Површински напон

Површинскиот напон и хидрофобицитетот делуваат заедно во овој обид да се пресече капка вода.

Опит со сапун за демонстрација на површински напон.

Тек на дождовница од платно. За да се создаде капка делуваат површинскиот напон, кохезијата, Вандервалсовата сила и Плато-Рејлиевата нестабилност.

Површинскиот напон е процесот кој ги движи течните површини да се соберат во формата со минимална површинска плоштина. Благодарение на површинскиот напон некои инсекти, иако погусти од водата, може да пловат и да се лизгаат по водни површини.^[1]

На границата меѓу течност и воздух, површинскиот напон потекнува од поголемото привлекување на молекулите во течноста една со друга (поради кохезија), отколку со тие во воздухот (поради адхезија). Конечниот ефект е сила на површината која дејствува навнатре и поради која течноста се однесува како да е покриена со еластична мембрана. Површината е напната поради нерамнотежата во сили, па оттаму поимот напон.^[2] Водните молекули се поврзани меѓусебе и преку мрежа на водородни врски, па површинскиот напон на водата е повисок (72,8 mN/m на 20 ^oC) отколку кај другите течности. Површинскиот напон е значаен за капиларните појави.

Единиците мерки за површински напон се единица сила на единица должина, или единица енергија на единица плоштина. Кога се искажува во единици енергија на единица плоштина, често се мисли на површинска енергија што е поопшт поим кој се користи и за цврсти тела.

Наводи

↑ „Water Striders“. National Wildlife Federation (англиски). Посетено на 2020-06-27.
↑ „Surface Tension and Water“. www.usgs.gov. Посетено на 2020-06-27.

Причини

Дијаграм на кохезивните сили на молекулите на течноста

Поради кохезивните сили, молекулата што се наоѓа подалеку од површината е подеднакво влечена во сите правци од соседните течни молекули, што е еднакво на нето сила еднаква на нула. Молекулите на површината немаат исти молекули од сите страни и затоа се влечат навнатре. Ова создава одреден внатрешен притисок и е причина течните површини да се контрахираат до минималната површина. ^[1]

Исто така има тензија паралелна со површината на течност-воздух што се спротиставува на надворешна сила, поради кохезивната природа на молекулите на вода.^[2]^[3]

Силите на привлечност што дејствуваат помеѓу молекули од ист тип се нарекуваат кохезивни сили, додека оние што дејствуваат помеѓу молекули од различни типови се нарекуваат адхезивни сили. Рамнотежата помеѓу кохезијата на течноста и нејзината адхезија на материјалот на садот го одредува степенот на навлажнување, аголот на допир и обликот на менискусот . Кога кохезијата доминира (поточно, енергијата на адхезија е помала од половина од енергијата на кохезија), навлажнувањето е ниско и менискусот е конвексен на вертикалниот ѕид (како кај живата во стаклен сад). Од друга страна, кога адхезијата доминира (кога енергијата на адхезија е повеќе од половина од енергијата на кохезија), навлажнувањето е високо и сличниот менискус е конкавен (како кај вода во чаша).

Површинскиот напон е одговорен за обликот на капките течност. Иако лесно се деформираат, капките вода имаат тенденција да бидат влечени во сферична форма поради нерамнотежата во кохезивните сили на површинскиот слој. Во отсуство на други сили, капките од практично сите течности би биле приближно сферични. Сферичната форма ја минимизира потребната „напнатост на ѕидот“ на површинскиот слој според Лапласовиот закон .

Друг начин за гледање на површинскиот напон е во однос на енергијата. Молекулата во контакт со соседот е во пониска енергетска состојба отколку кога би била сама. Внатрешните молекули имаат онолку соседи колку што е можно, но на граничните молекули им недостасуваат соседи (во споредба со внатрешните молекули) и затоа имаат поголема енергија. За течноста да ја минимизира својата енергетска состојба, бројот на гранични молекули со поголема енергија мора да се минимизира. Минимизираниот број на гранични молекули резултира со минимална површина.^[4] Како резултат на минимизирање на површината, површината ќе добие мазна форма.

Физика

Физички единици

Површинскиот напон, претставен со симболот γ (алтернативно σ или T ), се мери во сила по единица должина . Неговата SI единица е њутн на метар, но се користи и единицата дина на сантиметар. Како на пример, ^[5] $\gamma =1~\mathrm {\frac {dyn}{cm}} =1~\mathrm {\frac {erg}{cm^{2}}} =1~\mathrm {\frac {10^{-7}\,m\cdot N}{10^{-4}\,m^{2}}} =0.001~\mathrm {\frac {N}{m}} =0.001~\mathrm {\frac {J}{m^{2}}} .$

Дефиниција

Површинскиот напон може да се дефинира преку сила или енергија.

