التوتر السطحي: 7 عوامل مهمة مرتبطة به

التماسك والالتصاق

بادئ ذي بدء ، نحاول فهم بعض المصطلحات المفيدة في دراسة التوتر السطحي. للسائل خصائص مثل التماسك. تماسك هي خاصية يقوم فيها جزيء سائل بجذب جزيء آخر أقرب. التصاق هي خاصية يتم فيها جذب جزيئات السائل عن طريق ملامسة السطح الصلب لها. باختصار ، يمكننا القول أن القوة بين الجزيئات المتشابهة هي التماسك والقوة بين الجزيئات غير المتشابهة هي الالتصاق.

لنأخذ مثالا.

إذا أسقطنا قطرة الزئبق على أي سطح ، فإنها تحاول أن تتشكل في القطيرة لأن التماسك أعلى من قوة الالتصاق. ستحصل على إشعار بأن قطرة عطارد لا تلتصق بالسطح الصلب. سيحاول عطارد الابتعاد عن السطح الصلب ؛ لن تبلل سطح صلب.

لنأخذ مثالًا آخر إذا أخذنا في الاعتبار سقوط جزيئات الماء على السطح. سوف ينتشر في جميع أنحاء سطح الخرسانة. يحدث ذلك بسبب قوة اللصق أكثر أهمية من قوة التماسك في هذه الحالة. يمكن أن تصف زاوية التلامس بين السائل والسطح الصلب ترطيب السطح وعدم ترطيبه.

التوتر السطحي
ترطيب وعدم ترطيب السائل ائتمان هيسوكي

ارجع إلى الشكل أعلاه ، الغاز السائل وواجهة السطح الصلب ، سيصل السائل إلى مكان السطح الصلب عندما تكون الزاوية أقل من 90 درجة (π / 2). يزداد ترطيب السطح بتناقص الزاوية. إذا كانت الزاوية أكثر من 90 درجة ، فلن يبلل السائل السطح الصلب. تعتمد الزاوية على طبيعة السطح ، وأنواع السائل ، والسطح الصلب ، والنظافة.

إذا اعتبرنا أن الماء النقي يتلامس مع السطح الزجاجي النظيف. الزاوية هي 0 (صفر) درجة في هذه الحالة. إذا أضفنا شوائب في الماء: تزداد الزاوية مع إضافة الشوائب. كما ناقشنا ، فإن الزئبق سائل غير مبلل ، وبالتالي فإن الزاوية تقع من 130 إلى 150 درجة.

التوتر السطحي

في السائل ، الجزيئات تقع تحت السطح الحر. كل جزيء سائل ينجذب إلى الجزيء القريب. قوة التماسك الجزيئي هي نفسها في كل الاتجاهات. كل القوى متساوية في الحجم ومعاكسة في الاتجاه. لذلك ، سيتم إلغاؤها في السائل. يمكن أن يكون سبب التوازن في السائل. لا توجد قوة ناتجة موجودة في السائل.

لنفترض أننا اعتبرنا جزيئات السائل الأعلى ملقاة على سطح حر لأننا نعلم أنه لا توجد جزيئات سائلة فوقها. لذا فهنا تنجذبهم الجزيئات السائلة الموجودة تحتها. ستشعر جزيئات السائل السطحية الحرة هذه بقوة سحب داخل السائل. هذه القوة تعمل مثل القوة المرنة. يسمى المنفق لكل وحدة مساحة من السطح التوتر السطحي.

يتم الإشارة إلى التوتر السطحي بواسطة سيجما (σ). يحدث التوتر السطحي عند السطح البيني للغاز السائل والواجهة السائلة والسائلة. السبب وراء التوتر السطحي هو التجاذب بين الجزيئات بسبب التماسك.

دعونا نفهمها بعمق من خلال النظر في بعض الأمثلة العملية ،

  • لقد رأيت قطيرة سائلة على شكل كروي. السبب وراء شكله الكروي هو التوتر السطحي.
  • قد تلاحظ أنه إذا سكبنا الماء جيدًا داخل الكوب. حتى لو كان الزجاج ممتلئًا ، فلا يزال بإمكاننا إضافة بعض الماء فوق حد الزجاج.
  • لنفترض أننا سنقوم بتجربة أنبوب زجاجي رفيع على سطح الماء. يمكننا أن نلاحظ بسرعة ارتفاع الشعيرات الدموية والاكتئاب داخل أنبوب زجاجي رفيع.
  • يمكن للطيور شرب الماء من الجسم المائي بسبب التوتر السطحي.

