表面張力 - 定義と実験

表面張力は、液体が気体と接触している液体の表面が薄い弾性シートとして機能する現象です。この用語は通常、液体の表面が気体 (空気など) と接触している場合にのみ使用されます。表面が 2 つの液体 (水と油など) の間にある場合、それは「界面張力」と呼ばれます。

表面張力の原因

ファン デル ワールス力などのさまざまな分子間力が、液体粒子を引き寄せます。右の写真に示すように、粒子は表面に沿って残りの液体に向かって引き寄せられます。

表面張力 (ギリシャ変数 ガンマ で表される) ) は表面力 F の比率として定義されます 長さ d 力が作用する方向:

ガンマ =F / d

表面張力の単位

表面張力は N/m (ニュートン/メートル) の SI 単位で測定されますが、より一般的な単位は cgs 単位 dyn/cm (ダイン/センチメートル) です。

状況の熱力学を考えるために、単位面積あたりの仕事の観点から考えると役立つ場合があります。この場合の SI 単位は J/m (1 平方メートルあたりのジュール) です。 cgs の単位は erg/cm です。

これらの力は、表面粒子を結合します。この結合は弱いですが、結局のところ、液体の表面を壊すのは非常に簡単ですが、多くの方法で現れます.

表面張力の例

水滴。 ウォータースポイトを使用する場合、水は連続した流れではなく、一連の滴として流れます。しずくの形は、水の表面張力によって決まります。水滴が完全に球形でない唯一の理由は、水滴が下に引っ張られるためです。重力がない場合、張力を最小限に抑えるために液滴の表面積が最小限に抑えられ、完全な球形になります。

水の上を歩く昆虫。 アメンボなど、水の上を歩くことができる昆虫もいます。脚は重量を分散するように形成されており、液体の表面がくぼみ、位置エネルギーを最小限に抑えて力のバランスを作り出し、ストライダーが水面を突き破ることなく水面を横切って移動できるようにします。これは、スノーシューを履いて足が沈むことなく深い吹きだまりを歩くのと似ています。

水に浮かぶ針 (またはペーパー クリップ)。 これらの物体の密度が水よりも大きい場合でも、くぼみに沿った表面張力は、金属物体を下に引っ張る重力に対抗するのに十分です。右の写真をクリックし、[次へ] をクリックして、この状況の力図を表示するか、フローティング ニードル トリックを試してみてください。

シャボン玉の構造

シャボン玉を吹くと、液体の薄く弾力性のある表面に含まれる加圧された空気の泡ができます。ほとんどの液体は、泡を作るために安定した表面張力を維持することができません。そのため、石鹸が一般的にプロセスで使用されます...マランゴニ効果と呼ばれるものを通じて表面張力を安定させます.

泡が吹くと、表面の膜が収縮する傾向があります。これにより、気泡内の圧力が増加します。気泡のサイズは、気泡内のガスがそれ以上収縮しないサイズで安定します。少なくとも、気泡がはじけることはありません。

実際、シャボン玉には 2 つの気液界面があります。1 つはシャボン玉の内側に、もう 1 つはシャボン玉の外側にあります。 2 つの表面の間には液体の薄膜があります。

シャボン玉の球形は、表面積の最小化によって生じます。一定の体積に対して、球は常に最小の表面積を持つ形です。

シャボン玉内の圧力

シャボン玉内の圧力を考えるために、半径 R を考えます。 バブルの表面張力、ガンマ 、液体の (この場合は石鹸 - 約 25 dyn/cm)。

まず、外圧がないと仮定することから始めます (もちろん、これは正しくありませんが、これについては後で説明します)。次に、泡の中心を通る断面を考えます。

この断面に沿って、内半径と外半径のわずかな違いを無視すると、円周は 2pi になることがわかります。 R .内側と外側の各サーフェスには ガンマ の圧力があります 全長に沿って、合計。したがって、表面張力 (内膜と外膜の両方からの) による合計の力は 2ガンマ です。 (2pi R ).

しかし、泡の中には圧力 p があります 断面全体に作用する pi R 、総力は p になります (pi R ).

バブルは安定しているため、これらの力の合計はゼロでなければならず、次のようになります:

2 ガンマ (2 円周率 ) =p ( pi R )
または
p =4 ガンマ / R

明らかに、これは気泡の外側の圧力が 0 である単純化された分析でしたが、これを簡単に拡張して 差 を得ることができます。 内圧 p の間 と外圧 p_e :

p - p_e =4 ガンマ / R

液滴の圧力

シャボン玉ではなく、一滴の液体を分析する方が簡単です。 2 つの面の代わりに、考慮すべき外面だけがあるため、前の式から 2 の係数が除外されます (2 つの面を考慮して表面張力を 2 倍にしたことを覚えていますか?)。

p - p_e =2 ガンマ / R

接触角

気液界面では表面張力が発生しますが、その界面が容器の壁などの固体表面と接触すると、界面は通常、その表面の近くで上または下に曲がります。このような凹面または凸面の形状は、メニスカスとして知られています。

