Τι είναι η επιφανειακή τάση; Ορισμός και πειράματα

Η επιφανειακή τάση είναι ένα φαινόμενο στο οποίο η επιφάνεια ενός υγρού, όπου το υγρό έρχεται σε επαφή με ένα αέριο, δρα ως λεπτό ελαστικό φύλλο. Ο όρος αυτός χρησιμοποιείται συνήθως μόνο όταν η επιφάνεια του υγρού έρχεται σε επαφή με το αέριο (όπως ο αέρας). Εάν η επιφάνεια είναι μεταξύ δύο υγρών (όπως το νερό και το πετρέλαιο), ονομάζεται "τάση διεπαφής".

Διάφορες διαμοριακές δυνάμεις, όπως οι δυνάμεις Van der Waals, έλκουν μαζί τα σωματίδια του υγρού. Κατά μήκος της επιφάνειας, τα σωματίδια έλκονται προς το υπόλοιπο υγρό, όπως φαίνεται στην εικόνα στα δεξιά.

Επιφανειακή τάση (υποδηλώνεται με την ελληνική μεταβλητή γ) ορίζεται ως ο λόγος της επιφανειακής δύναμης φά στο μήκος ρε κατά μήκος της οποίας η δύναμη ενεργεί:

γ = φά / ρε

Μονάδες επιφανειακής τάσης

Η επιφανειακή τάση μετράται στο Μονάδες SI των N / m (newton ανά μέτρο), αν και η συνηθέστερη μονάδα είναι η cgs μονάδα dyn / cm (dyne ανά εκατοστόμετρο).

Προκειμένου να εξεταστεί η θερμοδυναμική της κατάστασης, είναι μερικές φορές χρήσιμο να το εξετάσουμε από την άποψη της

Αυτές οι δυνάμεις δεσμεύουν τα σωματίδια της επιφάνειας. Αν και αυτή η δέσμευση είναι αδύναμη - είναι πολύ εύκολο να σπάσει τελικά την επιφάνεια ενός υγρού - εκδηλώνεται με πολλούς τρόπους.

Σταγόνες νερού. Όταν χρησιμοποιείτε ένα σταγονόμετρο νερού, το νερό δεν ρέει σε συνεχή ροή, αλλά σε μια σειρά σταγόνων. Το σχήμα των σταγόνων προκαλείται από την επιφανειακή τάση του νερού. Ο μόνος λόγος που η σταγόνα του νερού δεν είναι εντελώς σφαιρική είναι ότι η δύναμη της βαρύτητας τραβιέται κάτω από αυτό. Ελλείψει βαρύτητας, η σταγόνα θα ελαχιστοποιούσε την επιφάνεια για να ελαχιστοποιήσει την τάση, πράγμα που θα είχε ως αποτέλεσμα ένα τέλεια σφαιρικό σχήμα.

Έντομα που περπατούν στο νερό. Αρκετά έντομα είναι σε θέση να περπατήσουν πάνω στο νερό, όπως το νερό strider. Τα πόδια τους σχηματίζονται για να κατανέμουν το βάρος τους, προκαλώντας την καταστολή της επιφάνειας του υγρού, ελαχιστοποιώντας το δυναμικό ενέργεια για να δημιουργήσει μια ισορροπία των δυνάμεων, έτσι ώστε το strider να μπορεί να κινηθεί κατά μήκος της επιφάνειας του νερού χωρίς να σπάσει το επιφάνεια. Αυτό είναι παρόμοιο με την έννοια ότι φοράτε χιονοπέδιλα για να περπατήσετε σε βαθιά snowdrifts χωρίς τα πόδια σας να βυθίζονται.

Βελόνα (ή συνδετήρας) που επιπλέει στο νερό. Αν και η πυκνότητα αυτών των αντικειμένων είναι μεγαλύτερη από το νερό, η επιφανειακή τάση κατά μήκος της κατάθλιψης είναι αρκετή για να αντισταθμίσει τη δύναμη της βαρύτητας που τραβάει προς τα κάτω το μεταλλικό αντικείμενο. Κάντε κλικ στην εικόνα προς τα δεξιά και στη συνέχεια κάντε κλικ στο κουμπί "Επόμενο" για να δείτε ένα διάγραμμα δύναμης αυτής της κατάστασης ή δοκιμάστε το τέχνασμα Floating Needle για τον εαυτό σας.

