Sức căng bề mặt là hiện tượng kỳ lạ bề mặt của chất lỏng, nơi chất lỏng tiếp xúc với chất khí, đóng vai trò như một tấm đàn hồi mỏng dính. Thuật ngữ này thường chỉ được sử dụng khi bề mặt chất lỏng tiếp xúc với khí ( ví dụ điển hình như không khí ). Nếu bề mặt nằm giữa hai chất lỏng ( như nước và dầu ), nó được gọi là ” sức căng bề mặt ” . Show Nguyên nhân của lực căng bề mặtCác lực liên phân tử khác nhau, ví dụ điển hình như lực Van der Waals, hút những hạt chất lỏng lại với nhau. Dọc theo bề mặt, những hạt bị kéo về phía phần còn lại của chất lỏng, như trong hình bên phải . Sức căng bề mặt ( được ký hiệu bằng gamma biến trong tiếng Hy Lạp ) được định nghĩa là tỷ số của lực bề mặt F với chiều dài d mà lực tính năng :gamma = F / d Đơn vị sức căng bề mặt Sức căng bề mặt được đo bằng đơn vị chức năng SI là N / m ( newton trên mét ), mặc dầu đơn vị chức năng thông dụng hơn là đơn vị chức năng cgs dyn / cm ( dyne trên cm ) .Để xem xét nhiệt động lực học của trường hợp, nhiều lúc tất cả chúng ta nên xem xét nó theo việc làm trên một đơn vị chức năng diện tích quy hoạnh. Trong trường hợp đó, đơn vị chức năng SI là J / m 2 ( jun trên mét bình phương ). Đơn vị cgs là erg / cm 2 .Các lực này link những hạt bề mặt với nhau. Mặc dù link này yếu – xét cho cùng thì khá thuận tiện để phá vỡ bề mặt của chất lỏng – nó bộc lộ theo nhiều cách . Ví dụ về sức căng bề mặtGiọt nước. Khi sử dụng ống nhỏ giọt nước, nước không chảy thành dòng liên tục mà là theo từng giọt. Hình dạng của giọt là do sức căng bề mặt của nước. Lý do duy nhất khiến giọt nước không hoàn toàn hình cầu là do lực hấp dẫn tác động lên nó. Trong trường hợp không có trọng lực, sự thả rơi sẽ giảm thiểu diện tích bề mặt để giảm thiểu lực căng, điều này sẽ dẫn đến một hình cầu hoàn hảo. Côn trùng đi bộ trên mặt nước. Một số loài côn trùng có thể đi trên mặt nước, chẳng hạn như loài bọ gậy nước. Chân của chúng được hình thành để phân bố trọng lượng, làm cho bề mặt chất lỏng bị lõm xuống, giảm thiểu thế năng tạo ra sự cân bằng lực để người sải chân có thể di chuyển trên mặt nước mà không bị thủng bề mặt. Điều này tương tự về khái niệm mang giày trượt tuyết để đi bộ trên xe tuyết sâu mà chân bạn không bị lún. Kim (hoặc kẹp giấy) nổi trên mặt nước. Mặc dù khối lượng riêng của những vật này lớn hơn nước, sức căng bề mặt dọc theo chỗ lõm vẫn đủ để chống lại lực hấp dẫn kéo xuống vật thể kim loại. Nhấp vào hình bên phải, sau đó nhấp vào “Tiếp theo” để xem biểu đồ lực của tình huống này hoặc thử thủ thuật Kim nổi cho chính bạn. Giải phẫu khủng hoảng bong bóng xà phòngKhi bạn thổi khủng hoảng bong bóng xà phòng, bạn đang tạo ra một khủng hoảng bong bóng khí có áp suất được chứa trong một bề mặt mỏng dính và đàn hồi của chất lỏng. Hầu hết những chất lỏng không hề duy trì sức căng bề mặt không thay đổi để tạo ra khủng hoảng bong bóng, đó là nguyên do tại sao xà phòng thường được sử dụng trong quy trình này … nó không thay đổi sức căng bề mặt trải qua một thứ gọi là hiệu ứng Marangoni .Khi thổi khủng hoảng bong bóng, màng bề mặt có xu thế co lại. Điều này làm cho áp suất bên trong khủng hoảng bong bóng tăng lên. Kích thước của khủng hoảng bong bóng không thay đổi ở size mà khí bên trong khủng hoảng bong bóng sẽ không co lại nữa, tối thiểu là không làm khủng hoảng bong