Yüzey Gerilimi Nedir? Tanım ve Deneyler

Yüzey gerilimi, sıvının bir gazla temas ettiği bir sıvının yüzeyinin ince elastik bir tabaka gibi davrandığı bir olgudur. Bu terim tipik olarak sadece sıvı yüzey gazla (hava gibi) temas ettiğinde kullanılır. Eğer yüzey iki sıvı (su ve yağ gibi) arasındaysa, buna "arayüz gerilimi" denir.

Van der Waals kuvvetleri gibi moleküller arası kuvvetler, sıvı parçacıkları bir araya getirir. Yüzey boyunca, parçacıklar sağdaki resimde gösterildiği gibi sıvının geri kalanına doğru çekilir.

Yüzey gerilimi (Yunan değişkeniyle gösterilir) gama) yüzey kuvvetinin oranı olarak tanımlanır. F uzunluğa d kuvvetin hareket ettiği:

gama = F / d

Yüzey Gerilimi Birimleri

Yüzey gerilimi SI birimleri N / m (metre başına newton), ancak daha yaygın birim cgs birimi dyn / cm'dir (santimetre başına dyne).

Durumun termodinamiğini göz önünde bulundurmak için, bazen durum açısından dikkate almak yararlı olabilir. iş birim alan başına. Bu durumda SI birimi J / m'dir.² (metre başına jul kare). Cgs birimi erg / cm'dir².

Bu kuvvetler yüzey partiküllerini birbirine bağlar. Bu bağlanma zayıf olmasına rağmen - sonuçta bir sıvının yüzeyini kırmak oldukça kolaydır - birçok yönden kendini gösterir.

Su damlaları. Bir su damlalığı kullanırken, su sürekli bir akışta değil, bir dizi damlada akar. Damlaların şekli suyun yüzey geriliminden kaynaklanır. Su damlasının tamamen küresel olmamasının tek nedeni, yerçekimi kuvvetinin aşağı çekmesidir. Yerçekimi yokluğunda, damla, gerilimi en aza indirmek için yüzey alanını en aza indirir ve bu da mükemmel bir küresel şekle neden olur.

Su üzerinde yürüyen böcekler. Su strider gibi çeşitli böcekler su üzerinde yürüyebilir. Bacakları ağırlıklarını dağıtmak için oluşturulur ve sıvının yüzeyinin çökmesine neden olarak potansiyeli en aza indirir. enerjinin bir denge dengesi oluşturmak için enerji, böylece strider suyun yüzeyi boyunca hareket etmeden yüzey. Bu, kavram olarak, ayaklarınızın batmadan derin kar yağışı boyunca yürümek için kar ayakkabısı giymeye benzer.

Su üzerinde yüzen iğne (veya ataş). Bu cisimlerin yoğunluğu sudan daha büyük olsa da, çöküntü boyunca yüzey gerilimi, metal cisim üzerinde aşağıya çekilen yerçekimi kuvvetine karşı koymak için yeterlidir. Sağdaki resmi tıklayın, ardından bu durumun kuvvet şemasını görüntülemek için "İleri" yi tıklayın veya kendiniz için Yüzen İğne numarasını deneyin.

Bir sabun köpüğü üflediğinizde, ince, elastik bir sıvı yüzeyinde bulunan basınçlı bir hava kabarcığı oluşturursunuz. Çoğu sıvı, bir kabarcık oluşturmak için sabit bir yüzey gerilimini koruyamaz, bu nedenle işlemde genellikle sabun kullanılır... yüzey gerilimini Marangoni etkisi denilen bir şeyle dengeler.

Kabarcık üflendiğinde, yüzey filmi büzülme eğilimindedir. Bu kabarcık içindeki basıncın artmasına neden olur. Baloncuğun boyutu, balonun içindeki gazın, en azından balonu patlatmadan, daha fazla büzülmeyeceği bir boyutta stabilize olur.

Aslında, bir sabun köpüğü üzerinde iki sıvı-gaz ​​arayüzü vardır - balonun iç tarafında ve balonun dışında biri. İki yüzey arasında bir ince tabaka sıvı.

Bir sabun köpüğünün küresel şekline, yüzey alanının en aza indirilmesi neden olur - belirli bir hacim için, küre her zaman en az yüzey alanına sahip olan formdur.

