Tegangan Permukaan. Kerja

Transcript

1 Tegangan Permukaan Kerja Cecair lebih cenderung menyesuaikan bentuknya ke arah yang luas permukaan yang minimum. Titisan cecair berbentuk sfera kerana nisbah luas permukaan terhadap isipadu adalah kecil. Kesan permukaan boleh dinyatakan dalam bentuk tenaga Helmholtz atau tenaga Gibbs. Dan perkaitan kedua-dua tenaga dan luas permukaan adalah kerja yang diperlukan untuk mengubah luas. Kerja yang dilakukan untuk mengubah tenaga sistem adalah sama dengan da atau dg. Jika perubahan luas dσ, kerja yang diperlukan ialah dw = γdσ dimana γ ialah tegangan permukaan. Kerja yang dilakukan pada suhu dan tekanan tetap adalah sama dengan perubahan tenaga Helmholtz, da, da = γdσ apabila dσ<0 maka da 0 maka pemukaan cecair akan mengecut. Katakan permukaan cecair diregang supaya keluasannya bertambah besar (Rajah 1). Rajah 1 1

2 Pertambahan luas, dσ dσ = lh Pertambahan luas didarabkan dengan kerana terdapat dua permukaan cecair sebelah menyebelah. Kerja yang dilakukan untuk meregang permukaan cecair ialah w = γ x dσ w = γ x lh γ disebut tegangan permukaan dalam unit Nm -1 (J/m ) Telah diketahui bahawa kerja adalah daya (F) x jarak (h) w = Fh F = γl Akibat dari pengecutan permukaan, cecair boleh berbentuk gelembung atau titisan. Gelembung Gelembung ialah wap atau udara yang terperangkap dalam lapisan nipis cecair. Gelembung terdiri dari dua permukaan iaitu sebelah luar dan sebelah dalam. Gelembung dalam cecair mempunyai satu lapisan (Rajah ). Rajah Perubahan luas gelembung dσ, apabila jejari r bertambah dr, dσ = 4π(r +dr) -4πr = 8πrdr (ungkapan dr diabaikan kerana bernilai kecil)

3 dw = γ8πrdr = F xdr F = 8πγr Daya yang bertindak ke dalam, F d ialah F d = 4πr P luar + 8πγr Daya yang bertindak keluar, F l ialah F l = 4πr P dlm Daya ke luar = Daya ke dalam 4πr P dlm = 4πr P luar + 8πγr γ P dlm P luar = r Persamaan ini disebut sebagai persamaan Laplace. Titisan Titisan adalah cecair dengan isipadu kecil dalam keseimbangan dengan wapnya dan juga udara. Tekanan wap dalam titisan tidak sama dengan tekanan wap permukaan mendatar. Katakan tekanan wap titisan P w dan tekanan wap cecair pukal P o. Jika perubahan tekanan dp cecair dalam keadaan pukal kepada bentuk titisan melibatkan pemindahan cecair dalam unit mol ialah dn. Jika gas dianggap unggul perubahan tenaga bebas atau kerja ialah dw = (dn)rt ln P w /P o Tenaga yang diperlukan untuk menghasilkan permukaan melengkung, dw dw = γda = γ[4π(r +dr ) - 4πr ] = 8πγrdr (dn)rt ln P w /P o = 8πγrdr Perubahan mol cecair ialah dn = 4πr dr (ρ/m) 4πr dr(ρ/m)rt ln (P w /P o )= 8πγrdr RT ln P w /P o = γm γ = rρ r Vm 3

