แรงตึงผิว

ทำความเข้าใจเกี่ยวกับแรงตึงผิว

แรงตึงผิวเกิดขึ้นเนื่องจากพื้นผิวของของเหลวมีแนวโน้มที่จะแข็งตัวขึ้น ทำให้เกิดลักษณะคล้ายเยื่อบางๆ ซึ่งได้รับอิทธิพลจากแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของน้ำ เพื่อให้เข้าใจคำอธิบายนี้ได้ดีขึ้น ลองพิจารณาภาพประกอบต่อไปนี้ สมมติว่าเรามีของเหลวอยู่ในภาชนะ

โดยทั่วไปโมเลกุลของของเหลวจะดึงดูดซึ่งกันและกัน ภายในของเหลว โมเลกุลของของเหลวแต่ละโมเลกุลจะถูกล้อมรอบด้วยโมเลกุลอื่นๆ ในแต่ละด้าน แต่ที่ผิวของของเหลวจะมีเพียงโมเลกุลของของเหลวอยู่ด้านข้างและด้านล่างเท่านั้น ไม่มีโมเลกุลของของเหลวอื่นๆ อยู่ด้านบน เนื่องจากโมเลกุลของของเหลวดึงดูดซึ่งกันและกัน จึงมีแรงลัพธ์เป็นศูนย์ที่โมเลกุลภายในของเหลว ในทางกลับกัน โมเลกุลของของเหลวที่ผิวจะถูกดึงดูดโดยโมเลกุลของของเหลวที่อยู่ด้านข้างและด้านล่าง ส่งผลให้มีแรงลัพธ์ที่ผิวของของเหลวซึ่งมีทิศทางลงด้านล่าง เนื่องจากแรงลัพธ์ที่ลงด้านล่างนี้ ของเหลวที่ผิวจึงมีแนวโน้มที่จะลดพื้นที่ผิวของมันลง โดยหดตัวให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

สิ่งนี้ทำให้ชั้นของเหลวบนพื้นผิวดูเหมือนถูกปกคลุมด้วยเยื่อบางๆ ที่ยืดหยุ่นได้ 

เมื่อวางคลิปหนีบลงบนผิวน้ำอย่างระมัดระวัง โมเลกุลของน้ำที่อยู่บนผิวน้ำจะถูกกดลงเล็กน้อย แรงโน้มถ่วง คลิปนั้น เพื่อให้โมเลกุลของน้ำที่อยู่ด้านล่างสร้างแรงดึงกลับขึ้นด้านบนเพื่อพยุงคลิปไว้ (จำไว้ด้วยนะ) ความยืดหยุ่นและกฎของฮุค).

ในความเป็นจริง คลิปหนีบกระดาษไม่ใช่สิ่งเดียวที่คุณสามารถใช้ได้ คุณยังสามารถใช้วัตถุอื่นๆ เช่น เข็มได้อีกด้วย หากคุณวางเข็มลงบนผิวน้ำอย่างระมัดระวัง มันจะลอยน้ำ นี่คือเหตุผลที่แมลงสามารถลอยน้ำได้เช่นกัน

สมการแรงตึงผิว

เพื่อช่วยให้เราได้สมการแรงตึงผิว เราจะพิจารณาเส้นลวดที่ดัดเป็นรูปตัว U โดยมีเส้นลวดตรงอีกเส้นหนึ่งติดอยู่กับขาของเส้นลวดรูปตัว U ทั้งสองข้าง ซึ่งเส้นลวดตรงนั้นสามารถเคลื่อนที่ได้

ถ้าเรานำลวดเส้นนี้ไปแช่ในสารละลายสบู่ แล้วนำออกมา จะเกิดชั้นน้ำสบู่ขึ้นบนพื้นผิวของลวด คล้ายกับเวลาที่เราเล่นเป่าฟองสบู่ เนื่องจากลวดตรงสามารถเคลื่อนที่ได้และมวลของมันไม่มากนัก ชั้นน้ำสบู่จะสร้างแรงตึงผิวบนลวด ทำให้ลวดเคลื่อนที่ขึ้นด้านบน (สังเกตทิศทางของลูกศร) เพื่อไม่ให้ลวดเคลื่อนที่ (ลวดอยู่ในสภาวะสมดุล) จำเป็นต้องมีแรงรวมที่พุ่งลงด้านล่าง โดยขนาดของแรงรวมคือ F = w + T ในสภาวะสมดุล F = แรงที่เกิดจากชั้นน้ำสบู่บนลวด

สมมติว่าลวดตรงมีความยาว l เนื่องจากชั้นน้ำสบู่ที่สัมผัสกับลวดตรงมีสองด้าน แรงที่เกิดจากชั้นน้ำสบู่จึงกระทำตามความยาว 2l แรงตึงผิวของชั้นน้ำสบู่คืออัตราส่วนระหว่างแรง (F) และความยาวของพื้นผิวที่แรงกระทำ (d) ในกรณีนี้ ความยาวของพื้นผิวคือ 2l สามารถเขียนทางคณิตศาสตร์ได้ดังนี้:

เนื่องจากแรงตึงผิวเป็นอัตราส่วนของแรงต่อหน่วยความยาว หน่วยจึงเป็นนิวตันต่อเมตร (N/m) หรือไดน์ต่อเซนติเมตร (dyn/cm)