Όταν φυσάτε μια σαπουνόφουσκα, δημιουργείτε μια φούσκα αέρα υπό πίεση που περιέχεται μέσα σε μια λεπτή, ελαστική επιφάνεια υγρού. Τα περισσότερα υγρά δεν μπορούν να διατηρήσουν μια σταθερή επιφανειακή τάση για να δημιουργήσουν μια φούσκα, γι 'αυτό γενικά χρησιμοποιείται σαπούνι στη διαδικασία... σταθεροποιεί την επιφανειακή τάση μέσα από κάτι που ονομάζεται αποτέλεσμα Marangoni.

Όταν η φούσκα εμφυσάται, η μεμβράνη επιφανείας τείνει να συστέλλεται. Αυτό προκαλεί την αύξηση της πίεσης μέσα στη φούσκα. Το μέγεθος της φούσκας σταθεροποιείται σε ένα μέγεθος όπου το αέριο μέσα στη φούσκα δεν θα συστέλλεται περαιτέρω, τουλάχιστον χωρίς να σκάσει η φούσκα.

Στην πραγματικότητα, υπάρχουν δύο διεπαφές υγρού-αερίου σε μια σαπουνόφουσκα - αυτή στο εσωτερικό της φούσκας και αυτή στο εξωτερικό της φούσκας. Μεταξύ των δύο επιφανειών είναι α λεπτό φιλμ υγρού.

Το σφαιρικό σχήμα μιας φυσαλίδας σαπουνιού προκαλείται από την ελαχιστοποίηση της επιφάνειας - για έναν δεδομένο όγκο, μια σφαίρα είναι πάντα η μορφή που έχει τη μικρότερη επιφάνεια.

Για να εξετάσουμε την πίεση μέσα στη σαπουνόφουσκα, θεωρούμε την ακτίνα R της φυσαλίδας και επίσης την επιφανειακή τάση, γ, του υγρού (σαπούνι σε αυτή την περίπτωση - περίπου 25 dyn / cm).

Ξεκινάμε υποθέτοντας ότι δεν υπάρχει εξωτερική πίεση (η οποία, φυσικά, δεν είναι αλήθεια, αλλά θα το φροντίσουμε λίγο). Στη συνέχεια, θεωρείτε μια διατομή μέσα από το κέντρο της φούσκας.

Κατά μήκος αυτής της διατομής, αγνοώντας την πολύ μικρή διαφορά στην εσωτερική και εξωτερική ακτίνα, γνωρίζουμε ότι η περιφέρεια θα είναι 2πιR. Κάθε εσωτερική και εξωτερική επιφάνεια θα έχει πίεση γ κατά μήκος ολόκληρου του μήκους, έτσι ώστε το σύνολο. Η συνολική δύναμη από την επιφανειακή τάση (τόσο από την εσωτερική όσο και από την εξωτερική μεμβράνη) είναι επομένως 2γ (2pi R).

Εντός της φούσκας, ωστόσο, έχουμε πίεση Π η οποία ενεργεί σε ολόκληρη την εγκάρσια διατομή pi R², με αποτέλεσμα μια συνολική δύναμη Π(pi R²).

Δεδομένου ότι η φυσαλίδα είναι σταθερή, το άθροισμα αυτών των δυνάμεων πρέπει να είναι μηδέν, ώστε να έχουμε:

2 γ (2 pi R) = Π( pi R²)
ή
Π = 4 γ / R

Προφανώς, αυτή ήταν μια απλοποιημένη ανάλυση όπου η πίεση έξω από τη φούσκα ήταν 0, αλλά αυτό επεκτάθηκε εύκολα για να ληφθεί το διαφορά μεταξύ της εσωτερικής πίεσης Π και την εξωτερική πίεση Π_μι:

Π - Π_μι = 4 γ / R

Αναλύοντας μια σταγόνα υγρού, σε αντίθεση με μια σαπουνόφουσκα, είναι απλούστερη. Αντί δύο επιφανειών, υπάρχει μόνο η εξωτερική επιφάνεια που πρέπει να εξεταστεί, οπότε ένας συντελεστής από 2 πέφτει έξω την προηγούμενη εξίσωση (θυμηθείτε πού διπλασιάσαμε την επιφανειακή τάση για να υπολογίσουμε τις δύο επιφάνειες;) απόδοση παραγωγής:

Π - Π_μι = 2 γ / R

Η επιφανειακή τάση εμφανίζεται κατά τη διάρκεια μιας διασύνδεσης αερίου-υγρού, αλλά εάν αυτή η διεπαφή έρχεται σε επαφή με α στερεά επιφάνεια - όπως τα τοιχώματα ενός δοχείου - η διεπαφή συνήθως καμπυλώνει πάνω ή κάτω κοντά σε αυτό επιφάνεια. Ένα τέτοιο κοίλο ή κυρτό σχήμα επιφάνειας είναι γνωστό ως α μηνίσκος

Η γωνία επαφής, θήτα, προσδιορίζεται όπως φαίνεται στην εικόνα στα δεξιά.

