מהו מתח פני השטח? הגדרה וניסויים

מתח פני השטח הוא תופעה בה משטח הנוזל, בו הנוזל נמצא במגע עם גז, פועל כסדין אלסטי דק. מונח זה משמש בדרך כלל רק כאשר משטח הנוזל נמצא במגע עם גז (כמו האוויר). אם המשטח נמצא בין שני נוזלים (כמו מים ושמן), זה נקרא "מתח ממשק".

כוחות בין-מולקולריים שונים, כמו כוחות ואן-דר-וואלס, קושרים את חלקיקי הנוזל יחד. לאורך המשטח, החלקיקים נמשכים לכיוון שאר הנוזל, כפי שמוצג בתמונה מימין.

מתח פני השטח (מסומן במשתנה היווני גמא) מוגדר כיחס של כוח השטח ו באורך ד לאורכו פועל הכוח:

גמא = ו / ד

יחידות מתח פני השטח

מתח השטח נמדד ב יחידות SI של N / m (ניוטון למטר), אם כי היחידה הנפוצה יותר היא יחידת cgs dyn / cm (צבע לסנטימטר).

על מנת לקחת בחשבון את התרמודינמיקה של המצב, לפעמים כדאי לשקול אותה במונחים של עבודה ליחידת שטח. יחידת ה- SI, במקרה זה, היא J / m² (ג'ול למטר בריבוע). יחידת ה- cgs היא erg / cm².

כוחות אלה קושרים את חלקיקי השטח זה בזה. למרות שהכריכה הזו חלשה - זה די קל לשבור את פני הנוזל בכל זאת - זה בא לידי ביטוי במובנים רבים.

טיפות מים. בעת שימוש בטיפת מים, המים לא זורמים בזרם רציף, אלא בסדרת טיפות. צורת הטיפות נגרמת על ידי מתח הפנים של המים. הסיבה היחידה שירידת המים אינה כדורית לחלוטין היא שכוח הכובד מושך עליה. בהיעדר כוח משיכה, הירידה הייתה ממזערת את שטח הפנים כדי למזער את המתח, מה שיגרום לצורה כדורית לחלוטין.

חרקים הולכים על מים. כמה חרקים מסוגלים ללכת על מים, כמו חליל המים. רגליהם נוצרות על מנת לחלק את משקלן, וגורמות למשטח הנוזל לדיכאון, ומצמצם את הפוטנציאל אנרגיה ליצירת איזון כוחות כך שהחלוץ יכול לנוע על פני המים מבלי לפרוץ את משטח. זה דומה במושג ללבוש נעלי שלג להליכה על פרחי שלג עמוקים מבלי שרגליך תטבעו.

מחט (או קליפ נייר) צפים על מים. למרות שצפיפותם של עצמים אלה גדולה יותר ממים, די במתח השטח לאורך השקע בכדי לנטרל את כוח הכובד הנמשך על עצם המתכת. לחץ על התמונה מימין, ואז לחץ על "הבא", כדי להציג תרשים כוח של מצב זה או נסה בעצמך את טריק המחט הצף.

כשאתה מפוצץ בועת סבון, אתה יוצר בועת לחץ בלחץ שנמצאת בתוך משטח נוזל דק ואלסטי. מרבית הנוזלים אינם יכולים לשמור על מתח פנים יציב ליצירת בועה, וזו הסיבה שבדרך כלל משתמשים בסבון בתהליך... זה מייצב את מתח השטח באמצעות משהו שנקרא אפקט מרנגוני.

כשנפוצצת הבועה, סרט השטח נוטה להתכווץ. זה גורם ללחץ בתוך הבועה לעלות. גודל הבועה מתייצב בגודל בו הגז שבתוך הבועה לא יתכווץ עוד יותר, לפחות מבלי להכות את הבועה.

למעשה, ישנם שני ממשקי גז נוזלי על בועת סבון - זו שבצד הפנימי של הבועה וזו שבצד החיצוני של הבועה. בין שני המשטחים נמצא א סרט דק של נוזל.

צורתה הכדורית של בועת סבון נגרמת על ידי צמצום שטח הפנים - עבור נפח נתון, כדור הוא תמיד הצורה שיש לה שטח פנים פחות.

