تبلیغات
تحقیق دانش آموزی - کشش سطحی و نیروی چسبندگی
 
نوشته شده توسط : amin zarrin
کشش سطحی (به انگلیسی: Surface tension)‏ ویژگی‌ای در مایع‌ها است که باعث می‌شود لایه بیرونی آن‌ها به صورت ورقه‌ای کشسان عمل کند. این همان ویژگی‌ای است که موجب ربایش دو سطح مایع به یکدیگر می‌شود؛ مانند دو قطرهٔ آب که همدیگر را می‌ربایند و قطرهٔ بزرگ‌تری می‌سازند. کشش سطحی کمیتی است که بعد نیرو در واحد طول یا انرژی در واحد سطح دارد و در فیزیک معمولاً با \gamma نشان داده می‌شود. کشش سطحی را همچنین می‌توان مقدار کار لازم برای ایجاد واحد سطح مشترک جدید در نظر گرفت.


علت
هر مولکول مایع از سوی مولکول‌های دیگرِ مایع ربوده می‌شود. مولکول‌هایی که درون حجم مایع هستند، از همه جهت ربوده می‌شوند و برایند نیروی وارد به آن‌ها صفر است. اما مولکول‌هایی که در سطح مایع هستند، تنها از یک جهت از سوی دیگر مولکول‌ها ربوده می‌شوند و نیروی ربایش در آن سوی مرز مایع (مثلاً از طرف مولکول‌های هوا) به آن‌ها کمتر است. بنابراین، به مولکول‌های روی سطح مایع نیروی خالصی به سمت درون وارد می‌شود که این نیرو با مقاومت مایع در برابر فشرده‌شدن خنثی می‌شود. در نتیجه، نیرویی در مایع به وجود می‌آید که می‌خواهد سطح مایع را کم کند. از همین رو سطح مایع به شکل ورقه‌ای الاستیک عمل می‌کند و آن قدر جمع می‌شود که کمترین سطح ممکن را داشته باشد.
راه دیگر برای توضیح کشش سطحی این است که یک مولکول اگر در کنار مولکول همسایه‌اش باشد، انرژی‌اش کمتر از وقتی است که کنار آن همسایه نباشد. مولکول‌های درونی بیشترین تعداد همسایه‌های ممکن را دارند. ولی مولکول‌هایی که در سطح هستند همسایه‌های کمتری دارند و بنابراین انرژی‌شان بیشتر از انرژی مولکول‌های درونی است. بنابراین، وقتی که مایع می‌خواهد انرژی کل‌اش را کمینه کند، می‌کوشد تاxxxxvv از شمار مولکول‌های سطحی‌اش بکاهد، و این یعنی یک مایع می‌خواهد کمترین سطح ممکن را داشته باشد.
برای کاستن از سطح، یک مایع همیشه هموارترین شکل ممکن را در سطح خود می‌گیرد (اثبات ریاضی این که چرا هموارترین سطح متناظر است با کمترین مساحت نیازمند قضیهٔ اویلر-لاگرانژ است). هر خمیدگی تازه بر روی سطح به مساحت بیشتر و در نتیجه انرژی بیشتر می‌انجامد.


نمایش سطح‌های کمینه با سطح مایع
اگر بخواهیم رویهٔ دوبعدی‌ای را بیابیم که میان مرزهای مشخصی قرار بگیرد و کمترین سطح ممکن را داشته باشد، شاید با ریاضیات به سختی به نتیجه برسیم. ولی به جایش می‌توانیم مرزها را با سیم بسازیم و آن را درون ظرفی پر از آب و صابون فرو ببریم. لایهٔ حباب صابونی که بین سیم‌ها ساخته می‌شود به تقریب نشان‌دهنده رویه‌ای با کمترین سطح ممکن است (اگر گرانش زمین نبود دقیقاً کمترین سطح را می‌ساخت).



اثرها
اثر مویینگی
نمایش اثر مویینگی برای دو لوله از جنس‌های متفاوت. چسبندگی آب به لولهٔ قرمزرنگ بیشتر و به لوله آبی‌رنگ کمتر از چسبندگی آب به خودش است.
اثر مویینگی یعنی بالاآمدن سطح مایع درون لوله‌ای که درون مایع فروبرده شده است. اگر لوله به قدر کافی باریک باشد و چسبندگی آب به لوله زیاد باشد، کشش سطحی می‌تواند آب را در لوله بالا بکشد. ارتفاع آب بالاآمده برابر است با
 h\ =\ \frac {2\gamma_\mathrm{la} \cos\theta}{\rho g r}

که در آن
h ارتفاع مایع بالاآمده است
\scriptstyle \gamma_\mathrm{la} کشش سطحی بین مایع و هواست.
\scriptstyle \rho چگالی مایع است.
 \scriptstyle r شعاع لوله مویین است.
\scriptstyle g شتاب گرانش است.
\scriptstyle \theta زاویه تماس مایع و سطح لوله است. اگر  بیشتر از ‎۹۰°‎ باشد، مثل جیوه در لولهٔ شیشه‌ای، مایع به جای بالاآمدن پایین می‌رود.