Η γωνία επαφής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό σχέσης μεταξύ της επιφανειακής τάσης υγρού-στερεού και της επιφανειακής τάσης υγρού-αερίου, ως εξής:

γ_ls = - γ_lg cos θήτα

που

• γ_ls είναι η επιφανειακή τάση υγρού-στερεού
• γ_lg είναι η επιφανειακή τάση υγρού αερίου
• θήτα είναι η γωνία επαφής

Ένα πράγμα που πρέπει να ληφθεί υπόψη σε αυτή την εξίσωση είναι ότι σε περιπτώσεις όπου ο μηνίσκος είναι κυρτός (δηλ. Η γωνία επαφής είναι μεγαλύτερη από 90 βαθμοί), το συνθετικό συστατικό αυτής της εξίσωσης θα είναι αρνητικό, πράγμα που σημαίνει ότι η επιφανειακή τάση υγρού-στερεού θα είναι θετικός.

Αν, αντίθετα, ο μηνίσκος είναι κοίλος (δηλαδή βυθίζεται προς τα κάτω, οπότε η γωνία επαφής είναι μικρότερη από 90 μοίρες), τότε το cos θήτα ο όρος είναι θετικός, οπότε η σχέση θα έχει ως αποτέλεσμα την α αρνητικός υγρή-στερεή επιφανειακή τάση!

Αυτό σημαίνει ουσιαστικά ότι το υγρό προσκολλάται στα τοιχώματα του δοχείου και είναι προσπαθώντας να μεγιστοποιήσουν την περιοχή που έρχεται σε επαφή με στερεά επιφάνεια, έτσι ώστε να ελαχιστοποιηθεί το συνολικό δυναμικό ενέργεια.

Ένα άλλο αποτέλεσμα που σχετίζεται με το νερό σε κατακόρυφους σωλήνες είναι η ιδιότητα της τριχοειδούς, στην οποία η επιφάνεια του υγρού γίνεται ανυψωμένη ή πιεσμένη εντός του σωλήνα σε σχέση με το περιβάλλον υγρό. Αυτό, επίσης, σχετίζεται με τη γωνία επαφής που παρατηρήθηκε.

Εάν έχετε ένα υγρό σε ένα δοχείο, και τοποθετήστε ένα στενό σωλήνα (ή τριχοειδής) ακτίνας r στο δοχείο, την κατακόρυφη μετατόπιση y που θα λάβει χώρα εντός του τριχοειδούς, δίνεται από την ακόλουθη εξίσωση:

y = (2 γ_lg cos θήτα) / ( dgr)

που

• y είναι η κατακόρυφη μετατόπιση (αν είναι θετική, αν είναι αρνητική)
• γ_lg είναι η επιφανειακή τάση υγρού αερίου
• θήτα είναι η γωνία επαφής
• ρε είναι η πυκνότητα του υγρού
• σολ είναι η επιτάχυνση της βαρύτητας
• r είναι η ακτίνα του τριχοειδούς

ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Και πάλι, αν θήτα είναι μεγαλύτερο από 90 μοίρες (κυρτός μηνίσκος), με αποτέλεσμα την αρνητική επιφανειακή τάση υγρού-στερεού, το επίπεδο υγρών θα μειωθεί σε σύγκριση με το περιβάλλον, σε αντίθεση με την αύξηση σε σχέση με το.

Η τριχοφυία εκδηλώνεται με πολλούς τρόπους στον καθημερινό κόσμο. Οι χαρτοπετσέτες απορροφούν μέσω της τριχοειδούς. Όταν καίνε ένα κερί, το λιωμένο κερί ανεβαίνει το φυτίλι λόγω της τριχοειδούς. Στη βιολογία, αν και το αίμα αντλείται σε όλο το σώμα, αυτή είναι η διαδικασία που κατανέμει το αίμα στα μικρότερα αιμοφόρα αγγεία τα οποία καλούνται, κατάλληλα, τριχοειδή.

Απαιτούμενα υλικά:

• 10 έως 12 τετάρτων
• γυαλί γεμάτο νερό

Σιγά-σιγά, και με ένα σταθερό χέρι, φέρνετε τα τεταρτημόρια μία προς μία στο κέντρο του γυαλιού. Τοποθετήστε το στενό άκρο της περιοχής στο νερό και αφήστε το. (Αυτό ελαχιστοποιεί τη διαταραχή στην επιφάνεια και αποφεύγει να σχηματίζονται περιττά κύματα που μπορούν να προκαλέσουν υπερχείλιση.)

