표면 장력은 액체가 가스와 접촉하는 액체의 표면이 얇은 탄성 시트 역할을하는 현상이다. 이 용어는 일반적으로 액체 표면이 가스 (예 :공기)와 접촉 할 때만 사용됩니다. 표면이 두 액체 (예 :물과 기름) 사이 인 경우이를 "인터페이스 장력"이라고합니다.
.표면 장력의 원인
반 데르 발스 힘과 같은 다양한 분자간 힘이 액체 입자를 함께 끌어냅니다. 표면을 따라 입자는 오른쪽 그림에 표시된 것처럼 액체의 나머지 부분을 향해 당겨집니다.
표면 장력 (그리스 변수 gamma 로 표시됩니다 )는 표면 힘의 비율로 정의됩니다. f 길이 d 까지 힘이 작용하는 것 :
감마 = f / d
표면 장력 단위
표면 장력은 N/M (미터 당 Newton)의 SI 단위로 측정되지만 CGS 단위 Dyn/Cm (Dyne Per Centimeter)입니다.
.상황의 열역학을 고려하기 위해서는 단위 영역 당 작업 측면에서이를 고려하는 것이 때때로 유용합니다. 이 경우 SI 장치는 J/M (미터 제곱 당 줄입니다)입니다. CGS 장치는 ERG/CM입니다.
이 힘은 표면 입자를 함께 결합시킵니다. 이 바인딩은 약하지만 결국 액체 표면을 부수는 것은 매우 쉽습니다. 여러 가지면에서 나타납니다.
표면 장력의 예
물 한 방울. 워터 드로퍼를 사용할 때는 물이 연속 스트림에서 흐르지 않고 일련의 방울로 흐릅니다. 방울의 모양은 물의 표면 장력으로 인해 발생합니다. 물 한 방울이 완전히 구형이 아닌 유일한 이유는 중력의 힘이 그것을 당기기 때문입니다. 중력이없는 경우, 방울은 장력을 최소화하기 위해 표면적을 최소화하여 완벽하게 구형 모양을 초래할 것입니다.
물 위를 걷는 곤충. 몇몇 곤충은 물 스트라이더와 같은 물 위를 걸을 수 있습니다. 그들의 다리는 체중을 분배하기 위해 형성되어 액체의 표면이 우울 해져서 잠재적 에너지를 최소화하여 힘의 균형을 만들어 스트라이더가 표면을 뚫지 않고 물의 표면을 가로 질러 움직일 수 있습니다. 이것은 발을 가라 앉지 않고 깊은 눈을 가로 질러 걸을 수있는 스노우 슈즈를 착용하는 것과 비슷합니다.
바늘 (또는 종이 클립)이 물에 떠 다니고 있습니다. 이들 물체의 밀도는 물보다 크지 만, 우울증을 따른 표면 장력은 금속 물체에서 끌어 당기는 중력의 힘에 대응하기에 충분하다. 오른쪽의 그림을 클릭 한 다음 "다음"을 클릭 하여이 상황의 힘 다이어그램을 보거나 떠 다니는 바늘 트릭을 시도하십시오.
.비누 거품의 해부학
비누 거품을 날리면 얇고 탄성적 인 액체 표면에 포함 된 가압 공기 기포를 만듭니다. 대부분의 액체는 거품을 만들기 위해 안정적인 표면 장력을 유지할 수 없기 때문에 비누는 일반적으로 과정에서 사용되는 이유입니다 ... Marangoni 효과라는 것을 통해 표면 장력을 안정화시킵니다.
.거품이 날아 가면 표면 필름이 수축되는 경향이 있습니다. 이로 인해 거품 내부의 압력이 증가합니다. 거품의 크기는 기포 내부의 가스가 더 이상 거품을 터뜨리지 않고 더 이상 수축하지 않는 크기로 안정화됩니다.
실제로, 비누 거품에는 두 개의 액체 가스 인터페이스가 있습니다. 거품 내부에 있고 거품 바깥쪽에 있습니다. 두 표면 사이에는 액체의 박막이 있습니다.
비누 거품의 구형 모양은 표면적 최소화에 의해 야기됩니다. 주어진 부피의 경우 구체는 항상 표면적이 가장 적은 형태입니다.
비누 거품 내부의 압력
비누 거품 내부의 압력을 고려하기 위해 반경 r 을 고려합니다. 거품과 표면 장력, gamma , 액체 (이 경우 비누 - 약 25 Dyn/cm).
