Ce este tensiunea suprafeței? Definiție și experimente

Tensiunea superficială este un fenomen în care suprafața unui lichid, în care lichidul este în contact cu un gaz, acționează ca o foaie elastică subțire. Acest termen este utilizat de obicei numai atunci când suprafața lichidului este în contact cu gazul (cum ar fi aerul). Dacă suprafața se află între două lichide (cum ar fi apa și uleiul), se numește „tensiune de interfață”.

Diferite forțe intermoleculare, cum ar fi forțele Van der Waals, atrag particulele lichide. De-a lungul suprafeței, particulele sunt trase spre restul lichidului, așa cum se arată în imagine spre dreapta.

Tensiunea superficială (notată cu variabila greacă gamma) este definit ca raportul dintre forța de suprafață F la lungime d de-a lungul căreia acționează forța:

gamma = F / d

Unități de tensiune de suprafață

Tensiunea superficială este măsurată în Unități SI de N / m (newton pe metru), deși unitatea mai comună este unitatea cgs dyn / cm (dyne la centimetru).

Pentru a lua în considerare termodinamica situației, uneori este util să o luăm în considerare în termeni de

Aceste forțe leagă particulele de suprafață. Deși această legătură este slabă - este destul de ușor să rupi suprafața unui lichid până la urmă - se manifestă în multe feluri.

Picaturi de apa. Atunci când utilizați un picurător de apă, apa nu curge într-un flux continuu, ci mai degrabă într-o serie de picături. Forma picăturilor este cauzată de tensiunea de suprafață a apei. Singurul motiv pentru care picătura de apă nu este complet sferică este faptul că forța gravitației care trage în jos asupra ei. În absența gravitației, căderea ar minimiza suprafața pentru a reduce la minimum tensiunea, ceea ce ar avea ca rezultat o formă perfect sferică.

Insecte care merg pe apă. Mai multe insecte sunt capabile să meargă pe apă, cum ar fi striderul de apă. Picioarele lor sunt formate pentru a-și distribui greutatea, determinând deprimarea suprafeței lichidului, reducând la minimum potențialul energie pentru a crea un echilibru de forțe, astfel încât striderul să se poată deplasa pe suprafața apei, fără a trece prin suprafaţă. Acest lucru este similar în ceea ce privește purtarea rachetelor de zăpadă pentru a merge pe ninsori adânci, fără ca picioarele să se afunde.

Ace (sau agrafe) plutesc pe apă. Chiar dacă densitatea acestor obiecte este mai mare decât apa, tensiunea de suprafață de-a lungul depresiunii este suficientă pentru a contracara forța gravitației care se trage în jos asupra obiectului metalic. Faceți clic pe imaginea din dreapta, apoi faceți clic pe „Următorul”, pentru a vizualiza o diagramă de forță a acestei situații sau pentru a încerca trucul Ac flotant pentru tine.

Când suflați o bulă de săpun, creați o bulă de aer sub presiune, care este conținută într-o suprafață subțire și elastică de lichid. Majoritatea lichidelor nu pot menține o tensiune superficială stabilă pentru a crea o bulă, motiv pentru care săpunul este utilizat în general în proces... stabilizează tensiunea superficială printr-un lucru numit efect Marangoni.

Când balonul este suflat, filmul de suprafață tinde să se contracte. Acest lucru face ca presiunea din interiorul bulei să crească. Mărimea bulei se stabilizează la o dimensiune în care gazul din interiorul bulei nu se va mai contracta, cel puțin fără să apară bula.

De fapt, pe o bulă de săpun există două interfețe lichid-gaz - cea din interiorul bulei și cea din exteriorul bulei. Între cele două suprafețe este a film subtire de lichid.

Forma sferică a unei bule de săpun este cauzată de minimizarea suprafeței - pentru un volum dat, o sferă este întotdeauna forma care are cea mai mică suprafață.

