Zrozumienie napięcia powierzchniowego
Napięcie powierzchniowe występuje, ponieważ powierzchnia cieczy ma tendencję do sztywnienia, tworząc cienką błonę. Jest to spowodowane siłami spójności między cząsteczkami wody. Aby lepiej zrozumieć to wyjaśnienie, rozważmy poniższą ilustrację. Rozważmy ciecz w pojemniku.
Cząsteczki cieczy zazwyczaj przyciągają się wzajemnie. Wewnątrz cieczy każda cząsteczka cieczy jest otoczona z każdej strony przez inne cząsteczki; ale na powierzchni cieczy znajdują się tylko cząsteczki cieczy po bokach i poniżej. Nie ma żadnych innych cząsteczek cieczy powyżej. Ponieważ cząsteczki cieczy przyciągają się wzajemnie, wypadkowa siła na cząsteczki wewnątrz cieczy jest równa zero. I odwrotnie, cząsteczki cieczy na powierzchni są przyciągane przez cząsteczki cieczy po bokach i poniżej. W rezultacie na powierzchni cieczy występuje wypadkowa siła skierowana w dół. Z powodu tej wypadkowej siły skierowanej w dół, ciecz na powierzchni ma tendencję do zmniejszania swojej powierzchni, kurcząc się tak bardzo, jak to możliwe.
W rezultacie warstwa cieczy na powierzchni wygląda tak, jakby była pokryta cienką, elastyczną membraną.
Gdy klips zostanie ostrożnie umieszczony na powierzchni wody, cząsteczki wody znajdujące się na powierzchni zostaną lekko dociśnięte przez powaga klips, tak aby znajdujące się poniżej cząsteczki wody zapewniały siłę przywracającą skierowaną w górę, która podtrzymuje klips (pamiętaj ponownie elastyczność i prawo Hooke'a).
W rzeczywistości spinacze to nie jedyne, czego można użyć; mogą to być również inne przedmioty, takie jak igły. Jeśli ostrożnie umieścisz igłę na powierzchni wody, będzie ona unosić się na niej. To również dlatego owady mogą unosić się na wodzie.
Równanie napięcia powierzchniowego
Aby ułatwić sobie wyprowadzenie równania napięcia powierzchniowego, rozważmy przewód wygięty w kształt litery U. Do dwóch odnóg przewodu U przymocowano inny prosty przewód, który można przesuwać.
Jeśli ten drut zostanie zanurzony w roztworze mydła, po jego wyjęciu na jego powierzchni utworzy się warstwa wody z mydłem. Podobnie jak podczas puszczania baniek mydlanych. Ponieważ prosty drut można przesuwać, a jego masa nie jest zbyt duża, warstwa wody z mydłem zapewni siłę napięcia powierzchniowego na prosty drut, dzięki czemu będzie się on poruszał w górę (zwróć uwagę na kierunek strzałki). Aby zapobiec przesuwaniu się prostego drutu (drut jest w równowadze), potrzebna jest siła całkowita skierowana w dół, której wartość wynosi F = w + T. W stanie równowagi F = siła wywierana przez warstwę wody z mydłem na prosty drut.
Załóżmy, że długość prostego drutu wynosi l. Ponieważ warstwa wody z mydłem, która dotyka prostego drutu, ma dwie powierzchnie, siła generowana przez warstwę wody z mydłem działa na długości 2l. Napięcie powierzchniowe warstwy mydła jest stosunkiem siły (F) do długości powierzchni, na którą działa siła (d). W tym przypadku długość powierzchni wynosi 2l. Matematycznie zapisujemy to następująco:
Ponieważ napięcie powierzchniowe to stosunek siły do jednostki długości, jednostkami są niutony na metr (N/m) lub dyna na centymetr (dyn/cm).
Poniżej przedstawiono wartości napięcia powierzchniowego uzyskane na podstawie eksperymentów.
