Te-ai jucat vreodată cu baloanele de săpun? Baloanele de săpun sunt rotunde. Amuzant. Pot fi suflate. După ce zboară, baloanele de săpun explodează. Uau, e distractiv, un joc din copilărie. De ce sunt rotunde baloanele de săpun?
Te rog să te trezești dimineața și apoi să observi frunzele din jurul casei. Observă picăturile de rouă lipite de frunze. E ciudat; picăturile de rouă sunt rotunde. Cum poate fi așa?
Tensiunea superficială apare deoarece suprafața lichidului tinde să se strângă, astfel încât suprafața arată ca o membrană subțire. Acest lucru este influențat de forța de coeziune dintre moleculele de apă. Pentru a înțelege mai bine această explicație, luați în considerare următoarea ilustrație. Examinăm lichidul dintr-un recipient.
În interiorul lichidului, fiecare moleculă de lichid este înconjurată de alte molecule pe fiecare parte; dar la suprafața lichidului, există doar molecule de lichid dedesubt. În partea de sus, nu există alte molecule de lichid. Deoarece moleculele de lichid se atrag reciproc, există o forță totală zero în molecula aflată în interiorul lichidului. În schimb, moleculele de lichid situate la suprafață sunt trase de particulele de fluid aflate la bază. Drept urmare, la suprafața lichidului, există o forță totală îndreptată în jos. Din cauza forței nete în jos, lichidul situat la suprafață tinde să-și reducă suprafața, micșorându-se cât mai mult posibil.
Acest lucru face ca stratul de lichid de la suprafață să pară acoperit de o membrană elastică subțire. Acest fenomen este cunoscut sub numele de tensiune superficială.
Când clema este plasată cu grijă pe suprafața apei, moleculele de apă situate la suprafață sunt ușor presate de gravitația clemei, astfel încât moleculele de apă situate dedesubt oferă forța de restaurare pentru a susține clema.
În realitate, nu este vorba doar de agrafe sau agrafe de hârtie, ci și de alte lucruri, cum ar fi acele. Dacă plasăm cu grijă acul deasupra suprafeței apei, acesta va pluti. Tensiunea superficială a lichidului este, de asemenea, motivul pentru care insectele pot pluti pe apă.
Ecuația tensiunii superficiale
În discuția anterioară, am studiat conceptul de tensiune superficială calitativ (nu există o ecuație matematică). Acum vom analiza tensiunea superficială cantitativ. Pentru a ne ajuta să deducem ecuația tensiunii superficiale, vom analiza un fir îndoit pentru a forma litera U. Un alt fir drept este atașat la cele două picioare ale firului U, unde firul drept poate fi deplasat.
Dacă acest fir este introdus în săpun, după scoaterea lui se va forma un strat de apă cu săpun pe suprafața firului. Este ca atunci când te joci cu baloanele de săpun. Deoarece firul drept se poate mișca și masa nu este prea mare, stratul de apă cu săpun va da forța de tensiune superficială asupra firului drept, astfel încât firul să meargă drept în sus. Pentru a împiedica mișcarea firului drept (firul este în echilibru), este necesară o forță totală descendentă, unde valoarea forței totale este F = w + T. În echilibru, F = forța tensiunii superficiale exercitată de stratul de săpun pe firul drept.
Să presupunem că lungimea unui fir drept este l. Deoarece stratul de apă cu săpun care atinge un fir drept are două suprafețe, forța de tensiune superficială generată de stratul de apă cu săpun acționează de-a lungul a 2l. Tensiunea superficială în stratul de săpun este o comparație între Forța de Tensiune Superficială (F) și lungimea suprafeței la care acționează forța (d). În acest caz, lungimea suprafeței este 2l. Matematic, se scrie:
Deoarece tensiunea superficială este raportul dintre forța de tensiune superficială și lungime, unitatea de măsură a tensiunii superficiale este Newton pe metru (N/m) sau dyne pe centimetru (dynes/cm).
În continuare sunt prezentate câteva valori ale tensiunii superficiale obținute pe baza experimentelor.
