Čo je povrchové napätie? Definícia a experimenty

Povrchové napätie je jav, pri ktorom povrch kvapaliny, kde je kvapalina v kontakte s plynom, pôsobí ako tenká elastická vrstva. Tento výraz sa zvyčajne používa iba vtedy, keď je povrch kvapaliny v kontakte s plynom (napríklad so vzduchom). Ak je povrch medzi dvoma tekutinami (napríklad vodou a olejom), nazýva sa „napätie rozhrania“.

Rôzne intermolekulárne sily, ako sú napríklad Van der Waalsove sily, spájajú tekuté častice dohromady. Po povrchu sú častice pritiahnuté k zvyšku kvapaliny, ako je to znázornené na obrázku vpravo.

Povrchové napätie (označené gréckou premennou gama) je definovaný ako pomer povrchovej sily F na dĺžku d po ktorej sila pôsobí:

gama = F / d

Jednotky povrchového napätia

Povrchové napätie sa meria v mm SI jednotky N / m (newton na meter), hoci bežnejšou jednotkou je cgs jednotka dyn / cm (dyn na centimeter).

Aby sa zvážila termodynamika situácie, je niekedy užitočné uvažovať o nej práca na jednotku plochy. Jednotka SI je v tomto prípade J / m² (joulov na meter štvorcový). Jednotka cgs je erg / cm².

Tieto sily viažu povrchové častice k sebe. Aj keď je táto väzba slabá - koniec koncov je veľmi ľahké rozbiť povrch kvapaliny - prejavuje sa mnohými spôsobmi.

Kvapky vody. Pri použití kvapkadla vody voda neprúdi nepretržite, ale skôr v sérii kvapiek. Tvar kvapiek je spôsobený povrchovým napätím vody. Jediný dôvod, prečo kvapka vody nie je úplne sférická, je tá, že gravitačná sila na ňu tlačí. Pri absencii gravitácie by kvapka minimalizovala povrchovú plochu, aby sa minimalizovalo napätie, čo by malo za následok dokonale sférický tvar.

Hmyz chôdza po vode. Niekoľko hmyzov je schopných chodiť po vode, ako je napríklad vodný štrajk. Ich nohy sú tvarované tak, aby rozptyľovali svoju váhu, čím spôsobujú depresiu povrchu kvapaliny, čím sa minimalizuje potenciál energie na vytvorenie rovnováhy síl tak, aby sa útočník mohol pohybovať po hladine vody bez toho, aby prelomil povrchom. V koncepcii je to podobné ako nosenie snežníc na prechádzky hlbokými snehovými závesmi bez klesania nôh.

Ihla (alebo kancelárska sponka) plávajúca na vode. Aj keď je hustota týchto predmetov väčšia ako voda, povrchové napätie pozdĺž priehlbiny je dostatočné na to, aby pôsobilo proti gravitačnej sile ťahajúcej sa nad kovový predmet. Kliknite na obrázok vpravo a potom na tlačidlo „Ďalej“, aby ste si mohli pozrieť silový diagram tejto situácie alebo vyskúšať trik Floating Needle pre seba.

Keď vyhodíte mydlovú bublinu, vytvoríte pod tlakom bublinu vzduchu, ktorá je obsiahnutá v tenkom, elastickom povrchu tekutiny. Väčšina tekutín nedokáže udržať stabilné povrchové napätie, aby vytvorila bublinu, a preto sa v tomto procese všeobecne používa mydlo... stabilizuje povrchové napätie prostredníctvom niečoho, čo sa nazýva Marangonov jav.

Keď je fúkaná bublina, povrchový film má tendenciu sťahovať sa. To spôsobí zvýšenie tlaku vo vnútri bubliny. Veľkosť bubliny sa stabilizuje na takej úrovni, aby sa plyn vo vnútri bubliny už ďalej nezmenšoval, prinajmenšom bez toho, aby bublina praskla.

Na mydlovej bubline sú v skutočnosti dve rozhrania kvapalina-plyn - jedno na vnútornej strane bubliny a druhé na vonkajšej strane bubliny. Medzi týmito dvoma povrchmi je a tenký film kvapaliny.

