Kaj je površinska napetost? Opredelitev in poskusi

Površinska napetost je pojav, pri katerem površina tekočine, kjer je tekočina v stiku s plinom, deluje kot tanek elastičen list. Ta izraz se običajno uporablja le, kadar je površina tekočine v stiku s plinom (na primer z zrakom). Če je površina med dvema tekočinama (kot sta voda in olje), se imenuje "napetost vmesnika".

Različne medmolekulske sile, kot so Van der Waalsove sile, črpajo tekoče delce skupaj. Po površini se delci potegnejo proti preostali tekočini, kot je prikazano na sliki desno.

Površinska napetost (označena z grško spremenljivko gama) je opredeljeno kot razmerje površinske sile F na dolžino d vzdolž katere deluje sila:

gama = F / d

Enote površinske napetosti

Površinska napetost se meri v SI enote N / m (newton na meter), čeprav je pogostejša enota cgs dyn / cm (dyne na centimeter).

Za upoštevanje termodinamike situacije je včasih koristno razmisliti v smislu delati na enoto površine. Enota SI je v tem primeru J / m² (džuli na kvadratni meter). Cgs enota je erg / cm².

Te sile vežejo površinske delce skupaj. Čeprav je ta vezava šibka - navsezadnje je površino tekočine zelo enostavno razbiti - vseeno se kaže na več načinov.

Kapljice vode. Pri uporabi vodne kapalke voda ne teče v neprekinjenem toku, temveč v nizu kapljic. Oblika kapljic je posledica površinske napetosti vode. Edini razlog, da kapljica vode ni povsem sferična, je v tem, da se sila gravitacije spušča nanjo. Če ne bi bilo težnosti, bi padec zmanjšal površino, da bi zmanjšali napetost, kar bi imelo za posledico popolnoma sferično obliko.

Žuželke, ki hodijo po vodi. Več žuželk lahko hodi po vodi, na primer vodni strijelnik. Njihove noge so oblikovane tako, da porazdelijo svojo težo, zaradi česar se površina tekočine spusti v depresijo, kar zmanjšuje potencial energijo za ustvarjanje ravnotežja sil, tako da se lahko streder premika po površini vode, ne da bi se prebil skozi površino. To je pojem podobno kot nošenje krpljev za hojo po globokih snežnih snežnih padavinah, ne da bi se vam noge potopile.

Igla (ali sponka za papir), ki plava po vodi. Čeprav je gostota teh predmetov večja od vode, je površinska napetost vzdolž vdolbine dovolj, da prepreči silo gravitacije, ki se spušča na kovinski predmet. Kliknite na sliko na desni, nato pa kliknite »Naprej«, da si ogledate diagram sile te situacije ali preizkusite trik Plavajoče igle zase.

Ko pihate milni mehurček, ustvarite zračni mehurček pod pritiskom, ki je v tanki, elastični površini tekočine. Večina tekočin ne more vzdrževati stabilne površinske napetosti, da bi ustvarila mehurček, zato se milo običajno uporablja v postopku... stabilizira površinsko napetost skozi nekaj, kar imenujemo Marangonijev učinek.

Ko se mehurček napihne, se površinski film strdi. Zaradi tega se tlak v mehurčku poveča. Velikost mehurja se stabilizira na velikosti, kjer plin znotraj mehurja ne bo več upadel, vsaj ne da bi popustil mehurček.

V bistvu sta dva vmesnika tekoči plin na milnem mehurju - tisti na notranji strani mehurja in tisti na zunanji strani mehurja. Med obema površinama je a tanek film tekočine.

Sferična oblika milnega mehurja nastane zaradi zmanjšanja površinske površine - pri določenem volumnu je krogla vedno oblika, ki ima najmanj površino.

Za tlak v milni mehurici upoštevamo polmer R mehurčka in tudi površinske napetosti, gamatekočine (milo v tem primeru - približno 25 dyn / cm).

Začnemo s predpostavko, da ni nobenega zunanjega pritiska (kar seveda ni res, ampak za to bomo poskrbeli nekoliko). Nato razmislite o preseku skozi sredino mehurčka.

Vzdolž tega preseka, ne upoštevamo zelo majhne razlike v notranjem in zunanjem polmeru, vemo, da bo obod 2piR. Vsaka notranja in zunanja površina bosta znašala tlak gama vzdolž celotne dolžine, torej skupno. Skupna sila zaradi površinske napetosti (tako iz notranjega kot zunanjega filma) je torej 2gama (2pi R).

Znotraj mehurčka pa imamo pritisk str ki deluje na celotnem prerezu pi R², kar ima za posledico skupno silo str(pi R²).

Ker je mehurček stabilen, mora biti vsota teh sil enaka nič, da dobimo:

2 gama (2 pi R) = str( pi R²)
ali
str = 4 gama / R

Očitno je šlo za poenostavljeno analizo, kjer je bil tlak zunaj mehurčka 0, vendar se to zlahka razširi, da bi dobili Razlika med notranjim pritiskom str in zunanji tlak str_e:

str - str_e = 4 gama / R

Analiza kapljice tekočine v nasprotju s milni mehurček, je bolj preprosto. Namesto dveh površin je treba upoštevati samo zunanjo površino, zato faktor 2 pade na prejšnjo enačbo (se spomnite, kje smo podvojili površinsko napetost, da upoštevamo dve površini?) na donos:

str - str_e = 2 gama / R

Površinska napetost se pojavi med vmesnikom plina in tekočine, če pa je ta vmesnik v stiku z trdna površina - kot so stene posode - vmesnik običajno zakrivi navzgor ali navzdol blizu tega površino. Takšna konkavna ali konveksna površinska oblika je znana kot meniskus

Kontaktni kot, theta, je določen, kot je prikazano na sliki desno.