接触角、シータ 、右の図に示すように決定されます。

接触角は、次のように、液体-固体表面張力と液体-気体表面張力の関係を決定するために使用できます。

ガンマ _ls =- ガンマ _lg cos シータ

どこで

• ガンマ _ls は液体-固体表面張力です
• ガンマ _lg は液体 - 気体の表面張力です
• シータ は接触角です

この方程式で考慮すべきことの 1 つは、メニスカスが凸面である (つまり、接触角が 90 度より大きい) 場合、この方程式の余弦成分が負になることです。これは、液体-固体表面張力が正になることを意味します。

一方、メニスカスが凹面である場合 (つまり、下にくぼんでいるため、接触角が 90 度未満である場合)、cos theta 用語は肯定的です。この場合、関係は 否定的 になります。 液体-固体表面張力!

これが本質的に意味することは、液体が容器の壁に付着しており、全体のポテンシャル エネルギーを最小化するために、固体表面との接触面積を最大化するように働いているということです。

毛細管現象

垂直チューブ内の水に関連するもう 1 つの効果は、毛細管現象の特性であり、液体の表面が周囲の液体に対してチューブ内で隆起または陥没します。これも、観察された接触角に関連しています。

容器に液体が入っていて、細いチューブ (またはキャピラリー) を入れる場合 ) の半径 r コンテナへの垂直変位 y 毛細血管内で起こることは、次の式で与えられます:

はい =(2 ガンマ _lg cos シータ ) / ( dgr )

どこで

• y は垂直変位です (正の場合は上、負の場合は下)
• ガンマ _lg は液体 - 気体の表面張力です
• シータ は接触角です
• d は液体の密度です
• g は重力加速度です
• r 毛細血管の半径

注: もう一度、theta の場合 が 90 度 (凸メニスカス) を超えると、負の液体 - 固体表面張力が生じ、液体レベルは周囲のレベルに比べて上昇するのではなく、下降します。

毛細管現象は、日常の世界でさまざまな形で現れます。ペーパータオルは毛細管現象で吸収します。キャンドルを灯すと、溶けたロウが毛細管現象で芯を上っていきます。生物学では、血液は全身に送り出されますが、毛細血管と呼ばれる最小の血管に血液を分配するのはこのプロセスです。 .

コップ一杯の水に 4 分の 1

必要な資料:

• 10 ～ 12 クォーター
• コップ一杯の水

ゆっくりと安定した手で、四分の一をグラスの中心に持ってきます。四分の一の狭い端を水中に置き、手放します。 (これにより、表面の乱れが最小限に抑えられ、オーバーフローの原因となる不要な波の形成が回避されます。)

さらにクォーターを続けると、水があふれずにグラスの上に凸状になることに驚かれることでしょう!

考えられるバリエーション: 同じグラスでこの実験を行いますが、各グラスで異なる種類のコインを使用してください。何枚入ることができるかの結果を使用して、さまざまなコインのボリュームの比率を決定します。

フローティングニードル

必要な資料:

• フォーク (バリエーション 1)
• ティッシュ ペーパー (バリエーション 2)
• ミシン針
• コップ一杯の水

針をフォークに置き、そっと水のガラスに下げます。慎重にフォークを引き抜くと、針が水面に浮いたままになる可能性があります。

このトリックには、しっかりした手と練習が必要です。針の一部が濡れないようにフォークを取り外さなければならないためです...そうしないと、針が濡れてしまいます シンク。事前に指の間で針をこすって「オイル」を塗ると、成功の可能性が高くなります。

バリアント 2 トリック

小さなティッシュ ペーパー (針を保持するのに十分な大きさ) にミシン針を置きます。針はティッシュペーパーの上に置かれます。ティッシュ ペーパーは水に浸されてグラスの底に沈み、針が表面に浮いたままになります。

シャボン玉でろうそくを消す

必要な資料:

• ろうそくを灯しました (注: 保護者の承認と監督なしで試合をしないでください!)
• じょうご
• 洗剤またはシャボン液

じょうごの小さい方の端に親指を置きます。慎重にろうそくに近づけます。親指を離すと、シャボン玉の表面張力によってシャボン玉が収縮し、じょうごから空気が押し出されます。泡によって押し出された空気は、ろうそくを消すのに十分なはずです。

多少関連する実験については、ロケット バルーンを参照してください。

電動紙魚

必要な資料:

• 一枚の紙
• はさみ
• 植物油または食洗機用液体洗剤
• 水を入れた大きなボウルまたはローフ ケーキ型

紙の魚のパターンを切り抜いたら、水の容器の上に置き、水面に浮かせます。魚の真ん中の穴に油または洗剤を一滴入れます。

洗剤や油はその穴の表面張力を低下させます。これにより、魚は前進し、油がボウル全体の表面張力を低下させるまで止まらず、水を横切って移動する際に油の跡を残します.

以下の表は、さまざまな温度でさまざまな液体について得られた表面張力の値を示しています。

実験的な表面張力値

Anne Marie Helmenstine 博士による編集