ما هو التوتر السطحي؟ التعريف والتجارب

التوتر السطحي هو ظاهرة يكون فيها سطح السائل ، حيث يتلامس السائل مع الغاز ، بمثابة ورقة مرنة رقيقة. يُستخدم هذا المصطلح عادةً فقط عندما يكون سطح السائل ملامسًا للغاز (مثل الهواء). إذا كان السطح بين سائلين (مثل الماء والنفط) ، يطلق عليه "توتر الواجهة".

تقوم قوى الجزيئات المختلفة ، مثل قوى فان دير والز ، بتجميع الجزيئات السائلة معًا. على طول السطح ، يتم سحب الجسيمات باتجاه باقي السائل ، كما هو موضح في الصورة إلى اليمين.

التوتر السطحي (يشار إليه بالمتغير اليوناني جاما) نسبة القوة السطحية F إلى الطول د تعمل بموجبها القوة:

جاما = F / د

وحدات التوتر السطحي

يتم قياس التوتر السطحي في وحدات SI N / m (نيوتن لكل متر) ، على الرغم من أن الوحدة الأكثر شيوعًا هي وحدة cgs dyn / cm (داين في السنتيمتر).

من أجل النظر في الديناميكا الحرارية للوضع ، من المفيد في بعض الأحيان النظر فيه من حيث عمل لكل وحدة مساحة. وحدة SI ، في هذه الحالة ، هي J / m² (جول للمتر المربع). وحدة cgs هي erg / سم².

تربط هذه القوى جزيئات السطح معًا. على الرغم من أن هذا الربط ضعيف - من السهل جدًا كسر سطح السائل بعد كل شيء - إلا أنه يظهر بعدة طرق.

قطرات من الماء. عند استخدام قطارة الماء ، لا يتدفق الماء في تيار مستمر ، بل في سلسلة من القطرات. سبب القطرات هو التوتر السطحي للماء. السبب الوحيد في أن قطرة الماء ليست كروية تمامًا هو أن قوة الجاذبية تتساقط عليها. في حالة عدم وجود الجاذبية ، فإن الهبوط سيقلل من مساحة السطح لتقليل التوتر ، مما يؤدي إلى شكل كروي مثالي.

حشرات تمشي على الماء. العديد من الحشرات قادرة على المشي على الماء ، مثل ستردير المياه. تتشكل أرجلهم لتوزيع وزنهم ، مما يتسبب في انخفاض سطح السائل ، مما يقلل من الإمكانات الطاقة لخلق توازن القوى بحيث يمكن للمرور التحرك عبر سطح الماء دون اختراق سطح - المظهر الخارجي. هذا مشابه من حيث المفهوم لارتداء أحذية الثلوج للمشي عبر الانحدارات الثلجية العميقة دون أن تغرق قدميك.

إبرة (أو مشبك ورق) تطفو على الماء. على الرغم من أن كثافة هذه الأجسام أكبر من الماء ، فإن التوتر السطحي على طول الاكتئاب يكفي لمواجهة قوة الجاذبية المتساقطة على الجسم المعدني. انقر على الصورة إلى اليمين ، ثم انقر فوق "التالي" ، لعرض مخطط قوة لهذا الموقف أو تجربة خدعة الإبرة العائمة بنفسك.

عندما تنفخ فقاعة صابون ، فأنت تخلق فقاعة هواء مضغوطة موجودة داخل سطح مرن ورقيق من السائل. لا تستطيع معظم السوائل الحفاظ على توتر سطحي مستقر لتكوين فقاعة ، ولهذا السبب يستخدم الصابون بشكل عام في العملية... إنها تثبت التوتر السطحي من خلال شيء يسمى تأثير مارانغوني.

عندما يتم نفخ الفقاعة ، يميل الفيلم السطحي إلى الانكماش. هذا يتسبب في زيادة الضغط داخل الفقاعة. يستقر حجم الفقاعة عند حجم حيث لن ينكمش الغاز داخل الفقاعة أكثر من ذلك ، على الأقل بدون تفجير الفقاعة.

في الواقع ، هناك واجهتان من الغازات السائلة على فقاعة صابون - واحدة داخل الفقاعة والأخرى خارج الفقاعة. بين السطحين هو رقيقة من السائل.

يحدث الشكل الكروي لفقاعة الصابون بسبب تقليل مساحة السطح - بالنسبة لحجم معين ، تكون الكرة دائمًا هي الشكل الذي يحتوي على أقل مساحة سطحية.

للنظر في الضغط داخل فقاعة الصابون ، نعتبر نصف القطر ص من الفقاعة وكذلك التوتر السطحي ، جامامن السائل (صابون في هذه الحالة - حوالي 25 دين / سم).