4 atau P w = P e o γvm / rrt Persamaan ini dikenali sebagai persamaan Kelvin. Tindakan rerambut Kecenderungan cecair naik dalam tiub rerambut disebut tindakan rerambut akibat dari teangan permukaan. Apabila tiub rerambut diletakkan dalam cecair (Rajah 3), terdapat kecenderungan cecair melekat pada permukaan dinding rerambut. Rajah 3 Tenaga akan berkurangan jika lebih luas lapisan nipis meliputi dinding kaca. Permukaan cecair dalam tiub rerambut berbentuk melengkung. Tekanan luar P l menekan cecair naik melalui rerambut sehingga keseimbangan hidrostatik. Tekanan di bawah permukaan melengkung cecair, P P = P l γ r Tekanan yang diwujudkan oleh cecair dalam tiub rerambut, P P = ρgh dimana ρ ialah ketumpatan cecair, h ialah kenaikan cecair di dalam tiub rerambut, g ialah pecutan graviti. 4

5 γ Pl = Pe + ρgh r ρghr γ = Jejari permukaan melengkung tidak sama dg jejari rerambut kecuali sudut sentuh θ adalah kecil. Katakan jejari rerambut r jejari permukaan melengkung r, maka r = cosθ r' r' γ = ρgh cosθ ρghr' = jikaθ 0 Dengan kaedah perbandingan, tegangan permukaan cecair yang tidak diketahui boleh ditentukan dari nilai ketumpatan. γ γ 1 ρ1hi = ρ h Antaramuka cecair pepejal Cecair yang terdapat pada permukaan pepejal boleh berbentuk titisan atau terserak. Bentuk cecair pada permukaan pepejal adalah bergantung kepada sudut sentuh, θ diantara cecair dengan permukaan pepejal. Katakan pada keadaan keseimbangan sudut sentuh titisan dengan permukaan pepejal ialah θ dan cecair terserak dengan penambahan luas, da (Rajah 4). Rajah 4 5

6 Maka penambahan luas antara muka cecair wap ialah dacosθ dan penambahan tenaga bebas sistem ialah dg. dg = γ PC da - γ PG da + γ CG dacosθ Pada keadaan keseimbangan dg = 0, maka γ PC - γ PG + γ CG cosθ = 0 Sudut sentuh, θ boleh ditentukan dari persamaan di atas. Jika sudut sentuh bernilai sifar maka, γ PC - γ PG + γ CG = 0 Keterserakan cecair pada permukaan dinyatakan sebagai pekali serakan, S yang dinyatakan sebagai, S = γ PC - γ PG + γ CG Apabila S bernilai positif atau sifar cecair akan terserak pada permukaan pepejal. Sebaliknya apabila S bernilai negatif cecair berbentuk titisan pada permukaan pepejal. Kerja lekitan Kerja lekitan, w a ialah kerja yang diperlukan untuk memisahkan permukaan antara muka cecair pepejal sehingga terbentuk antara muka cecair gas dan antara muka pepejal gas (Rajah 5). pepejal cecair Rajah 5 6

7 Kerja lekitan, w a dinyatakan sebagai, w a = γ PG - γ CG + γ PC atau w a = γ CG ( 1 + cosθ ) 7

8 Soalan 1. Kirakan perbezaan tekanan dalam dan luaran bagi gelembung alkohol dengan jejari 0.1 mm pada 0 o C. (Tegangan permukaan alkohol pada 0 o C ialah. x 10 - Nm -1 ).. Kirakan kenaikan air di dalam salur rerambut dengan diameter 1 x 10-4 cm pada 5 o C. Kirakan tekanan yang diperlukan bagi menghalang air naik melalui rerambut. (Tegangan permukaan air pada 5 o C ialah 7.0 x 10 - Nm -1 ). 3. Kirakan tekanan wap titisan air pada suhu 5 o C dengan jejari nm. Tekanan wap pada permukaan datar ialah 3167 Pa. 4. Kirakan jejari titisan air apabila wap disejukkan dengan segera kepada 5 o C sehingga darjah ketepuan tercapai untuk membentuk titisan air di mana tekanan wap air 4 kali tekanan wap permukaan datar (P w /P o = 4). 5. Sudut sentuh titisan air pada permukaan lilin parafin ialah 105 o. Tentukan kerja lekitan air pada lilin parafin. (Tegangan permukaan air pada 5 o C ialah 7.0x10 - Nm -1 ) 8