แรงตึงผิว

คุณเคยเล่นเป่าฟองสบู่ไหม? ฟองสบู่กลมๆ ตลกดี เป่าได้ พอฟองสบู่ลอยขึ้นไปก็จะแตก โอ้โห สนุกจัง เกมในวัยเด็ก ทำไมฟองสบู่ถึงกลมล่ะ?

โปรดตื่นนอนตอนเช้า แล้วสังเกตใบไม้รอบๆ บ้าน สังเกตหยดน้ำค้างที่เกาะอยู่บนใบไม้ มันแปลกดี หยดน้ำค้างมีลักษณะกลมๆ มันเป็นไปได้อย่างไร?

ความตึงผิวเกิดขึ้นเนื่องจากพื้นผิวของของเหลวมีแนวโน้มที่จะตึงขึ้น ทำให้พื้นผิวดูเหมือนเยื่อบาง ๆ ซึ่งได้รับอิทธิพลจากแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของน้ำ เพื่อให้เข้าใจคำอธิบายนี้ได้ดีขึ้น ลองพิจารณาภาพประกอบต่อไปนี้ เราจะทบทวนของเหลวในภาชนะ

ภายในของเหลว โมเลกุลของของเหลวแต่ละโมเลกุลจะถูกล้อมรอบด้วยโมเลกุลอื่นๆ ทั้งสองด้าน แต่บนพื้นผิวของของเหลวจะมีเพียงโมเลกุลของของเหลวอยู่ด้านล่างเท่านั้น ด้านบนไม่มีโมเลกุลของของเหลวอื่นๆ เนื่องจากโมเลกุลของของเหลวดึงดูดซึ่งกันและกัน แรงรวมในโมเลกุลที่อยู่ภายในของเหลวจึงเป็นศูนย์ ในทางตรงกันข้าม โมเลกุลของของเหลวที่อยู่บนพื้นผิวจะถูกดึงดูดโดยอนุภาคของของเหลวที่อยู่ด้านล่าง ส่งผลให้บนพื้นผิวของของเหลวมีแรงรวมที่พุ่งลงด้านล่าง เนื่องจากแรงสุทธิที่พุ่งลงด้านล่าง ของเหลวที่อยู่บนพื้นผิวจึงมีแนวโน้มที่จะลดพื้นที่ผิวของมันโดยการหดตัวให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

ปรากฏการณ์นี้ทำให้ชั้นของเหลวบนพื้นผิวดูเหมือนถูกปกคลุมด้วยเยื่อบางๆ ที่ยืดหยุ่นได้ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า แรงตึงผิว

เมื่อวางคลิปหนีบลงบนผิวน้ำอย่างระมัดระวัง โมเลกุลของน้ำที่อยู่บนพื้นผิวจะถูกกดลงเล็กน้อยด้วยแรงโน้มถ่วงของคลิป ทำให้โมเลกุลของน้ำที่อยู่ด้านล่างส่งแรงดึงกลับขึ้นมาช่วยพยุงคลิปไว้

ในความเป็นจริงแล้ว ไม่ใช่แค่คลิปหนีบกระดาษเท่านั้น แต่ยังมีสิ่งอื่นๆ เช่น เข็ม ถ้าเราวางเข็มไว้เหนือผิวน้ำอย่างระมัดระวัง เข็มก็จะลอยได้ แรงตึงผิวของของเหลวก็เป็นสาเหตุที่ทำให้แมลงสามารถลอยอยู่บนน้ำได้เช่นกัน

สมการของแรงตึงผิว

ในการอภิปรายครั้งก่อน เราได้ศึกษาแนวคิดเรื่องแรงตึงผิวในเชิงคุณภาพ (ไม่มีสมการทางคณิตศาสตร์) คราวนี้เราจะมาทบทวนแรงตึงผิวในเชิงปริมาณกัน เพื่อช่วยให้เราได้สมการของแรงตึงผิว เราจะพิจารณาเส้นลวดที่ดัดเป็นรูปตัว U โดยมีเส้นลวดตรงอีกเส้นหนึ่งติดอยู่กับขาของเส้นลวดตัว U ทั้งสองข้าง ซึ่งเส้นลวดตรงนั้นสามารถขยับได้

