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 är vanligtvis används endast när vätskeytan är i kontakt med gas (som luft). Om ytan är mellan två vätskor (som vatten och olja) kallas det ”gränssnittsspänning.”
Orsaker till ytspänning
Olika intermolekylära krafter, såsom Van der Waals krafter, dra ihop vätskepartiklarna. 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 ytan tvinga
F
till längden
d tillsammans vilken kraften verkar:
gamma
=
F
/
d
Enheter för ytspänning
Ytspänning 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 överväga termodynamiken i situationen är det ibland användbart att betrakta det i termer av arbete per ytenhet . SI-enheten är i så fall J/m2
(joule per meter i kvadrat). CGS-enheten är erg/cm2.
Dessa krafter binder samman ytpartiklarna. Även om denna bindning är svag – det är ganska lätt att bryta ytan på en vätska trots allt – det visar sig på många sätt.
Exempel på ytspänning
Droppar vatten.
När du använder en vattendroppare flyter vattnet inte i en kontinuerlig ström, utan snarare i en serie droppar. Formen på dropparna orsakas av vattnets ytspänning. Den enda anledningen till att vattendroppen inte är helt sfärisk är att tyngdkraften drar ner på den. I frånvaro av gravitation skulle droppen minimera ytan för att minimera spänningen, vilket skulle resultera i en perfekt sfärisk form.
Insekter gå på vatten.
Flera insekter kan gå på vatten, t.ex. Deras ben är utformade för att fördela sin vikt, vilket gör att vätskans yta blir nedtryckt, vilket minimerar den potentiella energin för att skapa en balans av krafter så att stegaren kan röra sig över vattenytan utan att bryta igenom ytan. Detta liknar konceptet att bära snöskor för att gå över djupa snödrivor utan att fötterna sjunker.
Nål (eller gem) som flyter på vatten. Även om densiteten av dessa föremål är större än vatten, är ytspänningen längs med fördjupningen tillräcklig för att motverka tyngdkraften som drar ner på metallföremålet. Klicka på bilden till höger och klicka sedan på ”Nästa” för att se ett kraftdiagram över denna situation eller prova flytande nål-tricket själv.
Anatomy of a Soap Bubble
När du blåser en tvål bubbla skapar du en trycksatt luftbubbla som finns i en tunn, elastisk yta av vätska. De flesta vätskor kan inte upprätthålla en stabil ytspänning för att skapa en bubbla, varför tvål vanligtvis används i processen … den stabiliserar ytspänningen genom något som kallas Marangoni-effekten.
När bubblan blåses tenderar ytfilmen att dra ihop sig. Detta gör att trycket inuti bubblan ökar. Storleken på bubblan stabiliseras till en storlek där gasen inuti bubblan inte kommer att dra ihop sig ytterligare, åtminstone utan att bubblan poppar.
Faktum är att det finns två vätske-gas-gränssnitt på en tvål bubbla – den på insidan av bubblan och den på utsidan av bubblan. Mellan de två ytorna finns en tunn hinna av vätska.
Den sfäriska formen på en såpbubbla orsakas av minimeringen av ytan – för en given volym är en sfär alltid den form som har minst yta.
Tryck inuti en Såpbubbla
För att ta hänsyn till trycket inuti såpbubblan, tar vi hänsyn till radien
R
för bubblan och även ytspänningen,
gamma
, för vätskan (tvål i detta fall – ca 25 dyn/cm).
Vi börjar med att anta att det inte finns något yttre tryck (vilket är naturligtvis inte sant, men vi tar hand om det om ett tag). Du betraktar sedan ett tvärsnitt genom mitten av bubblan.
Längs detta tvärsnitt, ignorera själva liten skillnad i inre och yttre radie, vi vet att omkretsen blir 2
pi
R
. Varje inre och yttre yta kommer att ha ett tryck på gamma
längs hela längden, alltså totalsumman. Den totala kraften från ytspänningen (från både den inre och yttre filmen) är därför 2
gamma
( 2
pi R
).
Inne i bubblan har vi dock har ett tryck
p
som verkar över hela tvärsnittet pi R
2
, vilket resulterar i en total kraft på
p
(pi R
2 ).
Eftersom bubblan är stabil, summan av dessa krafter måste vara noll så vi får:
2
gamma
(2
pi R
) =
p
( pi R
2)
eller
p
= 4
gamma
/ R
Uppenbarligen var detta en förenklad analys där trycket utanför bubblan var 0, men detta är lätt att expandera för att erhålla
skillnaden
mellan det inre trycket
p
och det yttre trycket p
e
:
p
– p
e
= 4
gamma
/ R
Tryck i en vätskedroppe
Analysera en droppe vätska , i motsats till en såpbubbla, är enklare. Istället för två ytor finns det bara den yttre ytan att ta hänsyn till, så en faktor på 2 faller ur den tidigare ekvationen (minns du var vi fördubblade ytspänningen för att ta hänsyn till två ytor?) för att ge:
p
–
pe
= 2 gamma
/
R
Kontaktvinkel
Ytspänning uppstår under ett gas-vätskegränssnitt, men om det gränssnittet kommer i kontakt med en fast yta – som t.ex. väggarna i en container – gränssnittet kröker vanligtvis upp eller ner nära den ytan. En sådan konkav eller konvex ytform är känd som en
menisk
Kontaktvinkeln ,
theta
, bestäms som visas på bilden till höger.
Kontaktvinkeln kan användas för att bestämma ett samband mellan vätske-fast ytspänning och vätske-gas ytspänning, enligt följande:
gamma
ls
= –
gamma
lg
cos
theta
var
gammals är vätske-fast ytspänning gamma
lg
är vätske-gas ytspänning
theta
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 ) kommer cosinuskomponenten i denna ekvation att vara negativ, vilket betyder att vätske-fast ytspänning kommer att vara positiv.