כדי לשקול את הלחץ בתוך בועת הסבון, אנו רואים את הרדיוס ר של הבועה וגם מתח הפנים, גמא, מהנוזל (סבון במקרה זה - כ- 25 dyn / cm).

אנו מתחילים בהנחה של שום לחץ חיצוני (וזה כמובן לא נכון, אך נדאג בזה מעט). לאחר מכן אתה שוקל חתך דרך מרכז הבועה.

לאורך חתך זה, תוך התעלמות מההבדל הקל מאוד ברדיוס הפנימי והחיצוני, אנו יודעים שההיקף יהיה 2פאיר. לחץ על כל משטח פנימי וחיצוני יהיה לחץ של גמא לאורך כל האורך, כך שהסך הכל. הכוח הכולל של מתח השטח (מהסרט הפנימי והחיצוני כאחד) הוא, אפוא, 2גמא (2pi R).

אולם בתוך הבועה יש לנו לחץ ע שפועלת על כל חתך pi R², וכתוצאה מכך כוח כולל של ע(pi R²).

מכיוון שהבועה יציבה, סכום הכוחות הללו חייב להיות אפס כך שנקבל:

2 גמא (2 pi R) = ע( pi R²)
או
ע = 4 גמא / ר

ברור שמדובר בניתוח מפושט בו הלחץ מחוץ לבועה היה 0, אך ניתן להרחיב זאת בקלות כדי להשיג את ה- הבדל בין הלחץ הפנימי ע והלחץ החיצוני ע_ה:

ע - ע_ה = 4 גמא / ר

ניתוח טיפת נוזלים, בניגוד ל בועת סבון, הוא פשוט יותר. במקום שני משטחים, יש רק את המשטח החיצוני שיש לקחת בחשבון, ולכן גורם של 2 נושר ממנו המשוואה הקודמת (זוכרים היכן הכפלנו את מתח השטח כדי להסביר שני משטחים?) ל תשואה:

ע - ע_ה = 2 גמא / ר

מתח פני השטח מתרחש במהלך ממשק נוזלי גז, אך אם ממשק זה בא במגע עם משטח יציב - כמו קירות מכולה - הממשק מתעגל בדרך כלל למעלה או למטה בסמוך אליו משטח. צורת משטח קעורה או קמורה שכזו ידועה בשם מניסקוס

זווית המגע, תטא, נקבע כמוצג בתמונה מימין.

ניתן להשתמש בזווית המגע לקביעת קשר בין מתח השטח המוצק הנוזל-מוצק למתח השטח של הגז הנוזלי, כדלקמן:

גמא_ls = - גמא_lg cos תטא

איפה

• גמא_ls הוא מתח השטח הנוזלי-מוצק
• גמא_lg הוא מתח השטח של הגז הנוזלי
• תטא הוא זווית המגע

דבר אחד שיש לקחת בחשבון במשוואה זו הוא שבמקרים בהם המניסקוס קמור (כלומר, זווית המגע גדולה מ- 90 מעלות), המרכיב הקוסיני במשוואה זו יהיה שלילי, כלומר מתח המשטח הנוזל-מוצק יהיה חיובי.

אם לעומת זאת המניסקוס קעור (כלומר טובל מטה, כך שזווית המגע פחותה מ- 90 מעלות), אז תטא המונח הוא חיובי, ובמקרה זה הקשר יביא ל שלילי מתח פני השטח נוזלי-מוצק!

פירוש הדבר, בעיקרו של דבר, הוא שהנוזל דבק בקירות המכולה ונמצא פועלים למקסום השטח במגע עם משטח מוצק, על מנת למזער את הפוטנציאל הכללי אנרגיה.

השפעה נוספת הקשורה למים בצינורות אנכיים היא תכונת הקפיליות, שבה משטח הנוזל הופך להיות מוגבה או מדוכא בתוך הצינור ביחס לנוזל שמסביב. גם זה קשור לזווית המגע שנצפתה.

אם יש לך נוזל בכלי, והנח צינור צר (או נימי) של רדיוס r למיכל, העקירה האנכית y שתתרחש בתוך הנימים ניתנת על ידי המשוואה הבאה:

y = (2 גמא_lg cos תטא) / ( dgr)

איפה

• y הוא העקירה האנכית (למעלה אם חיובי, למטה אם שלילי)
• גמא_lg הוא מתח השטח של הגז הנוזלי
• תטא הוא זווית המגע
• ד היא צפיפות הנוזל
• ז הוא האצת כוח המשיכה
• r הוא רדיוס הנימים

הערה: שוב, אם תטא גדול מ- 90 מעלות (מניסקוס קמור), וכתוצאה מכך מתח פנים שלילי-נוזלי-מוצק, מפלס הנוזל יירד ביחס לרמה שמסביב, לעומת עלייה ביחס ל זה.

