Vad är ytspänning? Definition och experiment

Ytspänning är ett fenomen där ytan på en vätska, där vätskan är i kontakt med en gas, fungerar som ett tunt elastiskt ark. Denna term används vanligtvis endast när vätskeytan är i kontakt med gas (t.ex. luften). Om ytan är mellan två vätskor (t.ex. vatten och olja) kallas det "gränssnittspänning."

Olika intermolekylära krafter, såsom Van der Waals-krafter, drar vätskepartiklarna samman. Längs ytan dras partiklarna mot resten av vätskan, som visas på bilden till höger.

Ytspänning (betecknad med den grekiska variabeln gamma) definieras som förhållandet mellan ytkraften F till längden d längs vilken styrkan verkar:

gamma = F / d

Enheter av ytspänning

Ytspänningen mäts i SI-enheter av N / m (newton per meter), även om den vanligaste enheten är cgs-enheten dyn / cm (dyne per centimeter).

För att ta hänsyn till termodynamiken i situationen är det ibland användbart att överväga den i termer av arbete per enhet. SI-enheten är i så fall J / m² (joule per kvadratmeter). Cgs-enheten är erg / cm².

Dessa krafter binder ytpartiklarna samman. Även om denna bindning är svag - det är ganska lätt att bryta ytan på en vätska trots allt - det visar sig på många sätt.

Vattendroppar. När du använder en vattendroppare rinner vattnet inte i en kontinuerlig ström, utan snarare i en serie droppar. Formen på dropparna orsakas av ytans spänning i vattnet. Det enda skälet till att vattendroppen inte är helt sfärisk är att tyngdkraften drar ner den. I frånvaro av tyngdkraft skulle droppen minimera ytområdet för att minimera spänningen, vilket skulle resultera i en perfekt sfärisk form.

Insekter som går på vatten. Flera insekter kan gå på vatten, till exempel vattenstrider. Deras ben är utformade för att fördela sin vikt, vilket får vätskans yta att bli deprimerad, vilket minimerar potentialen energi för att skapa en balans mellan krafter så att strideren kan röra sig över vattenytan utan att bryta igenom yta. Detta liknar i konceptet att bära snöskor för att gå över djupa snödrivor utan att dina fötter sjunker.

Nål (eller gem) som flyter på vatten. Även om tätheten hos dessa föremål är större än vatten, är ytspänningen längs fördjupningen tillräcklig för att motverka tyngdkraften som drar ner metallobjektet. Klicka på bilden till höger och klicka sedan på "Nästa" för att se ett kraftdiagram över denna situation eller prova Floating Needle-tricket själv.

När du blåser en tvålbubbla skapar du en tryckbubbla med luft som finns i en tunn, elastisk vätskeyta. De flesta vätskor kan inte upprätthålla en stabil ytspänning för att skapa en bubbla, varför tvål vanligtvis används i processen... det stabiliserar ytspänningen genom något som kallas Marangoni-effekten.

När bubblan blåses tenderar ytfilmen att sammandras. Detta får trycket inuti bubblan att öka. Storleken på bubblan stabiliseras i en storlek där gasen inuti bubblan inte kommer att dras längre, åtminstone utan att bubblan slår.

Det finns faktiskt två flytande gasgränssnitt på en tvålbubbla - den på insidan av bubblan och den på utsidan av bubblan. Mellan de två ytorna är en tunn film vätska.

En sfärbubblas sfäriska form orsakas av minimering av ytområdet - för en given volym är en sfär alltid den form som har minst ytarea.

För att ta hänsyn till trycket inuti tvålbubblan betraktar vi radien R av bubblan och även ytspänningen, gamma, av vätskan (tvål i detta fall - cirka 25 dyn / cm).

Vi börjar med att antaga inget yttre tryck (vilket naturligtvis inte är sant, men vi tar hand om det på lite). Du överväger sedan ett tvärsnitt genom bubblans mitt.

Längs detta tvärsnitt, och ignorerar den mycket lilla skillnaden i inner- och ytterradie, vet vi att omkretsen kommer att vara 2piR. Varje inre och yttre yta har ett tryck på gamma längs hela längden, så totalt. Den totala kraften från ytspänningen (från både den inre och den yttre filmen) är därför 2gamma (2pi R).

Inne i bubblan har vi emellertid ett tryck p som verkar över hela tvärsnittet pi R², vilket resulterar i en total kraft på p(pi R²).

Eftersom bubblan är stabil måste summan av dessa krafter vara noll så vi får:

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

Uppenbarligen var detta en förenklad analys där trycket utanför bubblan var 0, men detta utvidgas lätt för att erhålla skillnad mellan det inre trycket p och det yttre trycket p_e:

p - p_e = 4 gamma / R

Analysera en droppe vätska, i motsats till en tvålbubbla, är enklare. I stället för två ytor finns det bara den yttre ytan att tänka på, så en faktor 2 faller ut ur den tidigare ekvationen (kom ihåg var vi fördubblat ytspänningen för att ta hänsyn till två ytor?) till avkastning:

p - p_e = 2 gamma / R

Ytspänning uppstår under ett gas-vätskegränssnitt, men om det gränssnittet kommer i kontakt med a fast yta - som väggarna i en container - gränssnittet böjs vanligtvis upp eller ner nära det yta. En sådan konkav eller konvex ytform är känd som en menisk

Kontaktvinkeln, teta, bestäms som visas på bilden till höger.