Sabun köpüğü içindeki basıncı dikkate almak için, yarıçapı düşünüyoruz R, kabarcık ve ayrıca yüzey gerilimi, gamasıvının (bu durumda sabun - yaklaşık 25 din / cm).

Dış baskı olmadığını varsayarak başlıyoruz (ki bu elbette doğru değil, ama biraz bununla ilgileneceğiz). Daha sonra balonun merkezinden bir kesit düşünün.

Bu kesit boyunca, iç ve dış yarıçaptaki çok küçük farkı göz ardı ederek, çevrenin 2 olacağını biliyoruz.pi sayısıR,. Her iç ve dış yüzey, gama tüm uzunluk boyunca, bu yüzden toplam. Bu nedenle, yüzey geriliminden (hem iç hem de dış filmden) toplam kuvvet 2'dir.gama (2pi R tr).

Ancak balonun içinde bir baskı var p tüm kesit üzerinde hareket eden pi R tr²toplam gücü ile sonuçlanır. p(pi R tr²).

Kabarcık sabit olduğundan, bu kuvvetlerin toplamı sıfır olmalıdır, bu yüzden:

2 gama (2 pi R tr) = p( pi R tr²)
veya
p = 4 gama / R,

Açıkçası, bu, balonun dışındaki basıncın 0 olduğu basitleştirilmiş bir analizdi, ancak bu, fark iç basınç arasında p ve dış basınç p_e:

p - p_e = 4 gama / R,

Bir damla sıvıyı analiz etmek yerine sabun köpüğü, daha basit. İki yüzey yerine, dikkate alınması gereken sadece dış yüzey vardır, bu nedenle 2 kat faktörü düşer. önceki denklem (iki yüzeyi hesaba katmak için yüzey gerilimini nerede iki katına çıkardığımızı hatırlıyor musunuz?) Yol ver:

p - p_e = 2 gama / R,

Yüzey gerilimi bir gaz-sıvı arayüzü sırasında meydana gelir, ancak bu arayüz bir katı yüzey - bir kabın duvarları gibi - arayüz genellikle bunun yakınında yukarı veya aşağı eğilir yüzey. Böyle bir içbükey veya dışbükey yüzey şekli, menisküs

Temas açısı, teta, sağdaki resimde gösterildiği gibi belirlenir.

Temas açısı, sıvı-katı yüzey gerilimi ile sıvı-gaz ​​yüzey gerilimi arasındaki bir ilişkiyi aşağıdaki gibi belirlemek için kullanılabilir:

gama_ls = - gama_lg marul teta

nerede

• gama_ls sıvı-katı yüzey gerilimi
• gama_lg sıvı gaz yüzey gerilimi
• teta temas açısı

Bu denklemde dikkate alınması gereken bir şey, menisküsün dışbükey olduğu durumlarda (yani temas açısının 90'dan büyük olduğu) derece), bu denklemin kosinüs bileşeni negatif olacaktır, bu da sıvı-katı yüzey geriliminin pozitif.

Öte yandan, menisküs içbükeyse (yani aşağı düşerse, temas açısı 90 dereceden azsa), o zaman cos teta terim pozitif, bu durumda ilişki bir olumsuz sıvı-katı yüzey gerilimi!

Bunun anlamı, esasen, sıvının kabın duvarlarına yapışması ve genel potansiyeli en aza indirmek için katı yüzeyle temas eden alanı en üst düzeye çıkarmak için çalışma enerji.

Dikey tüplerdeki su ile ilgili bir başka etki, içinde sıvı yüzeyinin çevreleyen sıvıya göre tüp içinde yükseldiği veya alçaldığı kılcallık özelliğidir. Bu da gözlenen temas açısı ile ilgilidir.

Bir kapta sıvı varsa ve dar bir tüp (veya kılcal damar) yarıçapı r kabın içine, dikey yer değiştirme y kapiler içinde gerçekleşecek olan aşağıdaki denklemle verilir:

y = (2 gama_lg marul teta) / ( dgr)

nerede

• y dikey yer değiştirme (pozitifse yukarı, negatifse aşağı)
• gama_lg sıvı gaz yüzey gerilimi
• teta temas açısı
• d sıvının yoğunluğu
• g yer çekiminin ivmesi
• r kılcal damar yarıçapı

NOT: Bir kez daha, eğer teta negatif sıvı-katı yüzey gerilimi ile sonuçlanan 90 dereceden (dışbükey menisküs) büyüktür, sıvı seviyesi, çevre seviyesine kıyasla düşecektir. o.