הקיבולת באה לידי ביטוי במובנים רבים בעולם היומיומי. מגבות נייר סופגות דרך הקיבולת. כששורפים נר עולה השעווה המומסת במעלה הפתילה בגלל הקיבולת. בביולוגיה, אם כי נוזר דם בכל הגוף, זהו התהליך שמפיץ דם בכלי הדם הקטנים ביותר הנקראים, באופן מתאים, נימים.

חומרים נחוצים:

• 10 עד 12 רבעים
• כוס מלאה מים

לאט לאט ובעזרת יד קבועה, הביאו את המגורים בזה אחר זה למרכז הזכוכית. הניחו את הקצה הצר של הרובע במים ושחררו. (זה ממזער את ההפרעה לפני השטח ונמנע מהיווצרות גלים מיותרים שעלולים לגרום לצפת יתר.)

כשאתם ממשיכים עם עוד רבעים, תדהמו עד כמה הקמורה הופכת המים על גבי הזכוכית מבלי לעלות על גדותיהם!

וריאנט אפשרי: בצע ניסוי זה עם משקפיים זהים, אך השתמש בסוגים שונים של מטבעות בכל כוס. השתמש בתוצאות של כמה שיכולים להיכנס לקביעת היחס בין נפחי המטבעות השונים.

חומרים נחוצים:

• מזלג (גרסה 1)
• פיסת נייר טישו (גרסה 2)
• מחט תפירה
• כוס מלאה מים

הניחו את המחט על המזלג, הורידו אותה בעדינות לכוס המים. משוך בזהירות את המזלג, וניתן להשאיר את המחט צפה על פני המים.

הטריק הזה מצריך יד יציבה אמיתית וקצת תרגול, מכיוון שאתה חייב להסיר את המזלג בצורה כזו שחלקים מהמחט לא נרטבים... או המחט יהיה כיור. אתה יכול למרוח את המחט בין האצבעות לפני כן "לשמן" זה יגדיל את סיכויי ההצלחה שלך.

טריק של וריאנט 2

הניחו את המחט על תפירה קטנה של נייר טישו (גדול מספיק כדי להחזיק את המחט). המחט מונחת על נייר הרקמה. נייר הרקמה יספוג במים ושקע לתחתית הזכוכית, וישאיר את המחט צפה על פני השטח.

חומרים נחוצים:

• נר דולק (הערה: אל תשחק במשחקים ללא אישור של ההורים והשגחה!)
• משפך
• חומר ניקוי או תמיסת בועות סבון

הניחו את האגודל על הקצה הקטן של המשפך. הבא אותו בזהירות לכיוון הנר. הסר את האגודל שלך, ומתח השטח של בועת הסבון יגרום לה להתכווץ, ויאלץ אוויר דרך המשפך. האוויר שמוציאה את הבועה אמור להספיק בכדי לכבות את הנר.

לניסוי קשור במקצת, עיין בבלון הרקטות.

חומרים נחוצים:

• חתיכת נייר
• מספריים
• שמן צמחי או חומר ניקוי למדיח כלים
• קערה גדולה או תבנית עוגת כיכר מלאה במים

לאחר שתחתוך את תבנית דגי הנייר שלך, הניח אותה על מיכל המים כך שתצוף על פני השטח. שים טיפה מהשמן או חומר הניקוי בחור במרכז הדג.

חומר הניקוי או השמן יגרום למתח המשטח שבאותו חור לצנוח. זה יגרום לדגים להניע קדימה, ולהשאיר שובל של השמן כשהוא נע על פני המים, לא לעצור עד שהשמן הוריד את מתח השטח של הקערה כולה.

הטבלה שלהלן מדגימה ערכי מתח פני השטח המתקבלים לנוזלים שונים בטמפרטורות שונות.

ערכי מתח פני הניסוי

נערך על ידי אן מארי הלמנסטין, ד.