Σχέση μεταξύ υπερβολικής πίεσης και επιφανειακής τάσης

Η Agnes Luise Wilhelmina Pickles ανακάλυψε την έννοια της επιφανειακής τάσης. Ήταν μια αυτοεκπαιδευμένη χημικός από τη Γερμανία. Αρχικά, εργάστηκε στην καθιέρωση ορισμένων σύγχρονων κλάδων στον τομέα της επιφανειακής επιστήμης, οι οποίοι περιγράφουν κυρίως τις φυσικές και χημικές ιδιότητες στερεών και υγρών επιφανειών.

Ανακάλυψε αυτή την ιδέα με τη βοήθεια ενός πειράματος στο οποίο ήθελε να αξιολογήσει τις ακαθαρσίες στο νερό με τη βοήθεια μιας συρόμενης γούρνας. Οι ακαθαρσίες δεν σήμαιναν επιβλαβείς τοξικότητες, αντιθέτως ήταν απλώς οικιακές ακαθαρσίες όπως σαπούνι και λάδι.

Με τη βοήθεια της συσκευής της, ανακάλυψε ότι η επιφανειακή τάση δεν είναι παρά μια ποσότητα δύναμης που απαιτείται για να αφαιρεθεί ο δίσκος από την επιφάνεια του υγρού.

Επιφανειακή τάση

Η επιφανειακή τάση είναι ένα φαινόμενο που ορίζεται ως μια ιδιότητα της επιφάνειας του υγρού που έχει την ικανότητα να αντιστέκεται σε κάποιο είδος εξωτερικής δύναμης. Αυτό μπορεί να είναι δυνατό επειδή το υγρό (δηλαδή, τα μόρια του νερού) έχουν μια συνεκτική φύση. Ο τύπος για την επιφανειακή τάση μπορεί να αναπαρασταθεί ως 

𝛄 =(1/2) (F/L) 

Όπου 𝛄 =επιφανειακή τάση

F =δύναμη που ασκείται στο δεδομένο υγρό

L =μήκος της υγρής επιφάνειας

Η μονάδα επιφανειακής τάσης SI αντιπροσωπεύεται ως Newton ανά μέτρο (N/m). Είναι πολύ εύκολο να κατανοήσετε και να θυμάστε αυτή τη μονάδα SI. Επειδή η μονάδα για τη Δύναμη είναι ο Νεύτωνας και για το μήκος είναι το μέτρο. Επομένως για F/L, η μονάδα θα είναι N/m.

Αιτίες επιφανειακής τάσης

Όπως γνωρίζουμε, το φαινόμενο της επιφανειακής τάσης θα συμβεί μόνο λόγω της συνεκτικής φύσης μεταξύ των μορίων του υγρού. Υπάρχουν όμως κάποιες ειδικές περιπτώσεις όπου ο κύριος όγκος των υγρών μορίων είναι πολύ στενά γεμάτος με κάθε ένα και με άλλα γειτονικά μόρια. Ως εκ τούτου, υποτίθεται ότι τραβούν το ένα το άλλο εξίσου προς όλες τις κατευθύνσεις, κάτι που θα οδηγήσει στη μηδενική τιμή της καθαρής δύναμης.

Εάν η δύναμη έλξης μεταξύ των γειτονικών σωματιδίων είναι υψηλή, τότε η επιφανειακή τάση θα είναι επίσης υψηλή.

Υπερβολική πίεση

Λόγω της επιφανειακής τάσης, ο αριθμός των μορίων στην επιφάνεια της μεμβράνης ή του δεδομένου υγρού θα αντιμετωπίσει μια καθαρή δύναμη στην επιφάνεια μεγαλύτερη από τη δύναμη που εμφανίζεται μέσα στο υγρό. Η υπερβολική πίεση θα εμφανιστεί ακριβώς μέσα στην επιφάνεια του υγρού και όχι στην εξωτερική επιφάνεια.

Έκφραση για υπερβολική πίεση μέσα σε σαπουνόφουσκα

Η υπερβολική πίεση μέσα σε μια σαπουνόφουσκα είναι αντιστρόφως ανάλογη με την επιφανειακή τάση. Για μια σαπουνόφουσκα με ακτίνα r, η περίσσεια πίεση εκφράζεται ως P =4𝝈/r, όπου το 𝝈 αντιπροσωπεύει την επιφανειακή τάση, το r αντιπροσωπεύει την ακτίνα της σαπουνόφουσκας και το p αντιπροσωπεύει την πίεση που ασκείται στη φυσαλίδα.

Υπερβολική πίεση 𝝙P =Pi – Po, όπου Pi είναι η εσωτερική πίεση ενώ Po η εξωτερική πίεση.

