Mi a felületi feszültség? Meghatározás és kísérletek

A felületi feszültség olyan jelenség, amelyben a folyadék felülete, ahol a folyadék érintkezésbe kerül egy gázzal, vékony, rugalmas lemezként működik. Ezt a kifejezést általában csak akkor használják, ha a folyadék felülete érintkezésbe kerül gázokkal (például a levegővel). Ha a felület két folyadék (például víz és olaj) között van, akkor azt felületfeszültségnek nevezzük.

Különböző intermolekuláris erők, például a Van der Waals erők vonják össze a folyadék részecskéket. A felületet a részecskék a folyadék többi része felé húzzák, a jobb oldali képen látható módon.

Felületi feszültség (a görög változóval jelölve) gamma) a felszíni erő aránya F a hosszúságig d amelyek mentén az erő működik:

gamma = F / d

A felületi feszültség egységei

A felületi feszültséget mértékegységben mértük SI egységek N / m (newton / méter), bár a leggyakoribb egység a cyn egység dyn / cm (dyne / centiméter).

A helyzet termodinamikájának megfontolása érdekében időnként hasznos megfontolni azt

Ezek az erők kötik össze a felületi részecskéket. Bár ez a kötés gyenge - elvégre elég könnyű a folyadék felületét megtörni -, sokféleképpen nyilvánul meg.

Csepp víz. Vízcseppek használatakor a víz nem folyamatos áramlásban, hanem csepp sorozatban áramlik. A cseppek alakját a víz felületi feszültsége okozza. A vízcsepp nem teljesen gömb alakú oka az, hogy a gravitációs erő ráhúzza. Gravitáció hiányában a csepp minimalizálná a felületet a feszültség minimalizálása érdekében, ami tökéletesen gömb alakúvá válna.

Rovarok, séta a vízen. Számos rovar képes járni a vízen, például a vízhordó. Lábuk úgy van kialakítva, hogy elosztja a súlyát, és ezáltal a folyadék felülete depressziós legyen, minimalizálva ezzel a potenciált energia az erők egyensúlyának megteremtésére, hogy a sztrájk áthaladjon a víz felszínén anélkül, hogy áttörne a felület. Fogalmában ez hasonló a hótalp viseléséhez, hogy áthaladjon a mély hófúváson, anélkül, hogy a lába elsüllyedne.

A vízen úszó tű (vagy gemkapocs). Annak ellenére, hogy ezen tárgyak sűrűsége nagyobb, mint a víz, a mélyedés mentén a felületi feszültség elegendő ahhoz, hogy ellensúlyozza a fémtárgyat lefelé húzó gravitációs erőt. Kattintson a jobb oldali képre, majd a "Tovább" gombra, hogy megtekinthesse ennek a helyzetnek az erődiagramját, vagy kipróbálhatja a lebegő tű trükköt.

Amikor egy szappanbuborékot fúj, akkor nyomás alatt álló légbuborék alakul ki, amely a folyadék vékony, rugalmas felületén található. A legtöbb folyadék nem képes fenntartani a stabil felületi feszültséget, hogy buborékot hozzon létre, ezért általában a szappant használják az eljárásban... stabilizálja a felületi feszültséget a Marangoni effektusnak nevezett úton.

A buborék felfújásakor a felületi film hajlamos összehúzódni. Ez növeli a buborék belső nyomását. A buborék mérete olyan mértékben stabilizálódik, hogy a buborékban lévő gáz nem csökken tovább, legalább anélkül, hogy a buborék felbukkanna.

Valójában két folyékony-gáz interfész van a szappanbuborékon - az egyik a buborék belsejében, a másik pedig a buborék külsején helyezkedik el. A két felület között a vékonyfilm folyadék.

A szappanbuborék gömb alakját a felület minimalizálása okozza - egy adott térfogat esetén a gömb mindig az a forma, amelynek a legkevesebb a felülete.

A szappanbuborék belüli nyomás figyelembe vételéhez a sugarat vesszük figyelembe R a buborék és a felületi feszültség, gamma, a folyadék mennyisége (ebben az esetben szappan - kb. 25 dyn / cm).