نبدأ بافتراض عدم وجود ضغط خارجي (وهذا بالطبع ليس صحيحًا ، لكننا سنهتم بذلك بعد قليل). ثم تفكر في مقطع عرضي من خلال مركز الفقاعة.

على طول هذا المقطع العرضي ، مع تجاهل الاختلاف الطفيف جدًا في نصف القطر الداخلي والخارجي ، نعرف أن المحيط سيكون 2بيص. سيكون لكل سطح داخلي وخارجي ضغط جاما على طول الطول ، لذا يكون الإجمالي. وبالتالي ، فإن القوة الكلية من التوتر السطحي (من كل من الفيلم الداخلي والخارجي) هي 2جاما (2بي R).

ولكن داخل الفقاعة لدينا ضغط ص والتي تعمل على المقطع العرضي بأكمله بي R²مما أدى إلى قوة إجمالية قدرها ص(بي R²).

نظرًا لأن الفقاعة مستقرة ، يجب أن يكون مجموع هذه القوى صفرًا حتى نحصل على:

2 جاما (2 بي R) = ص( بي R²)
أو
ص = 4 جاما / ص

من الواضح أن هذا كان تحليلاً مبسطًا حيث كان الضغط خارج الفقاعة 0 ، ولكن تم توسيع هذا بسهولة للحصول على فرق بين الضغط الداخلي ص والضغط الخارجي ص_ه:

ص - ص_ه = 4 جاما / ص

تحليل قطرة سائل على عكس فقاعة صابون، أبسط. بدلاً من سطحين ، لا يوجد سوى السطح الخارجي الذي يجب مراعاته ، لذلك ينخفض ​​عامل 2 المعادلة السابقة (تذكر أين ضاعفنا التوتر السطحي لحساب سطحين؟) إلى يخضع أو يستسلم:

ص - ص_ه = 2 جاما / ص

يحدث التوتر السطحي أثناء واجهة غاز - سائل ، ولكن إذا كانت هذه الواجهة على اتصال مع سطح صلب - مثل جدران الحاوية - عادةً ما تنحني الواجهة لأعلى أو لأسفل بالقرب من ذلك سطح - المظهر الخارجي. يُعرف شكل السطح المقعر أو المحدب باسم الغضروف المفصلي

زاوية الاتصال ، ثيتا، يتم تحديده كما هو موضح في الصورة إلى اليمين.

يمكن استخدام زاوية التلامس لتحديد العلاقة بين التوتر السطحي السائل الصلب والتوتر السطحي للغاز السائل ، على النحو التالي:

جاما_LS = - جاما_{إل جي} كوس ثيتا

أين

• جاما_LS هو التوتر السطحي الصلب السائل
• جاما_{إل جي} هو التوتر السطحي للغاز السائل
• ثيتا هي زاوية الاتصال

شيء واحد يجب مراعاته في هذه المعادلة هو أنه في الحالات التي يكون فيها الغضروف المحدب محدبًا (أي أن زاوية الاتصال أكبر من 90 درجات) ، سيكون مكون جيب التمام لهذه المعادلة سالباً مما يعني أن التوتر السطحي الصلب السائل سيكون إيجابي.

من ناحية أخرى ، إذا كان الهلالة مقعرة (أي ينخفض ​​، بحيث تكون زاوية الاتصال أقل من 90 درجة) ، فإن cos ثيتا المصطلح إيجابي ، وفي هذه الحالة ستؤدي العلاقة إلى سلبي التوتر السطحي السائل السائل!

ما يعنيه هذا ، بشكل أساسي ، هو أن السائل يلتصق بجدران الحاوية وهو كذلك العمل على تعظيم المساحة الملامسة للسطح الصلب ، وذلك لتقليل الإمكانات الكلية الطاقة.

تأثير آخر يتعلق بالمياه في الأنابيب العمودية هو خاصية الشعرية ، حيث يصبح سطح السائل مرتفعًا أو منخفضًا داخل الأنبوب فيما يتعلق بالسائل المحيط. ويرتبط هذا أيضًا بزاوية الاتصال الملحوظة.

إذا كان لديك سائل في وعاء ، ووضع أنبوب ضيق (أو شعري) نصف القطر ص في الحاوية ، الإزاحة الرأسية ذ المعادلة التالية:

ذ = (2 جاما_{إل جي} كوس ثيتا) / ( د)

أين

• ذ هو الإزاحة الرأسية (لأعلى إذا كانت موجبة ، لأسفل إذا كانت سلبية)
• جاما_{إل جي} هو التوتر السطحي للغاز السائل
• ثيتا هي زاوية الاتصال
• د هي كثافة السائل
• ز هو تسارع الجاذبية
• ص هو نصف قطر الشعيرات الدموية

ملحوظة: مرة أخرى ، إذا ثيتا أكبر من 90 درجة (هلالة محدبة) ، مما ينتج عنه توتر سطحي سلبي صلب ، سينخفض ​​مستوى السائل مقارنة بالمستوى المحيط ، في مقابل الارتفاع بالنسبة لـ عليه.