Sférický tvar mydlovej bubliny je spôsobený minimalizáciou povrchovej plochy - pre daný objem je guľa vždy formou, ktorá má najmenšiu povrchovú plochu.

Na zváženie tlaku vo vnútri mydlovej bubliny uvažujeme polomer R bubliny a tiež povrchové napätie, gamakvapaliny (v tomto prípade mydlo - asi 25 dyn / cm).

Začneme tým, že nebudeme predpokladať žiadny vonkajší tlak (čo samozrejme nie je pravda, ale o to sa trochu postaráme). Potom zvážte prierez stredom bubliny.

Pozdĺž tohto prierezu, ignorujúc veľmi malý rozdiel vo vnútornom a vonkajšom polomere, vieme, že obvod bude 2piR. Každý vnútorný a vonkajší povrch bude mať tlak gama po celej dĺžke, teda celkom. Celková sila z povrchového napätia (z vnútornej aj z vonkajšej vrstvy) je preto 2gama (2pi R).

Vo vnútri bubliny však máme tlak p ktorý pôsobí na celý prierez pi R², čo vedie k celkovej sile p(pi R²).

Pretože je bublina stabilná, súčet týchto síl musí byť nula, takže dostaneme:

2 gama (2 pi R) = p( pi R²)
alebo
p = 4 gama / R

Je zrejmé, že to bola zjednodušená analýza, pri ktorej bol tlak mimo bubliny 0, ale toto sa ľahko rozšírilo na získanie rozdiel medzi vnútorným tlakom p a vonkajší tlak p_e:

p - p_e = 4 gama / R

Analýza kvapky kvapaliny, na rozdiel od mydlová bublina, je jednoduchšie. Namiesto dvoch povrchov je potrebné brať do úvahy iba vonkajší povrch, takže faktor 2 vypadne predchádzajúca rovnica (nezabudnite, kde sme zdvojnásobili povrchové napätie, aby sme zodpovedali za dva povrchy?) výťažok:

p - p_e = 2 gama / R

Povrchové napätie sa vyskytuje počas rozhrania plyn-kvapalina, ale ak sa toto rozhranie dostane do kontaktu s a pevný povrch - napríklad steny kontajnera - sa rozhranie zvyčajne kríži hore alebo dole povrchom. Takýto konkávny alebo vypuklý tvar povrchu je známy ako meniskus

Kontaktný uhol, theta, je určené tak, ako je to znázornené na obrázku vpravo.

Kontaktný uhol sa môže použiť na určenie vzťahu medzi povrchovým napätím kvapalina-pevná látka a povrchovým napätím kvapalina-plyn takto:

gama_ls = - gama_lg cos theta

kde

• gama_ls je povrchové napätie kvapalina-pevná látka
• gama_lg je povrchové napätie kvapalina-plyn
• theta je kontaktný uhol

V tejto rovnici je potrebné vziať do úvahy, že v prípadoch, keď je meniskus konvexný (t. J. Kontaktný uhol je väčší ako 90 stupňov) bude kosínová zložka tejto rovnice záporná, čo znamená, že povrchové napätie kvapalina - pevná látka bude pozitívne.

Ak je naopak meniskus konkávny (t. J. Poklesne, takže kontaktný uhol je menší ako 90 stupňov), potom cos theta je pozitívny, v takom prípade by vzťah mal za následok a negatívny povrchové napätie kvapalina-pevná látka!

To v podstate znamená, že kvapalina ulpieva na stenách nádoby a je pracovať na maximalizovaní plochy v kontakte s pevným povrchom, aby sa minimalizoval celkový potenciál energie.

Ďalším účinkom súvisiacim s vodou vo vertikálnych trubiciach je vlastnosť kapilár, pri ktorej sa povrch kvapaliny v trubici zvýši alebo stlačí vo vzťahu k okolitej tekutine. Aj to súvisí s pozorovaným kontaktným uhlom.

