表面張力と表面エネルギーの定義
表面張力と表面エネルギーを定義しましょう。すべてのものは分子で構成されています。すべての分子は、互いにさまざまな程度の引力を示します。この分子間引力により、氷を含む飲み物の分子は、空中でバラバラになるのではなく、卓上のグラスの中でくっつきます。液体の表面で分子が相互に及ぼす引力は、その表面張力として知られています。
表面エネルギーは、物質の表面の分子に存在する力です。この引力が凝集構造を形成します。 「表面張力」という用語は、通常、液体に関連して使用されます。同様に、固体について言及するときは、表面エネルギーについて話します。ただし、どちらもまったく同じです。これについてもっと知るために、表面張力と表面エネルギーの関係を求めてみましょう。
表面張力と表面エネルギーの関係を取得する方法
表面エネルギーは、表面を形成する力によって 1 平方インチあたりに行われる仕事を指します。液体分子を結合する力は、表面張力として知られる現象を生み出します。表面張力とエネルギーとの関係を決定するために、長さ L のクロスピース BC が DC と AB の長さの間で容易にスライドできる、長方形のフレーム ABCD 内で生成される液体の膜を考えてください。
液体の表面は引き伸ばされた膜のように振る舞い、収縮しやすいため、BC のすべての部分で、膜の表面に対して直角および接線方向に表面張力が感じられます。この力の過程で、アーム BC はフレームの AD に向かって移動します。ワイヤを所定の位置に保持するには、同じ力を逆方向に加える必要があります。表面張力が T で、BC の長さが l の場合、表面張力によって BC に内向きの力が生じることを意味します。
F =2L×T
フィルムには上面と下面の 2 つの面があるため、BC とも呼ばれる長さは 2L に相当します。 BC が一定であることを確認するには、表面張力に対抗する同じ力を適用する必要があります。
ワイヤをその位置に維持するために必要な力、F =2LT
アーム BC を、その長さに垂直な x の角度にわたってゆっくりと動かし、BC 位置に到達します。
タスクは表面張力に逆らって実行されました。
W=力 x 変位 F x X =2LTx
そのフィルムのサイズを大きくするために行われる仕事は、団結=仕事/面積の増加です
=W / (2/x) =(2LTx) / (2Lx) =T
ここで、2Lx は表面積の合計増加を表します (2 はフィルムの両方の面を表すために使用されます)
しかし、1平方メートルあたりの位置エネルギーは表面エネルギーなので、1つ大きくする目的で作業が行われています。したがって、表面の張力は表面のエネルギーに等しいという結論を導き出すことができます。
表面張力と表面エネルギーの関係を決定する例
表面張力と表面エネルギーの関係を決定するために、ワイヤーでできたリングが持ち出される前に石鹸溶液に沈められていることに気付くでしょうか?指輪の中に薄く石鹸膜ができます。
ワイヤーのリングがフィルムまたは石鹸水の上に置かれると、外力と内力がリングのすべての点に接線方向に影響し、2 つの力がそれぞれの力と釣り合い、リングは石鹸で円形に残ります。
表面張力と表面エネルギーの関係
表面エネルギーと張力は、分子間の引力の強さを示す量であるため、重要です。最も強力な表面エネルギー (または張力) 物質は、沸点が高い物質です。蒸気または蒸気を生成する分子間引力を打ち消すために加熱する必要があります。
四角形のフレーム ABCD と横材 Q で囲まれた領域で等温的に引き伸ばされた石鹸膜を考えます。この部分はフレームに沿って滑らかにスライドできます。 T を石鹸液の表面張力、PQ を石鹸膜と接触しているワイヤーの長さとします。
フィルムには、ワイヤと直接接触する 2 つの表面があります。フィルムは、ワイヤ PQ に力を加えることによって収縮できます。このような表面はワイヤーに力 TL を及ぼすため、その合計の力は 2L です。ワイヤー PQ が距離 Dx だけ P'Q' までゆっくりと外側に引っ張られたとしましょう。フィルムの力はワイヤー PQ に逆らっていました。
W=加えられた力 x 変位。
フィルムの面積は変位により増加します。フィルムが 2 つの面を持つため、表面積が増加します。
A=2Ldx
したがって、単位面積あたりの仕事は
W/A =2TLdx/2Ldx =T
この仕事は、単位表面積にポテンシャルエネルギーとして蓄えられます。この位置エネルギーは表面と呼ぶことができます。
上記の関係は、表面張力が液体の単位あたりの表面エネルギーで等しいことを示しています。これは、表面張力と表面エネルギーが接着を生み出す場所です。
結論
表面張力とエネルギーは、物質を構成する分子間力の 2 つの尺度です。これらの分子間因子のために、液体表面は常に内側に引っ張られています。液面を伸ばすには分子間力を働かせる必要があります。液体の表面にかかる圧力と、それを伸ばすのに必要な量を測定できます。これらの測定値は、表面張力 (または表面エネルギー) に対応します。表面エネルギーと表面張力の主な違いは、表面エネルギーは単位面積あたりに必要な仕事量を測定し、表面張力は単位長さあたりの力を測定することです。
