Co to jest napięcie powierzchniowe? Definicja i eksperymenty

Napięcie powierzchniowe jest zjawiskiem, w którym powierzchnia cieczy, w której ciecz styka się z gazem, działa jak cienki elastyczny arkusz. Termin ten jest zwykle używany tylko wtedy, gdy powierzchnia cieczy ma kontakt z gazem (takim jak powietrze). Jeśli powierzchnia znajduje się między dwoma cieczami (takimi jak woda i olej), nazywa się to „napięciem interfejsu”.

Różne siły międzycząsteczkowe, takie jak siły Van der Waalsa, przyciągają do siebie cząstki cieczy. Wzdłuż powierzchni cząstki są przyciągane w kierunku reszty cieczy, jak pokazano na rysunku po prawej stronie.

Napięcie powierzchniowe (oznaczone zmienną grecką gamma) definiuje się jako stosunek siły powierzchniowej fa na długość re wzdłuż którego działa siła:

gamma = fa / re

Jednostki napięcia powierzchniowego

Napięcie powierzchniowe jest mierzone w Jednostki SI N / m (niutonów na metr), chociaż bardziej powszechną jednostką jest jednostka cgs dyn / cm (dyn na centymetr).

Aby wziąć pod uwagę termodynamikę sytuacji, czasami warto rozważyć ją pod względem

Siły te wiążą ze sobą cząstki powierzchniowe. Chociaż to wiązanie jest słabe - w końcu dość łatwo jest rozbić powierzchnię cieczy - manifestuje się na wiele sposobów.

Krople wody. Podczas korzystania z kroplomierza woda nie płynie w ciągłym strumieniu, ale raczej w szeregu kropli. Kształt kropli jest spowodowany napięciem powierzchniowym wody. Jedynym powodem, dla którego kropla wody nie jest całkowicie sferyczna, jest to, że siła grawitacji wciąga ją. W przypadku braku grawitacji kropla zminimalizowałaby pole powierzchni w celu zminimalizowania napięcia, co skutkowałoby idealnie sferycznym kształtem.

Owady chodzące po wodzie. Kilka owadów jest w stanie chodzić po wodzie, na przykład strider wodny. Ich nogi są uformowane w taki sposób, aby rozkładać ciężar, powodując obniżenie powierzchni cieczy, minimalizując potencjał energia, aby stworzyć równowagę sił, tak aby strider mógł poruszać się po powierzchni wody bez przebijania się przez nią powierzchnia. Jest to podobne w założeniu do noszenia rakiet śnieżnych do chodzenia po głębokich zaspach bez opadania stóp.

Igła (lub spinacz do papieru) unosząca się na wodzie. Mimo że gęstość tych obiektów jest większa niż woda, napięcie powierzchniowe wzdłuż wgłębienia jest wystarczające, aby przeciwdziałać sile grawitacji ciągnącej za metalowy przedmiot. Kliknij zdjęcie po prawej stronie, a następnie kliknij przycisk „Dalej”, aby wyświetlić schemat siły tej sytuacji lub wypróbować sztuczkę Floating Needle.

Kiedy wydmuchujesz bańkę mydlaną, tworzysz pęcherzyk powietrza pod ciśnieniem, który jest zawarty w cienkiej, elastycznej powierzchni płynu. Większość płynów nie jest w stanie utrzymać stabilnego napięcia powierzchniowego, aby utworzyć bąbelek, dlatego mydło jest ogólnie używane w procesie... stabilizuje napięcie powierzchniowe poprzez coś zwanego efektem Marangoni.

Gdy pęcherzyk jest dmuchany, folia powierzchniowa ma tendencję do kurczenia się. Powoduje to wzrost ciśnienia w bańce. Rozmiar pęcherza stabilizuje się na takim poziomie, w którym gaz wewnątrz pęcherza nie będzie się dalej kurczyć, przynajmniej bez pękania pęcherza.

W rzeczywistości na bańce mydlanej znajdują się dwa interfejsy ciecz-gaz - ten po wewnętrznej stronie bańki i ten na zewnątrz bańki. Pomiędzy dwiema powierzchniami znajduje się a cienki film płynu.

Kulisty kształt bańki mydlanej jest spowodowany minimalizacją pola powierzchni - dla danej objętości kula jest zawsze formą o najmniejszym polu powierzchni.

