العوامل المؤثرة على التوتر السطحي

بواسطةفوري

العوامل المؤثرة على التوتر السطحي

التوتر السطحي يعتمد بشكل أساسي على

قوى التجاذب

بين الجسيمات داخل السائل المحدد وأيضًا على الغاز أو الصلب أو السائل المتصل به ، ينتج التوتر السطحي عن تأثيرات القوى بين الجزيئات في الواجهة ، يعتمد التوتر السطحي على طبيعة السائل والبيئة المحيطة ودرجة الحرارة.


  • نوع السائل

السوائل حيث الجزيئات لها قوة جاذبية كبيرة بين الجزيئات سيكون لها توتر سطحي كبير تظل خصائص المادة السائلة ثابتة بشكل أساسي أثناء التوتر السطحي ولكن يمكن تغييرها من خلال تغيرات درجة الحرارة ، والمواد الكيميائية التي تعدل خصائص الترابط للجزيئات ، والأكسدة ووجود الشوائب.


  • درجة الحرارة

يزداد التوتر السطحي ، في حالة انخفاض درجة الحرارة ،  على العكس من ذلك ، حيث ينخفض ​​التوتر السطحي بقوة ؛ حيث تصبح الجزيئات أكثر نشاطًا مع زيادة درجة الحرارة لتصبح صفرًا عند نقطة الغليان وتتلاشى عند درجة الحرارة الحرجة.


  • الإضافات الكيميائية

ستؤدي إضافة المواد الكيميائية إلى سائل إلى تغيير خصائص التوتر السطحي ، يتضح تأثير إضافة مادة كيميائية غير ذات صلة إلى مادة ما ، وبالتالي تغيير التوتر السطحي لها ومن أهم التطبيقات على ذلك وضع الصابون (خافض للتوتر السطحي) في الماء لتقليل التوتر السطحي ، مما يسمح باختلاط الأوساخ الموجودة على يديك بسهولة أكبر.


  • الأكسدة

من العوامل المؤثرة  بشكل مباشر على التوتر السطحي ، مع زيادة التوتر السطحي ، تزداد القوى بين الجزيئات ، مثال على ذلك  الأكسجين الموجود في الجو يقلل من التوتر السطحي لمختلف المواد


  • وجود الشوائب

من العوامل المؤثرة  على التوتر السطحي  للسائل وجود الشوائب ، على سبيل المثال ، سيزداد التوتر السطحي للماء عند إضافة شوائب عالية الذوبان إليه .

الآن بعد أن نظرنا في تأثيرات التباين في درجة الحرارة ، وإضافة المواد الكيميائية ، والأكسدة ، ووجود الشوائب على التوتر السطحي ، ربما يجب علينا بعد ذلك النظر في تأثير الفاعل بالسطح مع مرور الوقت وكيف نلاحظ هذا التأثير ونقيسه. [1]

ما سبب التوتر السطحي

الذي يسبب التوتر السطحي ، القوى بين الجزيئية مثل قوة فان دير فال ، تجذب الجزيئات السائلة معًا ، على طول السطح ، يتم سحب الجسيمات باتجاه باقي السائل  ، حيث ينشأ التوتر السطحي بسبب التفاعلات المتماسكة بين الجزيئات في السائل.

في الجزء الأكبر من السائل ، للجزيئات جزيئات متجاورة على كل جانب ، تسحب الجزيئات بعضها البعض بالتساوي في جميع الاتجاهات مما يتسبب في قوة صافية قدرها صفر ، ومع ذلك ، في الواجهة ، تحتوي الجزيئات السائلة على نصف الجزيئات السائلة المجاورة فقط مقارنة بالجزء الأكبر من السائل ، هذا يجعل الجزيء يرتبط بقوة أكبر بالجزيئات الموجودة على جوانبه ويسبب قوة داخلية صافية تجاه السائل ، هذه القوة تقاوم كسر السطح وتسمى التوتر السطحي.

وبشكل أكثر تحديدًا ، فإن التوتر السطحي هو مقياس للطاقة السطحية الخالية من السوائل ، أي مدى الطاقة المخزنة على سطح السوائل  على الرغم من أنه يُعرف أيضًا باسم القوة البينية أو التوتر البيني ، إلا أن اسم التوتر السطحي يستخدم عادة في الأنظمة التي يكون فيها السائل على اتصال بالغاز.

من الناحية النوعية ، يتم وصفه بأنه القوة المؤثرة على سطح السائل والتي تميل إلى تقليل مساحة سطحه ، مما يؤدي إلى السوائل التي تشكل قطرات ذات شكل كروي ، على سبيل المثال من الناحية الكمية ، نظرًا لأن أبعادها هي القوة على الطول (lbf / ft) ، يتم التعبير عنها على أنها القوة (في lbf) المطلوبة لكسر فيلم بطول 1 قدم ،  بالتساوي ، يمكن إعادة ذكرها على أنها كمية الطاقة السطحية (بالرطل-قدم) لكل قدم مربع.

مسائل محلولة عن التوتر السطحي


المثال الأول

: يتم إدخال الهواء من خلال فوهة إلى خزان الماء لتكوين تيار من الفقاعات. إذا كان من المفترض أن يبلغ قطر الفقاعات 2 مم ، فاحسب مقدار ضغط الهواء عند طرف الفوهة الذي يجب أن يتجاوز ضغط الماء المحيط. افترض أن قيمة التوتر السطحي بين الهواء والماء 72.7 × 10-3 نيوتن / م.

