Was ist Oberflächenspannung? Definition und Experimente

Oberflächenspannung ist ein Phänomen, bei dem die Oberfläche einer Flüssigkeit, bei der die Flüssigkeit mit einem Gas in Kontakt steht, als dünne elastische Schicht wirkt. Dieser Begriff wird typischerweise nur verwendet, wenn die Flüssigkeitsoberfläche mit Gas (wie Luft) in Kontakt steht. Befindet sich die Oberfläche zwischen zwei Flüssigkeiten (wie Wasser und Öl), spricht man von "Grenzflächenspannung".

Verschiedene intermolekulare Kräfte, wie beispielsweise Van-der-Waals-Kräfte, ziehen die flüssigen Partikel zusammen. Entlang der Oberfläche werden die Partikel zum Rest der Flüssigkeit gezogen, wie im Bild rechts gezeigt.

Oberflächenspannung (bezeichnet mit der griechischen Variablen Gamma) ist definiert als das Verhältnis der Oberflächenkraft F. auf die Länge d entlang der die Kraft wirkt:

Gamma = F. / d

Einheiten der Oberflächenspannung

Die Oberflächenspannung wird in gemessen SI-Einheiten von N / m (Newton pro Meter), obwohl die üblichere Einheit die CGS-Einheit Dyn / cm (Dyn pro Zentimeter) ist.

Um die Thermodynamik der Situation zu berücksichtigen, ist es manchmal nützlich, sie in Bezug auf zu betrachten Arbeit pro Flächeneinheit. Die SI-Einheit ist in diesem Fall das J / m² (Joule pro Quadratmeter). Die CGS-Einheit ist erg / cm².

Diese Kräfte binden die Oberflächenpartikel zusammen. Obwohl diese Bindung schwach ist - es ist doch ziemlich leicht, die Oberfläche einer Flüssigkeit zu brechen - manifestiert sie sich auf viele Arten.

Wassertropfen. Bei Verwendung eines Wassertropfens fließt das Wasser nicht in einem kontinuierlichen Strom, sondern in einer Reihe von Tropfen. Die Form der Tropfen wird durch die Oberflächenspannung des Wassers verursacht. Der einzige Grund, warum der Wassertropfen nicht vollständig kugelförmig ist, ist die Schwerkraft, die auf ihn herabzieht. In Abwesenheit der Schwerkraft würde der Tropfen die Oberfläche minimieren, um die Spannung zu minimieren, was zu einer perfekt kugelförmigen Form führen würde.

Insekten gehen auf dem Wasser. Mehrere Insekten können auf dem Wasser laufen, beispielsweise der Wasserläufer. Ihre Beine sind so geformt, dass sie ihr Gewicht verteilen, wodurch die Oberfläche der Flüssigkeit niedergedrückt wird und das Potenzial minimiert wird Energie, um ein Kräftegleichgewicht zu schaffen, damit sich der Strider über die Wasseroberfläche bewegen kann, ohne das Wasser zu durchbrechen Oberfläche. Dies ähnelt im Konzept dem Tragen von Schneeschuhen, um über tiefe Schneeverwehungen zu laufen, ohne dass Ihre Füße sinken.

Nadel (oder Büroklammer) schwimmt auf Wasser. Obwohl die Dichte dieser Objekte größer als die von Wasser ist, reicht die Oberflächenspannung entlang der Vertiefung aus, um der auf das Metallobjekt nach unten ziehenden Schwerkraft entgegenzuwirken. Klicken Sie auf das Bild rechts und dann auf "Weiter", um ein Kraftdiagramm dieser Situation anzuzeigen, oder probieren Sie den Floating Needle-Trick selbst aus.

Wenn Sie eine Seifenblase blasen, entsteht eine unter Druck stehende Luftblase, die in einer dünnen, elastischen Flüssigkeitsoberfläche enthalten ist. Die meisten Flüssigkeiten können keine stabile Oberflächenspannung aufrechterhalten, um eine Blase zu erzeugen, weshalb im Allgemeinen Seife verwendet wird... Es stabilisiert die Oberflächenspannung durch den sogenannten Marangoni-Effekt.

Wenn die Blase geblasen wird, neigt der Oberflächenfilm dazu, sich zusammenzuziehen. Dadurch steigt der Druck in der Blase an. Die Größe der Blase stabilisiert sich bei einer Größe, bei der sich das Gas in der Blase nicht weiter zusammenzieht, zumindest ohne dass die Blase platzt.

Tatsächlich gibt es zwei Flüssiggas-Grenzflächen an einer Seifenblase - die an der Innenseite der Blase und die an der Außenseite der Blase. Zwischen den beiden Oberflächen befindet sich a dünner Film von Flüssigkeit.

Die Kugelform einer Seifenblase wird durch die Minimierung der Oberfläche verursacht - für ein gegebenes Volumen ist eine Kugel immer die Form mit der geringsten Oberfläche.

