6 ο Μάθημα Επιφανειακή Τάση 1
Επιφανειακή τάση του νερού Επιμέλεια: Γ. Ζαρδαλίδης, Θ. Κουκούλης
Καθημερινές παρατηρήσεις Έντομα επιπλέουν στο νερό. Αντικείμενα μεγάλης πυκνότητας επιπλέουν στο νερό. Ανύψωση του νερού σε τριχοειδή σωλήνα. 3
Γιατί συμβαίνουν τα παραπάνω; Ύπαρξη επιπλέον δύναμης στα μόρια της επιφάνειας σε αντίθεση με τα μόρια στο εσωτερικό επιφάνεια Eπιφανειακή τάση: οι δυνάμεις που αναγκάζουν τα υγρά να πάρουν τη μικρότερη δυνατή επιφάνεια για δεδομένο όγκο Συνεκτικές δυνάμεις Οι επιφάνειες των υγρών έχουν ιδιότητες ελαστικής μεμβράνης συγκράτηση αντικειμένων μεγαλύτερης πυκνότητας 4
Σε ποιους παράγοντες οφείλεται το σχήμα της σταγόνας; Για ΣF 0 Π.χ. Βαρυτικό πεδίο Γης Για ΣF=0 Πρώτος ο Plateau δημιούργησε σφαιρική σταγόνα με χρήση άνωσης. 5
Το φύλλο του λωτού και οι απίθανες υπερ-υδρόφοβες ιδιότητές του Η επιφάνεια του φύλλου παρουσιάζει περιοδικές προεξοχές με δομές σε κλίμακες μm και nm Γωνία συνεπαφής~147 ο Δημιουργία υδρό-φοβων και ελαιό-φοβων επιφανειών (αυτο - καθαριζόμενες επιφάνειες κ.λπ.) 6
Το υγρό «παίρνει» την μικρότερη τιμή του λόγου S/V Για σφαίρα: 2 S 4 r 3 3 V 4 r r 3 Για κύβο: S V kyb 6r r Προφανώς 3/r < 6/r. 3 2 6 r 7
Μονάδες της επιφανειακής τάσης Για τη μετακίνηση του κινητού σύρματος απαιτείται δύναμη ίση και αντίθετη με τη δύναμη της επιφανειακής τάσης δηλαδή F = γ * l, σε κάθε επιφάνεια. Έχουμε 2 επιφάνειες, άρα: F = 2* γ* l Μονάδες του γ: [N/m] ή [J/m 2 ] 8 Θερμοδυναμική Γ. Φλούδας
Πώς μετράμε τον συντελεστή επιφανειακής τάσης γ; Οι πιο διαδεδομένοι τρόποι είναι: Μέτρηση της γωνίας συνεπαφής θ Μορφή της σταγόνας 9 Θερμοδυναμική Γ. Φλούδας
Γωνία επαφής ή συνεπαφής (αλληλεπιδράσεις μεταξύ διαφορετικών μορίων δυνάμεις πρόσφυσης - συνάφειας) Η διαχωριστική επιφάνεια υγρού-αέρα καμπυλώνεται κοντά στο στερεό. Η θ που σχηματίζει η επιφάνεια ονομάζεται γωνία επαφής ή συνεπαφής. Για θ<90 το υγρό διαβρέχει την επ. του στερεού. Για θ>90 το υγρό δεν διαβρέχει την επ. του στερεού. 10 Θερμοδυναμική Γ. Φλούδας
Επιφανειακή τάση υγρών με μια ζυγαριά Επιμέλεια: Γ. Ζαρδαλίδης, Θ. Κουκούλης
Δυο φαινόμενα που προκαλούνται από την επιφανειακή τάση (α) Ανύψωση υγρής στήλης (τριχοειδή φαινόμενα) (β) Διαφορά πίεσης λόγω καμπυλότητας 12 Θερμοδυναμική Γ. Φλούδας
(α) Τριχοειδή φαινόμενα Επιφανειακή τάση προκαλεί ανύψωση ή ταπείνωση του υγρού F(συνάφειας)><F(συνεκτικές) Για υγρά που διαβρέχουν ισχύει: h ~ 2 gr γ=0.073 N/m 2 ~ 2 r mg r hg γ=0.47 N/m
(β) Διαφορά πίεσης μεταξύ εσωτερικούεξωτερικού, οφείλεται στην επιφανειακή τάση. Σε ατμοσφαιρική πίεση για σταγόνα, έχουμε: P εσ 2γ Σε ατμοσφαιρική πίεση για σαπουνόφουσκα, έχουμε: P εσ P εξ P εξ R 4γ R 14 Θερμοδυναμική Γ. Φλούδας
απόδειξη Δυνάμεις από την πίεση του αέρα στο εσωτερικό F I Σαπουνόφουσκα ακτίνας R F γ F 0 2 R 2 P R 2 15
Εφαρμογές του τριχοειδικού φαινομένου Απορροφητικότητα χαρτοπετσέτας. Ανύψωση του λαδιού στο φυτίλι του καντηλιού. Μεταφορά νερού σε ψηλά δέντρα μέσα από ξυλώδεις σωλήνες (διαστάσεων 0.1 mm). Παλάτια στην άμμο 16
Φτιάχνοντας παλάτια στην άμμο 2 υγροί κόκκοι σε προσέγγιση Δημιουργία «δεσμών» νερού μεταξύ των κόκκων (για 2% νερό) Μέτρο ελαστικότητας υγρών κόκκων ~ R -1/3 Ε 2/3 γ
Επιφανειακή τάση του νερού Η επιφανειακή τάση του νερού είναι 72 dynes/cm στους 25 C και μειώνεται σημαντικά με τη θερμοκρασία, όπως στο διάγραμμα. Η επιφανειακή τάση προκύπτει από τον πολικό χαρακτήρα του μορίου νερού. Εφαρμογές: Χρήση θερμού νερού για καθαρισμό Με χρήση σαπώνων πετυχαίνουμε περαιτέρω μείωση της επιφανειακής τάσης 18
Εξάρτηση από τη θερμοκρασία 19 Επιμέλεια: Γ. Ζαρδαλίδης, Θ. Κουκούλης
Μεταβολή της επιφανειακής τάσης του νερού Ελάττωση της επιφανειακής τάσης με χρήση σαπώνων/απορρυπαντικού Επιμέλεια: Γ. Ζαρδαλίδης, Θ. Κουκούλης 20
Επιφανειοδραστικές ουσίες (Surface active agents - Surfactants) Surfactants: κατηγορία χημικών ουσιών που περιέχουν υδρόφοβες (μη πολικές) ομάδες υδρογονανθράκων και μια υδρόφιλη (polar) ομάδα. Η πολική ομάδα επιδρά (χαλάει) μερικούς δεσμούς υδρογόνου του νερού. Ένα τυπικό παράδειγμα ενός surfactant είναι το δωδεκανικό θεϊκό νάτριο (διαβάστε το μπουκάλι του σαμπουάν σας!) Μείωση της επιφανειακής τάσης στους πνεύμονες με χρήση επιφανειοδραστικών 21 ουσιών Θερμοδυναμική Γ. Φλούδας
Η φυσική των φυσαλίδων Φυσαλίδες (10-1000 μm) με αυτο-οργάνωση για διαφορετικούς ρυθμούς ροής G. Whitesides (Harvard) - microfluidics