کشش سطحی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
گیره‌های کاغذ در اثر کشش سطحی روی آب ایستاده‌است.
کشش سطحیِ قطره‌ای در حال چکیدن از شیر

کشش سطحی (به انگلیسی: Surface tension) ویژگی‌ای در مایع‌ها است که باعث می‌شود لایه بیرونی آن‌ها به صورت ورقه‌ای کشسان عمل کند. این همان ویژگی‌ای است که موجب ربایش دو سطح مایع به یکدیگر می‌شود؛ مانند دو قطرهٔ آب که همدیگر را می‌ربایند و قطرهٔ بزرگ‌تری می‌سازند. کشش سطحی کمیتی است که بعد نیرو در واحد طول یا انرژی در واحد سطح دارد و در فیزیک معمولاً با \gamma نشان داده می‌شود. کشش سطحی را همچنین می‌توان مقدار کار لازم برای ایجاد واحد سطح مشترک جدید در نظر گرفت.

علت[ویرایش]

نمودار نیروهای وارد شده به دو مولکول از مایع.

هر مولکول مایع از سوی مولکول‌های دیگرِ مایع ربوده می‌شود. مولکول‌هایی که درون حجم مایع هستند، از همه جهت ربوده می‌شوند و برایند نیروی وارد به آن‌ها صفر است. اما مولکول‌هایی که در سطح مایع هستند، تنها از یک جهت از سوی دیگر مولکول‌ها ربوده می‌شوند و نیروی ربایش در آن سوی مرز مایع (مثلاً از طرف مولکول‌های هوا) به آن‌ها کمتر است. بنابراین، به مولکول‌های روی سطح مایع نیروی خالصی به سمت درون وارد می‌شود که این نیرو با مقاومت مایع در برابر فشرده‌شدن خنثی می‌شود. در نتیجه، نیرویی در مایع به وجود می‌آید که می‌خواهد سطح مایع را کم کند. از همین رو سطح مایع به شکل ورقه‌ای الاستیک عمل می‌کند و آن قدر جمع می‌شود که کمترین سطح ممکن را داشته باشد.

راه دیگر برای توضیح کشش سطحی این است که یک مولکول اگر در کنار مولکول همسایه‌اش باشد، انرژی‌اش کمتر از وقتی است که کنار آن همسایه نباشد. مولکول‌های درونی بیشترین تعداد همسایه‌های ممکن را دارند. ولی مولکول‌هایی که در سطح هستند همسایه‌های کمتری دارند و بنابراین انرژی‌شان بیشتر از انرژی مولکول‌های درونی است. بنابراین، وقتی که مایع می‌خواهد انرژی کل‌اش را کمینه کند، می‌کوشد تاxxxxvv از شمار مولکول‌های سطحی‌اش بکاهد، و این یعنی یک مایع می‌خواهد کمترین سطح ممکن را داشته باشد.

برای کاستن از سطح، یک مایع همیشه هموارترین شکل ممکن را در سطح خود می‌گیرد (اثبات ریاضی این که چرا هموارترین سطح متناظر است با کمترین مساحت نیازمند قضیهٔ اویلر-لاگرانژ است). هر خمیدگی تازه بر روی سطح به مساحت بیشتر و در نتیجه انرژی بیشتر می‌انجامد.

نمایش سطح‌های کمینه با سطح مایع[ویرایش]

سطح کمینه

اگر بخواهیم رویهٔ دوبعدی‌ای را بیابیم که میان مرزهای مشخصی قرار بگیرد و کمترین سطح ممکن را داشته باشد، شاید با ریاضیات به سختی به نتیجه برسیم. ولی به جایش می‌توانیم مرزها را با سیم بسازیم و آن را درون ظرفی پر از آب و صابون فرو ببریم. لایهٔ حباب صابونی که بین سیم‌ها ساخته می‌شود به تقریب نشان‌دهندهٔ رویه‌ای با کمترین سطح ممکن است (اگر گرانش زمین نبود دقیقاً کمترین سطح را می‌ساخت).[۱]

اثرها[ویرایش]

اثر مویینگی[ویرایش]

نمایش اثر مویینگی برای دو لوله از جنس‌های متفاوت. چسبندگی آب به لولهٔ قرمزرنگ بیشتر و به لولهٔ آبی‌رنگ کمتر از چسبندگی آب به خودش است.