على الرغم من أن الضغط وقوة الجاذبية أعلى من قوة التوتر السطحي ، إلا أن قوة التوتر السطحي تلعب دورًا مهمًا عندما يكون هناك سطح حر وأبعاد صغيرة. وحدة التوتر السطحي N / m. يعتمد حجم التوتر السطحي على العوامل التالية:

  • نوع السائل
  • نوع غاز الحالة المحيطة ، سائل أو صلب
  • الطاقة الحركية للجزيئات
  • درجة حرارة الجزيئات

إذا قمنا بزيادة درجة حرارة مادة مثل السائل ، فإن التجاذب بين الجزيئات يتناقص لأن المسافة بين الجزيئات تزداد. يعتمد التوتر السطحي على التجاذب بين الجزيئات (التماسك). تؤخذ قيمة التوتر السطحي للسائل للهواء كوسيط محيط ،

التوتر السطحي لواجهة الهواء والماء هو 0.073 N / م.

تقل قيمة التوتر السطحي مع زيادة درجة الحرارة.

شعري

إذا تم غمر أنبوب ضيق في الماء ، سيرتفع الماء داخل الأنبوب عند مستوى معين. هذا النوع من الأنابيب يسمى أنبوب شعري، وتسمى هذه الظاهرة التأثير الشعري. اسم آخر لتأثير الشعيرات الدموية هو تأثير الغضروف المفصلي.

التأثير الشعري ناتج عن قوة التوتر السطحي. يحدث ارتفاع الشعيرات الدموية والاكتئاب بسبب التماسك والالتصاق بين الجزيئات. قوة الالتصاق بين سطح الأنبوب وجزيء الماء أعلى من قوة التماسك بين جزيئات الماء. وبسبب هذا ، يمكن ملاحظة جزيئات الماء في شكل مقعر على سطح الأنبوب.

وزن ارتفاع أو انخفاض السائل في أنبوب قطره صغير

= (مساحة الأنبوب * ارتفاع أو هبوط) * (وزن محدد)

= (π / 4 * د2* ح) ث

مكون عمودي من قوة التوتر السطحي

= σ cosθ * محيط

= σ cosθ * π د

إذا أخذنا في الاعتبار التوازن ، فإن القوة الصاعدة توازن القوة الهابطة ، لذلك يتم إعطاء عنصر القوة على النحو التالي ،

(π / 4 * د2 * ح * ث) = σ cosθ * π د

H = (4 σ cosθ / wd)

أنبوب شعري

يمكن أن نلاحظ من زاوية أنه إذا كانت الزاوية بين 0 إلى 90 درجة ، فإن قيمة h هو شكل موجب ، مقعر تشكيل وارتفاع شعري. إذا كانت الزاوية بين 90 و 180 درجة ، فإن h هو سلبي ، تشكيل محدب الشكل والاكتئاب الشعري.

إذا كان السائل هو عطارد ، فإن التأثير ينقلب تمامًا. في حالة عطارد ، تكون قوة التماسك أكثر أهمية من قوة الالتصاق. وبسبب ذلك ، تشكل جزيئات الزئبق شكلًا محدبًا على سطح الأنبوب.

التأثير الشعري يتناسب عكسيا مع قطر الأنبوب. إذا كنت ترغب في تجنب تأثير الشعيرات الدموية ، فعليك ألا تختار أنبوبًا بقطر صغير. يوصى باستخدام الحد الأدنى لقطر الأنبوب للمياه ، ويوصى باستخدام الزئبق 6 ملم. يجب أن يكون السطح داخل الأنبوب نظيفًا.

تبخر

يُعرَّف التبخر بأنه تغيير الحالة من سائل إلى غازي. معدل التشغيل يعتمد على ضغط ودرجة حرارة السائل.

تأمل في أحد الأمثلة ،

افترض أن السائل موجود داخل الوعاء المغلق. في هذا الوعاء ، تمتلك جزيئات البخار بعض الضغط. يطلق عليه ضغط البخار. إذا بدأ ضغط البخار في التناقص ، يبدأ الجزيء في الخروج من سطح السائل بسرعة كبيرة ، تُعرف هذه الظاهرة باسم غليان.