Um den Druck in der Seifenblase zu berücksichtigen, betrachten wir den Radius R. der Blase und auch die Oberflächenspannung, Gammader Flüssigkeit (Seife in diesem Fall - ca. 25 dyn / cm).

Wir gehen zunächst von keinem externen Druck aus (was natürlich nicht stimmt, aber wir werden uns gleich darum kümmern). Sie betrachten dann einen Querschnitt durch die Mitte der Blase.

Wenn wir den sehr geringen Unterschied im Innen- und Außenradius ignorieren, wissen wir, dass der Umfang entlang dieses Querschnitts 2 beträgtPiR.. Jede innere und äußere Oberfläche hat einen Druck von Gamma entlang der gesamten Länge, also die Summe. Die Gesamtkraft aus der Oberflächenspannung (sowohl vom inneren als auch vom äußeren Film) beträgt daher 2Gamma (2pi R.).

Innerhalb der Blase haben wir jedoch einen Druck p welches über den gesamten Querschnitt wirkt pi R.², was zu einer Gesamtkraft von p(pi R.²).

Da die Blase stabil ist, muss die Summe dieser Kräfte Null sein, damit wir erhalten:

2 Gamma (2 pi R.) = p( pi R.²)
oder
p = 4 Gamma / R.

Offensichtlich war dies eine vereinfachte Analyse, bei der der Druck außerhalb der Blase 0 war, aber dies kann leicht erweitert werden, um die zu erhalten Unterschied zwischen dem Innendruck p und der Außendruck p_e:

p - p_e = 4 Gamma / R.

Analyse eines Flüssigkeitstropfens im Gegensatz zu eine Seifenblaseist einfacher. Anstelle von zwei Flächen muss nur die Außenfläche berücksichtigt werden, sodass ein Faktor von 2 herausfällt die frühere Gleichung (erinnern Sie sich, wo wir die Oberflächenspannung verdoppelt haben, um zwei Oberflächen zu berücksichtigen?) auf Ausbeute:

p - p_e = 2 Gamma / R.

Oberflächenspannung tritt während einer Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche auf, aber wenn diese Grenzfläche mit a in Kontakt kommt feste Oberfläche - wie die Wände eines Behälters - die Grenzfläche krümmt sich normalerweise in der Nähe davon nach oben oder unten Oberfläche. Eine solche konkave oder konvexe Oberflächenform ist als a bekannt Meniskus

Der Kontaktwinkel, Thetawird wie im Bild rechts gezeigt bestimmt.

Der Kontaktwinkel kann verwendet werden, um eine Beziehung zwischen der Flüssigkeits-Feststoff-Oberflächenspannung und der Flüssiggas-Oberflächenspannung wie folgt zu bestimmen:

Gamma_ls = - Gamma_lg cos Theta

wo

• Gamma_ls ist die Flüssigkeit-Feststoff-Oberflächenspannung
• Gamma_lg ist die Flüssiggas-Oberflächenspannung
• Theta ist der Kontaktwinkel

Eine in dieser Gleichung zu berücksichtigende Sache ist, dass in Fällen, in denen der Meniskus konvex ist (d. H. Der Kontaktwinkel größer als 90 ist Grad) ist die Kosinuskomponente dieser Gleichung negativ, was bedeutet, dass die Flüssigkeit-Feststoff-Oberflächenspannung gleich ist positiv.

Wenn andererseits der Meniskus konkav ist (d. H. Nach unten abfällt, so dass der Kontaktwinkel weniger als 90 Grad beträgt), dann ist der cos Theta Begriff ist positiv, in welchem ​​Fall die Beziehung zu a führen würde Negativ Flüssig-Fest-Oberflächenspannung!

Dies bedeutet im Wesentlichen, dass die Flüssigkeit an den Wänden des Behälters haftet und ist Arbeiten, um die Fläche in Kontakt mit der festen Oberfläche zu maximieren, um das Gesamtpotential zu minimieren Energie.

Ein weiterer Effekt in Bezug auf Wasser in vertikalen Rohren ist die Eigenschaft der Kapillarität, bei der die Oberfläche der Flüssigkeit innerhalb des Rohrs in Bezug auf die umgebende Flüssigkeit erhöht oder abgesenkt wird. Auch dies hängt mit dem beobachteten Kontaktwinkel zusammen.