Kılcallık günlük dünyada birçok şekilde kendini gösterir. Kağıt havlular kılcallığı emer. Bir mum yakarken, erimiş balmumu kılcallık nedeniyle fitili yükseltir. Biyolojide, kan vücuda pompalanmasına rağmen, kanı uygun şekilde adlandırılan en küçük kan damarlarına dağıtan bu süreçtir. kılcal.

Gerekli malzemeler:

• 10 ila 12 Çeyrek
• bardak su dolu

Yavaşça ve sabit bir el ile, çeyrekleri camın merkezine her seferinde bir tane getirin. Çeyrek dar kenarını suya koyun ve bırakın. (Bu yüzeyde bozulmayı en aza indirir ve taşmaya neden olabilecek gereksiz dalgaların oluşmasını önler.)

Daha fazla mahalleye devam ettikçe, suyun taşmadan camın üstünde nasıl dışbükey olduğuna şaşıracaksınız!

Olası Varyant: Bu deneyi özdeş gözlüklerle yapın, ancak her bardakta farklı para türleri kullanın. Farklı paraların hacimlerinin bir oranını belirlemek için kaç kişinin girebileceğinin sonuçlarını kullanın.

Gerekli malzemeler:

• çatal (değişken 1)
• kağıt mendil parçası (varyant 2)
• dikiş iğnesi
• bardak su dolu

İğneyi yavaşça bir bardak suya indirerek çatalın üzerine yerleştirin. Çatalı dikkatlice dışarı çekin ve iğneyi suyun yüzeyinde yüzen bırakmak mümkündür.

Bu hile gerçek bir sabit el ve biraz pratik gerektirir, çünkü çatalı iğnenin bazı bölümleri ıslanmayacak şekilde çıkarmalısınız... veya iğne niyet lavabo. Başarı şansınızı artırmak için "yağ" için önceden parmaklarınız arasında iğne ovalayabilirsiniz.

Varyant 2 Hüner

Dikiş iğnesini küçük bir kağıt mendil parçasına yerleştirin (iğneyi tutacak kadar büyük). İğne kağıt mendil üzerine yerleştirilir. Kağıt mendil suyla ıslatılır ve camın dibine batırılır ve iğne yüzeyde yüzer halde kalır.

Gerekli malzemeler:

• yanan mum (NOT: Ebeveyn onayı ve denetimi olmadan maçlarla oynamayın!)
• huni
• deterjan veya sabun köpüğü çözeltisi

Baş parmağınızı huninin küçük ucunun üzerine yerleştirin. Dikkatlice mum doğru getirin. Başparmağınızı çıkarın ve sabun köpüğünün yüzey gerilimi büzülmesine neden olacak ve huniden havaya zorlayacaktır. Kabarcık tarafından dışarı atılan hava, mumu söndürmek için yeterli olmalıdır.

Biraz ilgili bir deney için Roket Balonu'na bakın.

Gerekli malzemeler:

• kağıt parçası
• makas
• bitkisel yağ veya sıvı bulaşık makinesi deterjanı
• su dolu büyük bir kase veya somun kek tava

Paper Fish deseninizi kestikten sonra, su kabının üzerine yüzeye çıkacak şekilde yerleştirin. Balığın ortasındaki deliğe bir damla yağ veya deterjan koyun.

Deterjan veya yağ, o delikteki yüzey geriliminin düşmesine neden olur. Bu, balığın öne doğru itilmesine neden olur, su boyunca hareket ederken yağın bir izini bırakır, yağ tüm kabın yüzey gerilimini düşürene kadar durmaz.

Aşağıdaki tablo, farklı sıcaklıklarda farklı sıvılar için elde edilen yüzey gerilimi değerlerini göstermektedir.

Deneysel Yüzey Gerilimi Değerleri

Tarafından düzenlendi Anne Marie Helmenstine, Doktora