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.
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 / منصف قطر الفقاعة (ص) = 1معادلة:Dp بار = 2s / صالعمليات الحسابية:Dp بار = 2 × 72.7 × 10-3 / 1 = 145.4 نيوتن / م 2أي أن ضغط الهواء عند طرف الفوهة يجب أن يتجاوز ضغط المياه المحيطة بمقدار 145.4 نيوتن / م 2المثال 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 مDp = 2 بار = 2 × 105 نيوتن / م 2معادلة:الضغط داخل فقاعة صابون والتوتر السطحي مرتبطان ،Dp بار = 4s / صالعمليات الحسابية:ق = Dpr / 4 = 2 × 105 × 0.025/4 = 1250 نيوتن / مالمثال 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 / مقطر الأنبوب (د) = 3 مم = 0.003 مارتفاع الشعيرات الدموية (ح) = 6 مم = 0.006 ممعادلة:يتم إعطاء ارتفاع الشعيرات الدموية بسبب التوتر السطحيh = 4scos (q) / (rgd) ، حيث q هي زاوية الاتصال.العمليات الحسابية:cos (q) = hrgd / (4s) = 0.006 × 1000 × 9.812 × 0.003 / (4 × 0.4) = 0.11إذن ، زاوية الاتصال q = 83.7 درجةالمثال 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 / دγ = 0.1 نيوتن / 1 سم0.1 ن / 0.01م = 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: