Hva er overflatespenning? Definisjon og eksperimenter

Overflatespenning er et fenomen der overflaten til en væske, der væsken er i kontakt med en gass, fungerer som et tynt elastisk ark. Dette uttrykket brukes vanligvis bare når væskeoverflaten er i kontakt med gass (for eksempel luften). Hvis overflaten er mellom to væsker (for eksempel vann og olje), kalles det "grensesnittstrekk."

Ulike intermolekylære krefter, for eksempel Van der Waals krefter, trekker sammen væskepartiklene. Langs overflaten dras partiklene mot resten av væsken, som vist på bildet til høyre.

Overflatespenning (betegnet med den greske variabelen gamma) er definert som forholdet mellom overflatekraften F til lengden d som styrken virker på:

gamma = F / d

Enheter av overflatespenning

Overflatespenning måles i SI-enheter på N / m (newton per meter), selv om den mer vanlige enheten er cgs-enheten dyn / cm (dyne per centimeter).

For å vurdere termodynamikken i situasjonen, er det noen ganger nyttig å ta den i betraktning arbeid per enhetsareal. SI-enheten er i så fall J / m² (joule per kvadratmeter). Cgs-enheten er erg / cm².

Disse kreftene binder overflatepartiklene sammen. Selv om denne bindingen er svak - det er ganske enkelt å ødelegge overflaten til en væske - viser den seg på mange måter.

Dråper vann. Når du bruker en vanndråper, renner ikke vannet i en kontinuerlig strøm, men heller i en serie dråper. Formen på dråpene er forårsaket av overflatespenningen til vannet. Den eneste grunnen til at vanndråpen ikke er helt sfærisk, er at tyngdekraften trekker ned på den. I fravær av tyngdekraft vil dråpen minimere overflaten for å minimere strekk, noe som vil resultere i en perfekt sfærisk form.

Insekter som går på vannet. Flere insekter er i stand til å gå på vann, for eksempel vannstikkeren. Beina deres er dannet for å fordele vekten, noe som får overflaten til væsken til å bli deprimert, noe som minimerer potensialet energi for å skape en balanse av krefter slik at fremmedleggeren kan bevege seg over overflaten av vannet uten å bryte gjennom flate. Dette er i konsept som å bruke truger for å gå over dype snøskred uten at føttene synker.

Nål (eller binders) som flyter på vannet. Selv om tettheten til disse gjenstandene er større enn vann, er overflatespenningen langs fordypningen nok til å motvirke tyngdekraften som trekker ned på metallgjenstanden. Klikk på bildet til høyre, og klikk deretter på "Neste" for å se et styrkediagram over denne situasjonen eller prøve ut Floating Needle-trikset selv.

Når du blåser en såpeboble, lager du en trykkboble av luft som er inneholdt i en tynn, elastisk væskeoverflate. De fleste væsker kan ikke opprettholde en stabil overflatespenning for å skape en boble, og det er grunnen til at såpe vanligvis brukes i prosessen... den stabiliserer overflatespenningen gjennom noe som kalles Marangoni-effekten.

Når boblen blåses, har overflatefilmen en tendens til å trekke seg sammen. Dette fører til at trykket inne i boblen øker. Størrelsen på boblen stabiliserer seg i en størrelse der gassen i boblen ikke vil trekke seg lenger, i det minste uten å boble.

Det er faktisk to flytende gassgrensesnitt på en såpeboble - den på innsiden av boblen og den på utsiden av boblen. Innimellom de to flatene er en tynn film av væske.

Den sfæriske formen til en såpeboble er forårsaket av minimering av overflatearealet - for et gitt volum er en sfære alltid den formen som har minst overflate.

For å vurdere trykket inne i såpeboblen, vurderer vi radius R av boblen og også overflatespenningen, gamma, av væsken (såpe i dette tilfellet - ca. 25 dyn / cm).

Vi begynner med å anta ikke noe eksternt press (som selvfølgelig ikke er sant, men vi vil ta vare på det på litt). Du vurderer da et tverrsnitt gjennom midten av boblen.

Ved å ignorere den svært små forskjellen i indre og ytre radius langs dette tverrsnittet, vet vi at omkretsen vil være 2piR. Hver indre og ytre overflate vil ha et trykk på gamma langs hele lengden, så totalt. Den totale kraften fra overflatespenningen (fra både den indre og den ytre filmen) er derfor 2gamma (2pi R).

Inne i boblen har vi imidlertid et press p som virker over hele tverrsnittet pi R², noe som resulterer i en total kraft på p(pi R²).

Siden boblen er stabil, må summen av disse kreftene være null slik at vi får:

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

Dette var åpenbart en forenklet analyse der trykket utenfor boblen var 0, men dette utvides lett for å oppnå forskjell mellom det indre trykk p og det ytre trykket p_e:

p - p_e = 4 gamma / R

Analyser en dråpe væske, i motsetning til en såpeboble, er enklere. I stedet for to flater er det bare den ytre overflaten å vurdere, så en faktor på 2 faller ut av den tidligere ligningen (husker hvor vi doblet overflatespenningen for å gjøre rede for to flater?) til utbytte:

p - p_e = 2 gamma / R

Overflatespenning oppstår under et gass-væske-grensesnitt, men hvis det grensesnittet kommer i kontakt med a solid overflate - for eksempel veggene i en container - grensesnittet bukker vanligvis opp eller ned i nærheten av det flate. En slik konkav eller konveks overflateform er kjent som en menisk

Kontaktvinkelen, theta, bestemmes som vist på bildet til høyre.