Pentru a lua în considerare presiunea din interiorul bulei de săpun, avem în vedere raza R de bule și, de asemenea, tensiunea superficială, gamma, din lichid (săpun în acest caz - aproximativ 25 dyn / cm).

Începem prin a nu presupune nicio presiune externă (ceea ce este, desigur, nu este adevărat, dar vom avea grijă de asta într-un pic). Apoi, luați în considerare o secțiune transversală prin centrul bulei.

De-a lungul acestei secțiuni transversale, ignorând diferența foarte mică de rază interioară și exterioară, știm că circumferința va fi 2piR. Fiecare suprafață interioară și exterioară va avea o presiune de gamma de-a lungul întregii lungimi, deci total. Forța totală din tensiunea de suprafață (atât din interior, cât și din exterior) este, prin urmare, 2gamma (2pi R).

Cu toate acestea, în interiorul bulei, avem o presiune p care acționează pe întreaga secțiune transversală pi R²rezultând o forță totală de p(pi R²).

Deoarece balonul este stabil, suma acestor forțe trebuie să fie zero, astfel încât să obținem:

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

Evident, aceasta a fost o analiză simplificată în care presiunea în afara bulei a fost 0, dar aceasta este ușor extinsă pentru a obține diferență între presiunea interioară p și presiunea exterioară p_e:

p - p_e = 4 gamma / R

Analizând o picătură de lichid, spre deosebire de un balon de săpun, este mai simplu. În loc de două suprafețe, există doar suprafața exterioară de luat în considerare, deci un factor de 2 picături ecuația anterioară (vă amintiți unde am dublat tensiunea superficială pentru a da în calcul două suprafețe?) să Randament:

p - p_e = 2 gamma / R

Tensiunea de suprafață apare în timpul unei interfețe gaz-lichid, dar dacă această interfață vine în contact cu a suprafață solidă - cum ar fi pereții unui container - interfața de obicei se curbe în sus sau în jos aproape de aceasta suprafaţă. O astfel de formă de suprafață concavă sau convexă este cunoscută sub numele de meniscului

Unghiul de contact, teta, este determinat așa cum se arată în imaginea din dreapta.

Unghiul de contact poate fi utilizat pentru a determina o relație între tensiunea de suprafață lichid-solid și tensiunea de suprafață lichid-gaz, după cum urmează:

gamma_ls = - gamma_lg cos teta

Unde

• gamma_ls este tensiunea de suprafață lichid-solid
• gamma_lg este tensiunea de suprafață a gazului lichid
• teta este unghiul de contact

Un lucru de luat în considerare în această ecuație este că în cazurile în care meniscul este convex (adică unghiul de contact este mai mare de 90 grade), componenta cosinică a acestei ecuații va fi negativă ceea ce înseamnă că tensiunea de suprafață lichid-solid va fi pozitiv.

Dacă, pe de altă parte, meniscul este concave (adică scade în jos, deci unghiul de contact este mai mic de 90 de grade), atunci cos teta termenul este pozitiv, caz în care relația ar avea ca rezultat un negativ tensiune de suprafață lichid-solid!

Ceea ce înseamnă acest lucru, în esență, este că lichidul aderă la pereții containerului și este se lucrează pentru maximizarea zonei în contact cu suprafața solidă, astfel încât să se minimizeze potențialul general energie.

Un alt efect legat de apa din tuburile verticale este proprietatea capilarității, în care suprafața lichidului devine ridicată sau deprimată în interiorul tubului în raport cu lichidul din jur. Acest lucru este, de asemenea, legat de unghiul de contact observat.

Dacă aveți un lichid într-un recipient și așezați un tub îngust (sau capilar) de rază r în container, deplasarea verticală y care va avea loc în interiorul capilarului este dat de următoarea ecuație:

y = (2 gamma_lg cos teta) / ( DGR)

Unde

• y este deplasarea verticală (sus dacă este pozitivă, jos dacă este negativă)
• gamma_lg este tensiunea de suprafață a gazului lichid
• teta este unghiul de contact
• d este densitatea lichidului
• g este accelerația gravitației
• r este raza capilarului

NOTĂ: Încă o dată, dacă teta este mai mare de 90 de grade (un menisc convex), rezultând o tensiune negativă a suprafeței lichid-solid, nivelul lichidului va scădea în comparație cu nivelul din jur, spre deosebire de creșterea în raport cu aceasta.