Aby wziąć pod uwagę ciśnienie wewnątrz bańki mydlanej, rozważamy promień R bańki, a także napięcia powierzchniowego, gamma, płynu (w tym przypadku mydła - około 25 dyn / cm).

Zaczynamy od przyjęcia presji zewnętrznej (co oczywiście nie jest prawdą, ale zajmiemy się tym za chwilę). Następnie rozważ przekrój poprzeczny przez środek bańki.

Wzdłuż tego przekroju, ignorując bardzo niewielką różnicę w promieniu wewnętrznym i zewnętrznym, wiemy, że obwód będzie wynosił 2Liczba PiR. Każda wewnętrzna i zewnętrzna powierzchnia będzie miała nacisk gamma na całej długości, więc łącznie. Całkowita siła z napięcia powierzchniowego (zarówno z wewnętrznej, jak i zewnętrznej folii) wynosi zatem 2gamma (2pi R.).

Wewnątrz bańki mamy jednak presję p który działa na całym przekroju pi R.², co daje łączną siłę wynoszącą p(pi R.²).

Ponieważ bąbel jest stabilny, suma tych sił musi wynosić zero, więc otrzymujemy:

2 gamma (2 pi R.) = p( pi R.²)
lub
p = 4 gamma / R

Oczywiście była to uproszczona analiza, w której ciśnienie na zewnątrz bańki wynosiło 0, ale można ją łatwo rozszerzyć, aby uzyskać różnica między ciśnieniem wewnętrznym p i ciśnienie zewnętrzne p_mi:

p - p_mi = 4 gamma / R

Analiza kropli płynu, w przeciwieństwie do bańka mydlanajest prostsze. Zamiast dwóch powierzchni należy wziąć pod uwagę tylko powierzchnię zewnętrzną, więc wypadnie czynnik 2 wcześniejsze równanie (pamiętasz, gdzie podwoiliśmy napięcie powierzchniowe, aby uwzględnić dwie powierzchnie?) do wydajność:

p - p_mi = 2 gamma / R

Napięcie powierzchniowe występuje podczas interfejsu gaz-ciecz, ale jeśli ten interfejs styka się z solidna powierzchnia - taka jak ściany kontenera - interfejs zwykle wygina się w górę lub w dół w pobliżu tego powierzchnia. Taki wklęsły lub wypukły kształt powierzchni jest znany jako menisk

Kąt zwilżania, theta, określa się tak, jak pokazano na rysunku po prawej stronie.

Kąt zwilżania można wykorzystać do określenia zależności między napięciem powierzchniowym ciecz-ciało stałe a napięciem powierzchniowym ciecz-gaz, w następujący sposób:

gamma_ls = - gamma_lg sałata theta

gdzie

• gamma_ls to napięcie powierzchniowe ciecz-ciało stałe
• gamma_lg to napięcie powierzchniowe gaz-ciecz
• theta to kąt zwilżania

Jedną rzeczą do rozważenia w tym równaniu jest to, że w przypadkach, gdy menisk jest wypukły (tj. Kąt zwilżania jest większy niż 90 stopni), składnik cosinusowy tego równania będzie ujemny, co oznacza, że ​​napięcie powierzchniowe ciecz-ciało stałe będzie wynosić pozytywny.

Jeśli natomiast menisk jest wklęsły (tj. Spada w dół, więc kąt zwilżania jest mniejszy niż 90 stopni), wówczas cos theta termin jest dodatni, w którym to przypadku związek spowodowałby negatywny napięcie powierzchniowe ciecz-ciało stałe!

Zasadniczo oznacza to, że ciecz przylega do ścianek pojemnika i jest praca nad maksymalizacją powierzchni stykającej się z twardą powierzchnią, aby zminimalizować ogólny potencjał energia.

Innym efektem związanym z wodą w pionowych rurkach jest właściwość kapilarności, w której powierzchnia cieczy zostaje podniesiona lub obniżona w rurce w stosunku do otaczającej cieczy. Jest to również związane z zaobserwowanym kątem zwilżania.

