Mikä on pintajännitys? Määritelmä ja kokeet

Pintajännitys on ilmiö, jossa nesteen pinta, jossa neste on kosketuksissa kaasun kanssa, toimii ohuena elastisena levynä. Tätä termiä käytetään tyypillisesti vain silloin, kun nestepinta on kosketuksissa kaasun (kuten ilman) kanssa. Jos pinta on kahden nesteen (kuten veden ja öljyn) välillä, sitä kutsutaan "rajapintajännitykseksi".

Erilaiset molekyylien väliset voimat, kuten Van der Waals -voimat, vetävät nestehiukkaset yhteen. Hiukkaset vedetään pintaa pitkin kohti muuta nestettä, kuten kuvassa oikealla.

Pintajännitys (merkitty kreikan muuttujalla gamma) määritetään pintavoiman suhteena F pituuteen d jota pitkin voima toimii:

gamma = F / d

Pintajännityksen yksiköt

Pintajännitys mitataan yksikköinä SI-yksiköt N / m (newtonia metriä kohti), vaikka yleisin yksikkö on cgs-yksikkö dyn / cm (dyne senttiä kohti).

Jotta tilanteen termodynamiikkaa voitaisiin harkita, on joskus hyödyllistä ottaa se huomioon työ pinta-alayksikköä kohti. SI-yksikkö on tällöin J / m² (joulea neliömetriä kohti). Cgs-yksikkö on erg / cm².

Nämä voimat sitovat pintahiukkaset toisiinsa. Vaikka tämä sitoutuminen on heikko - nesteen pinta on melko helppo murtaa - se ilmenee monin tavoin.

Pisarat vettä. Vesipisaroita käytettäessä vesi ei virtaa jatkuvassa virtauksessa, vaan pikemminkin tippasarjoina. Pisaroiden muodon aiheuttaa veden pintajännitys. Ainoa syy, jonka vuoksi vesipisara ei ole täysin pallomainen, on se, että sitä vetävä painovoima. Painovoiman puuttuessa pudotus minimoi pinta-alan jännityksen minimoimiseksi, mikä johtaisi täysin pallomaiseen muotoon.

Hyönteiset kävelevät vedellä. Useat hyönteiset pystyvät kävelemään vedellä, kuten vesijetti. Heidän jalkansa on muodostettu jakamaan painoaan aiheuttaen nesteen pinnan masennuksen minimoiden potentiaalin energiaa voimien tasapainon luomiseksi, jotta strider voi liikkua veden pinnan yli murtamatta sitä pinta. Tämä on periaatteessa samanlainen kuin lumikengien käyttäminen kävelemään syvien lumikelpojen läpi jalkojen uppoutumatta.

Neula (tai paperiliitin) kelluu vedessä. Vaikka näiden esineiden tiheys on suurempi kuin vesi, pintajännitys syvennystä pitkin on riittävä vastapainoksi metalliesineen vetävän painovoiman vaikutukselle. Napsauta oikealla olevaa kuvaa ja napsauta sitten Seuraava, nähdäksesi tilannevoimakaavion tai kokeillaksesi kelluvan neulan temppua itse.

Puhaltaessasi saippuakuplia muodostuu paineistettu ilmakupla, joka sisältyy ohuelle, joustavalle nestepinnalle. Suurin osa nesteistä ei pysty ylläpitämään vakaata pintajännitystä kuplan luomiseksi, siksi saippuaa käytetään yleensä prosessissa... se vakauttaa pintajännityksen niin kutsutun Marangoni-ilmiön avulla.

Kun kupla on puhallettu, pintakalvolla on taipumus kutistua. Tämä aiheuttaa kuplan paineen nousun. Kuplan koko tasaantuu kokoon, jossa kuplan sisällä oleva kaasu ei supistu enempää, ainakin ilman, että kupla aukeaa.

Itse asiassa saippuakuplissa on kaksi neste-kaasuliitäntää - yksi kuplan sisäpuolella ja toinen kuplan ulkopuolella. Kahden pinnan välissä on ohut filmi nestettä.

Saippukupallon pallomainen muoto johtuu pinta-alan minimoimisesta - tietylle tilavuudelle pallo on aina muoto, jolla on pienin pinta-ala.