Во однос на силата

Површинскиот напон $γ$ на течноста е силата по единица должина. На илустрацијата од десно, правоаголната рамка е составена од три неподвижни страни (црни) кои формираат форма на „U“, и четврта подвижна страна (сина) која може да се лизга надесно. Површинскиот напон ќе ја повлече сината лента налево; силата $F$ потребна за да се држи подвижната страна е пропорционална на должината $L$ на неподвижната страна. Така, односот

$\gamma ={\frac {F}{2L}}.$ Причината за12 филмот има две страни (две површини), од кои секоја придонесува подеднакво кон силата; па така силата што ја придонесува едната страна е $γL = F 2$

Површинскиот напон $γ$ на течноста е односот на промената на енергијата на течноста кон промената на површината на течноста (што довело до промена на енергијата). Ова лесно може да се поврзе со претходната дефиниција во однос на силата: ^[6] ако $F$ е силата потребна за да се спречи лизгањето на страната, тогаш ова е исто така силата што би ја одржала страната во состојба на лизгање со константна брзина (според вториот Њутнов закон). Но, ако страната се движи надесно (во насоката во која се применува силата), тогаш површината на истегнатата течност се зголемува додека применетата сила врши работа врз течноста. Ова значи дека зголемувањето на површината ја зголемува енергијата на филмот. Работата што ја врши силата $F$ при поместување на страната за растојание $Δ x$ е $W = F Δ x$ ; во исто време вкупната површина на филмот се зголемува за $Δ A = 2 L Δ x$ (факторот 2 овде е бидејќи течноста има две страни, две површини). Така, множејќи го и броителот и именителот на $γ = 12 F L$

Оваа работа W е, со општи аргументи, прифатена како подредена како потенцијална енергија. Површинска тензија исто така може да биде мерена во SI систем со џули на метар квадратен и со ЦГС системот како ergs на сантиметар квадратен. Бидејќи механичките системи пробуваат да пронајдат момент на минимална потенцијална енергија, една капка течност природно има сферична структура, која што има минимална површинска околина за одреден волумен. Еквивалентноста на мерењето на енергијата по единица површина со силата по единица должина може да се докаже со димензионална анализа.^[7]

Ефекти

Вода

Неколку ефекти на површинскиот напон може да се видат кај обичната вода:

Избивање на дождовница на восочна површина, како на пример лист. Вода хидрофобични капки да се депилира и силно кон себе, па водата се собира во капки. Површинскиот напон им ја дава нивната речиси сферична форма, бидејќи сферата има најмала можна површинска околина.
Формирањето на капки се јавува кога масата на течност се растегнува. Анимацијата (подолу) покажува дека водата се прилепува до славината добива маса додека не се растегне до точка каде што површинскиот напон повеќе не може да ја држи капката поврзана со славината. Потоа се одвојува и површинскиот напон ја формира капката во сфера. Ако млаз вода течеше од славината, потокот ќе се распадне на капки при неговото паѓање. Гравитацијата го истегнува потокот, а потоа површинскиот напон го стега во сфери.^[8]
Лебдењето на предмети погусти од водата се случува кога предметот не може да се навлажнува и неговата тежина е доволно мала за да може да ја поднесат силите што произлегуваат од површинскиот напон.^[9] For example, water striders користете површински напон за да одите по површината на езерцето на следниот начин. Ненавлажливоста на ногата на возачот на вода значи дека нема привлечност помеѓу молекулите на ногата и молекулите на водата, така што кога ногата ја турка водата надолу, површинскиот напон на водата само се обидува да ја врати нејзината плошност од нејзината деформација поради ногата. Ваквото однесување на водата го турка шетачот на вода нагоре за да може да стои на површината на водата се додека нејзината маса е доволно мала за да може водата да го поддржи. Површината на водата се однесува како еластична фолија: стапалата на инсектот предизвикуваат вдлабнатини на површината на водата, зголемувајќи ја нејзината површина^[10] и тенденција на минимизирање на површинската закривеност (така површина) на водата ги турка стапалата на инсектот нагоре.
Раздвојувањето на маслото и водата (во овој случај, вода и течен восок) е предизвикано од напнатост на површината помеѓу различни течности. Овој тип на површинска напнатост се нарекува „напнатост на интерфејсот“, но неговата хемија е иста.
Солзи од вино е формирање на капки и реки од страната на чашата што содржи алкохолен пијалак. Нејзината причина е сложената интеракција помеѓу различните површински тензии на водата иетанол; тоа е предизвикано од комбинација на модификација на површинскиот напон на водата соЕтанол заедно со етанол испарување побрзо од вода.