Wenn Sie eine Flüssigkeit in einem Behälter haben und ein schmales Rohr (oder kapillar) des Radius r in den Behälter die vertikale Verschiebung y das innerhalb der Kapillare stattfinden wird, ist durch die folgende Gleichung gegeben:

y = (2 Gamma_lg cos Theta) / ( dgr)

wo

• y ist die vertikale Verschiebung (nach oben, wenn positiv, nach unten, wenn negativ)
• Gamma_lg ist die Flüssiggas-Oberflächenspannung
• Theta ist der Kontaktwinkel
• d ist die Dichte der Flüssigkeit
• G ist die Beschleunigung der Schwerkraft
• r ist der Radius der Kapillare

HINWEIS: Noch einmal, wenn Theta größer als 90 Grad ist (ein konvexer Meniskus), was zu einer negativen Oberflächenspannung zwischen Flüssigkeit und Feststoff führt, Der Flüssigkeitsstand wird im Vergleich zum umgebenden Niveau sinken, im Gegensatz zu einem Anstieg in Bezug auf es.

Kapillarität manifestiert sich in der Alltagswelt auf vielfältige Weise. Papierhandtücher absorbieren durch Kapillarität. Beim Verbrennen einer Kerze steigt das geschmolzene Wachs aufgrund der Kapillarität auf den Docht. In der Biologie ist es dieser Prozess, der Blut in den kleinsten Blutgefäßen verteilt, obwohl Blut durch den Körper gepumpt wird. Kapillaren.

Benötigte Materialien:

• 10 bis 12 Viertel
• Glas voll Wasser

Bringen Sie die Viertel langsam und mit ruhiger Hand nacheinander in die Mitte des Glases. Legen Sie die schmale Kante des Viertels ins Wasser und lassen Sie los. (Dies minimiert Störungen an der Oberfläche und vermeidet die Bildung unnötiger Wellen, die einen Überlauf verursachen können.)

Wenn Sie mit mehr Quartalen fortfahren, werden Sie erstaunt sein, wie konvex das Wasser auf dem Glas wird, ohne überzulaufen!

Mögliche Variante: Führen Sie dieses Experiment mit identischen Gläsern durch, verwenden Sie jedoch unterschiedliche Arten von Münzen in jedem Glas. Verwenden Sie die Ergebnisse, wie viele hineingehen können, um ein Verhältnis der Volumina verschiedener Münzen zu bestimmen.

Benötigte Materialien:

• Gabel (Variante 1)
• Stück Seidenpapier (Variante 2)
• Nähnadel
• Glas voll Wasser

Setzen Sie die Nadel auf die Gabel und senken Sie sie vorsichtig in das Glas Wasser. Ziehen Sie die Gabel vorsichtig heraus, und es ist möglich, dass die Nadel auf der Wasseroberfläche schwimmt.

Dieser Trick erfordert eine wirklich ruhige Hand und etwas Übung, da Sie die Gabel so entfernen müssen, dass Teile der Nadel nicht nass werden... oder die Nadel werden sinken. Sie können die Nadel vorher zwischen Ihren Fingern reiben, um sie zu "ölen", was Ihre Erfolgschancen erhöht.

Variante 2 Trick

Legen Sie die Nähnadel auf ein kleines Stück Seidenpapier (groß genug, um die Nadel zu halten). Die Nadel wird auf das Seidenpapier gelegt. Das Seidenpapier wird mit Wasser getränkt und sinkt auf den Boden des Glases, wobei die Nadel auf der Oberfläche schwimmt.

Benötigte Materialien:

• brennende Kerze (HINWEIS: Spielen Sie nicht mit Spielen ohne Zustimmung und Aufsicht der Eltern!)
• Trichter
• Waschmittel oder Seifenblasenlösung

Legen Sie Ihren Daumen über das kleine Ende des Trichters. Bringen Sie es vorsichtig in Richtung Kerze. Entfernen Sie Ihren Daumen, und die Oberflächenspannung der Seifenblase führt dazu, dass sie sich zusammenzieht und Luft durch den Trichter austritt. Die durch die Blase herausgedrückte Luft sollte ausreichen, um die Kerze zu löschen.

Ein etwas verwandtes Experiment finden Sie im Raketenballon.

Benötigte Materialien:

• Stück Papier
• Schere
• Pflanzenöl oder flüssiges Geschirrspülmittel
• eine große Schüssel oder Laib Kuchenform voller Wasser

Sobald Sie Ihr Papierfischmuster ausgeschnitten haben, legen Sie es auf den Wasserbehälter, damit es auf der Oberfläche schwimmt. Geben Sie einen Tropfen Öl oder Reinigungsmittel in das Loch in der Mitte des Fisches.

Durch das Reinigungsmittel oder Öl sinkt die Oberflächenspannung in diesem Loch. Dies führt dazu, dass sich der Fisch vorwärts bewegt und eine Spur des Öls hinterlässt, während es sich über das Wasser bewegt. Es stoppt nicht, bis das Öl die Oberflächenspannung der gesamten Schüssel gesenkt hat.

Die folgende Tabelle zeigt Werte der Oberflächenspannung, die für verschiedene Flüssigkeiten bei verschiedenen Temperaturen erhalten wurden.

Experimentelle Oberflächenspannungswerte

Bearbeitet von Anne Marie Helmenstine, Ph. D.