Na podstawie powyższych danych wydaje się, że temperatura wpływa na napięcie powierzchniowe cieczy. Generalnie, wraz ze wzrostem temperatury, wartość ta maleje. Dzieje się tak, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury cząsteczki cieczy poruszają się szybciej, zmniejszając interakcje między nimi. W konsekwencji, wartość napięcia powierzchniowego również maleje.
Zastosowanie w życiu codziennym
Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego pierzemy ubrania mydłem? Problem polega na tym, że aby uzyskać naprawdę czyste ubrania, woda musi przepłynąć przez bardzo wąskie szczeliny między włóknami. Wymaga to zwiększenia powierzchni wody. Jest to bardzo trudne do osiągnięcia ze względu na napięcie powierzchniowe. Niezależnie od tego, czy nam się to podoba, czy nie, najpierw musimy obniżyć napięcie powierzchniowe wody. Możemy to zrobić, używając gorącej wody. Im wyższa temperatura wody, tym lepiej, ponieważ im wyższa temperatura wody, tym niższe napięcie powierzchniowe (patrz tabela). To pierwsza opcja i jest rzadko stosowana, z wyjątkiem tych, którzy lubią bawić się gorącą wodą. Inną alternatywą jest użycie mydła.
W temperaturze 20 stopni oW temperaturze C napięcie powierzchniowe wody z mydłem wynosi 25,00 mN/m. Porównaj wodę z mydłem i gorącą wodę. Która ma najmniejszą wartość? W temperaturze 100°C. oC, wartość napięcia powierzchniowego gorącej wody = 58,90. W temperaturze 20 oW temperaturze C napięcie powierzchniowe wody z mydłem wynosi 25,00 mN/m. Użycie mydła jest korzystniejsze… woda też nie jest gorąca. Istnieją inne czynniki wpływające na skuteczność czyszczenia ubrań i ciała mydłem. Powyższe to tylko jeden z nich.
Dlaczego bańki mydlane i wodne są okrągłe?
Bańki mydlane, czyli krople wody, mają kulisty kształt ze względu na napięcie powierzchniowe. Omówmy najpierw bańki mydlane. Bańki mydlane mają na powierzchni dwie cienkie błony, a między nimi cienką warstwę wody.
Napięcie powierzchniowe powoduje kurczenie się membrany, co prowadzi do zmniejszenia jej powierzchni. Kiedy membrana z wodą mydlaną kurczy się i próbuje zmniejszyć swoją powierzchnię, powstaje różnica ciśnień powietrza między zewnętrzną stroną membrany (ciśnienie atmosferyczne) a jej wnętrzem. Ciśnienie powietrza na zewnątrz membrany (ciśnienie atmosferyczne) również popycha membranę z wodą mydlaną podczas jej kurczenia, ponieważ ciśnienie powietrza wewnątrz membrany jest niższe.
Po skurczeniu się błony, powietrze w jej wnętrzu (powietrze uwięzione między dwiema błonami) również ulega sprężeniu, co zwiększa ciśnienie wewnątrz błony, aż do ustania skurczu. Innymi słowy, po ustaniu skurczu ciśnienie powietrza między błonami jest równe ciśnieniu atmosferycznemu powiększonemu o siłę napięcia powierzchniowego, która powoduje skurcz błon.
A co z kroplami rosy i kroplami wody wypływającymi z kranu? Są one zasadniczo tym samym, ponieważ główną przyczyną jest napięcie powierzchniowe. Podczas gdy bańka mydlana ma dwie cienkie błony na obu powierzchniach, kropla wody ma tylko jedną cienką błonę, na zewnątrz. Wnętrze jest wypełnione wodą. Zewnętrzna część kropli jest wciągana do środka. W rezultacie woda kurczy się, zmniejszając swoją powierzchnię. Zewnętrzne ciśnienie atmosferyczne również pomaga ściskać kroplę wody. Kurczenie ustaje, gdy ciśnienie wewnątrz wody jest równe ciśnieniu atmosferycznemu powiększonemu o siłę, która kurczy błonę wodną.