A. Водени монистра на лист
Б. Вода што капе од чешма
C. Водните двигатели остануваат на површината на течноста поради површинскиот напон
D. Лава ламба со интеракција помеѓу различни течности: вода и течен восок
E. Фотографија што го прикажува феноменот „ солзи од вино “.

Сурфактанти

Површинскиот напон е видлив кај други вообичаени феномени, особено кога се користат сурфактанти за да се намали:

Сапунските меурчиња имаат многу големи површини со многу мала маса. Меурчињата во чиста вода се нестабилни. Сепак, додавањето на сурфактанти може да има стабилизирачки ефект врз меурчињата (видете го ефектот Марангони ). Сурфактантите всушност го намалуваат површинскиот напон на водата за три или повеќе пати.
Емулзиите се вид на колоидна дисперзија во која површинскиот напон игра улога. Мали капки масло дисперзирани во чиста вода спонтано ќе се спојат и ќе се одвојат од фазите. Додавањето на сурфактанти го намалува меѓуфазниот напон и овозможува формирање на капки масло во водната средина (или обратно). Стабилноста на така формираните капки масло зависи од многу различни хемиски и еколошки фактори.

Сили на површинска напнатост што дејствуваат на мало (диференцијално) парче површина. $δθ x$ и $δθ y$ го означуваат количеството на свиткување во однос на димензиите на крпеницата. Балансирањето на силите на затегнување со притисокот води до равенката на Јанг-Лаплас

Ако ниедна сила не дејствува нормално на затегната површина, површината мора да остане рамна. Но, ако притисокот на едната страна од површината се разликува од притисокот на другата страна, разликата во притисокот помножена со површината резултира со нормална сила. За да можат силите на површинскиот напон да ја поништат силата предизвикана од притисок, површината мора да биде закривена. Дијаграмот покажува како закривеноста на површината на мало парче површина води до нето компонента на силите на површинскиот напон кои дејствуваат нормално на центарот на парчето. Кога сите сили се избалансирани, добиената равенка е позната како Јанг-Лапласова равенка : ^[11] $\Delta p=\gamma \left({\frac {1}{R_{x}}}+{\frac {1}{R_{y}}}\right)$ каде:

$Δ p$ е разликата во притисокот, исто познато како лаплас притисок.^[12]
$γ$ е површинска тензија.
$R x$ and $R y$ се радиусот на искривување во секоја од оските кои се паралелни со површината.

Количината во заградите од десната страна е всушност (двојно) поголема од средната закривеност на површината (во зависност од нормализацијата). Решенијата на оваа равенка го одредуваат обликот на капките вода, баричките, менискусите, сапунските меурчиња и сите други облици определени од површинскиот напон (како што е обликот на отпечатоците што стапалата на воден газеч ги оставаат на површината на езерце). Табелата подолу покажува како внатрешниот притисок на капка вода се зголемува со намалување на радиусот. За не многу мали капки ефектот е суптилен, но разликата во притисокот станува огромна кога големината на капките се приближува до молекуларната големина. (Во границите на една единствена молекула, концептот станува бесмислен.)

$Δ p$ за водени капки со различни полупречници при СПТ
Droplet radius	1 mm	0.1 mm	1 μm	10 nm
$Δ p$ (atm)	0.0014	0.0144	1.436	143.6

Лебдечки објекти

Кога некој предмет е поставен на течност, неговата тежина $F w$ притиска површината, и ако површинскиот напон и силата надолу станат еднакви, тогаш тој е избалансиран со силите на површинскиот напон од двете страни $F s$ кои се паралелни со површината на водата во точките каде што доаѓа во контакт со предметот. Забележете дека малото движење на телото може да предизвика објектот да потоне. Со намалување на аголот на контакт, површинскиот напон се намалува. Хоризонталните компоненти на двете $F s$ покажуваат во спротивни насоки, па затоа се поништуваат, но вертикалните компоненти покажуваат во иста насока и затоа се собираат ^[9] за да се избалансира $F w$ За да се случи ова, површината на предметот не смее да биде влажна, а неговата тежина мора да биде доволно мала за површинскиот напон да го издржи. Ако $m$ ја означува масата на иглата, а $g$ забрзувањето поради гравитацијата, имаме

$F_{\mathrm {w} }=2F_{\mathrm {s} }\sin \theta \quad \Leftrightarrow \quad mg=2\gamma L\sin \theta$

