Kas ir virsmas spraigums? Definīcija un eksperimenti

Virsmas spraigums ir parādība, kurā šķidruma virsma, kurā šķidrums ir saskarē ar gāzi, darbojas kā plāna elastīga loksne. Šo terminu parasti lieto tikai tad, ja šķidruma virsma ir saskarē ar gāzi (piemēram, gaisu). Ja virsma atrodas starp diviem šķidrumiem (piemēram, ūdeni un eļļu), to sauc par “saskarnes spriegumu”.

Dažādi starpmolekulāri spēki, piemēram, Van der Waals spēki, savelk šķidruma daļiņas kopā. Gar visu virsmu daļiņas velk pret pārējo šķidrumu, kā parādīts attēlā pa labi.

Virsmas spraigums (apzīmēts ar grieķu mainīgo) gamma) definē kā virsmas spēka attiecību F uz garumu d pa kuru spēks darbojas:

gamma = F / d

Virsmas spriegojuma vienības

Virsmas spraigumu mēra SI vienības N / m (ņūtonmetri uz metru), lai arī biežākā vienība ir cgs vienība dyn / cm (dyne uz centimetru).

Lai apsvērtu situācijas termodinamiku, dažreiz ir lietderīgi to apsvērt attiecībā uz darbs uz platības vienību. Šajā gadījumā SI vienība ir J / m² (džoulos uz kvadrātmetru). Cgs vienība ir erg / cm².

Šie spēki saista virsmas daļiņas kopā. Lai arī šī saistīšanās ir vāja - šķidruma virsmu ir diezgan viegli salauzt - tā izpaužas daudzos veidos.

Pilieni ūdens. Izmantojot ūdens pilinātāju, ūdens neplūst nepārtrauktā straumē, bet drīzāk pilienu virknē. Pilienu formu izraisa ūdens virsmas spraigums. Vienīgais iemesls, kāpēc ūdens piliens nav pilnīgi sfērisks, ir tas, ka gravitācijas spēks, kas to velk uz leju. Ja nebūtu gravitācijas, kritiens samazinātu virsmas laukumu, lai samazinātu spriedzi, kā rezultātā iegūtu pilnīgi sfērisku formu.

Kukaiņi staigā pa ūdeni. Vairāki kukaiņi spēj staigāt pa ūdeni, piemēram, ūdens strideris. Viņu kājas ir izveidotas, lai sadalītu svaru, izraisot šķidruma virsmas nomākumu, līdz minimumam samazinot potenciālu enerģija, lai radītu spēku līdzsvaru, lai gājējs varētu pārvietoties pa ūdens virsmu, neizlaižot to virsma. Pēc koncepcijas tas ir līdzīgs sniega kurpju nēsāšanai, lai staigāt pa dziļajām sniega tvertnēm, nepagūstot kājām.

Adata (vai saspraude), kas peld uz ūdens. Pat ja šo priekšmetu blīvums ir lielāks nekā ūdens, virsmas spraigums visā ieplakā ir pietiekams, lai neitralizētu smaguma spēku, kas velk uz metāla priekšmetu. Noklikšķiniet uz attēla labajā pusē, pēc tam noklikšķiniet uz "Tālāk", lai apskatītu šīs situācijas spēka diagrammu vai pats izmēģinātu peldošās adatas triku.

Pūšot ziepju burbuli, jūs izveidojat gaisa spiediena spiedienu, kas atrodas plānā, elastīgajā šķidruma virsmā. Lielākā daļa šķidrumu nevar uzturēt stabilu virsmas spraigumu, lai izveidotu burbuli, tāpēc šajā procesā parasti izmanto ziepes... tas stabilizē virsmas spraigumu caur kaut ko, ko sauc par Marangoni efektu.

Kad burbulis ir izpūstas, virsmas plēvei ir tendence sarauties. Tas izraisa spiediena palielināšanos burbuļa iekšpusē. Burbuļa lielums stabilizējas tādā lielumā, kurā burbuļa iekšpusē esošā gāze vairs nesaraujas, vismaz nepakļūstot burbulim.

Faktiski ziepju burbulim ir divas saskarnes ar šķidrumu un gāzi - viena burbuļa iekšpusē un otra burbuļa ārpuses. Starp abām virsmām ir a plāna plēve šķidruma.

Ziepju burbuļa sfērisko formu izraisa virsmas laukuma samazināšana līdz minimumam - konkrētam tilpumam lode vienmēr ir tāda, kurai ir vismazākais virsmas laukums.

