ما هو التوتر السطحي للغازات
ما هو التوتر السطحي للغازات
التوتر السطحي ، خاصية سطح سائل يظهر من خلال تصرفه كما لو كان غشاء مرن ممتد ، حيث يكون السائل ملامسًا للغاز ، بمثابة صفيحة مرنة رقيقة ،يستخدم هذا المصطلح فقط عندما يكون سطح السائل ملامسًا للغاز (مثل الهواء) ، إذا كان السطح بين سائلين (مثل الماء والزيت) ، فإنه يسمى “توتر الواجهة”.
يمكن مشاهدة هذه الظاهرة عندما نرى القطرات الصغيرة للسوائل وفقاعات الصابون تتجمع في شكل كروي شبيه، وتنجم هذه القوى الجاذبة عن القوى الكهروستاتيكية، وعادة ما يتم الإشارة إلى هذا التماسك عند سطح الغاز السائل، ويجب تذكر عدم وجود سوائل صلبة أو سائلة.
بشكل أساسي ، إذا كان غازًا ، فلا يوجد توتر سطحي ، ينشأ التوتر السطحي من قوى الجذب المستمرة بين الجزيئات ، يتم تعريف الغازات من خلال افتقارها التام للقوى بين الجزيئات ، على الأقل في الحالة المثالية ، حتى في ظل الظروف غير المثالية ، فإن القوى الجذابة الحالية ليست طويلة الأمد ، ولن تؤدي إلى أي شيء يشبه التوتر السطحي.
إذا كان لديك غازان طبقيان حقيقيان، فإن الأمر الوحيد الذي يمنع خلطهما هو ضرورة رفع الغاز الثقيل إلى ارتفاع عال لإفساح المجال للغاز الأخف، حيث يتمثل التوتر السطحي في القوة التي تعمل بين سطحين غير متماثلين يختلفان في خصائصهما السطحية عن حجم المادة، وتكون هذه القوة غير المتماثلة بين نوعي جزيئات مختلفين المسؤولة عن التوتر السطحي، وتعتبر درجة الحرارة ونوع السائل من بين العوامل التي تؤثر في التوتر السطحي .
عادة ما يتم قياس التوتر السطحي بوحدة الدينات/سم، وهو القوة المطلوبة لكسر طبقة سمكها 1 سم. ويمكن التعبير عنه بوحدة الطاقة السطحية بواحد إيرغ لكل سنتيمتر مربع. تبلغ قيمة التوتر السطحي للماء عند درجة حرارة 20 درجة مئوية حوالي 72.8 دين/سم، بينما يبلغ التوتر السطحي للكحول الإيثيلي حوالي 22.3 دين/سم، وللزئبق حوالي 465 دين/سم.
وحدات التوتر السطحي
التوتر السطحي هو مقياس لقوى التماسك بين جزيئات السائل الموجودة على السطح. من الواضح ماديًا أن التوتر السطحي والبنية الجزيئية مرتبطان ، ولكن لم يتم الحصول على ملاحظات كمية .115 يتراوح التوتر السطحي لـ ILs التقليدية من 25.2 إلى 59.8 mN / m عند درجة الحرارة المحيطة ، التوتر السطحي يتصرف مثل غشاء يفصل بين المرحلتين.
يتم التعبير عن التوتر السطحي بوحدات القوة لكل وحدة طول أو الطاقة لكل وحدة مساحة (على سبيل المثال ، N / m أو J / m2) ، كلاهما متكافئ ، ولكن عند الإشارة إلى الطاقة لكل وحدة مساحة ، يستخدم الناس مصطلح “الطاقة السطحية” ، وهو مصطلح أكثر عمومية بمعنى أنه ينطبق على المواد الصلبة وكذلك السوائل .
تطبيقات التوتر السطحي
التوتر السطحي يتعلق بالميل المرن لسطح السائل الذي يجعله يكتسب أقل مساحة ممكنة من السطح، وتعود قوى التماسك بين جزيئات السائل للمسؤولية عن هذه الظاهرة، وتشمل بعض التطبيقات البارزة للتوتر السطحي:
- بسبب التوتر السطحي لجزيئات الماء، يمكن للإبرة أن تطفو على سطح الماء.
- يستخدم الماء الدافئ للغسيل، حيث يزيد التسخين من مساحة السطح ويقلل من التوتر السطحي.
- يمكن لبيض البعوض الطفو على سطح الماء بسبب التوتر السطحي.
- يحتوي معجون الأسنان على صابون يقلل من التوتر السطحي ويساعد على انتشاره بحرية في الفم.
- التوتر السطحي يمنع الماء من العبور عبر مسام المظلة.
- للمطهرات مثل ديتول توتر سطحي منخفض، مما يجعلها تنتشر بشكلٍ أسرع..