في الغليان ، تتشكل الفقاعات داخل السائل. تنتقل هذه الفقاعة بالقرب من منطقة الضغط الأعلى وتنهار بسبب ارتفاع الضغط. تمارس هذه الفقاعات المنهارة ضغطًا أعلى بشكل ملحوظ حول 100 ضغط جوي. يتسبب هذا الضغط في تآكل ميكانيكي للمعادن. عادة ما يسمى هذا التأثير التجويف. مطلوب دراسة وتصميم الآلات الهيدروديناميكية مع الأخذ في الاعتبار التجويف.

التجويف له كلا الجانبين مفيد وغير مفيد. كما نعلم أن التجويف يسبب تآكل المعدن لذلك فهو غير مفيد

تشير بعض مجالات البحث الجديدة مؤخرًا إلى أن التجويف الهيدروديناميكي مفيد لبعض المعالجة الكيميائية ومعالجة مياه الصرف الصحي. هنا ، التجويف الهيدروديناميكي مفهوم مفيد.

يعتمد ضغط بخار السائل بشدة على درجة الحرارة: يزداد مع زيادة درجة الحرارة. عند درجة حرارة 20 درجة مئوية ، يكون ضغط بخار الماء 0.235 N / cm2. ضغط بخار الزئبق 1.72 * 10-5 N / سم2.

إذا أردنا تجنب التجويف في الآلات الهيدروليكية: يجب ألا نسمح بانخفاض ضغط السائل إلى ما دون ضغط البخار عند درجة الحرارة المحلية.

ربما فكرت عدة مرات في سبب استخدام الزئبق داخل مقياس الحرارة ومقياس الضغط. لماذا لا سائل آخر؟

إجابتك هنا. يحتوي الزئبق على أقل قيمة لضغط البخار بكثافة عالية. جعله الزئبق مناسبًا للاستخدام في ميزان الحرارة ومقياس الضغط. 

أوجد التأثير الشعري في أنبوب قطره 4 مم. عندما يكون السائل ماء

أسئلة و أجوبة

1) ما الفرق بين التماسك والالتصاق؟

التماسك هو قوة جذب للجزيئات بين نفس المادة بينما الالتصاق هو عامل جذب بين جزيئات من مادة مختلفة.

2) عطارد حاول الابتعاد عن السطح ، لماذا؟

في عطارد ، تكون قوة التماسك أكبر من قوة الالتصاق. وبسبب هذا ، يطلق على الزئبق سائل غير مبلل.

3) ما هي شروط ترطيب السطح وعدم ترطيبه للسائل؟

السائل سوف يبلل السطح الصلب أقل من 90 درجة. إذا كانت الزاوية أكبر من 90 درجة ، فلن يبلل السائل السطح الصلب.

4) اشرح عن التوتر السطحي

تنجذب الجزيئات السائلة الموجودة على السطح الحر بواسطة الجزيئات السائلة الموجودة تحتها. ستشعر جزيئات السائل السطحية الحرة هذه بقوة سحب داخل السائل. هذه القوة تعمل مثل القوة المرنة. يسمى الإنفاق لكل وحدة مساحة من السطح بالتوتر السطحي. يتم الإشارة إلى التوتر السطحي بواسطة سيجما (σ). يحدث التوتر السطحي عند السطح البيني للغاز السائل والواجهة السائلة والسائلة. السبب وراء التوتر السطحي هو التجاذب بين الجزيئات بسبب التماسك.

5) أعط بعض الأمثلة العملية للتوتر السطحي.

  • قد تلاحظ أنه إذا سكبنا الماء جيدًا داخل الكوب. حتى لو كان الزجاج ممتلئًا ، فلا يزال بإمكاننا إضافة بعض الماء فوق حد الزجاج.
  • لنفترض أننا سنقوم بتجربة أنبوب زجاجي رفيع على سطح الماء. يمكننا أن نلاحظ بسهولة ارتفاع الشعيرات الدموية والاكتئاب داخل أنبوب زجاجي رفيع.
  • يمكن للطيور شرب الماء من الجسم المائي بسبب التوتر السطحي.