bóng vỡ ra .Trên trong thực tiễn, có hai giao diện lỏng-khí trên khủng hoảng bong bóng xà phòng – giao diện ở bên trong khủng hoảng bong bóng và giao diện ở bên ngoài khủng hoảng bong bóng. Ở giữa hai bề mặt là một màng chất lỏng mỏng dính .Hình cầu của khủng hoảng bong bóng xà phòng là do sự giảm thiểu diện tích quy hoạnh bề mặt – so với một thể tích nhất định, hình cầu luôn là hình dạng có diện tích quy hoạnh bề mặt nhỏ nhất . Áp suất bên trong khủng hoảng bong bóng xà phòngĐể xem xét áp suất bên trong khủng hoảng bong bóng xà phòng, tất cả chúng ta xem xét nửa đường kính R của khủng hoảng bong bóng và sức căng bề mặt, gamma, của chất lỏng ( xà phòng trong trường hợp này – khoảng chừng 25 dyn / cm ) .Chúng tôi mở màn bằng cách giả định không có áp lực đè nén bên ngoài ( tất yếu là không đúng, nhưng chúng tôi sẽ xử lý yếu tố đó một chút ít ). Sau đó, bạn xem xét một mặt cắt ngang qua tâm của khủng hoảng bong bóng .Cùng mặt cắt ngang này, bỏ lỡ sự độc lạ rất nhỏ trong nửa đường kính bên trong và bên ngoài, tất cả chúng ta biết chu vi sẽ là 2 pi R. Mỗi bề mặt bên trong và bên ngoài sẽ có một áp suất gamma dọc theo hàng loạt chiều dài, do đó, tổng. Do đó, tổng lực từ sức căng bề mặt ( từ cả màng trong và màng ngoài ) là 2 gamma ( 2 pi R ) .Tuy nhiên, bên trong khủng hoảng bong bóng, tất cả chúng ta có một áp suất p tính năng lên hàng loạt mặt cắt ngang pi R 2, dẫn đến tổng lực là p ( pi R 2 ) .Vì khủng hoảng bong bóng không thay đổi, tổng những lực này phải bằng 0 nên tất cả chúng ta nhận được :
Rõ ràng, đây là một phép nghiên cứu và phân tích đơn thuần trong đó áp suất bên ngoài khủng hoảng bong bóng là 0, nhưng điều này thuận tiện lan rộng ra để thu được sự độc lạ giữa áp suất bên trong p và áp suất bên ngoài p e :
Áp suất trong giọt chất lỏngPhân tích một giọt chất lỏng, trái ngược với bong bóng xà phòng, đơn thuần hơn. Thay vì hai bề mặt, chỉ có bề mặt bên ngoài để xem xét, thế cho nên thông số 2 giảm ra khỏi phương trình trước đó ( hãy nhớ rằng tất cả chúng ta đã nhân đôi sức căng bề mặt để tính cho hai bề mặt ? ) Để mang lại :
Góc tiếp xúcSức căng bề mặt xảy ra trong khi bề mặt tiếp xúc với chất lỏng – khí, nhưng nếu bề mặt đó tiếp xúc với bề mặt rắn – ví dụ điển hình như thành của một thùng chứa – thì bề mặt ngăn cách thường cong lên hoặc xuống gần bề mặt đó. Hình dạng bề mặt lồi hoặc lõm như vậy được gọi là mặt khumGóc tiếp xúc, theta, được xác lập như trong hình bên phải .Góc tiếp xúc hoàn toàn có thể được sử dụng để xác lập mối quan hệ giữa sức căng bề mặt chất lỏng-rắn và sức căng bề mặt chất lỏng-khí, như sau :gamma ls = – gamma lg cos thetaỞ đâu
Một điều cần chú ý quan tâm trong phương trình này là trong trường hợp mặt khum lồi ( tức là góc tiếp xúc lớn hơn 90 độ ), thành phần cosin của phương trình này sẽ là âm, nghĩa là sức căng bề mặt lỏng-rắn sẽ dương .Mặt khác, nếu mặt khum lõm xuống ( tức là lõm xuống, do đó góc tiếp xúc nhỏ hơn 90 độ ), thì số hạng cos theta là dương, trong trường hợp đó, mối quan hệ sẽ dẫn đến lực căng bề mặt rắn-lỏng âm. !Về cơ bản, điều này có nghĩa là chất lỏng đang bám vào những thành của vật chứa và đang thao tác để tối đa hóa diện tích quy hoạnh tiếp xúc với bề mặt rắn, để giảm thiểu thế năng tổng thể và toàn diện . CapillarityMột hiệu ứng khác tương quan đến nước trong những ống thẳng đứng là đặc thù của mao dẫn, trong đó bề mặt của chất lỏng trở nên nâng cao hoặc giảm xuống trong ống so với chất lỏng xung quanh. Điều này cũng tương quan đến góc tiếp xúc được quan sát . Nếu bạn có một chất lỏng trong một bình chứa và đặt một ống hẹp ( hoặc ống mao dẫn ) nửa đường kính r vào bình chứa, thì chuyển vị thẳng đứng y sẽ xảy ra trong ống mao dẫn được cho bởi phương trình sau :y = ( 2 gamma lg cos theta ) / ( dgr )Ở đâu