Capilaritatea se manifestă în multe feluri în lumea de zi cu zi. Prosoapele de hârtie absorb prin capilaritate. Când arde o lumânare, ceara topită se ridică pe fitil din cauza capilarității. În biologie, deși sângele este pompat în tot corpul, este acest proces care distribuie sângele în cele mai mici vase de sânge care sunt numite, în mod corespunzător, capilare.

Materiale necesare:

• 10 - 12 trimestre
• pahar plin cu apă

Încet și cu o mână constantă, aduceți sferturile pe rând în centrul paharului. Puneți marginea îngustă a sfertului în apă și dați drumul. (Acest lucru minimizează întreruperea la suprafață și evită formarea de valuri inutile care pot provoca revărsare.)

Pe măsură ce veți continua cu mai multe sferturi, veți fi uimiți de cât de convexă apa devine deasupra paharului fără să curgă!

Varianta posibilă: Efectuați acest experiment cu ochelari identici, dar utilizați diferite tipuri de monede în fiecare pahar. Utilizați rezultatele câtorva pot intra pentru a determina un raport dintre volumele de monede diferite.

Materiale necesare:

• furculiță (varianta 1)
• bucată de hârtie de țesut (varianta 2)
• ac de cusut
• pahar plin cu apă

Puneți acul pe furculiță, coborând-l ușor în paharul cu apă. Scoateți cu atenție furca afară și este posibil să lăsați acul plutind pe suprafața apei.

Acest truc necesită o mână reală constantă și ceva practică, deoarece trebuie să îndepărtați furculița astfel încât porțiunile de ac să nu se ude... sau acul voi chiuvetă. Puteți freca acul între degete în prealabil pentru a „ulei”, pentru a vă crește șansele de succes.

Varianta 2 Truc

Puneți acul de cusut pe o bucată mică de hârtie (suficient de mare pentru a ține acul). Acul este așezat pe hârtia țesutului. Hârtia de țesut se va înmuia cu apă și se va scufunda în fundul paharului, lăsând acul plutind la suprafață.

Materiale necesare:

• lumânare aprinsă (NOTĂ: Nu jucați cu meciuri fără aprobarea și supravegherea părinților!)
• pâlnie
• soluție de detergent sau cu bule de săpun

Puneți degetul mare peste capătul mic al pâlniei. Adu-l cu grijă spre lumânare. Îndepărtați degetul mare, iar tensiunea superficială a balonului de săpun va face ca acesta să se contracte, forțând aerul prin pâlnie. Aerul forțat de bule ar trebui să fie suficient pentru a stinge lumânarea.

Pentru un experiment oarecum legat, consultați Balonul rachetelor.

Materiale necesare:

• bucata de hartie
• foarfece
• ulei vegetal sau detergent lichid de spălat vase
• un bol mare sau o tigaie pentru tort cu pâine plină cu apă

După ce ați tăiat modelul de pește de hârtie, așezați-l pe recipientul de apă, astfel încât să plutească la suprafață. Puneți o picătură de ulei sau detergent în gaura din mijlocul peștelui.

Detergentul sau uleiul vor determina căderea tensiunii de suprafață din gaura respectivă. Acest lucru va determina peștele să se propulseze înainte, lăsând o urmă de ulei în timp ce se deplasează peste apă, nu se oprește până când uleiul a scăzut tensiunea superficială a întregului vas.

Tabelul de mai jos arată valorile tensiunii superficiale obținute pentru diferite lichide la diferite temperaturi.

Valori experimentale de tensiune a suprafeței

Editat de Anne Marie Helmenstine, Ph. D.