Hrali ste už niekedy mydlové bubliny? Mydlová bublina okrúhla. Zábavná. Dá sa nafúknuť. Po vyletení mydlové bubliny prasknú. Páni, je to zábava, detská hra. Prečo je mydlová bublina okrúhla?
Prosím, zobuďte sa ráno a všimnite si listy okolo domu. Všimnite si kvapôčky rosy prichytené na listoch. Je to zvláštne; kvapky rosy sú okrúhle. Ako je to možné?
Povrchové napätie vzniká preto, lebo povrch kvapaliny má tendenciu sa napínať, takže vyzerá ako tenká membrána. Toto je ovplyvnené kohéznou silou medzi molekulami vody. Pre lepšie pochopenie tohto vysvetlenia si pozrime nasledujúci príklad. Uvažujeme o kvapaline v nádobe.
Vo vnútri kvapaliny je každá molekula kvapaliny obklopená inými molekulami na každej strane; ale na povrchu kvapaliny sú pod ňou iba molekuly kvapaliny. Na vrchu nie sú žiadne iné molekuly kvapaliny. Pretože sa molekuly kvapaliny navzájom priťahujú, v molekule, ktorá sa nachádza vo vnútri kvapaliny, pôsobí celková sila nulová. Naproti tomu molekuly kvapaliny nachádzajúce sa na povrchu sú priťahované časticami kvapaliny, ktoré sú na dne. V dôsledku toho na povrchu kvapaliny pôsobí celková sila smerom nadol. V dôsledku výslednej sily smerujúcej nadol má kvapalina nachádzajúca sa na povrchu tendenciu zmenšovať svoj povrch tým, že sa čo najviac zmenšuje.
To spôsobuje, že vrstva kvapaliny na povrchu vyzerá, akoby bola pokrytá tenkou elastickou membránou. Tento jav je známy ako povrchové napätie.
[irp]
Keď je spona opatrne umiestnená na hladine vody, molekuly vody nachádzajúce sa na hladine sú mierne stlačené gravitáciou spony, takže molekuly vody nachádzajúce sa pod ňou pôsobia obnovovacou silou nahor, aby sponu podopreli.
V skutočnosti to nie sú len sponky alebo sponky na papier, ale aj iné veci, ako napríklad ihly. Ak ihlu opatrne umiestnime nad hladinu vody, bude plávať. Povrchové napätie kvapaliny je tiež dôvodom, prečo hmyz môže plávať na vode.
Rovnica povrchového napätia
V predchádzajúcej diskusii sme študovali koncept povrchového napätia kvalitatívne (neexistuje žiadna matematická rovnica). Teraz sa pozrieme na povrchové napätie kvantitatívne. Aby sme odvodili rovnicu povrchového napätia, pozrieme sa na drôt, ktorý je ohnutý do tvaru písmena U. Ďalší rovný drôt je pripevnený k dvom vetvám drôtu v tvare U, kde sa dá rovný drôt pohybovať.
Ak sa tento drôt vloží do mydla, po jeho vybratí sa na jeho povrchu vytvorí vrstva mydlovej vody. Je to ako keď sa hráte s mydlovými bublinami. Pretože rovný drôt sa dá pohybovať a hmotnosť nie je príliš veľká, vrstva mydlovej vody vyvinie na rovný drôt silu povrchového napätia, takže drôt ide priamo nahor. Aby sa rovný drôt nepohyboval (drôt je v rovnováhe), je potrebná celková sila smerujúca nadol, kde veľkosť celkovej sily je F = w + T. V rovnováhe je F = sila povrchového napätia, ktoré prenáša vrstva mydla na rovný drôt.
Predpokladajme, že dĺžka rovného drôtu je l. Pretože vrstva mydlovej vody, ktorá sa dotýka rovného drôtu, má dva povrchy, sila povrchového napätia generovaná vrstvou mydlovej vody pôsobí pozdĺž 2l. Povrchové napätie vo vrstve mydla je porovnanie medzi silou povrchového napätia (F) a dĺžkou povrchu, na ktorom sila pôsobí (d). V tomto prípade je dĺžka povrchu 2l. Matematicky sa to zapisuje:
Keďže povrchové napätie je pomer medzi silou povrchového napätia a dĺžkou, jednotka povrchového napätia je Newton na meter (N/m) alebo dyn na centimeter (dyn/cm).
