Mis on pindpinevus? Definitsioon ja katsed

Pindpinevus on nähtus, kus vedeliku pind, kus vedelik puutub kokku gaasiga, toimib õhukese elastse lehena. Seda terminit kasutatakse tavaliselt ainult siis, kui vedeliku pind puutub kokku gaasi (näiteks õhuga). Kui pind on kahe vedeliku (näiteks vee ja õli) vahel, nimetatakse seda "liidese pingeks".

Erinevad molekulidevahelised jõud, näiteks Van der Waalsi jõud, tõmbavad vedelikud osakesi kokku. Mööda pinda tõmmatakse osakesed ülejäänud vedeliku poole, nagu pildil paremal.

Pindpinevus (tähistatud kreeka muutujaga gamma) määratletakse pinna jõu suhtena F pikkusele d mille mööda jõud tegutseb:

gamma = F / d

Pindpinevuse ühikud

Pindpinevust mõõdetakse ühikutes SI ühikud N / m (njuuton meetri kohta), kuigi tavalisem ühik on cgs ühik dyn / cm (dyne sentimeetri kohta).

Olukorra termodünaamika arvessevõtmiseks on mõnikord kasulik seda kaaluda töö pindalaühiku kohta. Sel juhul on SI ühikuks J / m² (džaulides ruutmeetri kohta). CGS-ühik on erg / cm².

Need jõud seovad pinnaosakesed omavahel. Kuigi see sidumine on nõrk - vedeliku pinda on ju üsna lihtne murda -, avaldub see siiski mitmel viisil.

Tilgad vett. Vesilanguri kasutamisel ei voola vesi pidevas ojas, vaid pigem tilkade seerias. Tilkade kuju põhjustab vee pindpinevus. Ainus põhjus, miks veetilk pole täiesti sfääriline, on see, et sellele tõmbejõud tõmbab raskust. Raskusjõu puudumisel vähendaks langus pinna pindala, et minimeerida pinget, mis annaks täiuslikult sfäärilise kuju.

Putukad kõnnivad vee peal. Mitmed putukad, näiteks veesilm, on võimelised vee peal kõndima. Nende jalad on moodustatud nende kaalu jaotamiseks, põhjustades vedeliku pinna surumist, minimeerides potentsiaali energia jõudude tasakaalu loomiseks, nii et strider võib liikuda üle vee pinna ilma seda läbi murdmata pind. See on kontseptsiooni poolest sarnane lumekingade kandmisega, et kõndida üle sügavate lumetorude, ilma et jalad vajuksid.

Vees hõljuv nõel (või kirjaklamber). Ehkki nende esemete tihedus on suurem kui vesi, on pindpinevus piki süvendit piisav, et tasakaalustada metallesemele tõmbejõudu. Klõpsake paremal asuvat pilti, seejärel klõpsake "Järgmine", et vaadata selle olukorra jõuskeemi või proovida enda jaoks hõljuva nõela trikki.

Kui puhute seebimulli, tekitate õhurõhu, mis paikneb õhukeses elastses vedeliku pinnas. Enamik vedelikke ei suuda mulli tekitamiseks stabiilset pindpinevust säilitada, seetõttu kasutatakse protsessis tavaliselt seepi... see stabiliseerib pindpinevust nn Marangoni efekti kaudu.

Kui mull on puhutud, kipub pinnakile kokku tõmbuma. See suurendab mulli siserõhku. Mulli suurus stabiliseerub sellises suuruses, kus mulli sees olev gaas ei tõmbu enam kokku, vähemalt ilma mulli avamata.

Tegelikult on seebimullil kaks vedeliku ja gaasi liidest - üks mulli siseküljel ja teine ​​mulli välisküljel. Kahe pinna vahel on a õhuke film vedelik.

Seebimulli sfäärilise kuju põhjustab pinna minimeerimine - antud mahu korral on kera alati väikseima pinnaga.