Paineen saamiseksi saippukuplan sisällä otetaan huomioon säde R kupla ja myös pintajännitys, gamma, nestettä (saippua tässä tapauksessa - noin 25 dyn / cm).

Aloitamme olettamalla, ettei ulkoista painostusta ole (mikä ei tietenkään ole totta, mutta huolehdimme siitä vähän). Tämän jälkeen tarkastellaan poikkileikkausta kuplan keskustasta.

Tätä poikkileikkausta pitkin, huomioimatta erittäin pieni sisä- ja ulkosäteen ero, tiedämme, että ympärysmitta on 2piiR. Jokaisen sisä- ja ulkopinnan paine on gamma koko pituudelta, joten kokonaismäärä. Pintajännityksestä johtuva kokonaisvoima (sekä sisä- että ulkokalvosta) on siksi 2gamma (2pi R).

Kuplan sisällä meillä on kuitenkin paine p joka toimii koko poikkileikkauksessa pi R², jolloin kokonaisvoima on p(pi R²).

Koska kupla on vakaa, näiden voimien summan on oltava nolla, joten saamme:

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

Ilmeisesti tämä oli yksinkertaistettu analyysi, jossa kupla ulkopuolella oleva paine oli 0, mutta sitä laajennetaan helposti, jotta saadaan ero sisäpaineen välillä p ja ulkoinen paine p_e:

p - p_e = 4 gamma / R

Analysoidaan tippa nestettä, toisin kuin saippuakupla, on yksinkertaisempi. Kahden pinnan sijasta on harkittava vain ulkopinta, joten kerroin 2 putoaa pois aikaisempaan yhtälöön (muista missä kaksinkertaistimme pintajännityksen kahden pinnan huomioon ottamiseksi?) arvoon saanto:

p - p_e = 2 gamma / R

Pintajännitys tapahtuu kaasu-neste-rajapinnan aikana, mutta jos rajapinta on kosketuksessa kiinteä pinta - kuten säiliön seinät - rajapinta kaareutuu yleensä ylös tai alas lähellä sitä pinta. Tällainen kovera tai kupera pintamuoto tunnetaan nimellä nivelkierukka

Kosketuskulma, theta, määritetään oikealla olevan kuvan osoittamalla tavalla.

Kosketuskulmaa voidaan käyttää neste-kiinteän pintajännityksen ja neste-kaasun pintajännityksen välisen suhteen määrittämiseen seuraavasti:

gamma_ls = - gamma_lg cos theta

missä

• gamma_ls on nestemäisen kiinteän pintajännitys
• gamma_lg on neste-kaasun pintajännitys
• theta on kosketuskulma

Yksi huomioitava asia tässä yhtälössä on, että tapauksissa, joissa meniski on kupera (ts. Kosketuskulma on suurempi kuin 90 astetta), tämän yhtälön kosinuskomponentti on negatiivinen, mikä tarkoittaa, että neste-kiinteän pintajännitys on positiivinen.

Jos toisaalta meniski on kovera (ts. Kastuu alas, niin että kosketuskulma on alle 90 astetta), niin cos theta termi on positiivinen, jolloin suhde johtaisi a negatiivinen neste-kiinteä pintajännitys!

Tämä tarkoittaa pääasiassa sitä, että neste tarttuu säiliön seinämiin ja on työskennellä maksimoimaan pinta-alaan joutuva pinta-ala kokonaispotentiaalin minimoimiseksi energiaa.

Toinen vertikaalisten putkien veteen liittyvä vaikutus on kapillaarisuuden ominaisuus, jossa nesteen pinta kohoaa tai laskee putken sisällä suhteessa ympäröivään nesteeseen. Tämäkin liittyy havaittuun kosketuskulmaan.

Jos sinulla on nestettä astiassa, aseta kapea putki (tai kapillaari) säde R säiliöön pystysuuntainen siirtymä y joka tapahtuu kapillaarissa, annetaan seuraavalla yhtälöllä:

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

missä

• y on pystysuuntainen siirtymä (ylöspäin, jos positiivinen, alas, jos negatiivinen)
• gamma_lg on neste-kaasun pintajännitys
• theta on kosketuskulma
• d on nesteen tiheys
• g on painovoiman kiihtyvyys
• R on kapillaarin säde

HUOMAUTUS: Jälleen kerran, jos theta on yli 90 astetta (kupera meniski), mikä johtaa negatiiviseen neste-kiinteän pintajännitykseen, nestetaso laskee verrattuna ympäröivään tasoon, toisin kuin nousu suhteessa se.