ถ้าเราเอาลวดเส้นนี้จุ่มลงในสบู่ แล้วดึงออกมา จะเกิดชั้นน้ำสบู่ขึ้นบนผิวลวด เหมือนกับการเล่นฟองสบู่ เนื่องจากลวดตรงสามารถเคลื่อนที่ได้และมวลไม่มาก ชั้นน้ำสบู่จะสร้างแรงตึงผิวบนลวด ทำให้ลวดตั้งตรงขึ้น เพื่อไม่ให้ลวดเคลื่อนที่ (ลวดอยู่ในสมดุล) ต้องมีแรงดึงลงทั้งหมด โดยที่ปริมาณของแรงทั้งหมดคือ F = w + T ในสภาวะสมดุล F = แรงตึงผิวที่เกิดจากชั้นน้ำสบู่บนลวดตรง

สมมติว่าลวดตรงมีความยาว l เนื่องจากชั้นน้ำสบู่ที่สัมผัสกับลวดตรงมีสองด้าน แรงตึงผิวที่เกิดจากชั้นน้ำสบู่จึงกระทำไปตามความยาว 2l แรงตึงผิวในชั้นน้ำสบู่เป็นการเปรียบเทียบระหว่างแรงตึงผิว (F) กับความยาวของพื้นผิวที่แรงกระทำ (d) ในกรณีนี้ ความยาวของพื้นผิวคือ 2l สามารถเขียนทางคณิตศาสตร์ได้ดังนี้:

เนื่องจากแรงตึงผิวเป็นอัตราส่วนระหว่างแรงตึงผิวกับความยาว หน่วยของแรงตึงผิวจึงเป็นนิวตันต่อเมตร (N/m) หรือไดน์ต่อเซนติเมตร (dynes/cm)

ต่อไปนี้คือค่าแรงตึงผิวบางส่วนที่ได้จากการทดลอง

จากข้อมูลแรงตึงผิว พบว่าอุณหภูมิมีผลต่อค่าแรงตึงผิวของของเหลว โดยทั่วไปแล้ว เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ค่าแรงตึงผิวจะลดลง (เปรียบเทียบแรงตึงผิวของน้ำที่แต่ละอุณหภูมิ ดูตาราง) เนื่องจากเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น โมเลกุลของของเหลวจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น ทำให้ปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลของของเหลวลดลง ส่งผลให้ค่าแรงตึงผิวลดลงด้วย

การประยุกต์ใช้แนวคิดเรื่องแรงตึงผิวในชีวิตประจำวัน

คุณเคยสงสัยไหมว่าทำไมเราต้องซักผ้าด้วยสบู่? ปัญหาคือผ้าที่เราซักนั้นสะอาดจริง ๆ น้ำต้องไหลผ่านช่องว่างเล็ก ๆ ในเส้นใยผ้า ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเพิ่มพื้นที่ผิวของน้ำ แต่การทำเช่นนั้นเป็นเรื่องยากมากเนื่องจากแรงตึงผิว ดังนั้นจึงหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะต้องลดค่าแรงตึงผิวลงก่อน เราสามารถลดแรงตึงผิวได้โดยใช้น้ำร้อน ยิ่งอุณหภูมิน้ำสูงเท่าไหร่ก็ยิ่งดี เพราะยิ่งอุณหภูมิน้ำสูง แรงตึงผิวก็จะยิ่งน้อยลง (ดูตาราง) นี่เป็นทางเลือกแรกและเป็นวิธีที่ใช้ไม่บ่อยนัก อีกทางเลือกหนึ่งคือการใช้สบู่