Először azt feltételezzük, hogy nincs külső nyomás (ami természetesen nem igaz, de ez egy kicsit gondoskodunk róla). Ezután megvizsgálja a keresztmetszetét a buborék közepén.

E keresztmetszet mentén, figyelmen kívül hagyva a belső és a külső sugár nagyon kis különbségét, tudjuk, hogy a kerülete 2 leszpiR. Minden belső és külső felület nyomása: gamma teljes hossza mentén, tehát az összes. Ezért a felületi feszültségből származó teljes erő (mind a belső, mind a külső filmből) 2gamma (2pi R).

A buborékon belül azonban nyomás van p amely a teljes keresztmetszetben működik pi R², ami teljes erőt eredményez p(pi R²).

Mivel a buborék stabil, ezen erők összegének nullának kell lennie, így kapjuk:

2 gamma (2 pi R) = p( pi R²)
vagy
p = 4 gamma / R

Nyilvánvaló, hogy ez egy egyszerűsített elemzés volt, ahol a buborékon kívüli nyomás 0 volt, de ezt könnyen meg lehet terjeszteni a különbség a belső nyomás között p és a külső nyomás p_e:

p - p_e = 4 gamma / R

Egy csepp folyadék elemzése, szemben a egy szappanbuborék, egyszerűbb. Két felület helyett csak a külső felületet kell figyelembe venni, tehát 2-es tényező esik ki a korábbi egyenlet (emlékszel, ahol megkétszerezzük a felületi feszültséget, hogy figyelembe vegyük a két felületet?) hozam:

p - p_e = 2 gamma / R

A felületi feszültség gáz-folyadék interfész alatt jelentkezik, de ha az interfész érintkezésbe kerül a szilárd felület - például egy tartály falai - a felület általában felfelé vagy lefelé görbül annak közelében felület. Az ilyen konkáv vagy konvex felület alakot a homorú-domború lencse

Az érintkezési szög, theta, a jobb oldali képen látható módon határozza meg.

Az érintkezési szög felhasználható a folyadék-szilárd felület feszültsége és a folyadék-gáz felületi feszültsége közötti kapcsolat meghatározására az alábbiak szerint:

gamma_ls = - gamma_lg kötözősaláta theta

hol

• gamma_ls a folyadék-szilárd felületi feszültség
• gamma_lg a folyadék-gáz felületi feszültsége
• theta az érintkezési szög

Ebben az egyenletben figyelembe kell venni, hogy azokban az esetekben, amikor a meniszkusz konvex (azaz az érintkezési szög nagyobb, mint 90 fok), ennek az egyenletnek a koszinus komponense negatív lesz, ami azt jelenti, hogy a folyadék-szilárd felület feszültsége lesz pozitív.

Ha viszont a meniszkusz konkáv (azaz lemerül, tehát az érintkezési szög kisebb, mint 90 fok), akkor a cos theta kifejezés pozitív, ebben az esetben a kapcsolat a negatív folyékony-szilárd felületi feszültség!

Ez lényegében azt jelenti, hogy a folyadék tapad a tartály falához, és így van a szilárd felülettel érintkező terület maximalizálása annak érdekében, hogy minimalizáljuk a teljes potenciált energia.

A függőleges csövekben a vízhez kapcsolódó másik hatás a kapilláris tulajdonság, amelyben a folyadék felülete megemelkedik vagy nyomásra kerül a csőben a környező folyadékhoz képest. Ez szintén kapcsolódik a megfigyelt érintkezési szöghez.

Ha folyadék van egy tartályban, helyezze be egy keskeny csövet (vagy hajszálcsöves) sugara r a tartályba, a függőleges elmozdulás y A kapillárison belül zajló reakciót a következő egyenlet adja:

y = (2 gamma_lg kötözősaláta theta) / ( DGR)

hol

• y a függőleges elmozdulás (felfelé, ha pozitív, lefelé, ha negatív)
• gamma_lg a folyadék-gáz felületi feszültsége
• theta az érintkezési szög
• d a folyadék sűrűsége
• g a gravitáció gyorsulása
• r a kapilláris sugara

JEGYZET: Még egyszer, ha theta több mint 90 fok (konvex meniszkusz), negatív folyadék-szilárd felületi feszültséget eredményez, a folyadék szintje csökkenni fog a környező szinthez képest, szemben a azt.