Lai ņemtu vērā spiedienu ziepju burbuļa iekšpusē, mēs ņemam vērā rādiusu R burbulis un arī virsmas spraigums, gamma, šķidruma (ziepēm šajā gadījumā - apmēram 25 dyn / cm).

Sākumā pieņemam, ka nav ārēja spiediena (kas, protams, nav taisnība, bet par to mēs parūpēsimies mazliet). Pēc tam jūs apsverat šķērsgriezumu caur burbuļa centru.

Šajā šķērsgriezumā, ignorējot ļoti nelielo iekšējā un ārējā rādiusa atšķirības, mēs zinām, ka apkārtmērs būs 2piR. Katras iekšējās un ārējās virsmas spiediens būs gamma visā garumā, tātad kopējais. Tāpēc kopējais virsmas spraiguma spēks (gan no iekšējās, gan ārējās plēves) ir 2gamma (2pi R).

Tomēr burbuļa iekšienē mums ir spiediens lpp kas darbojas visā šķērsgriezumā pi R², kā rezultātā kopējais spēks ir lpp(pi R²).

Tā kā burbulis ir stabils, šo spēku summai jābūt nullei, lai iegūtu:

2 gamma (2 pi R) = lpp( pi R²)
vai
lpp = 4 gamma / R

Acīmredzot tā bija vienkāršota analīze, kurā spiediens ārpus burbuļa bija 0, bet to var viegli paplašināt, lai iegūtu atšķirība starp iekšējo spiedienu lpp un ārējais spiediens lpp_e:

lpp - lpp_e = 4 gamma / R

Analizējot šķidruma pilienu, nevis ziepju burbulis, ir vienkāršāka. Divu virsmu vietā jāņem vērā tikai ārējā virsma, tāpēc koeficients 2 izkrīt no iepriekšējais vienādojums (atcerieties, kur mēs divkāršojām virsmas spraigumu, lai ņemtu vērā divas virsmas?) līdz raža:

lpp - lpp_e = 2 gamma / R

Virsmas spraigums rodas gāzes-šķidruma saskarnes laikā, bet, ja šī saskarne nonāk saskarē ar cieta virsma, piemēram, konteinera sienas, saskarne parasti izliekas augšup vai lejup netālu no tā virsma. Šāda ieliekta vai izliekta virsmas forma ir zināma kā menisks

Saskares leņķis, teta, tiek noteikts, kā parādīts attēlā pa labi.

Kontakta leņķi var izmantot, lai noteiktu sakarību starp šķidruma-cietās virsmas spraigumu un šķidrās-gāzes virsmas spraigumu:

gamma_ls = - gamma_lg cos teta

kur

• gamma_ls ir šķidruma-cietās virsmas spraigums
• gamma_lg ir šķidrās gāzes virsmas spraigums
• teta ir kontakta leņķis

Viena lieta, kas jāņem vērā šajā vienādojumā, ir tā, ka gadījumos, kad meniski ir izliekti (t.i., saskares leņķis ir lielāks par 90 grādi), šī vienādojuma kosinusa sastāvdaļa būs negatīva, kas nozīmē, ka šķidruma-cietās virsmas spraigums būs pozitīvs.

Ja, no otras puses, menisks ir ieliekts (t.i., nokrīt uz leju, tātad kontakta leņķis ir mazāks par 90 grādiem), tad cos teta termins ir pozitīvs, un tādā gadījumā attiecības radītu a negatīvs šķidruma-cietas virsmas spraigums!

Tas būtībā nozīmē to, ka šķidrums pielīp pie trauka sienām un ir strādā, lai maksimāli palielinātu laukumu saskarē ar cietu virsmu, lai samazinātu kopējo potenciālu enerģija.

Cits efekts, kas saistīts ar ūdeni vertikālās caurulēs, ir kapilārā īpašība, kurā šķidruma virsma caurulē paaugstinās vai pazeminās attiecībā pret apkārtējo šķidrumu. Arī tas ir saistīts ar novēroto kontakta leņķi.

Ja jums ir šķidrums traukā, un ievietojiet šauru mēģeni (vai kapilārs) rādiuss r tvertnē vertikālais pārvietojums y kas notiks kapilārā, iegūst ar šādu vienādojumu:

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

kur

• y ir vertikālais pārvietojums (uz augšu, ja pozitīvs, uz leju, ja negatīvs)
• gamma_lg ir šķidrās gāzes virsmas spraigums
• teta ir kontakta leņķis
• d ir šķidruma blīvums
• g ir gravitācijas paātrinājums
• r ir kapilāra rādiuss

PIEZĪME: Vēlreiz, ja teta ir lielāks par 90 grādiem (izliekts menisks), kā rezultātā šķidruma un cietas virsmas spriedze ir negatīva, šķidruma līmenis pazemināsies salīdzinājumā ar apkārtējo līmeni pretstatā paaugstinājumam attiecībā pret tā.