LƯU Ý: Một lần nữa, nếu theta lớn hơn 90 độ (một lồi khum), dẫn đến một sức căng bề mặt chất lỏng-rắn tiêu cực, mức chất lỏng sẽ đi xuống so với mức xung quanh, như trái ngược với tăng liên quan đến nó. Năng lực bộc lộ theo nhiều cách trong quốc tế hàng ngày. Khăn giấy thấm qua mao dẫn. Khi đốt nến, sáp nóng chảy trào lên bấc do hiện tượng kỳ lạ mao dẫn. Trong sinh học, mặc dầu máu được bơm khắp khung hình, nhưng chính quy trình này sẽ phân phối máu trong những mạch máu nhỏ nhất được gọi là mao mạch một cách thích hợp . Khu trong một cốc nước đầyVật liệu cần thiết:
Từ từ và đều tay, đưa lần lượt từng phần tư vào giữa tấm kính. Đặt cạnh hẹp của của quý vào nước và thả ra. ( Điều này giảm thiểu sự gián đoạn so với bề mặt và tránh hình thành những sóng không thiết yếu hoàn toàn có thể gây tràn. )Khi bạn liên tục với những phần tư khác, bạn sẽ quá bất ngờ làm thế nào mà nước lồi lên trên mặt kính mà không bị tràn ! Biến thể có thể xảy ra: Thực hiện thí nghiệm này với các kính giống hệt nhau, nhưng sử dụng các loại đồng xu khác nhau trong mỗi kính. Sử dụng kết quả của số lượng có thể đi vào để xác định tỷ lệ khối lượng của các đồng tiền khác nhau. Kim nổiVật liệu cần thiết:
Biến thể 1 Thủ thuậtĐặt kim lên nĩa, nhẹ nhàng hạ kim vào cốc nước. Cẩn thận rút nĩa ra, hoàn toàn có thể để kim nổi trên mặt nước . Thủ thuật này đòi hỏi một bàn tay thật vững vàng và một số thực hành, bởi vì bạn phải tháo nĩa sao cho các phần của kim không bị ướt … nếu không kim sẽ bị chìm. Bạn có thể xoa kim giữa các ngón tay trước để “bôi dầu” nó làm tăng cơ hội thành công. Thủ thuật biến thể 2 Đặt kim khâu lên một tờ giấy ăn nhỏ ( đủ lớn để giữ kim ). Kim được đặt trên khăn giấy. Giấy lụa sẽ bị thấm nước và chìm xuống đáy ly, để lại kim nổi trên bề mặt . Đặt nến với khủng hoảng bong bóng xà phòngVật liệu cần thiết:
Đặt ngón tay cái của bạn trên đầu nhỏ của phễu. Cẩn thận đưa nó về phía ngọn nến. Bỏ ngón tay cái của bạn ra và sức căng bề mặt của khủng hoảng bong bóng xà phòng sẽ làm nó co lại, buộc không khí thoát ra ngoài qua phễu. Không khí bị khủng hoảng bong bóng ép ra phải đủ để dập tắt ngọn nến .Đối với một thử nghiệm có tương quan, hãy xem Rocket Balloon . Cá giấy có động cơVật liệu cần thiết:
Khi bạn đã cắt xong mẫu Cá bằng giấy, hãy đặt nó lên hộp đựng nước để nó nổi trên bề mặt. Nhỏ một giọt dầu hoặc chất tẩy rửa vào lỗ ở giữa cá .Chất tẩy rửa hoặc dầu sẽ làm giảm sức căng bề mặt trong lỗ đó. Điều này sẽ làm cho cá đẩy về phía trước, để lại một vệt dầu khi nó vận động và di chuyển trên mặt nước, không dừng lại cho đến khi dầu giảm sức căng bề mặt của hàng loạt tô .Bảng dưới đây trình diễn những giá trị của sức căng bề mặt thu được so với những chất lỏng khác nhau ở những nhiệt độ khác nhau . Giá trị sức căng bề mặt thử nghiệm
Biên tập bởi Anne Marie Helmenstine, Ph. D . |