6) ما هي وحدة التوتر السطحي؟

وحدة التوتر السطحي N / m.

7) أعط قيمة التوتر السطحي لواجهة الهواء والماء والهواء والزئبق عند الضغط ودرجة الحرارة القياسيين.

يبلغ التوتر السطحي للواجهة بين الهواء والماء 0.073 نيوتن / م.

يبلغ التوتر السطحي للواجهة بين الهواء والزئبق 0.480 نيوتن / م.

8) ما هو تأثير الشعيرات الدموية؟

إذا تم غمر الأنبوب الضيق في الماء ، سيرتفع الماء داخل الأنبوب عند مستوى معين. يسمى هذا النوع من الأنبوب بالأنبوب الشعري ، وتسمى هذه الظاهرة التأثير الشعري.

9) هل هناك علاقة بين التأثير الشعري والتوتر السطحي؟ إذا كانت الإجابة نعم ، فماذا؟

نعم. التأثير الشعري ناتج عن قوة التوتر السطحي. يحدث ارتفاع الشعيرات الدموية والاكتئاب بسبب التماسك والالتصاق بين الجزيئات.

10) حدد: الغليان ، التجويف

الغليان: تتكون فقاعات البخار داخل السائل بسبب تغير درجة الحرارة والضغط. الغليان هو تغيير في الحالة) من سائل إلى بخار.

التجويف: يكون تكوين فقاعة بخار داخل الماكينة بسبب ضغط السائل أقل من ضغط البخار المشبع.

أسئلة متعددة الخيارات

1) لترطيب السائل ، يجب أن تكون زاوية التلامس θ ________

(أ) 0 (ب) θ </ 2                           (ج) θ> / 2 (د) لا شيء

2) بالنسبة للسائل غير المبلل ، يجب أن تكون زاوية التلامس θ ________

(أ) 0 (ب) θ </ 2 (ج) θ> / 2                            (د) لا شيء

3) انخفاض قيمة التوتر السطحي مع __________

(أ) الضغط المستمر

(B) زيادة في درجة الحرارة

(ج) زيادة الضغط

(د) انخفاض درجة الحرارة

4) إذا كانت زاوية القيمة تقع بين 0 و 90 ، فماذا يحدث في التأثير الشعري؟

 (A) h موجب مع تشكيل الشكل المقعر

(ب) h سالب مع تكوين شكل مقعر

(ج) h سالب مع تكوين شكل محدب

(د) ح موجب مع تكوين شكل محدب

5) لماذا يستخدم الزئبق في ميزان الحرارة ومقياس الضغط؟

(أ) ضغط بخار مرتفع وكثافة منخفضة

(ب) ارتفاع ضغط البخار والكثافة العالية

(ج) ضغط بخار منخفض وكثافة منخفضة

(D) ضغط بخار منخفض وكثافة عالية

6) ما هو تقريبا. ضغط الانهيار للفقاعات في ظاهرة التجويف؟

(أ) حوالي 20 ضغط جوي

(ب) حوالي 50 ضغط جوي

(ج) حوالي 75 ضغط جوي

(D) حوالي 100 ضغط جوي

7) ما هي قيمة ضغط بخار الماء عند درجة حرارة 20 درجة مئوية؟

(أ) 0.126 نيوتن / سم 2

(ب) 0.513 نيوتن / سم 2

(C) 0.235 نيوتن / سم 2

(د) 0.995 نيوتن / سم 2

8) ما هي قيمة ضغط بخار الزئبق عند درجة حرارة 20 درجة مئوية؟

(أ) 1.25 * 10-5 نيوتن / سم 2

(B) * 1.72 10-5 N / سم 2

(ج) 1.5 * 10-5 نيوتن / سم 2

(د) 1.25 نيوتن / سم 2

في الختام

هذه المقالة مقدمة لك لفهم مفهوم التوتر السطحي ، وتأثير الشعيرات الدموية ، والتجويف ، والتبخر وآثاره. تم تضمين بعض الأمثلة العملية في هذه المقالة لتمثيلها عمليًا. تم بذل الجهد لجعلك تربط مفهوم ميكانيكا الموائع بحياتك اليومية.

لمعرفة المزيد عن ميكانيكا الموائع ، من فضلك انقر هنا.

انتقل إلى الأعلى