Kontaktvinkelen kan brukes til å bestemme et forhold mellom væske-fast overflatespenning og væske-gass overflatespenning, som følger:

gamma_ls = - gamma_lg cos theta

hvor

• gamma_ls er den flytende faste overflatespenningen
• gamma_lg er overflatespenningen med flytende gass
• theta er kontaktvinkelen

En ting å ta i betraktning i denne ligningen er at i tilfeller der menisken er konveks (dvs. kontaktvinkelen er større enn 90 grader) vil den kosinuskomponenten i denne ligningen være negativ, noe som betyr at den flytende-faste overflatespenningen vil være positive.

Hvis menisken derimot er konkav (dvs. faller ned, så kontaktvinkelen er mindre enn 90 grader), theta begrepet er positivt, i hvilket tilfelle vil forholdet føre til en negativ væske-fast overflatespenning!

Hva dette egentlig betyr, er at væsken kleber til beholderens vegger og er arbeider for å maksimere området i kontakt med fast overflate, for å minimere det totale potensialet energi.

En annen effekt relatert til vann i vertikale rør er egenskapen kapillaritet, der væskeoverflaten blir hevet eller deprimert i røret i forhold til den omgivende væske. Også dette henger sammen med den observerte kontaktvinkelen.

Hvis du har en væske i en beholder, og plasser et smalt rør (eller kapillær) av radius r inn i beholderen, den vertikale forskyvningen y som vil finne sted innenfor kapillæren er gitt av følgende ligning:

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

hvor

• y er den vertikale forskyvningen (opp hvis positiv, ned hvis negativ)
• gamma_lg er overflatespenningen med flytende gass
• theta er kontaktvinkelen
• d er væskens tetthet
• g er akselerasjonen av tyngdekraften
• r er radiusen til kapillæren

MERK: Nok en gang, hvis theta er større enn 90 grader (en konveks menisk), noe som resulterer i en negativ væske-fast overflatespenning, væskenivået vil gå ned sammenlignet med det omkringliggende nivået, i motsetning til å stige i forhold til den.

Kapillaritet manifesterer seg på mange måter i hverdagen. Papirhåndklær absorberer gjennom kapillariteten. Når du brenner et stearinlys, stiger den smeltede voks opp veken på grunn av kapillaritet. Selv om det blir pumpet blod i hele biologien, er det denne prosessen som fordeler blod i de minste blodkarene som kalles passende, kapillærer.

Nødvendige materialer:

• 10 til 12 kvartaler
• glass fullt av vann

Ta sakte og med en stødig hånd kvartalene om gangen til midten av glasset. Plasser den smale kanten av kvartalet i vannet og la gå. (Dette minimerer forstyrrelse i overflaten, og unngår å danne unødvendige bølger som kan forårsake overløp.)

Når du fortsetter med flere kvarter, vil du bli forbauset over hvor konvekst vannet blir på toppen av glasset uten å strømme over!

Mulig variant: Utfør dette eksperimentet med identiske briller, men bruk forskjellige typer mynter i hvert glass. Bruk resultatene av hvor mange som kan gå inn for å bestemme et forhold mellom volumene til forskjellige mynter.

Nødvendige materialer:

• gaffel (variant 1)
• stykke silkepapir (variant 2)
• synål
• glass fullt av vann

Plasser nålen på gaffelen, senk den forsiktig ned i glasset med vann. Trekk gaffelen forsiktig ut, så er det mulig å la nålen flyte på overflaten av vannet.

Dette trikset krever en skikkelig stødig hånd og litt øvelse, fordi du må fjerne gaffelen på en slik måte at deler av nålen ikke blir våt... eller nålen vil synke. Du kan gni nålen mellom fingrene på forhånd for å "olje", det øker suksess sjansene dine.

Variant 2 Trick

Plasser synålen på et lite stykke silkepapir (stor nok til å holde nålen). Nålen legges på silkepapiret. Vevspapiret blir dynket med vann og synker til bunnen av glasset, og lar nålen flyte på overflaten.

Nødvendige materialer:

• tent stearinlys (MERK: Ikke spill med kamper uten foreldrenes godkjenning og tilsyn!)
• trakt
• vaskemiddel eller såpebobleløsning

Plasser tommelen over den lille enden av trakten. Ta det forsiktig mot stearinlyset. Fjern tommelen, så overflatespenningen på såpeboblen vil føre til at den trekker seg sammen, og tvinger luft ut gjennom trakten. Luften som presses ut av boblen, skal være nok til å sette ut lyset.

For et noe beslektet eksperiment, se Rocket Balloon.

Nødvendige materialer:

• papirbit
• saks
• vegetabilsk olje eller flytende oppvaskmiddel
• en stor bolle eller brødkake full av vann

Når du har klippet ut Paper Fish-mønsteret, plasserer du det på vannbeholderen slik at det flyter på overflaten. Sett en dråpe olje eller vaskemiddel i hullet i midten av fisken.

Vaskemiddelet eller oljen vil føre til at overflatespenningen i det hullet faller. Dette vil føre til at fisken driver fremover, og etterlater et spor etter oljen når den beveger seg over vannet, og ikke stopper før oljen har senket overflatespenningen i hele skålen.

Tabellen nedenfor viser verdier av overflatespenning oppnådd for forskjellige væsker ved forskjellige temperaturer.

Eksperimentelle overflatespenningsverdier

Redigert av Anne Marie Helmenstine, ph.d.