Jeśli masz płyn w pojemniku i umieść wąską rurkę (lub kapilarny) o promieniu r w pojemniku przesunięcie pionowe y które będą miały miejsce w obrębie kapilary, wynika z następującego równania:

y = (2 gamma_lg sałata theta) / ( dgr)

gdzie

• y to przemieszczenie pionowe (w górę, jeśli dodatnie, w dół, jeśli ujemne)
• gamma_lg to napięcie powierzchniowe gaz-ciecz
• theta to kąt zwilżania
• re to gęstość cieczy
• sol jest przyspieszeniem grawitacyjnym
• r jest promieniem kapilary

UWAGA: Jeszcze raz, jeśli theta jest większy niż 90 stopni (wypukły menisk), co powoduje ujemne napięcie powierzchniowe ciecz-ciało stałe, poziom cieczy spadnie w porównaniu do poziomu otaczającego, w przeciwieństwie do wzrostu w stosunku do to.

Kapilarność przejawia się na wiele sposobów w codziennym świecie. Ręczniki papierowe absorbują kapilarność. Podczas spalania świecy stopiony wosk unosi knot z powodu kapilarności. W biologii, chociaż krew jest pompowana w całym ciele, to właśnie ten proces rozprowadza krew w najmniejszych naczyniach krwionośnych, które są odpowiednio nazywane naczynia włosowate.

Potrzebne materiały:

• 10 do 12 kwartałów
• szklanka pełna wody

Powoli i pewną ręką przesuwaj ćwiartki pojedynczo na środek szklanki. Umieść wąską krawędź ćwiartki w wodzie i puść. (To minimalizuje zakłócenia na powierzchni i pozwala uniknąć tworzenia niepotrzebnych fal, które mogą spowodować przelew.)

Kontynuując kolejne kwartały, będziesz zaskoczony, jak wypukła woda staje się na szklance bez przelewania się!

Możliwy wariant: Wykonaj ten eksperyment z identycznymi szklankami, ale używaj różnych rodzajów monet w każdej szklance. Skorzystaj z wyników, ilu może wejść, aby określić stosunek objętości różnych monet.

Potrzebne materiały:

• widelec (wariant 1)
• kawałek bibuły (wariant 2)
• igła
• szklanka pełna wody

Umieść igłę na widelcu, delikatnie opuszczając ją do szklanki wody. Ostrożnie wyciągnij widelec, aby pozostawić igłę unoszącą się na powierzchni wody.

Ta sztuczka wymaga prawdziwej pewnej ręki i pewnej wprawy, ponieważ musisz usunąć widelec w taki sposób, aby części igły nie zmokły... lub igła Wola tonąć. Możesz wcześniej pocierać igłę między palcami, aby „natłuścić”, co zwiększa szanse na sukces.

Wariant 2 Sztuczka

Umieść igłę do szycia na małym kawałku bibuły (wystarczająco dużym, aby pomieścić igłę). Igła jest umieszczana na bibule. Bibułka zostanie nasączona wodą i opadnie na dno szklanki, pozostawiając igłę unoszącą się na powierzchni.

Potrzebne materiały:

• zapalona świeca (UWAGA: Nie graj meczami bez zgody rodziców i nadzoru!)
• lejek
• detergent lub roztwór baniek mydlanych

Umieść kciuk na małym końcu lejka. Ostrożnie przenieś go w stronę świecy. Zdejmij kciuk, a napięcie powierzchniowe bańki mydlanej spowoduje jej skurcz i wypchnięcie powietrza przez lejek. Powietrze wypchnięte przez bańkę powinno wystarczyć do zgaśnięcia świecy.

Dla nieco pokrewnego eksperymentu zobacz Balon Rakietowy.

Potrzebne materiały:

• kawałek papieru
• nożyce
• olej roślinny lub płynny detergent do zmywarek
• duża miska lub bochenek tortu pełnego wody

Po wycięciu wzoru Paper Fish umieść go na pojemniku z wodą, aby unosił się na powierzchni. Umieść kroplę oleju lub detergentu w otworze pośrodku ryby.

Detergent lub olej spowoduje spadek napięcia powierzchniowego w tym otworze. Spowoduje to, że ryba popchnie się do przodu, pozostawiając ślad oleju podczas ruchu po wodzie, nie zatrzymując się, dopóki olej nie obniży napięcia powierzchniowego całej miski.

Poniższa tabela pokazuje wartości napięcia powierzchniowego uzyskane dla różnych cieczy w różnych temperaturach.

Eksperymentalne wartości napięcia powierzchniowego

Edytowany przez Dr Anne Marie Helmenstine