Јеси ли икада играо/ла мехуриће од сапунице? Округли мехурићи од сапунице. Смешно. Могу се надувати. Након лета, мехурићи од сапунице пуцају. Вау, забавно је, игра из детињства. Зашто је мехур од сапунице округао?
Молим вас, пробудите се ујутру, а затим приметите лишће око куће. Посматрајте капљице росе причвршћене за лишће. Чудно је; капљице росе су округле. Како је то могуће?
Површинска напетост настаје зато што површина течности тежи да се затегне тако да површина изгледа као танка мембрана. На то утиче кохезионска сила између молекула воде. Да бисмо боље разумели ово објашњење, размотрите следећу илустрацију. Посматрамо течност у посуди.
Унутар течности, сваки молекул течности је окружен другим молекулима са сваке стране; али на површини течности, постоје само молекули течности испод. На врху нема других молекула течности. Пошто се молекули течности привлаче, постоји укупна сила једнака нули у молекулу који се налази унутар течности. Насупрот томе, молекуле течности који се налазе на површини вуку честице флуида које су на дну. Као резултат тога, на површини течности постоји укупна сила која је усмерена надоле. Због нето силе надоле, течност која се налази на површини тежи да смањи своју површину, скупљајући се што је јаче могуће.
Због тога слој течности на површини изгледа као да је прекривен танком еластичном мембраном. Овај феномен је познат као површинска напетост.
Када се копча пажљиво постави на површину воде, молекули воде који се налазе на површини су благо притиснути гравитацијом копче, тако да молекули воде који се налазе испод дају силу рестаурације нагоре како би подржали копчу.
У стварности, то нису само спајалице или спајалице, већ и друге ствари попут игала. Ако пажљиво поставимо иглу изнад површине воде, она ће плутати. Површински напон течности је такође разлог зашто инсекти могу плутати на води.
Једначина површинске напетости
У претходној дискусији, квалитативно смо проучавали концепт површинске напетости (не постоји математичка једначина). Сада ћемо квантитативно размотрити површинску напетост. Да бисмо лакше извели једначину површинске напетости, посматраћемо жицу која је савијена тако да формира слово U. Још једна права жица је причвршћена за два крака U жице, где се права жица може померати.
Ако се ова жица убаци у сапун, онда ће се након вађења на површини жице формирати слој сапунске воде. То је као када се играте мехурићима од сапуна. Пошто се равна жица може померати, а маса није превелика, слој сапунске воде ће дати силу површинског напона на равној жици тако да жица иде право нагоре. Да би се равна жица спречила да се помера (жица је у равнотежи), потребна је укупна сила надоле, где је износ укупне силе F = w + T. У равнотежи, F = сила површинског напона коју носи слој сапуна на равној жици.
Претпоставимо да је дужина равне жице l. Пошто слој сапунице који додирује равну жицу има две површине, сила површинског напона коју генерише слој сапунице делује дуж 2l. Површински напон у слоју сапунице је поређење између силе површинског напона (F) и дужине површине на којој сила делује (d). У овом случају, дужина површине је 2l. Математички, записано:
Пошто је површински напон однос између силе површинског напона и дужине, јединица површинског напона је Њутн по метру (N/m) или дин по центиметру (дин/цм).
Следе неке вредности површинског напона добијене на основу експеримената.
На основу података о површинској напетости, температура утиче на вредност површинске напетости флуида. Генерално, када дође до повећања температуре, вредност површинске напетости се смањује (Упоредите површинску напетост воде на свакој температури. Видите табелу). То је зато што се када температура расте, молекули течности крећу брже, тако да се ефекат интеракције између молекула флуида смањује. Као резултат тога, вредност површинске напетости се такође смањује.
Примена концепата површинске напетости у свакодневном животу
Да ли сте се икада запитали зашто бисмо требали прати одећу сапуном? Проблем је у томе што је одећа коју перемо заиста чиста; вода мора да прође кроз веома узак отвор у влакнима одеће. Из тог разлога, потребно је повећати површину воде. Па, то је веома тешко учинити због површинске напетости. Неизбежно је да се прво смањи вредност површинске напетости. Површинску напетост можемо смањити употребом топле воде. Што је температура воде виша, то боље, јер што је температура воде виша, површинска напетост је мања (видети табелу). Ово је прва алтернатива и ретко се користи. Друга опција је употреба сапуна.
На температури од 20 oC, вредност површинског напона сапунске воде је 25.00 mN/m. Покушајте да упоредите сапун и врућу воду, која је најмања вредност површинског напона? На 100 oC, вредност површинског напона топле воде = 58.90. На температури од 20 oC, вредност површинског напона сапуна је 25.00 mN/m. Профитабилније је користити сапун. Оно што је горе објашњено је само један од фактора који утичу?
Зашто је мехур од сапуна или воде округао?
Мехурићи сапуна или капи воде су округли јер на њих утиче површински напон. Прво ћемо размотрити мехуриће сапуна. Мехурићи сапуна имају две танке мембране на површини, а између њих су танки слојеви воде.
Присуство површинске напетости узрокује контракцију мембране и тежи смањењу њене површине. Када се мембрана сапунице контрахује и покушава да минимизира своју површину, постоји разлика у ваздушном притиску на спољашњој страни мембране (атмосферски притисак) и ваздушном притиску на унутрашњој страни слоја. Ваздушни притисак који је изван слоја (атмосферски притисак) такође гура мембрану сапунице када се контрахује, јер је ваздушни притисак на унутрашњој страни мембране мањи.
Након што се мембрана скупи, ваздух унутра (ваздух заробљен између две мембране) се потискује, повећавајући притисак ваздуха унутар слоја док не престане скупљање. Другим речима, када више нема скупљања, количина притиска ваздуха између мембрана је иста као атмосферски притисак + сила површинског напона која набора слој.
Шта је онда са капљицама росе или капљицама воде које излазе из славине? Исто, јер је примарни узрок површинска напетост. Ако мехурићи од сапунице имају две танке мембране на две површине, онда капљице воде имају само један танак слој, који се налази на спољашњој страни капљица воде. Унутрашњост је пуна воде. Због силе кохезије настаје површинска напетост. Спољни део капљице воде се увлачи унутра. Као резултат тога, вода се скупља и тежи да смањи своју површину. Атмосферски притисак који је споља такође потискује капљице воде. Контракција ће престати када притисак на унутрашњој страни воде буде једнак атмосферском притиску + сили површинске напетости која стеже водену мембрану.
