Какво е повърхностно напрежение? Определение и експерименти

Повърхностното напрежение е явление, при което повърхността на течност, при която течността е в контакт с газ, действа като тънък еластичен лист. Този термин обикновено се използва само когато повърхността на течността е в контакт с газ (като въздуха). Ако повърхността е между две течности (като вода и масло), това се нарича "интерфейсно напрежение".

Различни междумолекулни сили, като сили на Ван дер Ваал, привличат течните частици заедно. По протежение на повърхността частиците се изтеглят към останалата част от течността, както е показано на снимката вдясно.

Повърхностно напрежение (обозначено с гръцката променлива гама) се определя като съотношението на повърхностната сила F до дължината д по който действа силата:

гама = F / д

Елементи на повърхностно напрежение

Повърхностното напрежение се измерва в SI единици от N / m (нютон на метър), въпреки че по-често срещаната единица е cgs единица dyn / cm (dyne на сантиметър).

За да се вземе предвид термодинамиката на ситуацията, понякога е полезно да се разгледа по отношение на

Тези сили свързват повърхностните частици заедно. Въпреки че това свързване е слабо - в крайна сметка е много лесно да се разруши повърхността на течност - тя се проявява по много начини.

Капки вода. Когато използвате водна капкомер, водата не тече в непрекъснат поток, а по-скоро в серия от капки. Формата на капките се причинява от повърхностното напрежение на водата. Единствената причина капката вода да не е напълно сферична е, че силата на гравитацията се дърпа върху нея. При липса на гравитация спадът би минимизирал повърхността с цел минимизиране на напрежението, което би довело до перфектно сферична форма.

Насекоми, ходещи по вода. Няколко насекоми са в състояние да ходят по вода, като например водния стридер. Краката им са оформени така, че да разпределят теглото си, което води до потискане на повърхността на течността, минимизиране на потенциала енергия за създаване на баланс на силите, така че стридърът да може да се движи по повърхността на водата, без да пробива през повърхност. Това е подобно на концепция с носенето на снегоходки, за да се разхождате през дълбоки снежни снегове, без краката ви да потъват.

Игла (или кламер), плаваща върху вода. Въпреки че плътността на тези обекти е по-голяма от водата, повърхностното напрежение по протежение на депресията е достатъчно, за да противодейства на силата на гравитация, която се дърпа надолу върху металния предмет. Кликнете върху снимката вдясно, след това щракнете върху „Напред“, за да видите силова диаграма на тази ситуация или изпробвайте трика „Плаваща игла“.

Когато издухате сапунен мехур, вие създавате въздушен мехур под налягане, който се съдържа в тънка, еластична повърхност на течността. Повечето течности не могат да поддържат стабилно повърхностно напрежение за създаване на мехур, поради което в процеса обикновено се използва сапун... той стабилизира повърхностното напрежение чрез нещо, наречено ефект на Марангони.

Когато балонът се издуе, повърхностният филм има тенденция към свиване. Това води до повишаване на налягането вътре в балона. Размерът на балона се стабилизира до размер, при който газът вътре в балона няма да се свие повече, поне без да изскочи балона.

Всъщност има два интерфейса течен газ на сапунен мехур - този от вътрешната страна на балона и този от външната страна на балона. Между двете повърхности е a тънък филм на течност.

Сферичната форма на сапунен мехур се причинява от минимизирането на повърхността - при даден обем сфера винаги е формата, която има най-малка повърхностна площ.

За да отчитаме налягането вътре в сапунения мехур, считаме радиуса R на мехурчето, а също и на повърхностното напрежение, гама, от течността (сапунът в този случай - около 25 dyn / cm).

Започваме с поемането на външен натиск (което, разбира се, не е вярно, но ще се погрижим малко за това). След това обмисляте напречно сечение през центъра на балона.

По протежение на това напречно сечение, игнорирайки много лека разлика във вътрешния и външния радиус, знаем, че обиколката ще бъде 2пиR. Всяка вътрешна и външна повърхност ще има налягане от гама по цялата дължина, така че общата. Следователно общата сила от повърхностното напрежение (както от вътрешния, така и от външния филм) е 2гама (2pi R).

Вътре в балона обаче имаме натиск р която действа върху целия напречен разрез pi R², което води до обща сила от р(pi R²).

Тъй като балонът е стабилен, сумата от тези сили трябва да е нула, така че да получим:

2 гама (2 pi R) = р( pi R²)
или
р = 4 гама / R

Очевидно това беше опростен анализ, при който налягането извън балона беше 0, но това лесно се разширява, за да се получи разлика между вътрешното налягане р и външното налягане р_д:

р - р_д = 4 гама / R

Анализиране на капка течност, за разлика от сапунен мехур, е по-просто. Вместо две повърхности трябва да се вземе предвид само външната повърхност, така че фактор от 2 отпада по-ранното уравнение (помниш ли къде удвоихме повърхностното напрежение, за да отчитаме две повърхности?) до добив:

р - р_д = 2 гама / R

Повърхностното напрежение възниква по време на интерфейс газ-течност, но ако този интерфейс влиза в контакт с a плътна повърхност - като стените на контейнера - интерфейсът обикновено се извива нагоре или надолу близо до това повърхност. Такава вдлъбната или изпъкнала повърхностна форма е известна като a менискус

Ъгълът на контакт, тета, се определя както е показано на снимката вдясно.