ที่อุณหภูมิ 20 ^องศาเซลเซียส ค่าความตึงผิวของน้ำสบู่คือ 25.00 มิลลินิวตัน/เมตร ลองเปรียบเทียบระหว่างสบู่กับน้ำร้อน ค่าความตึงผิวของสิ่งใดน้อยกว่ากัน ที่อุณหภูมิ 100 ^องศาเซลเซียส ค่าความตึงผิวของน้ำร้อนเท่ากับ 58.90 มิลลินิวตัน/เมตร ที่อุณหภูมิ 20 ^องศาเซลเซียส ค่าความตึงผิวของสบู่คือ 25.00 มิลลินิวตัน/เมตร การใช้สบู่จึงได้ประโยชน์มากกว่า สิ่งที่กล่าวมาข้างต้นเป็นเพียงปัจจัยหนึ่งที่มีอิทธิพลเท่านั้น

ทำไมฟองสบู่หรือฟองน้ำถึงมีลักษณะกลม?

ฟองสบู่หรือหยดน้ำมีรูปทรงกลมเนื่องจากได้รับผลกระทบจากแรงตึงผิว ก่อนอื่นเรามาพูดถึงฟองสบู่กัน ฟองสบู่มีเยื่อบางๆ สองชั้นอยู่บนพื้นผิว และระหว่างเยื่อทั้งสองนั้นมีชั้นน้ำบางๆ คั่นอยู่

แรงตึงผิวทำให้เยื่อหุ้มเซลล์หดตัวและมีแนวโน้มที่จะลดพื้นที่ผิวลง เมื่อเยื่อหุ้มเซลล์น้ำสบู่หดตัวและพยายามลดพื้นที่ผิวให้เหลือน้อยที่สุด จะมีความแตกต่างระหว่างความดันอากาศภายนอกเยื่อหุ้มเซลล์ (ความดันบรรยากาศ) และความดันอากาศภายในชั้นนั้น ความดันอากาศภายนอกชั้น (ความดันบรรยากาศ) ยังผลักดันเยื่อหุ้มเซลล์น้ำสบู่เมื่อมันหดตัวลงด้วย เนื่องจากความดันอากาศภายในเยื่อหุ้มเซลล์นั้นต่ำกว่า

หลังจากเยื่อหุ้มหดตัวแล้ว อากาศภายใน (อากาศที่ถูกกักอยู่ระหว่างเยื่อหุ้มทั้งสอง) จะถูกกดลง ทำให้ความดันอากาศภายในชั้นเพิ่มขึ้นจนกระทั่งไม่มีการหดตัวอีกต่อไป กล่าวอีกนัยหนึ่ง เมื่อไม่มีการหดตัวอีกต่อไป ปริมาณความดันอากาศระหว่างเยื่อหุ้มจะเท่ากับความดันบรรยากาศบวกกับแรงตึงผิวที่ทำให้ชั้นเกิดรอยย่น

แล้วหยดน้ำค้างหรือหยดน้ำที่ไหลออกมาจากก๊อกน้ำล่ะ? ก็เหมือนกัน เพราะสาเหตุหลักคือแรงตึงผิว ถ้าฟองสบู่มีเยื่อบางๆ สองชั้นบนพื้นผิวสองด้าน หยดน้ำก็จะมีเพียงชั้นบางๆ ชั้นเดียวอยู่ด้านนอกของหยดน้ำ ส่วนด้านในเต็มไปด้วยน้ำ เนื่องจากแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล จึงเกิดแรงตึงผิวขึ้น ส่วนนอกของหยดน้ำถูกดึงเข้าไปด้านใน ส่งผลให้หยดน้ำหดตัวและมีแนวโน้มที่จะลดพื้นที่ผิวลง ความดันบรรยากาศภายนอกก็กดดันหยดน้ำด้วยเช่นกัน การหดตัวจะหยุดลงเมื่อความดันภายในน้ำเท่ากับความดันบรรยากาศบวกกับแรงตึงผิวที่บีบรัดเยื่อน้ำ