Γνωρίζουμε ότι η δύναμη λόγω πίεσης =δύναμη λόγω επιφανειακής τάσης, επομένως λόγω της υπερβολικής πίεσης μέσα στην πτώση της φυσαλίδας, οι υπόλοιπες ελεύθερες επιφάνειες υποτίθεται ότι δέχονται την καθαρή δύναμη προς την έξω κατεύθυνση. Υπό ισοθερμικές συνθήκες, ο ελεύθερος χώρος θα μετατοπιστεί κατά dR. Επομένως, εδώ η υπερβολική πίεση θα κάνει κάποια εργασία μετατόπισης της διαδικασίας της επιφάνειας και αυτό το έργο μπορεί να αποθηκευτεί ως δυναμική ενέργεια.

Η εργασία που γίνεται αντιπροσωπεύεται από το γινόμενο της δύναμης και της μετατόπισης.

dW =δύναμη x μετατόπιση

=υπερπίεση x εμβαδόν επιφάνειας x μετατόπιση στην επιφάνεια

=P x 4𝞹R2 x dR ——— (1)

Εάν η δυναμική ενέργεια του συστήματος είναι αυξημένη, τότε παίρνουμε τον τύπο ως

dU =επιφανειακή τάση x αύξηση στην περιοχή της περιοχής ελεύθερης επιφάνειας.

=T [ 2 {4𝞹 (2RdR) } ] ———— (2)

Εξισώνοντας την εξίσωση (1) και (2) μπορούμε να λάβουμε,

P x 4𝞹R2 x dR =T [ 2 {4𝞹 (2RdR) } ]     

P =(4T) / R

Σχέση μεταξύ της υπερβολικής πίεσης και της επιφανειακής τάσης

Μια σημαντική σχέση είναι ότι η δύναμη που οφείλεται στην επιφανειακή τάση είναι ίση με τη δύναμη που οφείλεται στην υπερβολική πίεση. Η δύναμη που ασκείται από τη διαφορά πίεσης πρέπει να εξισορροπεί τη δύναμη που ασκείται από την επιφανειακή τάση. Ένα από τα κύρια παραδείγματα αυτών των σχέσεων είναι οι σταγόνες υγρών ή μια σαπουνόφουσκα.

Μια σφαιρική σαπουνόφουσκα, η οποία βρίσκεται ήδη σε επαφή με τον αέρα, αποτελείται από δύο υγρές επιφάνειες. Το ένα είναι μέσα στην επιφάνεια και το άλλο είναι έξω από την επιφάνεια. Και ένα από τα πολύ σημαντικά πράγματα είναι ότι η πίεση μέσα στην επιφάνεια θα είναι πάντα μεγαλύτερη από την πίεση έξω από την επιφάνεια. Βασικά, αν αυξήσουμε την επιφανειακή πίεση, τότε αυτόματα, η επιφανειακή τάση θα αυξηθεί.

Σημασία της υπερβολικής πίεσης και της επιφανειακής τάσης

Το φαινόμενο της επιφανειακής τάσης προσδιορίστηκε από τη συμπεριφορά των υγρών χρησιμοποιώντας μια σειρά από διαδικασίες και μεθοδολογία. Μερικά από αυτά είναι διαβροχή και διαβρεξιμότητα.

Σε ένα μόριο νερού, η επιφανειακή τάση είναι πολύ σημαντική για να επιτευχθεί το σωστό σχήμα της σταγόνας και να διατηρηθεί η δομή.

Η υπερβολική πίεση θα κάνει κάποια εργασία στις επιφάνειες και αυτό το έργο μπορεί να αποθηκευτεί με τη μορφή δυναμικής ενέργειας μέσα στο σύστημα.

Συμπέρασμα

Τόσο η υπερβολική πίεση όσο και η επιφανειακή τάση έχουν πολλές εφαρμογές. Παίζουν ουσιαστικό ζωτικό ρόλο στην καθημερινή μας ζωή. Η επιφανειακή τάση έχει την εφαρμογή της στον τομέα της φυσικής και της χημείας και παίζει σημαντικό ρόλο στον μεταβολισμό του ανθρώπινου σώματος. Κατά την ανάπτυξη των φυτών, η επιφανειακή τάση βοηθά το νερό να κινείται μέσω των ιστών του ξυλώματος χωρίς αντίσταση.

Πρόσφατα, οι ερευνητές αποκάλυψαν ότι οι δυνάμεις που δημιουργούνται από την επιφανειακή τάση παίζουν ζωτικό ρόλο στην αναδιάταξη των θέσεων των κυττάρων του σώματος.