زد معلوماتكمعلومات

العوامل المؤثرة على التوتر السطحي

العوامل المؤثرة على التوتر السطحي

تتوقف القوة السطحية بشكل رئيسي على قوى الجذب بين الجزيئات داخل السائل المحدد، وتعتمد أيضا على الغاز أو الصلب أو السائل الذي يتصل به. تنتج القوة السطحية من تأثيرات القوى بين الجزيئات في الواجهة، وتعتمد على طبيعة السائل والبيئة المحيطة ودرجة الحرارة.

  • نوع السائل

في السوائل، حيث يكون للجزيئات قوة جاذبية كبيرة بين بعضها البعض، يكون لها توتر سطحي كبير. تظل خصائص المادة السائلة ثابتة بشكل أساسي أثناء التوتر السطحي، ولكن يمكن تغييرها عن طريق تغير درجة الحرارة والمواد الكيميائية التي تعدل خصائص ترابط الجزيئات والأكسدة ووجود الشوائب.

  • درجة الحرارة

يزداد التوتر السطحي عندما تنخفض درجة الحرارة، والعكس صحيح، فعندما ترتفع درجة الحرارة ينخفض التوتر السطحي بشدة؛ حيث تصبح الجزيئات أكثر نشاطًا مع زيادة درجة الحرارة، ويصبح التوتر السطحي يساوي الصفر عند نقطة الغليان ويتلاشى 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

تعتبر الأكسجين الموجود في الجو واحدة من العوامل التي تؤثر بشكل مباشر على التوتر السطحي، حيث يقلل منه، حيث يزداد التوتر السطحي مع زيادة القوى بين الجزيئات

  • وجود الشوائب

تعتبر الشوائب من العوامل المؤثرة على التوتر السطحي للسائل، إذ يزيد التوتر السطحي للماء مثلاً عند إضافة شوائب عالية الذوبان إليه .

بعد أن ننظر إلى تأثيرات التباين في درجة الحرارة، وإضافة المواد الكيميائية، والأكسدة، ووجود الشوائب على التوتر السطحي، ربما يجب علينا الآن النظر في تأثير الفاعل على السطح مع مرور الوقت وكيفية ملاحظته وقياسه 

ما سبب التوتر السطحي

التوتر السطحي هو القوى بين الجزيئات السائلة التي تجذب بعضها البعض بواسطة القوى الفان دير فال على طول السطح، ويتم سحب الجزيئات نحو باقي السائل، مما يؤدي إلى حدوث التوتر السطحي بسبب التفاعلات المتماسكة بين الجزيئات في السائل.

في الجزء الرئيسي من السائل، تتواجد الجزيئات المتجاورة على جميع الجوانب وتتأثر ببعضها البعض بشكل متساو في جميع الاتجاهات، مما يؤدي إلى توازن القوى وعدم وجود قوة صافية. ومع ذلك، في واجهة السائل، توجد نصف الجزيئات المتجاورة الموجودة في الجزء الرئيسي من السائل، وهذا يجعل الجزيء يترتبط بشدة أكبر بالجزيئات المحيطة به من الجوانب ويتسبب في قوة داخلية صافية تعمل في اتجاه السائل، وتعمل هذه القوة على منع انفصال 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 يكون قطر الفقاعات 2 مم، فما هو قيمة الضغط الجوي عند طرف الفوهة التي يجب أن تتجاوز ضغط الماء المحيط بها. نفترض أن قيمة التوتر السطحي بين الهواء والماء هي 72.7 × 10-3 نيوتن/م.

البيانات:

التوترالسطحي = 72.7 × 10-3 نيوتن/متر

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

وبما أن ضغط الهواء عند طرف الفوهة يجب أن يتجاوز ضغط الماء المحيط به بمقدار 145.4 نيوتن/متر مربع

المثال الثاني : فقاعة صابون قطرها 50 مم تحتوي على ضغط (أعلى من الضغط الجوي) بقيمة 2 بار. حسب التوتر السطحي في طبقة الصابون.

البيانات:

يبلغ نصف قطر فقاعة الصابون (ص) 25 مم أو 0.025 م

Dp = 2 بار = 2 × 105 نيوتن / م 2

معادلة:

الضغط داخل فقاعة الصابون والتوتر السطحي مترابطان ،

Dp بار = 4s / ص

العمليات الحسابية:

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

المثال 3 : عند ارتفاع السائل بمقدار 6 ملم فوق السائل خارج الأنبوب العمودي ذي القطر 3 مم، يصل توتر سطح الماء إلى 0.4 نيوتن/م. حسب زاوية التلامس.

البيانات:

التوتر السطحي = 0.4 نيوتن/متر

قطر الأنبوب يساوي 3 مم أو 0.003 متر

ارتفاع الأوعية الدموية (ح) = 6 ملم = 0.006 متر

معادلة:

تتسببساطة على 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

لذلك، زاوية الاتصال q هي 83.7 درجة

على سبيل المثال 4، لديك قطعة معدنية صغيرة طولها 1 سم ووزنها 0.1 نيوتن. اكتشف الضغط السطحي.

عند النظر إلى الأشكال، يتضح أن قيمة القوة F تساوي 0.1 نيوتن والمسافة d تساوي 1 سم، ويمكن حساب التوتر السطحي بتطبيق الصيغة المذكورة أعلاه

γ = F / د

γ = 0.1 نيوتن / 1 سم

0.1 ن / 0.01

م = 10 نيوتن / م.

لذلك، فإن التوتر السطحي يساوي 10 نيوتن/متر.

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.

وفقا لتعريف التوتر السطحي للغازات، يعني التوتر السطحي توتر الطبقة السطحية للسائل. يحدث هذا التوتر بسبب جذب الجسيمات في الطبقة السطحية للسائل من قبل الجزء الأكبر من السائل، مما يؤدي إلى تقليل مساحة السطح

تحدث ظاهرة التوتر السطحي عندما يكون سطح سائل ملامسا لطور آخر يمكن أن يكون سائلا أيضا، وتميل السوائل إلى الحصول على أقل مساحة ممكنة من السطح، ويتصرف سطح السائل 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:

الوسوم

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى