Σχέση επιφανειακής ενέργειας και επιφανειακής τάσης
Ορίστε την επιφανειακή τάση και την επιφανειακή ενέργεια
Ας ορίσουμε την επιφανειακή τάση και την επιφανειακή ενέργεια. Τα πάντα αποτελούνται από μόρια. Όλα τα μόρια παρουσιάζουν διαφορετικούς βαθμούς έλξης μεταξύ τους. Εξαιτίας αυτής της διαμοριακής έλξης, τα μόρια στο ποτό σας, συμπεριλαμβανομένου του πάγου σε αυτό, κολλάνε μαζί σε ένα ποτήρι στην επιφάνεια εργασίας σας αντί να καταρρέουν στον αέρα. Η δύναμη έλξης που ασκείται από τα μόρια στην επιφάνεια του υγρού το ένα προς το άλλο είναι γνωστή ως επιφανειακή τάση του.
Επιφανειακή ενέργεια είναι η δύναμη που υπάρχει στα μόρια στην επιφάνεια μιας ουσίας. Αυτή η δύναμη έλξης σχηματίζει μια συνεκτική δομή. Ο όρος «επιφανειακή τάση» χρησιμοποιείται συνήθως σε σχέση με υγρά. Ομοίως, γίνεται λόγος για επιφανειακή ενέργεια όταν αναφέρουμε στερεά. Ωστόσο, και οι δύο είναι ακριβώς το ίδιο. Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με αυτό, ας λάβουμε τη σχέση μεταξύ επιφανειακής τάσης και επιφανειακής ενέργειας.
Πώς να αποκτήσετε τη σχέση μεταξύ επιφανειακής τάσης και επιφανειακής ενέργειας;
Η επιφανειακή ενέργεια αναφέρεται στο έργο που γίνεται ανά τετραγωνική ίντσα από τη δύναμη που σχηματίζει την επιφάνεια. Οι δυνάμεις που δεσμεύουν τα υγρά μόρια δημιουργούν το φαινόμενο που είναι γνωστό ως επιφανειακή τάση. Για να προσδιορίσετε τη σχέση με την επιφανειακή τάση και την ενέργεια, σκεφτείτε ένα φιλμ υγρού που παράγεται μέσα στο ορθογώνιο πλαίσιο ABCD στο οποίο το εγκάρσιο τεμάχιο BC με μήκος L θα μπορούσε εύκολα να γλιστρήσει μεταξύ των μηκών DC και AB.
Δεδομένου ότι οι υγρές επιφάνειες συμπεριφέρονται σαν μια τεντωμένη μεμβράνη και είναι επιρρεπείς σε συστολή, η επιφανειακή τάση θα γίνει αισθητή σε κάθε τμήμα του BC σε ορθή γωνία και εφαπτομενική στην επιφάνεια του φιλμ. Κατά τη διάρκεια αυτής της δύναμης, ο βραχίονας BC θα κινηθεί προς το AD εκείνο του πλαισίου. Για να συγκρατηθεί το σύρμα στη θέση του, πρέπει να εφαρμοστεί η ίδια δύναμη προς την αντίστροφη κατεύθυνση. Εάν η επιφανειακή τάση είναι T και το μήκος BC =l, αυτό σημαίνει ότι η δύναμη προς τα μέσα στο BC που προκαλείται από την επιφανειακή τάση είναι
F =2L x T
Επειδή η μεμβράνη έχει δύο επιφάνειες:μία στο επάνω μέρος και μία στο κάτω μέρος, το μήκος, γνωστό και ως BC, ισούται με 2L. Για να διασφαλιστεί ότι το BC είναι σταθερό, πρέπει να εφαρμοστεί η ίδια δύναμη που αντιτίθεται στην επιφανειακή τάση.
Η δύναμη που απαιτείται για τη διατήρηση του σύρματος στη θέση του, F =2LT
Ο βραχίονας BC μετακινείται αργά, σε γωνία x κάθετη στο μήκος του, για να φτάσει στη θέση BC.
Η εργασία πραγματοποιήθηκε ενάντια στην επιφανειακή τάση,
W=Η δύναμη x μετατόπιση είναι F x X =2LTx
Η δουλειά που γίνεται για την ενίσχυση του μεγέθους του φιλμ του είναι η ενότητα =Εργασία/Αύξηση Επιφάνειας
=W / (2/x) =(2LTx) / (2Lx) =T
Όπου 2Lx αντιπροσωπεύει τη συνολική αύξηση της επιφάνειας (2 λαμβάνεται για να αντιπροσωπεύει και τις δύο επιφάνειες στο φιλμ)
Ωστόσο, γίνονται εργασίες με σκοπό την αύξηση του μεγέθους κατά ένα καθώς η δυναμική ενέργεια ανά τετραγωνικό μέτρο είναι επιφανειακή ενέργεια. Μπορούμε λοιπόν να καταλήξουμε στο συμπέρασμα ότι η τάση στην επιφάνεια είναι ισοδύναμη με την ενέργεια της επιφάνειας.
Παραδείγματα για τον προσδιορισμό της σχέσης μεταξύ επιφανειακής τάσης και επιφανειακής ενέργειας
Για να προσδιορίσετε τη σχέση μεταξύ επιφανειακής τάσης και επιφανειακής ενέργειας, θα παρατηρήσετε εάν ένας δακτύλιος από σύρμα βυθίζεται σε διάλυμα σαπουνιού πριν βγει έξω; Μέσα στους δακτυλίους θα σχηματίζεται λεπτό φιλμ σαπουνιού.
Όταν ο δακτύλιος του σύρματος τοποθετείται στο φιλμ ή στο σαπουνόνερο, η εξωτερική και η εσωτερική δύναμη επηρεάζουν εφαπτομενικά κάθε σημείο του δακτυλίου, οι δύο δυνάμεις εξισορροπούν κάθε μία από τις αντίστοιχες δυνάμεις τους και ο δακτύλιος παραμένει εκεί σε κυκλική μορφή με ένα σαπούνι ταινία.
Η σχέση μεταξύ επιφανειακής τάσης και επιφανειακής ενέργειας
Η επιφανειακή ενέργεια και η τάση είναι ζωτικής σημασίας καθώς είναι ποσότητες που δείχνουν τη δύναμη της έλξης μεταξύ των μορίων. Οι πιο ισχυρές ουσίες επιφανειακής ενέργειας (ή τάσης) είναι αυτές με υψηλά σημεία βρασμού. πρέπει να θερμανθούν για να εξουδετερώσουν τη διαμοριακή έλξη για να δημιουργήσουν ατμό ή ατμό.
Σκεφτείτε μια μεμβράνη σαπουνιού που είναι ισοθερμικά τεντωμένη σε μια περιοχή που περικλείεται με ένα ορθογώνιο πλαίσιο, ABCD και ένα εγκάρσιο κομμάτι Q. Αυτό το κομμάτι μπορεί να γλιστρήσει κατά μήκος του πλαισίου ομαλά. Έστω T η επιφανειακή τάση του διαλύματος σαπουνιού και PQ το μήκος του σύρματος που έρχεται σε επαφή με μια μεμβράνη σαπουνιού.
Η μεμβράνη έχει δύο επιφάνειες που βρίσκονται σε άμεση επαφή με το σύρμα. Το φιλμ μπορεί να συστέλλεται ασκώντας δύναμη στο σύρμα PQ. Επειδή μια τέτοια επιφάνεια ασκεί δύναμη TL στο σύρμα, η συνολική δύναμη σε αυτό είναι 2L. Ας πούμε ότι το σύρμα PQ τραβήχτηκε προς τα έξω αργά, στο P'Q' σε μια απόσταση Dx. Η δύναμη της ταινίας ήταν ενάντια στο σύρμα PQ.
W=εφαρμοσμένη δύναμη x μετατόπιση.
Η περιοχή της ταινίας θα αυξηθεί λόγω της μετατόπισης. Λόγω του ότι η μεμβράνη έχει δύο επιφάνειες, η επιφάνειά της αυξάνεται.
A=2Ldx
Επομένως, η εργασία που γίνεται ανά μονάδα επιφάνειας είναι
W/A =2TLdx/2Ldx =T
Αυτό το έργο αποθηκεύεται σε μια μονάδα επιφάνειας ως δυναμική ενέργεια. Αυτή η δυναμική ενέργεια μπορεί να ονομαστεί επιφάνεια.
Η παραπάνω σχέση δείχνει ότι η επιφανειακή τάση είναι ίση σε επιφανειακή ενέργεια ανά μονάδα υγρού. Αυτό είναι το μέρος όπου η επιφανειακή τάση και η επιφανειακή ενέργεια δημιουργούν πρόσφυση.
Συμπέρασμα
Η επιφανειακή τάση και η ενέργεια είναι δύο μέτρα διαμοριακής δύναμης που συνθέτουν μια ουσία. Εξαιτίας αυτών των διαμοριακών παραγόντων, οι υγρές επιφάνειες έλκονται πάντα προς τα μέσα. Είναι απαραίτητο να εργαστείτε με τη διαμοριακή δύναμη για να τεντώσετε την επιφάνεια του υγρού. Η πίεση στην επιφάνεια του υγρού και η ποσότητα που απαιτείται για να τεντωθεί μπορούν να μετρηθούν. Αυτές οι μετρήσεις αντιστοιχούν στην επιφανειακή τάση (ή την επιφανειακή ενέργεια). Η κύρια διαφορά μεταξύ επιφανειακής ενέργειας και επιφανειακής τάσης είναι ότι η επιφανειακή ενέργεια μετρά πόση εργασία απαιτείται ανά μονάδα επιφάνειας για να τεντωθεί, ενώ η επιφανειακή τάση μετρά τη δύναμη ανά μονάδα μήκους.