Nasledujú niektoré hodnoty povrchového napätia získané na základe experimentov.
Na základe údajov o povrchovom napätí teplota ovplyvňuje hodnotu povrchového napätia kvapaliny. Vo všeobecnosti sa pri zvýšení teploty hodnota povrchového napätia znižuje (porovnajte povrchové napätie vody pri každej teplote. Pozri tabuľku). Je to preto, že pri zvýšení teploty sa molekuly kvapaliny pohybujú rýchlejšie, takže účinok interakcie medzi molekulami kvapaliny sa znižuje. V dôsledku toho sa znižuje aj hodnota povrchového napätia.
Aplikácia konceptov povrchového napätia v každodennom živote
Už ste sa niekedy pýtali, prečo by sme mali prať oblečenie mydlom? Problém je v tom, že oblečenie, ktoré perieme, je naozaj čisté; voda musí prejsť veľmi úzkou štrbinou vo vláknach oblečenia. Z tohto dôvodu je potrebné zväčšiť povrchovú plochu vody. To je však veľmi ťažké kvôli povrchovému napätiu. Najprv je nevyhnutné znížiť hodnotu povrchového napätia. Povrchové napätie môžeme znížiť použitím horúcej vody. Čím vyššia je teplota vody, tým lepšie, pretože čím vyššia je teplota vody, tým menšie je povrchové napätie (pozri tabuľku). Toto je prvá alternatíva a je to zriedka používaná metóda. Ďalšou možnosťou je použiť mydlo.
Pri teplote 20 ° C je hodnota povrchového napätia mydlovej vody 25.00 mN/m. Skúste porovnať mydlo a horúcu vodu, ktorá má najmenšiu hodnotu povrchového napätia? Pri 100 ° C je hodnota povrchového napätia horúcej vody 58.90. Pri teplote 20 ° C je hodnota povrchového napätia mydla 25.00 mN/m. Je výhodnejšie použiť mydlo. Vyššie uvedené je len jeden z ovplyvňujúcich faktorov?
Prečo je mydlová alebo vodná bublina okrúhla?
Bublinky mydla alebo kvapky vody sú okrúhle, pretože na ne pôsobí povrchové napätie. Najprv si povieme o mydlových bublinách. Mydlové bubliny majú na povrchu dve tenké membrány a medzi nimi sú tenké vrstvy vody.
Prítomnosť povrchového napätia spôsobuje zmršťovanie membrány a má tendenciu zmenšovať svoj povrch. Keď sa membrána mydlovej vody zmršťuje a snaží sa minimalizovať svoj povrch, vzniká rozdiel medzi tlakom vzduchu na vonkajšej strane membrány (atmosférický tlak) a tlakom vzduchu na vnútornej strane vrstvy. Tlak vzduchu, ktorý je mimo vrstvy (atmosférický tlak), tiež tlačí na membránu mydlovej vody, keď sa zmršťuje, pretože tlak vzduchu na vnútornej strane membrány je menší.
Po stiahnutí membrány sa vzduch vo vnútri (vzduch zachytený medzi dvoma membránami) stlačí, čím sa tlak vzduchu vo vnútri vrstvy zvyšuje, až kým nedochádza ku sťahovaniu. Inými slovami, keď už nedochádza k sťahovaniu, tlak vzduchu medzi membránami je rovnaký ako atmosférický tlak + sila povrchového napätia, ktorá vrstvu zvrásňuje.
A čo potom kvapky rosy alebo vody vytekajúca z kohútika? To isté, pretože primárnou príčinou je povrchové napätie. Ak majú mydlové bubliny dve tenké membrány na dvoch povrchoch, potom kvapky vody majú iba jednu tenkú vrstvu, ktorá je na vonkajšej strane kvapiek vody. Vnútorná časť je plná vody. V dôsledku kohéznej sily vzniká povrchové napätie. Vonkajšia časť kvapky vody je vtiahnutá dovnútra. V dôsledku toho sa voda zmršťuje a má tendenciu zmenšovať svoj povrch. Atmosférický tlak, ktorý je vonku, tiež potláča kvapky vody. Zmršťovanie sa zastaví, keď sa tlak vo vnútri vody rovná atmosférickému tlaku + sile povrchového napätia, ktoré sťahuje vodnú membránu.