Kontaktvinkeln kan användas för att bestämma ett förhållande mellan vätske-fast ytspänning och vätske-gas-ytspänning, enligt följande:

gamma_ls = - gamma_lg cos teta

var

• gamma_ls är den vätskeformiga ytspänningen
• gamma_lg är ytspänningen för flytande gas
• teta är kontaktvinkeln

En sak att tänka på i denna ekvation är att i fall där menisken är konvex (dvs. kontaktvinkeln är större än 90 grader), den kosinuskomponenten i denna ekvation kommer att vara negativ, vilket innebär att den vätskeformiga ytspänningen blir positiv.

Om menisken å andra sidan är konkav (d.v.s. faller ner, så att kontaktvinkeln är mindre än 90 grader), då teta termen är positiv, i vilket fall förhållandet skulle resultera i en negativ vätskefast fast ytspänning!

Vad detta huvudsakligen betyder är att vätskan fäster vid behållarens väggar och är arbetar för att maximera området i kontakt med fast yta, så att den totala potentialen minimeras energi.

En annan effekt relaterad till vatten i vertikala rör är kapillitetsegenskapen, i vilken vätskans yta blir förhöjd eller nedtryckt i röret i förhållande till den omgivande vätskan. Även detta är relaterat till den observerade kontaktvinkeln.

Om du har en vätska i en behållare och placera ett smalt rör (eller kapillär) av radien r i behållaren, den vertikala förskjutningen y som kommer att ske inom kapillären ges av följande ekvation:

y = (2 gamma_lg cos teta) / ( dgr)

var

• y är den vertikala förskjutningen (upp om positiv, ned om negativ)
• gamma_lg är ytspänningen för flytande gas
• teta är kontaktvinkeln
• d är vätskans densitet
• g är gravitationens acceleration
• r är kapillärens radie

NOTERA: Återigen, om teta är större än 90 grader (en konvex menisk), vilket resulterar i en negativ vätska-fast ytspänning, vätskenivån kommer att sjunka jämfört med den omgivande nivån, i motsats till att stiga i förhållande till den.

Kapillaritet manifesterar sig på många sätt i vardagen. Pappershanddukar absorberar genom kapillariteten. När du bränner ett ljus stiger det smälta vaxet upp veken på grund av kapillaritet. I biologi, även om blod pumpas genom kroppen, är det denna process som distribuerar blod i de minsta blodkärlen som på lämpligt sätt kallas, kapillärer.

Nödvändiga material:

• 10 till 12 kvartal
• glas fullt av vatten

Långsamt, och med en stadig hand, föra kvartalen en i taget till mitten av glaset. Placera den smala kanten av kvartalet i vattnet och släpp. (Detta minimerar störningar i ytan och undviker att bilda onödiga vågor som kan orsaka överflöd.)

När du fortsätter med fler kvarter kommer du att bli förvånad över hur konvext vattnet blir ovanpå glaset utan att överfylla!

Möjlig variant: Utför detta experiment med identiska glasögon, men använd olika typer av mynt i varje glas. Använd resultaten av hur många som kan gå in för att bestämma ett förhållande mellan volymen av olika mynt.

Nödvändiga material:

• gaffel (variant 1)
• bit silkespapper (variant 2)
• synål
• glas fullt av vatten

Placera nålen på gaffeln och sänk den försiktigt ned i glaset. Dra försiktigt ut gaffeln så att nålen svävar på vattenytan.

Detta trick kräver en verklig stabil hand och lite övning, eftersom du måste ta bort gaffeln på ett sådant sätt att delar av nålen inte blir våt... eller nålen kommer handfat. Du kan gnugga nålen mellan dina fingrar i förväg för att "olja", det ökar dina framgångar.

Variant 2 Trick

Placera sömnålen på ett litet bit silkespapper (tillräckligt stort för att hålla nålen). Nålen placeras på mjukpapperet. Mjukpapperet kommer att blötläggas med vatten och sjunka till botten av glaset och lämna nålen flyta på ytan.

Nödvändiga material:

• tänt ljus (NOTERA: Spela inte med matcher utan förälders godkännande och övervakning!)
• tratt
• tvättmedel eller tvålbubblösning

Placera tummen över den lilla änden av tratten. Ta det försiktigt mot ljuset. Ta bort tummen och såpbubblans ytspänning får den att dra sig samman och tvinga luft ut genom tratten. Luften som tvingas ut av bubblan borde vara tillräckligt för att släcka ljuset.

För ett något relaterat experiment, se Rocket Balloon.

Nödvändiga material:

• bit av papper
• sax
• vegetabilisk olja eller flytande diskmedel
• en stor skål eller limpkaka full av vatten

När du har klippt ut ditt Paper Fish-mönster placerar du det på vattenbehållaren så att det flyter på ytan. Sätt en droppe olja eller tvättmedel i hålet mitt i fisken.

Tvättmedlet eller oljan kommer att få ytspänningen i det hålet att sjunka. Detta kommer att få fisken att driva framåt och lämna ett spår av oljan när den rör sig över vattnet och inte stanna förrän oljan har sänkt ytspänningen i hela skålen.

Tabellen nedan visar värden på ytspänning som erhålls för olika vätskor vid olika temperaturer.

Experimentella ytspänningsvärden

Redigerad av Anne Marie Helmenstine, Ph.D.