تتجلى Capillarity بطرق عديدة في العالم اليومي. تمتص المناشف الورقية من خلال الشعرية. عند حرق شمعة ، يرتفع الشمع المذاب الفتيل بسبب الشعيرات الدموية. في علم الأحياء ، على الرغم من ضخ الدم في جميع أنحاء الجسم ، فإن هذه العملية هي التي توزع الدم في أصغر الأوعية الدموية التي تسمى ، بشكل مناسب ، الشعيرات الدموية.

المواد المطلوبة:

• 10 إلى 12 أرباع
• كوب مملوء بالماء

ببطء ، ومع يد ثابتة ، أحضر الأرباع واحدًا تلو الآخر إلى منتصف الزجاج. ضع الحافة الضيقة للربع في الماء واتركه. (هذا يقلل من اضطراب السطح ، ويتجنب تكوين موجات غير ضرورية يمكن أن تسبب فيضان.)

مع استمرارك في المزيد من الأرباع ، ستندهش من الطريقة التي يصبح بها الماء محدبًا فوق الزجاج دون أن يفيض!

المتغير المحتمل: قم بإجراء هذه التجربة باستخدام نظارات متطابقة ، ولكن استخدم أنواعًا مختلفة من العملات المعدنية في كل كوب. استخدم نتائج العدد الذي يمكنه الدخول إليه لتحديد نسبة أحجام العملات المعدنية المختلفة.

المواد المطلوبة:

• شوكة (البديل 1)
• قطعة من المناديل الورقية (البديل 2)
• ابرة خياطة
• كوب مملوء بالماء

ضع الإبرة على الشوكة ، ثم اخفضها برفق في كأس الماء. اسحب الشوكة بعناية ، ومن الممكن ترك الإبرة تطفو على سطح الماء.

تتطلب هذه الخدعة يدًا ثابتة حقيقية وبعض الممارسة ، لأنه يجب عليك إزالة الشوكة بطريقة لا تبتل فيها أجزاء من الإبرة... أو الإبرة إرادة مكتب المدير. يمكنك فرك الإبرة بين أصابعك مسبقًا بـ "الزيت" مما يزيد من فرص نجاحك.

البديل 2 خدعة

ضع إبرة الخياطة على قطعة صغيرة من المناديل الورقية (كبيرة بما يكفي لحمل الإبرة). يتم وضع الإبرة على المناديل الورقية. سوف تنقع المناديل الورقية بالماء وتغوص في قاع الزجاج ، تاركة الإبرة تطفو على السطح.

المواد المطلوبة:

• شمعة مضاءة (ملحوظة: لا تلعب مع المباريات دون موافقة الوالدين والإشراف!)
• قمع
• المنظفات أو محلول فقاعات الصابون

ضع إبهامك على الطرف الصغير من القمع. أحضره بعناية نحو الشمعة. قم بإزالة إبهامك ، وسيؤدي الشد السطحي لفقاعات الصابون إلى تقلصها ، مما يجبر الهواء على الخروج من القمع. يجب أن يكون الهواء الذي أخرجته الفقاعة كافيًا لإطفاء الشمعة.

للحصول على تجربة ذات صلة إلى حد ما ، انظر بالون الصواريخ.

المواد المطلوبة:

• ورقة
• مقص
• زيت نباتي أو منظف سائل لغسالة الأطباق
• وعاء كبير أو قالب كيك رغيف مملوء بالماء

بمجرد قص نمط السمك الورقي ، ضعه على حاوية المياه حتى تطفو على السطح. ضع قطرة من الزيت أو المنظف في الحفرة في منتصف السمكة.

سيتسبب المنظف أو الزيت في انخفاض التوتر السطحي في تلك الحفرة. سيؤدي ذلك إلى دفع الأسماك للأمام ، تاركًا أثرًا للزيت أثناء تحركه عبر الماء ، ولا يتوقف حتى يخفف الزيت من التوتر السطحي للوعاء بأكمله.

يوضح الجدول أدناه قيم التوتر السطحي الذي تم الحصول عليه للسوائل المختلفة عند درجات حرارة مختلفة.

قيم التوتر السطحي التجريبية

حررت بواسطة آن ماري هيلمينستين ، د.