Înțelegerea tensiunii superficiale
Tensiunea superficială apare deoarece suprafața unui lichid tinde să se rigidizeze, creând un aspect asemănător unei membrane subțiri. Acest lucru este influențat de forțele de coeziune dintre moleculele de apă. Pentru a înțelege mai bine această explicație, luați în considerare următoarea ilustrație. Să luăm în considerare un lichid într-un recipient.
Moleculele de lichid se atrag de obicei reciproc. În interiorul unui lichid, fiecare moleculă de lichid este înconjurată de alte molecule pe fiecare parte; dar la suprafața lichidului, există molecule de lichid doar pe laterale și dedesubt. Nu există alte molecule de lichid deasupra. Deoarece moleculele de lichid se atrag reciproc, există o forță netă zero asupra moleculelor din interiorul lichidului. În schimb, moleculele de lichid de la suprafață sunt atrase de moleculele de lichid de pe laterale și dedesubt. Drept urmare, există o forță netă la suprafața lichidului care este îndreptată în jos. Din cauza acestei forțe nete în jos, lichidul de 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.
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 exercită o forță de revenire ascendentă pentru a susține clema (amintiți-vă de elasticitate și legea lui Hooke ).
În realitate, agrafele de hârtie nu sunt singurele lucruri pe care le poți folosi; pot fi și alte obiecte, cum ar fi acele. Dacă așezi cu grijă un ac pe suprafața apei, acesta va pluti. Acesta este și motivul pentru care insectele pot pluti pe apă.
Ecuația tensiunii superficiale
Pentru a ne ajuta să deducem ecuația tensiunii superficiale, considerăm un fir îndoit în formă de U. Un alt fir drept este atașat la cele două picioare ale firului în formă de U, unde firul drept poate fi deplasat.
Dacă acest fir este introdus într-o soluție de săpun, după ce este îndepărtat, se va forma un strat de apă cu săpun la suprafața firului. Similar cu cazul în care te joci cu baloane de săpun. Deoarece firul drept poate fi mișcat și masa sa nu este prea mare, stratul de apă cu săpun va exercita o forță de tensiune superficială asupra firului drept, astfel încât acesta se mișcă în sus (rețineți direcția săgeții). Pentru a împiedica mișcarea firului drept (firul este în echilibru), este necesară o forță totală îndreptată în jos, unde magnitudinea forței totale este F = w + T. În echilibru, F = forța exercitată de stratul de apă cu săpun asupra firului drept.
Să presupunem că lungimea unui fir drept este l. Deoarece stratul de apă cu săpun care atinge firul drept are două suprafețe, forța generată de stratul de apă cu săpun acționează de-a lungul unei lungimi de 2l. Tensiunea superficială pe stratul de săpun este raportul dintre Forța (F) și lungimea suprafeței asupra căreia acționează forța (d). În acest caz, lungimea suprafeței este 2l. Matematic, se scrie:
Deoarece tensiunea superficială este raportul dintre forță și unitatea de lungime, unitățile sunt Newton pe metru (N/m) sau dyne pe centimetru (dyn/cm).
Următoarele sunt câteva valori ale tensiunii superficiale obținute pe baza experimentelor.
Pe baza datelor de mai sus, se pare că temperatura afectează tensiunea superficială a unui fluid. În general, pe măsură ce temperatura crește, valoarea scade. Acest lucru se datorează faptului că, pe măsură ce temperatura crește, moleculele de lichid se mișcă mai repede, reducând interacțiunea dintre moleculele de lichid. În consecință, și valoarea tensiunii superficiale scade.
Aplicarea în viața de zi cu zi
V-ați întrebat vreodată de ce spălăm hainele cu săpun? Problema este că, pentru a obține haine cu adevărat curate, apa trebuie să treacă prin spații foarte înguste din fibre. Acest lucru necesită creșterea suprafeței apei. Acest lucru este foarte dificil de realizat din cauza tensiunii superficiale. Fie că ne place sau nu, tensiunea superficială a apei trebuie mai întâi redusă. 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 rar utilizată, cu excepția celor cărora le place să se joace cu apa fierbinte. O altă alternativă 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 apa cu săpun și apa fierbinte, care valoare este cea mai mică? La 100 ° C, valoarea tensiunii superficiale a apei fierbinți = 58,90. La o temperatură de 20 ° C, valoarea tensiunii superficiale a apei cu săpun este de 25,00 mN/m. Este mai profitabil să folosiți săpun... apa nu este nici fierbinte. Există și alți factori care afectează cât de bine pot fi curățate hainele sau corpul nostru cu săpun. Așadar, ceea ce este explicat mai sus este doar unul dintre factorii de influență.
De ce sunt bulele de săpun sau de apă rotunde?
Bulele de săpun, sau picăturile de apă, au formă sferică datorită tensiunii superficiale. Să discutăm mai întâi despre bulele de săpun. Bulele de săpun au două membrane subțiri la suprafață, cu un strat subțire de apă între ele.
Tensiunea superficială determină contracția membranei, tinzând să-i reducă suprafața. Când membrana cu apă săpunată se contractă și încearcă să-și reducă suprafața, apare o diferență de presiune a aerului între exteriorul membranei (presiunea atmosferică) și interiorul membranei. Presiunea aerului din exteriorul membranei (presiunea atmosferică) împinge, de asemenea, membrana cu apă săpunată pe măsură ce se contractă, deoarece presiunea aerului din interiorul membranei este mai mică.
După ce membrana se contractă, aerul din interior (aerul prins între cele două membrane) este, de asemenea, comprimat, crescând presiunea aerului din interiorul membranei până când contracția se oprește. Cu alte cuvinte, când contracția se oprește, presiunea aerului dintre membrane este egală cu presiunea atmosferică + forța de tensiune superficială care contractă membranele.
Dar cum rămâne cu picăturile de rouă sau picăturile de apă care ies dintr-un robinet? Sunt în esență aceleași, deoarece cauza principală este tensiunea superficială. În timp ce o bulă de săpun are două membrane subțiri pe cele două suprafețe ale sale, o picătură de apă are o singură membrană subțire, pe exteriorul picăturii. Interiorul este umplut cu apă. Exteriorul picăturii este tras spre interior. Drept urmare, apa se contractă, tinzând să-i reducă suprafața. Presiunea atmosferică externă ajută, de asemenea, la comprimarea picăturii de apă. Contracția se oprește atunci când presiunea din interiorul apei este egală cu presiunea atmosferică plus forța care contractă membrana apei.