우리는 외부 압력이 없다고 가정하는 것으로 시작합니다 (물론 사실은 아니지만 조금 돌 보겠습니다). 그런 다음 거품의 중심을 통한 단면을 고려합니다.
이 단면을 따라 내부와 외부 반경의 약간의 차이를 무시하면 둘레가 2 pi가 될 것임을 알고 있습니다. r . 각각의 내부 및 외부 표면은 gamma의 압력을 가질 것입니다. 전체 길이를 따라 총계입니다. 표면 장력 (내부 및 외부 필름)의 총 힘은 2 gamma 입니다. (2 pi r ).
그러나 거품 내부에는 압력이 있습니다 이것은 전체 단면 pi r 에 걸쳐 작용합니다 , 전체 힘의 p ( pi r ).
거품이 안정적이기 때문에 이러한 힘의 합은 0이어야하므로 우리는 다음을 얻습니다.
2 gamma (2 pi r ) = p ( pi r )
또는
p =4 감마 / r
분명히, 이것은 기포 외부의 압력이 0 인 단순화 된 분석 이었지만, 이것은 차이를 얻기 위해 쉽게 확장됩니다. 내부 압력 사이의 p 및 외부 압력 p e :
p - p e =4 감마 / r
액체 방울의 압력
비누 거품과 달리 액체 방울을 분석하는 것이 더 간단합니다. 두 개의 표면 대신 고려해야 할 외부 표면 만 있으므로 이전 방정식에서 2 층이 떨어집니다 (두 표면을 설명하기 위해 표면 장력을 두 배로 늘린 곳을 기억하십니까?) :
.p - p e =2 감마 / r
접촉각
표면 장력은 가스 액체 계면에서 발생하지만, 해당 인터페이스가 컨테이너 벽과 같은 고체 표면과 접촉하면 인터페이스가 일반적으로 그 표면 근처에서 위 또는 아래로 구부러집니다. 이러한 오목한 또는 볼록한 표면 모양은 meniscus 로 알려져 있습니다.
접촉각, theta , 오른쪽 그림에 표시된대로 결정됩니다.
접촉각은 다음과 같이 액체-고체 표면 장력과 액체 가스 표면 장력 사이의 관계를 결정하는 데 사용될 수 있습니다.
감마 ls =- 감마 lg cos theta
여기서
- 감마 ls 액체-고체 표면 장력 입니다
- 감마 lg 액체 가스 표면 장력 입니다
- theta 접촉각 입니다
이 방정식에서 고려해야 할 한 가지는 메 니스 커스가 볼록한 경우 (즉, 접촉각이 90도보다 큽니다),이 방정식의 코사인 성분은 음수가되므로 액체-고체 표면 장력이 양수가 될 것입니다.
.반면에 메 니스 커스가 오목하다면 (즉, 딥 다운이므로 접촉각이 90도 미만), cos theta 용어는 긍정적이므로 관계는 음성 을 초래할 것입니다. 액체-고체 표면 장력!
이것은 본질적으로 액체가 용기의 벽에 부착되고 있으며 전반적인 잠재적 에너지를 최소화하기 위해 고체 표면과 접촉하는 영역을 최대화하기 위해 노력하고 있다는 것입니다.
.모세관
수직 튜브에서의 물과 관련된 또 다른 효과는 모세관의 특성이며, 여기서 액체의 표면이 주변 액체와 관련하여 튜브 내에서 상승되거나 우울해진다. 이것은 또한 관찰 된 접촉각과 관련이 있습니다.
용기에 액체가 있고 좁은 튜브 (또는 모세관 를 놓는 경우 반경 r 용기 내로 수직 변위 y 모세관 내에서 발생하는 것은 다음 방정식에 의해 제공됩니다.
y =(2 gamma lg cos theta ) / ( dgr )
여기서
- y 수직 변위입니다 (양수가 위로 올라 가면, 음수 인 경우 다운)
- 감마 lg 액체 가스 표면 장력 입니다
- theta 접촉각 입니다
- d 액체의 밀도
- g 중력의 가속도입니다
- r 모세관의 반경 입니다
참고 : 다시 한번, theta 90도 (볼록 메 니스 커스)보다 큰 액체-고체 표면 장력을 초래하면 액체 수준은 주변 수준에 비해 내려갈 것입니다.