Seebimulli sisemise rõhu arvestamiseks arvestame raadiusega R mullist ja ka pindpinevusest, gammavedeliku kogust (sel juhul seep - umbes 25 dyn / cm).

Alustuseks eeldame välise surve puudumist (mis muidugi ei ole tõsi, kuid hoolitseme selle eest natuke). Seejärel kaalute mulli keskpunkti läbivat ristlõiget.

Selle ristlõike mööda, arvestamata sisemise ja välimise raadiuse väga väikest erinevust, teame, et ümbermõõt on 2piR. Igal sise- ja välispinnal on rõhk gamma kogu pikkuses, seega kokku. Pindpinevusest (nii sise- kui ka väliskihist) tulenev kogujõud on seega 2gamma (2pi R).

Mulli sees on meil aga surve lk mis toimib kogu ristlõike ulatuses pi R², mille kogujõud on lk(pi R²).

Kuna mull on stabiilne, peab nende jõudude summa olema null, nii et saame:

2 gamma (2 pi R) = lk( pi R²)
või
lk = 4 gamma / R

Ilmselt oli see lihtsustatud analüüs, kus rõhk väljaspool mullit oli 0, kuid seda saab hõlpsasti laiendada erinevus siserõhu vahel lk ja väline rõhk lk_e:

lk - lk_e = 4 gamma / R

Tilga vedeliku analüüsimine, mitte seebimull, on lihtsam. Kahe pinna asemel tuleb arvestada ainult välispinnaga, seega langeb koefitsient 2 välja varasemat võrrandit (pidage meeles, kus me kahekordistasime pinnapinget kahe pinna arvestamiseks?) kuni saagis:

lk - lk_e = 2 gamma / R

Pindpinevus toimub gaasi-vedeliku liidese ajal, kuid kui see liides puutub kokku a-ga tahke pind - näiteks konteineri seinad - liides kõverdub selle lähedal tavaliselt üles või alla pind. Sellist nõgusat või kumerat pinnavormi tuntakse kui a menisk

Kontaktnurk, teeta, määratakse nii, nagu on näidatud paremal oleval pildil.

Kontaktnurka saab kasutada vedeliku-tahke pinna pindpinevuse ja vedeliku-gaasi pindpinevuse vahelise suhte määramiseks järgmiselt:

gamma_ls = - gamma_lg kuna teeta

kus

• gamma_ls on vedeliku ja tahke pinna pinge
• gamma_lg on vedelgaasi pindpinevus
• teeta on kontaktnurk

Üks asi, mida selles võrrandis arvestada, on see, et kui menisk on kumer (st kontaktnurk on suurem kui 90 kraadi), on selle võrrandi koosinuskomponent negatiivne, mis tähendab, et vedeliku ja tahke aine pinge on positiivne.

Kui teisest küljest on menisk nõgus (st upub allapoole, nii et kontaktnurk on alla 90 kraadi), siis on cos teeta termin on positiivne, sellisel juhul annaks suhe tulemuseks a negatiivne vedel-tahke pindpinevus!

See tähendab sisuliselt seda, et vedelik kleepub mahuti seintele ja on töö tahke pinnaga kokkupuutuva ala maksimeerimise nimel, et minimeerida üldist potentsiaali energia.

Veel üks vertikaalsetes torudes veega seotud mõju on kapillaarsuse omadus, mille korral vedeliku pind torus tõuseb või surutakse ümbritseva vedeliku suhtes. Ka see on seotud täheldatud kontaktnurgaga.

Kui teil on mahutis vedelikku, pange kitsas toru (või kapillaar) raadiusega r konteinerisse vertikaalne nihe y mis toimub kapillaaris, saadakse järgmise võrrandiga:

y = (2 gamma_lg kuna teeta) / ( dgr)

kus

• y on vertikaalne nihe (ülespoole, kui positiivne, alla, kui negatiivne)
• gamma_lg on vedelgaasi pindpinevus
• teeta on kontaktnurk
• d on vedeliku tihedus
• g on gravitatsiooni kiirendus
• r on kapillaari raadius

MÄRGE: Veelkord, kui teeta on üle 90 kraadi (kumer menisk), mille tulemuseks on vedeliku ja tahke aine negatiivne pindpinevus, vedeliku tase langeb ümbritseva tasemega võrreldes vastupidiselt tõusu suhtes seda.