Om å andra sidan menisken är konkav (dvs. faller ner, så kontaktvinkeln är mindre än 90 grader), så är cos theta
termen är positiv, i vilket fall förhållandet skulle resultera i en
negativ
vätske-fast ytspänning!
Vad detta i huvudsak betyder är att vätskan fäster vid behållarens väggar och arbetar för att maximera området i kontakt med fast yta, så för att minimera den totala potentiella energin.
Kapillaritet
En annan effekt relaterad till vatten i vertikala rör är egenskapen kapillaritet, där vätskeytan blir förhöjd eller nedtryckt i röret i förhållande till den omgivande vätskan. Detta är också relaterat till den observerade kontaktvinkeln.
Om du har en vätska i en behållare och placerar ett smalt rör (eller
kapillär
) med radie
r
in i behållaren, den vertikala förskjutningen
y
som kommer att ske inom kapillären ges av följande ekvation:
y
= (2 gamma
lg
cos
theta
) / ( dgr
)
var
y är den vertikala förskjutningen (upp om positiv, ned om negativ)
- gammalg är vätske-gas ytspänning
- theta
är kontaktvinkeln
d
är vätskans densitet
g
är tyngdaccelerationen
- r
är radien för kapillären
OBS:
Än en gång, om
theta är större än 90 grader (en konvex menisk), vilket resulterar i en negativ vätske-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 den vardagliga världen. Pappershanddukar absorberas genom kapilläriteten. När man bränner ett ljus stiger det smälta vaxet upp i veken på grund av kapilläriteten. Inom biologin, även om blod pumpas genom kroppen, är det denna process som distribuerar blod i de minsta blodkärlen som på lämpligt sätt kallas
kapillärer .
Kvarter i ett fullt glas vatten
Nödvändigt material:
- 10 till 12 kvartal
- glas fullt med vatten
Sakta, och med stadig hand, ta med kvarten ett kl en gång till mitten av glaset. Placera den smala kanten av kvarten i vattnet och släpp. (Detta minimerar störningar på ytan och undviker att bilda onödiga vågor som kan orsaka översvämning.)
När du fortsätter med fler fjärdedelar kommer du att bli förvånad över hur konvext vattnet blir ovanpå glaset utan att svämma över!
Möjlig variant:
Utför detta experiment med identiska glas, 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.
Flytande nål
Material som behövs:
gaffel (variant 1)
silkespapper (variant 2)
- synål
glas fullt av vatten
Variant 1 Trick
Placera nålen på gaffeln, sänk försiktigt ner den i glaset med vatten. Dra försiktigt ut gaffeln och det är möjligt att låta nålen flyta på vattenytan.
Detta trick kräver en riktigt stadig hand och lite övning, eftersom du måste ta bort gaffeln på ett sådant sätt att delar av nålen inte blir blöta … eller nålen
kommer
handfat. Du kan gnugga nålen mellan fingrarna innan för att ”olja” den ökar dina framgångsmöjligheter.
Variant 2 trick
Placera synålen på en liten bit silkespapper (tillräckligt stor för att hålla nålen). Nålen placeras på silkespappret. Silkespappret kommer att bli blött med vatten och sjunka till botten av glaset, vilket gör att nålen flyter på ytan.
Släck ljus med en såpbubbla
av ytspänningen href=”http://kunskaper.se.com/definition-of-surface-tension-in-chemistry-605713″ data-inlink=”cCm9U98eAi_rimGdhjZvMg= =” data-component=”link” data-source=”inlineLink” data-type=”internalLink” data-ordinal=”1″>
Nödvändigt material:
tänt ljus (NOTERA: Spela inte med matcher utan föräldrarnas godkännande och tillsyn!)
tratt
tvättmedel eller såpbubbellösning
Placera tummen över den lilla änden av tratten. För det försiktigt mot ljuset. Ta bort tummen och såpbubblans ytspänning kommer att få den att dra ihop sig, vilket tvingar ut luft genom tratten. Luften som tvingas ut av bubblan bör räcka för att släcka ljuset.
För ett något relaterat experiment, se raketballongen.
Motoriserad pappersfisk
Behövligt material:
bit av papper
- sax
- vegetabilisk olja eller flytande diskmedel
en stor skål eller brödkaka full med vatten
det här exemplet href=”https://books.google.com/books?id=3Z4mwyZeb5EC&pg=PA5&lpg=PA5&dq=motorized+paper+fish&source=bl&ots=6arzbWk_JX&sig=7KBZT8q5KtlwyCytEKjIKfFV9&tlwyCytEKjIKfFV96e&tlwyCytEKjIKfFV96e&tlwYCytEKjIKfFV96e&TwY=7KBZT8q5KtlwyCytEKjIKfFV96E book_result&ct=result” data-component=”link” data-source=”inlineLink” data-type=”externalLink” data-ordinal=”1″>
När du har klippt ut ditt Paper Fish-mönster, placera det på vattenbehållaren så att den flyter på ytan. Lägg en droppe av oljan eller diskmedlet i hålet i mitten av fisken.
Tvättmedlet eller oljan gör att ytspänningen i det hålet sjunker. Detta kommer att få fisken att driva framåt, och lämnar ett spår av oljan när den rör sig över vattnet, och stannar inte förrän oljan har sänkt ytspänningen i hela skålen.
Tabellen nedan visar värden på ytspänning som erhållits för olika vätskor vid olika temperaturer.Experimentella ytspänningsvärden
Vätska i kontakt med luft
Temperatur (grader C) Ytspänning (mN/m, eller dyn/cm)
Bensen 20
28,9