البيانات:

التوتر السطحي = 72.7 × 10-3 نيوتن / م

نصف قطر الفقاعة (ص) = 1

معادلة:

Dp  بار = 2s / ص

العمليات الحسابية:

Dp بار = 2 × 72.7 × 10-3 / 1 = 145.4 نيوتن / م 2

أي أن ضغط الهواء عند طرف الفوهة يجب أن يتجاوز ضغط المياه المحيطة بمقدار 145.4 نيوتن / م 2


المثال الثاني

: فقاعة صابون قطرها 50 مم تحتوي على ضغط (يزيد عن الضغط الجوي) يبلغ 2 بار. أوجد التوتر السطحي في فيلم الصابون.

البيانات:

نصف قطر فقاعة الصابون (ص) = 25 مم = 0.025 م

Dp = 2 بار = 2 × 105 نيوتن / م 2

معادلة:

الضغط داخل فقاعة صابون والتوتر السطحي مرتبطان ،

Dp بار = 4s / ص

العمليات الحسابية:

ق = Dpr / 4 = 2 × 105 × 0.025/4 = 1250 نيوتن / م


المثال 3 :

يبلغ توتر سطح الماء 0.4 نيوتن / م. في أنبوب عمودي بقطر 3 مم إذا ارتفع السائل بمقدار 6 مم فوق السائل خارج الأنبوب ، احسب زاوية التلامس.

البيانات:

التوتر السطحي = 0.4 نيوتن / م

قطر الأنبوب (د) = 3 مم = 0.003 م

ارتفاع الشعيرات الدموية (ح) = 6 مم = 0.006 م

معادلة:

يتم إعطاء ارتفاع الشعيرات الدموية بسبب التوتر السطحي

h = 4scos (q) / (rgd) ، حيث q هي زاوية الاتصال.

العمليات الحسابية:

cos (q) = hrgd / (4s) = 0.006 × 1000 × 9.812 × 0.003 / (4 × 0.4) = 0.11

إذن ، زاوية الاتصال q = 83.7 درجة


المثال 4 ،

لديك قطعة معدنية صغيرة يبلغ طولها 1 سم ووزنها 0.1 نيوتن. اكتشف التوتر السطحي.

الإجابة – بالنظر إلى الأشكال ، نرى أن لدينا F تساوي 0.1 N و d تساوي 1 سم. يمكننا معرفة التوتر السطحي بتطبيق الصيغة أعلاه:

γ = F / د

γ = 0.1 نيوتن / 1 سم

0.1 ن / 0.01

م = 10 نيوتن / م.

لذلك ، فإن التوتر السطحي هو 10 نيوتن / م. [2]

تفسير ظاهرة التوتر السطحي

التوتر السطحي هو الطاقة ، أو العمل ، المطلوب لزيادة مساحة سطح السائل بسبب القوى بين الجزيئات ، نظرًا لأن هذه القوى بين الجزيئات تختلف اعتمادًا على طبيعة السائل (مثل الماء مقابل البنزين) أو المواد المذابة في السائل (مثل المواد الخافضة للتوتر السطحي مثل المنظفات) ، فإن كل محلول يُظهر خصائص توتر سطحي مختلفة ، على سبيل عندما تملأ كوبًا من الماء كثيرًا ، قد تلاحظ بعد ذلك أن مستوى الماء في الكوب أعلى من ارتفاع الكوب ، ربما لاحظت أيضًا أن الماء المنسكب قد تشكل في برك ترتفع عن المنضدة ، كلتا هاتين الظاهرتين بسبب التوتر السطحي.

وفقًا لتعريف

التوتر السطحي للغازات

،  ” التوتر السطحي هو توتر الطبقة السطحية للسائل الناتج عن جذب الجسيمات في الطبقة السطحية بواسطة الجزء الأكبر من السائل ، مما يؤدي إلى تقليل مساحة السطح”

فإن

ظاهرة التوتر السطحي

تحدث عندما يكون سطح السائل ملامسًا لطور آخر يمكن أن يكون سائلًا أيضًا ، تميل السوائل إلى الحصول على أقل مساحة ممكنة من السطح. سطح السائل يتصرف مثل ورقة مرنة.

لا يعتمد التوتر السطحي على قوى الجذب بين الجسيمات داخل السائل المحدد فحسب ، بل يعتمد أيضًا على قوى جذب المواد الصلبة أو السائلة أو الغازية التي تلامسها ، يمكن اعتبار الطاقة المسؤولة عن ظاهرة التوتر السطحي مكافئة تقريبًا للعمل أو الطاقة المطلوبة لإزالة الطبقة السطحية للجزيئات في منطقة الوحدة.

على سبيل المثال شكل وانحناء فقاعات الماء والبرك ، وظاهرة الإبرة الطافية على سطح الماء ، على الرغم من أن الإبرة أكثر كثافة من الماء ، إلا أنها تطفو لأن التوتر السطحي هو ميل تقلص لسطح السائل مما يسمح له بمقاومة قوة خارجية ، هذه الخاصية ناتجة عن تماسك جزيئات متشابهة وهي مسؤولة عن العديد من سلوكيات السوائل.

يمكن لجرارات الماء ، وهي حشرات صغيرة ، المشي على الماء لأن وزنها أقل بكثير لاختراق سطح الماء ، مثل هذا ، هناك العديد من الأمثلة على التوتر السطحي الموجودة في الطبيعة ، يقاس التوتر السطحي عادةً بالدينات / سم ، القوة في الدينيس مطلوبة لكسر فيلم بطول 1 سم ، يوجد أدناه في  التوتر السطحي لسوائل مختلفة: