Har du någonsin lekt såpbubblor? Såpbubblor runda. Roligt. Kan blåses. Efter att ha flugit spricker såpbubblor. Wow, det är kul, en barnlek. Varför är såpbubblor runda?
Vakna upp på morgonen och lägg då märke till löven runt huset. Observera daggdropparna som sitter fast vid löven. Det är konstigt; daggdroppar är runda. Hur kan det vara så?
Ytspänning uppstår eftersom vätskans yta tenderar att strama åt så att ytan ser ut som ett tunt membran. Detta påverkas av kohesionskraften mellan vattenmolekyler. För att bättre förstå denna förklaring, betrakta följande illustration. Vi granskar vätskan i en behållare.
Inuti vätskan är varje vätskemolekyl omgiven av andra molekyler på varje sida; men på vätskans yta finns det bara vätskemolekyler nedanför. Längst upp finns inga andra vätskemolekyler. Eftersom vätskemolekylerna attraherar varandra finns det en total kraft på noll i molekylen som finns inuti vätskan. Däremot dras vätskemolekylerna som finns på ytan av vätskepartiklarna som finns på botten. Som ett resultat finns det på vätskans yta en total kraft som är riktad nedåt. På grund av nettokraften nedåt tenderar vätskan som finns på ytan att minska sin yta genom att krympa så mycket som möjligt.
Detta gör att vätskeskiktet på ytan ser ut som om det är täckt av ett tunt elastiskt membran. Detta fenomen kallas ytspänning.
[IRP]
När klämman försiktigt placeras på vattenytan pressas vattenmolekylerna på ytan lätt av klämmans gravitation, så att vattenmolekylerna nedanför ger upphov till återställningskraften för att stödja klämman.
I verkligheten är det inte bara gem eller gem, utan även andra saker som nålar. Om vi försiktigt placerar nålen ovanför vattenytan kommer nålen att flyta. Vätskans ytspänning är också anledningen till att insekter kan flyta på vatten.
Ytspänningens ekvation
I den föregående diskussionen har vi studerat begreppet ytspänning kvalitativt (det finns ingen matematisk ekvation). Nu granskar vi ytspänningen kvantitativt. För att hjälpa oss att härleda ytspänningsekvationen tittar vi på en tråd som är böjd för att bilda bokstaven U. En annan rak tråd är fäst vid U-trådens två ben, där den raka tråden kan flyttas.
Om denna tråd förs in i tvålen, kommer den att bilda ett lager av tvålvatten på trådens yta efter att den tagits bort. Det är som när man leker såpbubblor. Eftersom den raka tråden kan flyttas och massan inte är för stor, kommer lagret av tvålvatten att ge ytspänningskraften på den raka tråden så att tråden går rakt upp. För att hindra den raka tråden från att röra sig (tråden är i jämvikt) behövs en total nedåtriktad kraft, där mängden av den totala kraften är F = w + T. I balans är F = kraften av ytspänningen som bärs av tvållagret på den raka tråden.
Antag att längden på en rak tråd är l. Eftersom lagret av tvålvatten som vidrör en rak tråd har två ytor, verkar ytspänningskraften som genereras av lagret av tvålvatten längs 2l. Ytspänningen i tvållagret är en jämförelse mellan ytspänningskraften (F) och ytlängden vid vilken kraften verkar (d). I detta fall är ytlängden 2l. Matematiskt skrivet:
Eftersom ytspänning är förhållandet mellan ytspänningskraften och längden, är ytspänningsenheten Newton per meter (N/m) eller dyn per centimeter (dyn/cm).
Följande är några ytspänningsvärden som erhållits baserat på experiment.
Baserat på ytspänningsdata påverkar temperaturen värdet på vätskans ytspänning. Generellt sett minskar ytspänningen när temperaturen ökar (Jämför vattnets ytspänning vid varje temperatur. Se tabell). Detta beror på att när temperaturen ökar rör sig vätskemolekylerna snabbare, vilket minskar effekten av interaktionen mellan vätskemolekylerna. Som ett resultat minskar även ytspänningen.
Tillämpning av ytspänningsbegrepp i vardagen
Har du någonsin frågat dig varför vi ska tvätta kläder med tvål? Problemet är att kläderna vi tvättar är verkligen rena; vattnet måste passera genom en mycket smal springa i klädfibrerna. Av denna anledning är det nödvändigt att öka vattenytan. Detta är mycket svårt att göra på grund av ytspänningen. Ytspänningen måste oundvikligen sänkas först. Vi kan minska ytspänningen genom att använda varmt vatten. Ju högre vattentemperatur, desto bättre eftersom ju högre vattentemperatur, desto mindre ytspänning (se tabell). Detta är det första alternativet och är en sällan använd metod. Ett annat alternativ är att använda tvål.
Vid en temperatur på 20 ° C är spänningsvärdet på tvålvattnets yta 25.00 mN/m². Försök att jämföra mellan tvål och varmt vatten, vilket är det lägsta ytspänningsvärdet? Vid 100 ° C är värdet för varmt vattens ytspänning = 58.90. Vid en temperatur på 20 ° C är tvålens ytspänningsvärde 25.00 mN/m². Det är mer lönsamt att använda tvål. Det som förklaras ovan är bara en av de påverkande faktorerna.
Varför är tvål- eller vattenbubblan rund?
Tvålbubblor eller vattendroppar är runda eftersom de påverkas av ytspänning. Först diskuterar vi såpbubblor. Såpbubblor har två tunna membran på ytan och mellan dem finns tunna lager av vatten.
Närvaron av ytspänning gör att membranet drar ihop sig och tenderar att minska dess yta. När tvålvattenmembranet drar ihop sig och försöker minimera sin yta, uppstår en skillnad i lufttrycket på utsidan av membranet (atmosfärstryck) och lufttrycket på insidan av lagret. Lufttrycket utanför lagret (atmosfärstryck) trycker också på tvålvattnets membran när det drar ihop sig eftersom lufttrycket på insidan av membranet är mindre.
Efter att membranet har dragit ihop sig undertrycks luften inuti (luften som är instängd mellan de två membranen), vilket ökar lufttrycket inuti lagret tills det inte längre finns någon kontraktion. Med andra ord, när det inte längre finns någon kontraktion är mängden lufttryck mellan membranen detsamma som atmosfärstrycket + kraften från ytspänningen som rynkar lagret.
Hur är det då med daggdroppar eller vattendroppar som kommer ut ur kranen? Detsamma gäller eftersom den primära orsaken är ytspänning. Om såpbubblor har två tunna membran på två ytor, har vattendropparna bara ett tunt lager, vilket är på utsidan av vattendropparna. Insidan är full av vatten. På grund av kohesionskraften uppstår ytspänning. Den yttre delen av vattendroppen dras in. Som ett resultat drar vattnet ihop sig och tenderar att minska sin yta. Atmosfärstrycket som finns utanför undertrycker också vattendropparna. Sammandragningen kommer att upphöra när trycket på insidan av vattnet är lika med atmosfärstrycket + kraften från ytspänningen som sammandrar vattenmembranet.