ต่อไปนี้คือค่าความตึงผิวบางส่วนที่ได้จากการทดลอง

จากข้อมูลข้างต้น ดูเหมือนว่าอุณหภูมิจะมีผลต่อแรงตึงผิวของของเหลว โดยทั่วไปแล้ว เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ค่าแรงตึงผิวจะลดลง เนื่องจากเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น โมเลกุลของของเหลวจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น ทำให้ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลของของเหลวลดลง ส่งผลให้ค่าแรงตึงผิวลดลงด้วย

การประยุกต์ใช้ในชีวิตประจำวัน

คุณเคยสงสัยไหมว่าทำไมเราถึงซักผ้าด้วยสบู่? ปัญหาคือ เพื่อให้ได้ผ้าที่สะอาดอย่างแท้จริง น้ำต้องซึมผ่านช่องว่างเล็กๆ ในเส้นใย ซึ่งต้องเพิ่มพื้นที่ผิวของน้ำ แต่การทำเช่นนั้นยากมากเนื่องจากแรงตึงผิว ไม่ว่าเราจะชอบหรือไม่ก็ตาม เราต้องลดแรงตึงผิวของน้ำก่อน เราสามารถลดแรงตึงผิวได้โดยใช้น้ำร้อน ยิ่งอุณหภูมิน้ำสูงยิ่งดี เพราะยิ่งอุณหภูมิน้ำสูง แรงตึงผิวก็จะยิ่งต่ำลง (ดูตาราง) นี่เป็นทางเลือกแรกและไม่ค่อยได้ใช้ ยกเว้นสำหรับคนที่ชอบเล่นกับน้ำร้อน อีกทางเลือกหนึ่งคือการใช้สบู่

ที่อุณหภูมิ 20 ^oC. ค่าความตึงผิวของน้ำสบู่คือ 25,00 mN/m ลองเปรียบเทียบน้ำสบู่กับน้ำร้อนดู น้ำไหนมีค่าความตึงผิวน้อยที่สุด? ที่ 100 ^oC ค่าความตึงผิวของน้ำร้อนเท่ากับ 58,90 ที่อุณหภูมิ 20 ^oC. แรงตึงผิวของน้ำสบู่คือ 25,00 มิลลินิวตัน/เมตร การใช้สบู่มีข้อดีมากกว่า...น้ำก็ไม่ร้อนด้วย นอกจากนี้ยังมีปัจจัยอื่นๆ ที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพในการทำความสะอาดเสื้อผ้าหรือร่างกายด้วยสบู่ ดังนั้นสิ่งที่กล่าวมาข้างต้นจึงเป็นเพียงปัจจัยหนึ่งเท่านั้น

ทำไมฟองสบู่หรือฟองน้ำถึงมีลักษณะกลม?

ฟองสบู่ หรือหยดน้ำ มีรูปร่างทรงกลมเนื่องจากแรงตึงผิว มาเริ่มกันที่ฟองสบู่ก่อน ฟองสบู่มีเยื่อบางๆ สองชั้นอยู่บนพื้นผิว โดยมีชั้นน้ำบางๆ อยู่ระหว่างเยื่อทั้งสอง

แรงตึงผิวทำให้เยื่อหุ้มเซลล์หดตัว ส่งผลให้พื้นที่ผิวลดลง เมื่อเยื่อหุ้มเซลล์ที่ชุบด้วยน้ำสบู่หดตัวและพยายามลดพื้นที่ผิว จะเกิดความแตกต่างของความดันอากาศระหว่างภายนอกเยื่อหุ้มเซลล์ (ความดันบรรยากาศ) กับภายในเยื่อหุ้มเซลล์ ความดันอากาศภายนอกเยื่อหุ้มเซลล์ (ความดันบรรยากาศ) ยังผลักดันเยื่อหุ้มเซลล์ที่ชุบด้วยน้ำสบู่ขณะที่มันหดตัวด้วย เนื่องจากความดันอากาศภายในเยื่อหุ้มเซลล์ต่ำกว่า

หลังจากเยื่อหุ้มเซลล์หดตัว อากาศภายใน (อากาศที่ถูกกักอยู่ระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ทั้งสอง) ก็จะถูกอัดด้วย ทำให้ความดันอากาศภายในเยื่อหุ้มเซลล์เพิ่มขึ้นจนกระทั่งการหดตัวหยุดลง กล่าวอีกนัยหนึ่ง เมื่อการหดตัวหยุดลง ความดันอากาศระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์จะเท่ากับความดันบรรยากาศบวกกับแรงตึงผิวที่ทำให้เยื่อหุ้มเซลล์หดตัว

แล้วหยดน้ำค้างหรือหยดน้ำที่ไหลออกมาจากก๊อกน้ำล่ะ? โดยพื้นฐานแล้วมันก็เหมือนกัน เพราะสาเหตุหลักคือแรงตึงผิว ในขณะที่ฟองสบู่มีเยื่อบางๆ สองชั้นอยู่บนพื้นผิวทั้งสองด้าน หยดน้ำจะมีเยื่อบางๆ เพียงชั้นเดียวอยู่ด้านนอกของหยดน้ำ ด้านในเต็มไปด้วยน้ำ ด้านนอกของหยดน้ำถูกดึงเข้าด้านใน ส่งผลให้หยดน้ำหดตัวลง ทำให้พื้นที่ผิวลดลง ความดันบรรยากาศภายนอกก็ช่วยบีบอัดหยดน้ำด้วย การหดตัวจะหยุดลงเมื่อความดันภายในน้ำเท่ากับความดันบรรยากาศบวกกับแรงที่ทำให้เยื่อน้ำหดตัว