Контактният ъгъл може да се използва за определяне на връзка между повърхностното напрежение течност-твърдо вещество и повърхностното напрежение течен газ, както следва:

гама_LS = - гама_LG косинус тета

където

• гама_LS е повърхностното напрежение течно-твърдо
• гама_LG е повърхностното напрежение на течния газ
• тета е контактният ъгъл

Едно нещо, което трябва да се вземе предвид в това уравнение, е, че в случаите, когато менискусът е изпъкнал (т.е. ъгълът на контакт е по-голям от 90 градуса), косинусният компонент на това уравнение ще бъде отрицателен, което означава, че повърхностното напрежение течност-твърдо вещество ще бъде положителен.

Ако, от друга страна, менискусът е вдлъбнат (т.е. понижава се, така че ъгълът на контакт е по-малък от 90 градуса), тогава cos тета терминът е положителен, в този случай връзката би довела до a отрицателен повърхностно напрежение течно-твърдо!

Това, което означава по същество, е, че течността се прилепва към стените на контейнера и е работи за максимално увеличаване на площта в контакт с твърда повърхност, за да се сведе до минимум общия потенциал енергия.

Друг ефект, свързан с водата във вертикални тръби, е свойството на капилярност, при която повърхността на течността става повишена или потисната вътре в тръбата спрямо заобикалящата течност. Това също е свързано с наблюдавания ъгъл на контакт.

Ако имате течност в контейнер и поставете тясна тръба (или капилярен) на радиус R в контейнера, вертикалното изместване ш което ще се проведе в капиляра се дава от следното уравнение:

ш = (2 гама_LG косинус тета) / ( DGR)

където

• ш е вертикалното изместване (нагоре, ако е положително, надолу, ако е отрицателно)
• гама_LG е повърхностното напрежение на течния газ
• тета е контактният ъгъл
• д е плътността на течността
• г е ускорението на гравитацията
• R е радиусът на капиляра

ЗАБЕЛЕЖКА: Още веднъж, ако тета е по-голямо от 90 градуса (изпъкнал менискус), което води до отрицателно повърхностно напрежение течност-твърдо вещество, нивото на течността ще спадне в сравнение с околното ниво, за разлика от повишаването спрямо то.

Капилярността се проявява по много начини във всекидневния свят. Хартиените кърпи попиват чрез капилярност. При изгаряне на свещ разтопеният восък се издига нагоре по фитила поради капилярност. В биологията, въпреки че кръвта се изпомпва в цялото тяло, именно този процес разпределя кръвта в най-малките кръвоносни съдове, които се наричат ​​по подходящ начин, капиляри.

Необходими материали:

• 10 до 12 четвърти
• чаша пълна с вода

Бавно и с постоянна ръка пренесете четвъртинките една по една в центъра на чашата. Поставете тесния ръб на четвъртината във водата и я пуснете. (Това свежда до минимум прекъсването на повърхността и избягва образуването на ненужни вълни, които могат да причинят преливане.)

Докато продължите с повече четвъртинки, ще се учудите как изпъкналата вода става върху чашата, без да прелива!

Възможен вариант: Извършете този експеримент с еднакви очила, но използвайте различни видове монети във всяка чаша. Използвайте резултатите от броя на влизанията, за да определите съотношение на обемите на различни монети.

Необходими материали:

• вилица (вариант 1)
• парче хартия (вариант 2)
• игла за шиене
• чаша пълна с вода

Поставете иглата върху вилицата, като я спуснете леко в чашата с вода. Внимателно издърпайте вилицата навън и е възможно да оставите иглата да плава по повърхността на водата.

Този трик изисква истинска стабилна ръка и известна практика, защото трябва да извадите вилицата по такъв начин, че части от иглата да не се намокрят... или иглата ще мивка. Можете предварително да разтриете иглата между пръстите си, за да я „намажете“, за да увеличите шансовете си за успех.

Вариант 2 Трик

Поставете иглата за шиене върху малко парче тъкан хартия (достатъчно голяма, за да държи иглата). Иглата се поставя върху хартиената хартия. Хартиената хартия ще се накисне с вода и ще потъне до дъното на чашата, оставяйки иглата да плува по повърхността.

Необходими материали:

• запалена свещ (ЗАБЕЛЕЖКА: Не играйте с мачове без родителско одобрение и надзор!)
• фуния
• почистващ препарат или сапунен разтвор

Поставете палеца над малкия край на фунията. Внимателно го поднесете към свещта. Извадете палеца си и повърхностното напрежение на сапунения мехур ще доведе до свиване, изхвърляйки въздуха през фунията. Въздухът, изхвърлен от балона, трябва да е достатъчен, за да гаси свещта.

За малко свързан експеримент вижте Ракетния балон.

Необходими материали:

• Парче хартия
• ножици
• растително масло или течен препарат за съдомиялна машина
• голяма купа или тенджера за питка с хляб, пълна с вода

След като изрязате шаблона си от рибна хартия, поставете я върху контейнера с вода, така че да плава по повърхността. Поставете капка масло или почистващ препарат в дупката в средата на рибата.

Детергентът или маслото ще доведат до намаляване на повърхностното напрежение в този отвор. Това ще накара рибата да се движи напред, оставяйки следа от маслото, докато се движи по водата, без да спира, докато маслото намали повърхностното напрежение на цялата купа.

Таблицата по-долу показва стойностите на повърхностното напрежение, получени за различни течности при различни температури.

Експериментални стойности на повърхностно напрежение

Редактиран от Ан Мари Хелменстин, д-р