اثر مویینگی یعنی بالاآمدن سطح مایع درون لوله‌ای که درون مایع فروبرده شده است. اگر لوله به قدر کافی باریک باشد و چسبندگی آب به لوله زیاد باشد، کشش سطحی می‌تواند آب را در لوله بالا بکشد. ارتفاع آب بالاآمده برابر است با

h\ =\ \frac {2\gamma_\mathrm{la} \cos\theta}{\rho g r}

که در آن

  • \scriptstyle h ارتفاع مایع بالاآمده است
  • \scriptstyle \gamma_\mathrm{la} کشش سطحی بین مایع و هواست.
  • \scriptstyle \rho چگالی مایع است.
  • \scriptstyle r شعاع لولهٔ مویین است.
  • \scriptstyle g شتاب گرانش است.
  • \scriptstyle \theta زاویهٔ تماس مایع و سطح لوله است. اگر \scriptstyle \theta بیشتر از ‎۹۰°‎ باشد، مثل جیوه در لولهٔ شیشه‌ای، مایع به جای بالاآمدن پایین می‌رود.


شکستن جریان مایع به قطره[ویرایش]

حالت میانی جریانی که به قطره شکسته می‌شود.

جریان آبی که از شیر می‌آید، هر چه‌قدر هم که یکنواخت باشد، قطره‌قطره می‌شود. این به خاطر پدیده‌ای به نام ناپایداری پلاتو-ریلی است.[۲] که خود پیامد مستقیمی از کشش سطحی است.

اثر ساختارهای یونی بر کشش سطحی[ویرایش]

کشش سطحی آب در صفر درجه سانتیگراد برابر با 75.64 dyn/cm است درحالیکه کشش سطحی برای یک محلول 6M نمک طعام برابر 82.55 dyn/cm است، زیرا کشش سطحی درواقع نتیجه ی نیروهای واندروالسی میان مولکولی است و هر چه این نیروها قویتر باشند، کشش سطحی نیز بیشتر می شود. افزایش ذره ای قطبی و یونی مانند سدیم کلرید به آب مایه آن می شود که جاذبه ی میان ذرات بیشتر شود ،زیرا جاذبه ی میان ذرات یونی و مولکولهای آب قویتر از جاذبه ی میان مولکولهای آب به تنهایی است، بنابراین کشش سطحی در این محلول های بیشتر از کشش سطحی آب خالص است.[۳]

اثر ساختار های مولکولی بر کشش سطحی[ویرایش]

ساختارهای مولکولی مایه از میان رفتن ویژگی کشش سطحی مایعات می شوند ، مانند مواد شوینده که با شکستن کشش سطحی آب مایه رفتن مواد پاک کننده و آب به درون پارچه شده و پارچه را تمیز می کنند البته شکسته شدن کش سطحی مایعات تنها تا نقطه بحرانی (CMC) صورت میگیرد و پس از آن کشش سطحی ثابت می ماند بنابراین بکاگیری از غلظت های بالای ساختارهای مولکولی مانند مواد شوینده مایه شکسته شدن بیشتر کشش سطحی نمی شود .

کشش سطحی در پدیده‌های روزمره[ویرایش]

حشره‌ای که به کمک کشش سطحی آب شناور مانده است.

کشش سطحی آب:

  • دانه‌دانه‌شدن قطره‌های باران روی سطح خودرو. آب به سطوح روغنی بسیار کم جذب می‌شود و به خودش به‌شدت جذب می‌شود. از همین رو، روی سطح خودرو قطره تشکیل می‌دهد.

کشش سطحی در پدیده‌های دیگری هم رخ می‌دهد، مثلاً در موادی که کشش سطحی آن‌ها کم است:

  • حباب صابون سطح بسیار بزرگی با مادهٔ بسیار کمی دارد. قطره‌هایی که از آب ساخته‌شده‌اند ناپایدارند.

نگارخانه[ویرایش]

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  1. Aaronson, ‎Scott. NP-Complete Problems and physical reality.. . SIGACT News. 
  2. Pierre-Gilles de Gennes, Françoise Brochard-Wyart, David Quéré. Capillary and Wetting Phenomena — Drops, Bubbles, Pearls, Waves. Alex Reisinger (translator). Springer, 2002. ISBN 0-387-00592-7. 
  3. واحد مشاوره موسسه تبیان ا