Kontaktni kot lahko uporabite za določitev razmerja med površinsko napetostjo tekočina-trdnost in površinsko napetostjo tekoči plin:

gama_ls = - gama_lg cos theta

kje

• gama_ls površinska napetost med tekočino in trdnimi snovmi
• gama_lg površinska napetost tekočega plina
• theta je kontaktni kot

V tej enačbi je treba upoštevati, da je meniskus izbočen (t.i. kontaktni kot je večji od 90 stopinj), kosinusna komponenta te enačbe bo negativna, kar pomeni, da bo površinska napetost tekoča-trdna pozitiven.

Če pa je meniskus konkaven (t.i. spusti, torej je kontaktni kot manjši od 90 stopinj), potem je cos theta izraz je pozitiven, v tem primeru bi razmerje povzročilo a negativno tekoča-trdna površinska napetost!

To v bistvu pomeni, da se tekočina oprime stene posode in je si prizadevamo, da bi maksimizirali območje v stiku s trdno površino, da bi zmanjšali celoten potencial energija.

Drug učinek, povezan z vodo v navpičnih ceveh, je lastnost kapilarnosti, pri kateri površina tekočine v cevi postane povišana ali stisnjena glede na okoliško tekočino. Tudi to je povezano z opazovanim kontaktnim kotom.

Če imate v posodi tekočino, postavite ozko cev (oz kapilare) polmera r v posodo, navpični premik y ki se bo odvijalo znotraj kapilare, je dano z naslednjo enačbo:

y = (2 gama_lg cos theta) / ( dgr)

kje

• y je navpični premik (navzgor, če je pozitiven, navzdol če je negativen)
• gama_lg površinska napetost tekočega plina
• theta je kontaktni kot
• d je gostota tekočine
• g je pospešek gravitacije
• r je polmer kapilare

OPOMBA: Še enkrat, če theta je večja od 90 stopinj (konveksni menisk), kar ima za posledico negativno površinsko napetost tekočina-trdnost, raven tekočine se bo znižala v primerjavi z okoliško raven, v nasprotju z naraščanjem v primerjavi z to.

Kapilarnost se v vsakdanjem svetu manifestira na več načinov. Papirnate brisače absorbirajo skozi kapilarnost. Pri gorenju sveče se stopljeni vosek zaradi kapilarnosti dvigne navzgor po stenju. Čeprav se v biologiji kri črpa po telesu, je ta postopek tisti, ki razporedi kri v najmanjših krvnih žilah, ki se imenujejo, kapilare.

Potrebni materiali:

• 10 do 12 četrtin
• kozarec poln vode

Počasi in z vztrajno roko pripeljite četrtine ena na drugo v sredino kozarca. Ozek rob četrtine postavite v vodo in pustite. (To zmanjša motnje na površini in prepreči nastanek nepotrebnih valov, ki lahko povzročijo prelivanje.)

Ko boste nadaljevali z več četrtinami, boste presenečeni, kako konveksna voda na vrhu kozarca postane brez prelivanja!

Možna varianta: Ta poskus izvedite z enakimi kozarci, vendar uporabite različne vrste kovancev v vsakem kozarcu. Uporabite rezultate, koliko jih lahko pride, da določite razmerje med količino različnih kovancev.

Potrebni materiali:

• vilice (različica 1)
• kos papirja (varianta 2)
• šivalno iglo
• kozarec poln vode

Iglo namestite na vilice in jo nežno spustite v kozarec vode. Previdno izvlecite vilice in iglo lahko pustite plavati na površini vode.

Ta trik zahteva resnično trdno roko in nekaj prakse, saj morate vilice odstraniti tako, da se deli igle ne zmočijo... ali iglo volja umivalnik. Preden lahko iglo drgnete med prste, da jo "oljete", si povečate možnosti za uspeh.

Trik različice 2

Šivalno iglo položite na majhen košček papirja (dovolj velik, da iglo drži). Igla je nameščena na papir s tkivom. Papir iz tkiv se bo namočil z vodo in potonil na dno kozarca, tako da bo igla plavala po površini.

Potrebni materiali:

• prižgana sveča (OPOMBA: Ne igrajte se s tekmami brez starševske odobritve in nadzora!)
• lijak
• detergent ali raztopina mehurčkov

Palec postavite čez majhen konec lijaka. Previdno jo pripeljite k sveči. Odstranite palec in površinska napetost milnega mehurčka se bo skrčila, kar bo skozi lijak iztisnilo zrak. Zrak, ki ga iztisne mehurček, mora biti dovolj, da ugasne svečo.

Za nekoliko povezan eksperiment glej Raketni balon.

Potrebni materiali:

• kos papirja
• škarje
• rastlinsko olje ali tekoče sredstvo za pomivanje posode
• velika posoda ali ponev hlebca za torto, polna vode

Ko je vzorec papirnate ribe izrezan, ga položite na posodo z vodo, da lebdi na površini. V luknjo na sredini ribe dajte kapljico olja ali detergenta.

Pralno sredstvo ali olje bo povzročilo upad površinske napetosti v tej luknji. To bo povzročilo, da se bodo ribe poganjale naprej in puščale sled olja, ko se premika po vodi, ne da bi se ustavile, dokler olje ne zmanjša površinske napetosti celotne posode.

Spodnja tabela prikazuje vrednosti površinske napetosti, dobljene za različne tekočine pri različnih temperaturah.

Eksperimentalne vrednosti napetosti površinske napetosti

Uredil Anne Marie Helmenstine, dr.