Поврзано

Наводи

↑ „Surface Tension (Water Properties) – USGS Water Science School“. US Geological Survey. July 2015. Архивирано од изворникот на October 7, 2015. Посетено на November 6, 2015.
↑ „Surface Tension (Water Properties) – USGS Water Science School“. US Geological Survey. July 2015. Архивирано од изворникот October 7, 2015. Посетено на November 6, 2015.
↑ Berry, M V (1971). „The molecular mechanism of surface tension“. Physics Education. 6 (2): 79–84. Bibcode:1971PhyEd...6...79B. doi:10.1088/0031-9120/6/2/001.
↑ White, Harvey E. (1948). Modern College Physics. van Nostrand. ISBN 978-0-442-29401-4.
↑ Bush, John W. M. (April 2004). „MIT Lecture Notes on Surface Tension, lecture 1“ (PDF). Massachusetts Institute of Technology. Архивирано од изворникот (PDF) на March 8, 2022. Посетено на April 1, 2007.
↑ „Mechanical definition of surface tension“. MIT. Архивирано од изворникот на April 12, 2013. Посетено на Dec 16, 2013.
↑ Sears, Francis Weston; Zemanski, Mark W. (1955) University Physics 2nd ed. Addison Wesley
↑ Bush, John W. M. (May 2004). „MIT Lecture Notes on Surface Tension, lecture 5“ (PDF). Massachusetts Institute of Technology. Архивирано (PDF) од изворникот February 26, 2007. Посетено на April 1, 2007.
↑ ^9,0 ^9,1 White, Harvey E. (1948). Modern College Physics. van Nostrand. ISBN 978-0-442-29401-4.
↑ Bush, John W. M. (May 2004). „MIT Lecture Notes on Surface Tension, lecture 3“ (PDF). Massachusetts Institute of Technology. Архивирано (PDF) од изворникот February 26, 2007. Посетено на April 1, 2007.
↑ Pierre-Gilles de Gennes; Françoise Brochard-Wyart; David Quéré (2002). Capillarity and Wetting Phenomena—Drops, Bubbles, Pearls, Waves. Alex Reisinger. Springer. ISBN 978-0-387-00592-8.
↑ Butt, Hans-Jürgen; Graf, Karlheinz; Kappl, Michael (2006). Physics and Chemistry of Interfaces. Wiley. стр. 9. ISBN 978-3-527-60640-5.

[1] „Water Striders“. National Wildlife Federation (англиски). Посетено на 2020-06-27.

[2] „Surface Tension and Water“. www.usgs.gov. Посетено на 2020-06-27.

[usgs-3] „Surface Tension (Water Properties) – USGS Water Science School“. US Geological Survey. July 2015. Архивирано од изворникот на October 7, 2015. Посетено на November 6, 2015.

[usgs2-4] „Surface Tension (Water Properties) – USGS Water Science School“. US Geological Survey. July 2015. Архивирано од изворникот October 7, 2015. Посетено на November 6, 2015.

[berry2-5] Berry, M V (1971). „The molecular mechanism of surface tension“. Physics Education. 6 (2): 79–84. Bibcode:1971PhyEd...6...79B. doi:10.1088/0031-9120/6/2/001.

[white2-6] White, Harvey E. (1948). Modern College Physics. van Nostrand. ISBN 978-0-442-29401-4.

[MIT1-7] Bush, John W. M. (April 2004). „MIT Lecture Notes on Surface Tension, lecture 1“ (PDF). Massachusetts Institute of Technology. Архивирано од изворникот (PDF) на March 8, 2022. Посетено на April 1, 2007.

[MIT_Non-Newtonian-8] „Mechanical definition of surface tension“. MIT. Архивирано од изворникот на April 12, 2013. Посетено на Dec 16, 2013.

[s_z-9] Sears, Francis Weston; Zemanski, Mark W. (1955) University Physics 2nd ed. Addison Wesley

[MIT5-10] Bush, John W. M. (May 2004). „MIT Lecture Notes on Surface Tension, lecture 5“ (PDF). Massachusetts Institute of Technology. Архивирано (PDF) од изворникот February 26, 2007. Посетено на April 1, 2007.

[white-11] 9,0 ^9,1 White, Harvey E. (1948). Modern College Physics. van Nostrand. ISBN 978-0-442-29401-4.

[MIT3-12] Bush, John W. M. (May 2004). „MIT Lecture Notes on Surface Tension, lecture 3“ (PDF). Massachusetts Institute of Technology. Архивирано (PDF) од изворникот February 26, 2007. Посетено на April 1, 2007.

[cwp-13] Pierre-Gilles de Gennes; Françoise Brochard-Wyart; David Quéré (2002). Capillarity and Wetting Phenomena—Drops, Bubbles, Pearls, Waves. Alex Reisinger. Springer. ISBN 978-0-387-00592-8.

[Physics_and_Chemistry_of_Interfaces-14] Butt, Hans-Jürgen; Graf, Karlheinz; Kappl, Michael (2006). Physics and Chemistry of Interfaces. Wiley. стр. 9. ISBN 978-3-527-60640-5.

[1]

[2]

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]