Ak máte tekutinu v obale a vložte úzku skúmavku (alebo kapilárnej) polomeru r do kontajnera, vertikálny posun y ktoré sa uskutoční v kapiláre, je dané nasledujúcou rovnicou:

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

kde

• y je vertikálny posun (hore, ak je pozitívny, dole, ak je negatívny)
• gama_lg je povrchové napätie kvapalina-plyn
• theta je kontaktný uhol
• d je hustota kvapaliny
• g je zrýchlenie gravitácie
• r je polomer kapiláry

POZNÁMKA: Ešte raz, ak theta je väčší ako 90 stupňov (konvexný meniskus), čo má za následok záporné povrchové napätie kvapalina-pevná látka, hladina kvapaliny bude klesať v porovnaní s okolitou hladinou, na rozdiel od stúpania v porovnaní s hladinou ono.

Kapilárnosť sa v každodennom svete prejavuje mnohými spôsobmi. Papierové utierky sa absorbujú kapilárou. Keď horí sviečka, roztavený vosk zdvihne knôt kvôli kapilárnosti. V biológii, hoci krv je čerpaná do celého tela, je to tento proces, ktorý distribuuje krv do najmenších krvných ciev, ktoré sa nazývajú primeraným spôsobom. kapiláry.

Potrebné materiály:

• 10 až 12 štvrťrokov
• pohár plný vody

Pomaly a stálou rukou priveďte štvrť po jednom do stredu pohára. Vložte úzky okraj štvrtiny do vody a pustite. (Toto minimalizuje narušenie povrchu a zabraňuje zbytočným vlnám, ktoré môžu spôsobiť pretečenie.)

Ako budete pokračovať vo viacerých štvrtiach, budete prekvapení, ako sa konvexná voda stáva na vrchu skla bez toho, aby pretekala!

Možný variant: Vykonajte tento experiment s rovnakými poháre, ale v každom pohári použite rôzne druhy mincí. Použite výsledky toho, koľko môže ísť, aby ste určili pomer objemov rôznych mincí.

Potrebné materiály:

• vidlica (variant 1)
• kus hodvábneho papiera (variant 2)
• šijacia ihla
• pohár plný vody

Ihlu položte na vidlicu a jemne ju spustite do pohára vody. Opatrne vytiahnite vidlicu von a ihlu môžete nechať plávať na hladine vody.

Tento trik vyžaduje skutočnú stabilnú ruku a nejaký postup, pretože musíte vidlicu odstrániť tak, aby sa časti ihly nezmočili... alebo ihla vôľa drez. Ihlu si môžete medzi prsty pretrieť vopred, aby ste „naolejovali“, čo zvyšuje vaše šance na úspech.

Trik variantu 2

Umiestnite šijaciu ihlu na malý kúsok hodvábneho papiera (dostatočne veľký na to, aby držal ihlu). Ihla sa umiestni na hodvábny papier. Hodvábny papier bude nasiaknutý vodou a klesá na dno pohára, pričom ihla bude vznášať sa na povrchu.

Potrebné materiály:

• zapálenú sviečku (POZNÁMKA: Nehrajte si so zápasmi bez súhlasu rodičov a dohľadu!)
• lievik
• čistiaci prostriedok alebo roztok mydlovej bubliny

Palcom položte malý koniec lievika. Opatrne ho priveďte k sviečke. Vyberte palec a povrchové napätie mydlovej bubliny spôsobí jej kontrakciu a vytlačenie vzduchu cez lievik. Vzduch vytlačený bublinou by mal stačiť na rozmiestnenie sviečky.

Pre trochu súvisiaci experiment, pozri Rocket Balloon.

Potrebné materiály:

• kúsok papiera
• nožnice
• rastlinný olej alebo tekutý čistiaci prostriedok do umývačky riadu
• veľká misa alebo bochník na tortu plnú vody

Akonáhle máte papierový výrez vystrihnutý, položte ho na nádobu na vodu tak, aby plávala na povrchu. Do otvoru v strede ryby vložte kvapku oleja alebo čistiaceho prostriedku.

Čistiaci prostriedok alebo olej spôsobí pokles povrchového napätia v tomto otvore. To spôsobí, že sa ryba pohne dopredu a zanechá stopu oleja pri pohybe vodou, nezastaví sa, kým olej nezníži povrchové napätie celej misky.

V nasledujúcej tabuľke sú uvedené hodnoty povrchového napätia získané pre rôzne kvapaliny pri rôznych teplotách.

Experimentálne hodnoty povrchového napätia

Upravil Anne Marie Helmenstine, Ph. D.