Pe baza datelor privind tensiunea superficială, temperatura afectează valoarea tensiunii superficiale a fluidului. În general, atunci când există o creștere a temperaturii, valoarea tensiunii superficiale scade (Comparați tensiunea superficială a apei la fiecare temperatură. Consultați tabelul). Acest lucru se datorează faptului că, atunci când temperatura crește, moleculele de lichid se mișcă mai repede, astfel încât efectul interacțiunii dintre moleculele fluidului scade. Drept urmare, valoarea tensiunii superficiale scade și ea.
Aplicarea conceptelor de tensiune superficială în viața de zi cu zi
V-ați întrebat vreodată de ce ar trebui să spălăm hainele cu săpun? Problema este că hainele pe care le spălăm sunt într-adevăr curate; apa trebuie să treacă printr-un spațiu foarte îngust în fibrele hainelor. Din acest motiv, este necesar să mărim suprafața apei. Ei bine, acest lucru este foarte dificil de făcut din cauza tensiunii superficiale. Inevitabil, valoarea tensiunii superficiale trebuie redusă mai întâi. Putem reduce tensiunea superficială folosind apă fierbinte. Cu cât temperatura apei este mai mare, cu atât mai bine, deoarece, cu cât temperatura apei este mai mare, cu atât tensiunea superficială este mai mică (vezi tabelul). Aceasta este prima alternativă și este o metodă rar utilizată. O altă opțiune este utilizarea săpunului.
La o temperatură de 20 ° C, valoarea tensiunii superficiale a apei cu săpun este de 25.00 mN/m. Încercați să comparați săpunul cu apa fierbinte. Care este cea mai mică valoare a tensiunii superficiale? La 100 ° C, valoarea tensiunii superficiale a apei fierbinți = 58.90. La o temperatură de 20 ° C, valoarea tensiunii superficiale a săpunului este de 25.00 mN/m. Este mai profitabil să se utilizeze săpun. Ceea ce este explicat mai sus este doar unul dintre factorii de influență?
De ce este rotundă bula de săpun sau de apă?
Bulele de săpun sau picăturile de apă sunt rotunde deoarece sunt afectate de tensiunea superficială. Mai întâi, vom discuta despre bulele de săpun. Bulele de săpun au două membrane subțiri la suprafață, iar între ele se află straturi subțiri de apă.
Prezența tensiunii superficiale determină contracția membranei și tinde să-i reducă suprafața. Atunci când membrana apei cu săpun se contractă și încearcă să-și minimizeze suprafața, există o diferență între presiunea aerului din exteriorul membranei (presiunea atmosferică) și presiunea aerului din interiorul stratului. Presiunea aerului din exteriorul stratului (presiunea atmosferică) împinge, de asemenea, membrana apei cu săpun atunci când se contractă, deoarece presiunea aerului din interiorul membranei este mai mică.
După ce membrana s-a contractat, aerul din interior (aerul prins între cele două membrane) este suprimat, crescând presiunea aerului din interiorul stratului până când nu mai există contracție. Cu alte cuvinte, când nu mai există contracție, presiunea aerului dintre membrane este aceeași cu presiunea atmosferică + forța tensiunii superficiale care încrețește stratul.
Și ce se întâmplă cu picăturile de rouă sau picăturile de apă care ies din robinet? La fel, deoarece cauza principală este tensiunea superficială. Dacă bulele de săpun au două membrane subțiri pe două suprafețe, atunci picăturile de apă au un singur strat subțire, care se află pe exteriorul picăturilor de apă. Interiorul este plin de apă. Datorită forței de coeziune, apare tensiunea superficială. Partea exterioară a picăturii de apă este trasă în interior. Drept urmare, apa se contractă și tinde să-și reducă suprafața. Presiunea atmosferică din exterior suprimă, de asemenea, picăturile de apă. Contracția se va opri atunci când presiunea pe interiorul apei este egală cu presiunea atmosferică + forța tensiunii superficiale care contractă membrana apei.