الفائدة من التوتر السطحي
- يؤثر التوتر السطحي على قابلية الشعيرات الدموية، وهو الانحياز للسوائل (مثل الماء) إلى “الفتل” والامتصاص في الأقمشة والأشياء مثل المناشف الورقية وورق التواليت، والتسلق ضد الجاذبية في الأنابيب الدقيقة.
- إذا كان التوتر السطحي للماء أقل بكثير، فلن يطفو شيء على السطح، وحتى أصغر الجسيمات ستغرق في القاع، مما يؤدي إلى فشل النظام البيئي، بالإضافة إلى ذلك، لن يكون هناك ماء في حالة سائلة لأنه سيتبخر ببساطة في الغلاف الجوي.
- التوتر السطحي من العوامل الرئيسية في العديد من العمليات الصناعية :
- تطوير المنتج : يلعب التوتر السطحي والواجهة دورا رئيسيا في تطوير وتحسين جودة المنتج من خلال قياس التوتر السطحي .
- تحسين المنظفات : تم تطوير تركيبة المنظفات لتحسين خصائصها، من خلال تقليل كمية التوتر السطحي باستخدام درجات حرارة منخفضة
- الدهانات : تم تصميمها للالتصاق بشكل جيد على أسطح الجدران .
- الأدوية : تم تطوير الأدوية لزيادة الفاعلية .
تفسير ظاهرة التوتر السطحي
تتحكم قوى التماسك بين جزيئات السوائل في ظاهرة التوتر السطحي، حيث لا تحتوي الجزيئات التي توجد على السطح على جزيئات مماثلة لها من جميع الجوانب، مما يجعلها تتماسك بشكل أقوى مع الجزيئات المتصلة بها مباشرة على السطح، وينتج عن ذلك “فيلم” سطحي يجعل من الصعب تحريك الجسم على السطح بالمقارنة مع تحريكه عندما يكون مغمورا بالكامل.
تعمل القوى الجزيئية المختلفة ، مثل قوى فان دير فال ، على سحب الجزيئات السائلة معًا ، على طول السطح ، يتم سحب الجسيمات باتجاه باقي السائل ، يُعرَّف التوتر السطحي (يُشار إليه باستخدام جاما المتغيرة اليونانية) على أنه نسبة قوة السطح F إلى الطول d الذي تعمل القوة على طوله جاما = F /د ، ومن أهم فوائده :
- التوتر السطحي هي خاصية مهمة لسطح السائل.
- التوتر السطحي يسبب انحناء أسطح الهواء والسوائل.
- تؤثر القوى السطحية على قدرة بعض الأجسام الصلبة على الطفو في السوائل.
- – يتحكم التوتر السطحي في شكل واجهة بين سائلين غير قابلين للامتزاج
أمثلة على التوتر السطحي
يعني التوتر السطحي ميل سطوح السوائل للانكماش إلى أدنى مساحة ممكنة للسطح، ويشكل مثالًا على ذلك:
قطرات من الماء : عند استخدام قطارة الماء، لا يتدفق الماء بشكل مستمر، بل يتدفق بشكل سلسلة من القطرات، حيث يتشكل شكل القطرات بفعل التوتر السطحي للماء. يوفر التوتر السطحي للماء التوتر الضروري لتكوين فقاعات داخل الماء، ويتم سحب الفقاعات إلى أشكال كروية بفعل انخفاض قوة التماسك السطحي. ويتحكم التوتر السطحي في شكل القطرات السائلة، وعلى الرغم من أنها تتأثر بسهولة، فإنها تميل عادة إلى الانكماش إلى شكل كروي بفعل قوى التماسك بين طبقات السطح.
الحشرات تمشي على الماء : تستطيع الحشرات الصغيرة مثل متزلج الماء المشي على سطح الماء لأن وزنها لا يكفي لاختراقه.
إبرة عائمة: يمكن صنع إبرة صغيرة تطفو على سطح الماء بعدة محاولات، على الرغم من كونها كثيفة مثل الماء، وذلك إذا تم تحريك سطح الماء لتفكيك التوتر السطحي، وفي هذه الحالة ستغرق الإبرة بسرعة.
مواد الخيام : المادة المنسوجة بدقة تتحمل المطر إلى حد ما، حيث يسد التوتر السطحي للماء المسام فيها، ولكن إذا مست المادة بالإصبع، فإن ذلك يكسر التوتر السطحي ويتساقط المطر من خلالها.
مطهرات التوتر السطحي: تكون المطهرات عادة محاليل لتوتر سطحي منخفض، وهذا يمكنها من انتشارها على جدران بكتيريا الخلايا وتعطيلها.
الصابون والمنظفات: تساعد عملية التنظيف على تخفيض التوتر السطحي للمياه، مما يجعلها تخترق بسهولة المسام والمناطق المتسخة في الملابس.
الغسل بالماء البارد: يعتبر استخدام الماء الساخن للغسيل مفيدا بسبب انخفاض التوتر السطحي وزيادة ترطيب المنتج، ولكن إذا كان المنظف يقلل من التوتر السطحي، فقد لا يكون التسخين ضروريا.