująca się na powierzchni ma tendencję do zmniejszania swojej powierzchni, kurcząc się tak mocno, jak to możliwe.
W efekcie warstwa cieczy na powierzchni sprawia wrażenie pokrytej cienką, elastyczną membraną. Zjawisko to znane jest jako napięcie powierzchniowe.
Gdy klips zostanie ostrożnie umieszczony na powierzchni wody, cząsteczki wody znajdujące się na powierzchni są lekko dociskane przez grawitację klipsa, tak aby cząsteczki wody znajdujące się poniżej wytwarzały siłę przywracającą, która podtrzymuje klips.
W rzeczywistości nie chodzi tylko o spinacze czy spinacze do papieru, ale także o inne rzeczy, takie jak igły. Jeśli ostrożnie umieścimy igłę nad powierzchnią wody, będzie się ona unosić. Napięcie powierzchniowe cieczy jest również powodem, dla którego owady mogą unosić się na wodzie.
Równanie napięcia powierzchniowego
W poprzedniej dyskusji analizowaliśmy pojęcie napięcia powierzchniowego w ujęciu jakościowym (nie ma równania matematycznego). Teraz omówimy napięcie powierzchniowe w ujęciu ilościowym. Aby ułatwić sobie wyprowadzenie równania napięcia powierzchniowego, przyjrzymy się drutowi zgiętemu w kształt litery U. Do dwóch odnóg drutu U przymocowany jest kolejny prosty drut, który można przesuwać.
Jeśli ten drut zostanie włożony do mydła, po jego wyjęciu na jego powierzchni utworzy się warstwa wody z mydłem. To tak, jak podczas puszczania baniek mydlanych. Ponieważ prosty drut można przesuwać, a masa nie jest zbyt duża, warstwa wody z mydłem nada mu siłę napięcia powierzchniowego, dzięki czemu będzie się on poruszał prosto w górę. Aby zapobiec przesuwaniu się prostego drutu (drut jest w stanie równowagi), potrzebna jest całkowita siła skierowana w dół, gdzie wartość całkowitej siły wynosi F = w + T. W stanie równowagi F = siła napięcia powierzchniowego przenoszona przez warstwę mydła na prosty drut.
Załóżmy, że długość prostego drutu wynosi l. Ponieważ warstwa wody z mydłem, która styka się z prostym drutem, ma dwie powierzchnie, siła napięcia powierzchniowego generowana przez warstwę wody z mydłem działa wzdłuż 2l. Napięcie powierzchniowe w warstwie mydła jest porównaniem siły napięcia powierzchniowego (F) z długością powierzchni, na której działa siła (d). W tym przypadku długość powierzchni wynosi 2l. Matematycznie, zapisując:
Ponieważ napięcie powierzchniowe to stosunek siły napięcia powierzchniowego do długości, jednostką napięcia powierzchniowego jest niuton na metr (N/m) lub dyna na centymetr (dyny/cm).
Poniżej przedstawiono wartości napięcia powierzchniowego uzyskane na podstawie eksperymentów.
Na podstawie danych napięcia powierzchniowego, temperatura wpływa na wartość napięcia powierzchniowego cieczy. Zazwyczaj wraz ze wzrostem temperatury wartość napięcia powierzchniowego maleje (porównaj napięcie powierzchniowe wody w każdej temperaturze, patrz tabela). Dzieje się tak, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury cząsteczki cieczy poruszają się szybciej, co powoduje zmniejszenie efektu oddziaływania między cząsteczkami cieczy. W rezultacie wartość napięcia powierzchniowego również maleje.
Zastosowanie koncepcji napięcia powierzchniowego w życiu codziennym
Czy kiedykolwiek zastanawiałeś się, dlaczego powinniśmy prać ubrania mydłem? Problem polega na tym, że prane ubrania są naprawdę czyste; woda musi przepłynąć przez bardzo wąską szczelinę we włóknach odzieży. Z tego powodu konieczne jest zwiększenie powierzchni wody. Cóż, jest to bardzo trudne ze względu na napięcie powierzchniowe. Nieuchronnie najpierw należy obniżyć wartość napięcia powierzchniowego. Napięcie powierzchniowe można zmniejszyć, używając gorącej wody. Im wyższa temperatura wody, tym lepiej, ponieważ im wyższa temperatura wody, tym mniejsze napięcie powierzchniowe (patrz tabela). To pierwsza i rzadko stosowana metoda. Inną opcją jest użycie mydła.
W temperaturze 20 oW temperaturze C napięcie powierzchniowe wody mydlanej wynosi 25.00 mN/m. Porównaj napięcie powierzchniowe mydła i gorącej wody. Która wartość jest najmniejsza? Przy 100°C. oC, wartość napięcia powierzchniowego gorącej wody = 58.90. W temperaturze 20 oC, napięcie powierzchniowe mydła wynosi 25.00 mN/m. Bardziej opłacalne jest użycie mydła. Czy to, co wyjaśniono powyżej, jest tylko jednym z czynników wpływających?
Dlaczego bańka mydlana lub wodna jest okrągła?
Bańki mydlane, czyli krople wody, są okrągłe, ponieważ działają na nie napięcie powierzchniowe. Najpierw omówimy bańki mydlane. Bańki mydlane mają na powierzchni dwie cienkie błony, a między nimi cienkie warstwy wody.
Obecność napięcia powierzchniowego powoduje kurczenie się membrany i zmniejszanie jej powierzchni. Kiedy membrana z wodą mydlaną kurczy się i dąży do zminimalizowania swojej powierzchni, występuje różnica między ciśnieniem powietrza na zewnątrz membrany (ciśnienie atmosferyczne) a ciśnieniem powietrza wewnątrz warstwy. Ciśnienie powietrza na zewnątrz warstwy (ciśnienie atmosferyczne) również popycha membranę z wodą mydlaną podczas jej kurczenia, ponieważ ciśnienie powietrza wewnątrz membrany jest mniejsze.
Po skurczeniu się membrany, powietrze w jej wnętrzu (powietrze uwięzione między dwiema membranami) zostaje stłumione, co zwiększa ciśnienie powietrza wewnątrz warstwy, aż do momentu ustania skurczu. Innymi słowy, gdy skurcz ustanie, ciśnienie powietrza między membranami jest równe ciśnieniu atmosferycznemu powiększonemu o siłę napięcia powierzchniowego, która marszczy warstwę.
A co z kroplami rosy lub kroplami wody wypływającymi z kranu? To samo, ponieważ główną przyczyną jest napięcie powierzchniowe. Jeśli bańki mydlane mają dwie cienkie błony na dwóch powierzchniach, to krople wody mają tylko jedną cienką warstwę, która znajduje się na zewnątrz kropli wody. Wnętrze jest wypełnione wodą. Z powodu siły spójności powstaje napięcie powierzchniowe. Zewnętrzna część kropli wody jest wciągana. W rezultacie woda kurczy się i zmniejsza swoją powierzchnię. Ciśnienie atmosferyczne na zewnątrz również tłumi krople wody. Kurczenie ustanie, gdy ciśnienie wewnątrz wody będzie równe ciśnieniu atmosferycznemu + siła napięcia powierzchniowego, która zwęża błonę wodną.