Kapillaarsus avaldub igapäevaelus mitmel viisil. Paberrätikud imenduvad kapillaarsuse kaudu. Küünla põlemisel tõuseb sulatatud vaha kapillaarsuse tõttu taht üles. Bioloogias, kuigi verd pumbatakse kogu kehas, jaotab see protsess verd ka kõige väiksemates veresoontes, mida nimetatakse kapillaarid.

Vajalikud materjalid:

• 10–12 veerandit
• klaas vett täis

Viige aeglaselt ja kindla käega neljandik ükshaaval klaasi keskele. Asetage veerandi kitsas serv vette ja laske lahti. (See vähendab pinna häiringut ja väldib tarbetute lainete moodustumist, mis võivad põhjustada ülevoolu.)

Jätkates veel neljandikku, hämmastate, kui kumeraks muutub klaas klaasi peal ilma, et vesi üle voolaks!

Võimalik variant: Tehke see katse identsete klaasidega, kuid igas klaasis kasutage erinevat tüüpi münte. Erinevate müntide mahu suhte määramiseks kasutage tulemusi selle kohta, mitu saab sisse minna.

Vajalikud materjalid:

• kahvel (1. variant)
• salvrätikutükk (variant 2)
• õmblusnõel
• klaas vett täis

Pange nõel kahvlile, langetades selle ettevaatlikult veeklaasi. Tõmmake kahvel ettevaatlikult välja ja nõela on võimalik veepinnal hõljuda.

See trikk nõuab tõelist kindlakäelist kätt ja mõningast harjutamist, sest peate kahvli eemaldama nii, et osa nõela ei saaks märjaks... või nõel tahe valamu. Võite nõela sõrmede vahel eelnevalt hõõruda, et seda õlitada, et see teie eduvõimalusi suurendaks.

2. variandi trikk

Pange õmblusnõel väikesele paberilehele (nõela hoidmiseks piisavalt suur). Nõel asetatakse paberpaberile. Pehme paber saab veega leotatud ja vajub klaasi põhja, jättes nõela pinnale ujuma.

Vajalikud materjalid:

• süüdatud küünal (MÄRGE: Ärge mängige mängudega ilma vanemate nõusolekuta ja järelvalveta!)
• lehter
• pesuaine või seebimulli lahus

Asetage pöial lehtri väikese otsa kohale. Viige see ettevaatlikult küünla poole. Eemaldage pöial ja seebimulli pindpinevus põhjustab selle kokkutõmbumist, sundides õhk läbi lehtri välja. Küünla väljatõmbamiseks peaks piisama õhumullist.

Mõnevõrra seotud katse jaoks vaadake raketi õhupalli.

Vajalikud materjalid:

• paberitükk
• käärid
• taimeõli või vedel nõudepesuvahend
• suur kauss või pätsikoogitäis vett täis

Kui olete oma paberkala mustri välja lõiganud, asetage see veemahutile nii, et see hõljuks pinnal. Pange tilk õli või pesuainet kala keskel olevasse auku.

Puhastusvahend või õli põhjustavad selle augu pindpinevuse languse. See põhjustab kala liikumist edasi, jättes õli jälje, kui see liigub üle vee, ega peatu enne, kui õli on kogu kausi pindpinevust vähendanud.

Allolev tabel näitab erinevate vedelike jaoks erinevatel temperatuuridel saadud pindpinevuse väärtusi.

Eksperimentaalsed pindpinevusväärtused

Toimetanud Anne Marie Helmenstine, Ph.