Kapillaarisuus ilmenee monin tavoin jokapäiväisessä maailmassa. Paperipyyhkeet imeytyvät kapillaarisuuden kautta. Kun kynttilä poltetaan, sulatettu vaha nousee tahtosta kapillaarisuuden takia. Biologiassa, vaikka verta pumpataan koko kehossa, juuri tämä prosessi jakaa verta pienimmissä verisuonissa, joita kutsutaan sopivasti kapillaareja.

Tarvittavat materiaalit:

• 10–12 neljäsosaa
• lasi täynnä vettä

Vie hitaasti ja tukevalla kädellä neljäsosaa kerrallaan lasin keskelle. Aseta neljänneksen kapea reuna veteen ja päästä irti. (Tämä minimoi pinnan häiriöt ja välttää tarpeettomien aaltojen muodostumisen, jotka voivat aiheuttaa ylivuodon.)

Kun jatkat enemmän neljäsosaa, sinut hämmästytetään kuinka kupera vesi muuttuu lasin päälle ilman, että se täyttyy!

Mahdollinen vaihtoehto: Suorita tämä koe identtisillä laseilla, mutta käytä erityyppisiä kolikoita jokaisessa lasissa. Käytä tuloksia siitä, kuinka monta voi mennä sisään määrittääksesi suhteen eri kolikoiden määrille.

Tarvittavat materiaalit:

• haarukka (vaihtoehto 1)
• pala pehmopaperia (variantti 2)
• ompeluneula
• lasi täynnä vettä

Aseta neula haarukalle laskemalla se varovasti vesilasiin. Vedä haarukka varovasti ulos, ja neula on mahdollista jättää kelluvaksi veden pinnalle.

Tämä temppu vaatii todellisen tasaisen käden ja jonkin verran harjoittelua, koska sinun on poistettava haarukka siten, että neulan osat eivät kastu... tai neula tahtoa pesuallas. Voit hieroa neulaa sormien välillä etukäteen "öljyttää" se lisää menestysmahdollisuuksiasi.

Variantti 2 temppu

Aseta ompeluneula pienelle pehmopaperinpalalle (riittävän suuri pitämään neulaa). Neula asetetaan pehmopaperille. Pehmopaperi kastuu vedellä ja uppoaa lasin pohjaan, jolloin neula kelluu pinnalla.

Tarvittavat materiaalit:

• sytytetty kynttilä (HUOMAUTUS: Älä pelaa otteluissa ilman vanhempien hyväksyntää ja valvontaa!)
• suppilo
• pesuainetta tai saippua-kuplaliuosta

Aseta peukalosi suppilon pienen pään päälle. Vie se varovasti kynttilää kohti. Poista peukalosi, ja saippukuplan pintajännitys saa sen supistumaan pakottaen ilman ulos suppilon läpi. Kuplan pakottaman ilman tulisi olla riittävä kynttilän sammuttamiseen.

Katso hiukan liittyvä kokeilu kohdasta Rakettipallo.

Tarvittavat materiaalit:

• paperin pala
• sakset
• kasviöljy tai nestemäinen astianpesukone
• iso kulho tai leivän kakku pannu täynnä vettä

Kun olet saanut paperikalakuvion leikattua, aseta se vesisäiliöön niin, että se kelluu pinnalla. Laita tippa öljyä tai pesuainetta kalan keskelle olevaan reikään.

Puhdistusaine tai öljy aiheuttaa reiän pintajännityksen putoamisen. Tämä saa kalat liikkumaan eteenpäin, jättäen öljyn jäljen liikkuessaan veden yli, eikä pysähtyä, ennen kuin öljy on laskenut koko kulhon pintajännitystä.

Seuraava taulukko osoittaa pintajännityksen arvot, jotka on saatu eri nesteille eri lämpötiloissa.

Kokeelliset pintajännitysarvot

Muokannut Tohtori Anne Marie Helmenstine