.모세관은 일상 세계에서 여러 가지 방법으로 나타납니다. 종이 타월은 모세관을 통해 흡수됩니다. 촛불을 태울 때, 녹은 왁스는 모공로 인해 심지를 올라갑니다. 생물학에서는 혈액이 신체 전체에 펌핑되지만이 과정은 모세관 이라고 불리는 가장 작은 혈관의 혈액을 분배하는이 과정입니다. .
물 한 잔에
필요한 재료 :
- 10 ~ 12 분기
- 물로 가득 찬 유리
천천히, 그리고 꾸준한 손으로 한 번에 하나씩 유리 중앙으로 하나를 가져옵니다. 분기의 좁은 가장자리를 물에 놓고 놓아 두십시오. (이것은 표면의 혼란을 최소화하고 오버플로를 유발할 수있는 불필요한 파도를 형성하지 않습니다.)
더 많은 분기를 계속하면서, 당신은 물이 넘치지 않고 유리 위에 물이 얼마나 볼 수 있는지 놀랄 것입니다!
가능한 변형 : 이 실험은 동일한 안경으로 수행하지만 각 유리에 다른 유형의 동전을 사용하십시오. 다른 동전의 비율을 결정하기 위해 얼마나 많은 사람들이 들어갈 수 있는지 결과를 사용하십시오.
부동 바늘
필요한 재료 :
- 포크 (변형 1)
- 조직 종이 조각 (변형 2)
- 바느질 바늘
- 물로 가득 찬 유리
바늘을 포크에 놓고 부드럽게 물 한 잔으로 내립니다. 포크를 조심스럽게 당기면 바늘이 물 표면에 떠있는 것을 떠날 수 있습니다.
이 속임수는 바늘의 부분이 젖지 않는 방식으로 포크를 제거해야하기 때문에 진정한 꾸준한 손과 연습이 필요합니다. 싱크대. 손가락 사이의 바늘을 미리 "기름"으로 문지르면 성공 가능성이 높아집니다.
변형 2 트릭
재봉 바늘을 작은 티슈 페이퍼에 놓습니다 (바늘을 잡을 수있을 정도로 큰). 바늘은 조직 종이에 놓습니다. 티슈 페이퍼는 물이 담그고 유리 바닥에 가라 앉아 바늘이 표면에 떠 있습니다.
비누 버블
로 양초를 넣으십시오 표면 장력으로필요한 재료 :
- 조명 촛불 ( 참고 : 부모의 승인과 감독 없이는 경기를하지 마십시오!)
- 깔때기
- 세제 또는 비누 버블 용액
깔때기의 작은 끝에 엄지 손가락을 놓습니다. 조심스럽게 촛불로 가져옵니다. 엄지 손가락을 제거하면 비누 거품의 표면 장력으로 인해 깔때기를 통해 공기가 나옵니다. 거품에 의해 강제되는 공기는 촛불을 내놓기에 충분해야합니다.
다소 관련된 실험은 로켓 풍선을 참조하십시오.
전동 종이 물고기
필요한 재료 :
- 종이 조각
- 가위
- 식물성 오일 또는 액체 식기 세척기 세제
- 물로 가득 찬 큰 그릇 또는 덩어리 케이크 팬
종이 물고기 패턴을 잘라 내면 물 용기에 놓아 표면에 떠 다니십시오. 물고기 한가운데의 구멍에 기름이나 세제 한 방울을 넣으십시오.
세제 또는 기름은 해당 구멍의 표면 장력이 떨어집니다. 이로 인해 물고기가 앞으로 튀어 나와 오일이 전체 그릇의 표면 장력을 낮추기 전까지는 멈추지 않고 물을 가로 질러 움직일 때 기름의 흔적을 남겨 둡니다.
.아래 표는 다양한 온도에서 다른 액체에 대해 얻은 표면 장력 값을 보여줍니다.
실험 표면 장력 값
| 공기와 접촉하는 액체 | 온도 (도 C) | 표면 장력 (Mn/M 또는 Dyn/Cm) |
| 벤젠 | 20 | 28.9 |
| 탄소 테트라 클로라이드 | 20 | 26.8 |
| 에탄올 | 20 | 22.3 |
| 글리세린 | 20 | 63.1 |
| 머큐리 | 20 | 465.0 |
| 올리브 오일 | 20 | 32.0 |
| 비누 용액 | 20 | 25.0 |
| 물 | 0 | 75.6 |
| 물 | 20 | 72.8 |
| 물 | 60 | 66.2 |
| 물 | 100 | 58.9 |
| 산소 | -193 | 15.7 |
| 네온 | -247 | 5.15 |
| 헬륨 | -269 | 0.12 |