Καθώς συνεχίζετε με περισσότερα τετράγωνα, θα εκπλαγείτε πόσο κυρτό το νερό γίνεται στην κορυφή του γυαλιού χωρίς να ξεχειλίζει!

Πιθανή παραλλαγή: Εκτελέστε αυτό το πείραμα με πανομοιότυπα γυαλιά, αλλά χρησιμοποιήστε διαφορετικούς τύπους νομισμάτων σε κάθε γυαλί. Χρησιμοποιήστε τα αποτελέσματα από το πόσοι μπορούν να πάνε για να καθορίσουν μια αναλογία των όγκων των διαφόρων νομισμάτων.

Απαιτούμενα υλικά:

• πιρούνι (παραλλαγή 1)
• κομμάτι λεπτού χαρτιού (παραλλαγή 2)
• βελόνα ραψίματος
• γυαλί γεμάτο νερό

Τοποθετήστε τη βελόνα στο πιρούνι, χαμηλώνοντας την απαλά μέσα στο ποτήρι νερό. Τραβήξτε προσεκτικά το πηρούνι και μπορείτε να αφήσετε τη βελόνα να επιπλέει στην επιφάνεια του νερού.

Αυτό το τέχνασμα απαιτεί ένα σταθερό σταθερό χέρι και κάποια πρακτική, επειδή πρέπει να αφαιρέσετε το πιρούνι με τέτοιο τρόπο ώστε μερίδες της βελόνας να μην βρέχονται... ή τη βελόνα θα νεροχύτης. Μπορείτε να τρίψετε τη βελόνα μεταξύ των δακτύλων σας εκ των προτέρων σε "πετρέλαιο" αυξάνει τις πιθανότητες επιτυχίας σας.

Παραλλαγή 2 Trick

Τοποθετήστε τη βελόνα ραψίματος σε ένα μικρό κομμάτι χαρτιού (αρκετά μεγάλο ώστε να κρατά τη βελόνα). Η βελόνα τοποθετείται στο λεπτό χαρτί. Το λεπτό χαρτί θα εμποτιστεί με νερό και θα βυθιστεί στον πυθμένα του γυαλιού, αφήνοντας τη βελόνα να επιπλέει στην επιφάνεια.

Απαιτούμενα υλικά:

• αναμμένο κερί (ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Μην παίζετε με αγώνες χωρίς γονική έγκριση και επίβλεψη!)
• χωνί
• απορρυπαντικό ή διάλυμα σαπουνιού

Τοποθετήστε τον αντίχειρά σας στο μικρό άκρο της διοχέτευσης. Προσεκτικά το φέρτε προς το κερί. Αφαιρέστε τον αντίχειρα και η επιφανειακή τάση της φυσαλίδας σαπουνιού θα προκαλέσει συστολή, εξαναγκάζοντας τον αέρα να διέλθει μέσω της χοάνης. Ο αέρας που εξαναγκάζεται έξω από τη φούσκα πρέπει να είναι αρκετός για να σβήσει το κερί.

Για ένα σχετικά σχετικό πείραμα, δείτε το Μπαλόνι Rocket.

Απαιτούμενα υλικά:

• κομμάτι χαρτί
• ψαλίδι
• φυτικό λάδι ή υγρό απορρυπαντικό πιάτων
• ένα μεγάλο μπολ ή ένα κέικ φρυγανιάς γεμάτο νερό

Αφού αφαιρέσετε το μοτίβο του χαρτιού ψαριών, τοποθετήστε το στο δοχείο νερού έτσι ώστε να επιπλέει στην επιφάνεια. Βάλτε μια σταγόνα λάδι ή απορρυπαντικό στην τρύπα στη μέση του ψαριού.

Το απορρυπαντικό ή το λάδι θα προκαλέσουν πτώση της επιφανειακής τάσης στην οπή. Αυτό θα προκαλέσει το ψάρι να προωθήσει προς τα εμπρός, αφήνοντας ένα ίχνος του πετρελαίου καθώς κινείται πέρα ​​από το νερό, μη σταματώντας μέχρι το έλαιο να έχει χαμηλώσει την επιφανειακή τάση ολόκληρου του μπολ.

Ο κατωτέρω πίνακας παρουσιάζει τιμές επιφανειακής τάσης που λαμβάνονται για διαφορετικά υγρά σε διάφορες θερμοκρασίες.

Πειραματικές τιμές επιφανειακής τάσης

Επεξεργάστηκε από Anne Marie Helmenstine, Ph. D.