A kapilláris sokféle módon nyilvánul meg a mindennapi világban. A papírtörlők a kapillárison keresztül felszívódnak. Gyertya elégetésekor az olvadt viasz a kapilláris miatt felveszi a kanócot. A biológiában, bár a vér az egész testben pumpálódik, ez a folyamat osztja el a vért a legkisebb erekben, és kapillárisok.

Szükséges anyagok:

• 10–12 negyed
• pohár tele vízzel

Lassan és határozott kezével hozza egyenként a negyedeket az üveg közepére. Helyezze a negyed keskeny szélét a vízbe, és engedje el. (Ez minimalizálja a felület zavarát, és elkerüli a szükségtelen hullámok kialakulását, amelyek túlfolyást okozhatnak.)

Ahogy folytatod további negyedévekkel, meg fog lepődni, mennyire domború lesz a víz az üveg tetejére anélkül, hogy túlfolyna!

Lehetséges változat: Végezzük el ezt a kísérletet azonos szemüvegekkel, de mindegyik üvegben különféle típusú érméket használjunk. Az eredmények alapján megtudhatja, hogy hányan tudnak bejutni a különböző érmék mennyiségének arányához.

Szükséges anyagok:

• villa (1. változat)
• darab selyempapír (2. változat)
• varrótű
• pohár tele vízzel

Helyezze a tűt a villára, óvatosan engedve a pohárba. Óvatosan húzza ki a villát, és hagyhatja, hogy a tű lebegjen a víz felszínén.

Ez a trükk valódi állandó kezét és gyakorlását igényli, mert úgy kell eltávolítania a villát, hogy a tű egyes részei ne kerüljenek nedvessé. vagy a tű akarat mosogató. A tűt ujjai között előzetesen dörzsölheti, hogy "olajozzon", ez növeli a siker esélyeit.

2. variáns trükk

Helyezze a varrótűt egy kis darab szövetpapírra (amely elég nagy ahhoz, hogy a tűt tartsa). A tűt a kendőpapírra helyezik. A selyempapír vízzel átitatódik, és az üveg aljára süllyed, hagyva a tűt a felszínen úszónak.

Szükséges anyagok:

• meggyújtott gyertya (JEGYZET: Ne játsszon meccsekkel szülői jóváhagyás és felügyelet nélkül!)
• tölcsér
• mosószer vagy szappanbuborék-oldat

Helyezze a hüvelykujját a tölcsér kicsi végére. Óvatosan vigye a gyertya felé. Távolítsa el a hüvelykujját, és a szappanbuborék felületi feszültsége összehúzódik, és a levegőt kiszorítja a tölcsérből. A buborék által kiszorított levegőnek elegendőnek kell lennie a gyertya kioltásához.

Egy kissé kapcsolódó kísérlethez lásd a Rakéta ballont.

Szükséges anyagok:

• papírdarab
• olló
• növényi olaj vagy folyékony mosogatószer
• egy nagy tál vagy kenyér torta serpenyőben tele vízzel

Miután kivágta a papírhal mintáját, helyezze a víztartályra úgy, hogy a felszínen lebegjen. Helyezzen egy csepp olajat vagy mosószert a hal közepén található lyukba.

A mosószer vagy olaj miatt a lyuk felületi feszültsége lecsökken. Ez azt eredményezi, hogy a halak előrehaladnak, és nyomot hagynak az olajnak, amint a vízen mozog, és nem áll meg, amíg az olaj csökkenti az egész tál felületi feszültségét.

Az alábbi táblázat szemlélteti a felületi feszültség értékeit, amelyeket különböző folyadékokhoz kaptak különböző hőmérsékleten.

Kísérleti felületi feszültség értékek

Szerkesztette Anne Marie Helmenstine, Ph. D.