Kapilāritāte daudzējādā ziņā izpaužas ikdienas pasaulē. Papīra dvieļi absorbējas caur kapilāru. Dedzinot sveci, kausētais vasks kapilāra dēļ paceļas dakts augšup. Lai gan bioloģijā asinis tiek sūknētas visā ķermenī, tieši šis process izplata asinis mazākajos asinsvados, ko attiecīgi sauc par kapilāri.

Nepieciešamie materiāli:

• 10 līdz 12 ceturkšņi
• glāze pilna ar ūdeni

Lēnām un ar stabilu roku ceturkšņus pa vienam nogādājiet stikla centrā. Ielieciet ceturtdaļas šauro malu ūdenī un atlaidiet. (Tas samazina traucējumus virsmā un novērš nevajadzīgu viļņu veidošanos, kas var izraisīt pārplūdi.)

Turpinot vairākas ceturtdaļas, jūs būsit pārsteigts, cik izliekts ūdens kļūst virs stikla, nepārpludināms!

Iespējamais variants: Veiciet šo eksperimentu ar identiskām brillēm, bet katrā stiklā izmantojiet dažāda veida monētas. Izmantojiet rezultātus, cik daudz var iekļūt, lai noteiktu dažādu monētu apjoma attiecību.

Nepieciešamie materiāli:

• dakša (1. variants)
• salvešu gabals (2. variants)
• šūšanas adata
• glāze pilna ar ūdeni

Novietojiet adatu uz dakšas, viegli nolaidot to ūdens glāzē. Uzmanīgi izvelciet dakšiņu, un adatu var atstāt peldošu uz ūdens virsmas.

Šis triks prasa īstu vienmērīgu roku un zināmu vingrinājumu, jo dakšiņa ir jānoņem tā, lai adatas porcijas nesaslaptu... vai adatu būs izlietne. Jūs varat iepriekš berzēt adatu starp pirkstiem, lai "eļļotu" to, lai palielinātu jūsu panākumu iespējas.

2. varianta triks

Novietojiet šūšanas adatu uz neliela salvetiņa (pietiekami liela, lai turētu adatu). Adata tiek novietota uz salvetes. Salvešpapīrs tiks iemērc ar ūdeni un nogrims stikla apakšā, atstājot adatu peldošu uz virsmas.

Nepieciešamie materiāli:

• iedegta svece (PIEZĪME: Nespēlējiet mačos bez vecāku atļaujas un uzraudzības!)
• piltuve
• mazgāšanas līdzeklis vai ziepju burbuļu šķīdums

Novietojiet īkšķi virs mazā piltuves gala. Uzmanīgi vērsiet to pie sveces. Noņemiet īkšķi, un ziepju burbuļa virsmas spraigums liks tam sarauties, izspiežot gaisu caur piltuvi. Gaisa, ko izspiež burbulis, vajadzētu būt pietiekamam, lai sveci izliktu.

Par nedaudz saistītu eksperimentu skatiet raķešu balonu.

Nepieciešamie materiāli:

• papīra gabals
• šķēres
• augu eļļa vai šķidrs trauku mazgājamais līdzeklis
• liela bļoda vai klaipu kūka panna, kas pilna ar ūdeni

Kad esat izgriezis savu papīra zivs zīmējumu, novietojiet to uz ūdens trauka, lai tas peld uz virsmas. Ielieciet pilienu eļļas vai mazgāšanas līdzekļa caurumā zivju vidū.

Mazgāšanas līdzeklis vai eļļa izraisīs virsmas spraiguma samazināšanos šajā caurumā. Tas liks zivīm virzīties uz priekšu, atstājot eļļas pēdas, pārvietojoties pa ūdeni, neapstājoties, kamēr eļļa nav pazeminājusi visa trauka virsmas spraigumu.

Zemāk redzamā tabula parāda virsmas spraiguma vērtības, kas iegūtas dažādiem šķidrumiem dažādās temperatūrās.

Eksperimentālās virsmas spraiguma vērtības

Rediģēja Anne Marie Helmenstine, Ph.