شکستن جریان مایع به قطره
جریان آبی که از شیر می‌آید، هر چه‌قدر هم که یکنواخت باشد، قطره‌قطره می‌شود. این به خاطر پدیده‌ای به نام ناپایداری پلاتو-ریلی است. که خود پیامد مستقیمی از کشش سطحی است.

اثر ساختارهای یونی بر کشش سطحی
کشش سطحی آب در صفر درجه سانتیگراد برابر با 75.64 dyn/cm است درحالیکه کشش سطحی برای یک محلول 6M نمک طعام برابر 82.55 dyn/cm است، زیرا کشش سطحی درواقع نتیجه ی نیروهای واندروالسی میان مولکولی است و هر چه این نیروها قویتر باشند، کشش سطحی نیز بیشتر می شود. افزایش ذره ای قطبی و یونی مانند سدیم کلرید به آب مایه آن می شود که جاذبه ی میان ذرات بیشتر شود ،زیرا جاذبه ی میان ذرات یونی و مولکولهای آب قویتر از جاذبه ی میان مولکولهای آب به تنهایی است، بنابراین کشش سطحی در این محلول های بیشتر از کشش سطحی آب خالص است.
اثر ساختار های مولکولی بر کشش سطحی
ساختارهای مولکولی مایه از میان رفتن ویژگی کشش سطحی مایعات می شوند ، مانند مواد شوینده که با شکستن کشش سطحی آب مایه رفتن مواد پاک کننده و آب به درون پارچه شده و پارچه را تمیز می کنند البته شکسته شدن کش سطحی مایعات تنها تا نقطه بحرانی (CMC) صورت میگیرد و پس از آن کشش سطحی ثابت می ماند بنابراین بکاگیری از غلظت های بالای ساختارهای مولکولی مانند مواد شوینده مایه شکسته شدن بیشتر کشش سطحی نمی شود .
کشش سطحی در پدیده‌های روزمره

کشش سطحی آب:
    دانه‌دانه‌شدن قطره‌های باران روی سطح خودرو. آب به سطوح روغنی بسیار کم جذب می‌شود و به خودش به‌شدت جذب می‌شود. از همین رو، روی سطح خودرو قطره تشکیل می‌دهد.
کشش سطحی در پدیده‌های دیگری هم رخ می‌دهد، مثلاً در موادی که کشش سطحی آن‌ها کم است:
 حباب صابون سطح بسیار بزرگی با مادهٔ بسیار کمی دارد. قطره‌هایی که از آب ساخته‌شده‌اند.

 چسبندگی
چسبندگی تمایل دو یا چند ماده غیرهم‌نوع برای قرارگیری در کنار یکدیگر گفته می‌شود. این فرآیند را نباید با پیوستگی (Cohesion) که تمایل کنارهم‌قرارگیری ماده هم‌جنس است، اشتباه گرفت

چسبندگی مکانیکی
چسبندگی مکانیکی سازوکاری شبیه سازوکار کشش سطحی دارد. سطح‌های دو ماده درهم‌رفتگی فیزیکی دارند.

چسبندگی شیمیایی
چسبندگی شیمیایی هنگامی رخ کی‌دهد که پیوند شیمیای بین دو سطح برقرار شود. تواناترین پیوند یونی و کوالانس است. اگر در یک سو هیدروژن و در سوی دیگر نیتروژن، اکسیژن یا فلوئور وجود داشته باشد، پیوند کم‌زور هیدروژنی ایجاد خواهد شد.

چسبندگی فیزیکی
همدوسی به آب شکل قطره می‌دهد. کشش سطحی آنها را به شکل کره در می‌آورد و چسبندگی آنها را روی برگ نگاه می‌دارد.
در چسندگی فیزیکی (Dispersive adhesion یا Physisorption) جذب فیزیکی دو ماده بوسیله نیروهای واندروالسی است. سازوکار این گونه چسبندگی بر پایه وجود قطبش در اتم‌ها و مولکول‌ها است که در آنها قطب‌های مثبت و منفی بوجود می‌آورد و این قطب‌ها با ربایش یکدیگر، پیوند واندوالسی می‌سازند.
در بحت سطح‌شناسی، چسبندگی فیزیکی، زاویه تماس و در نتیجه آن ترشوندگی را تعیین می‌کند. هنگامیکه دو فاز (مانند جامد و مایع) با هم در تماس باشند، هرچه چسبندگی بین آن دو بیشتر باشد، زاویه تماس کمتر و ترشوندگی بیشتر خواهد بود. برعکس، هرچه همدوسی بیشتر باشد، ماده تمایل به تماس بیشتر با خود خواهد بود و ازین‌رو چسبندگی و ترشوندگی کمتر و زاویه تماس بیشتر می‌شود.

چسبندگی الکترواستاتیک
گاهی بین دو یا چند ماده با تبادل الکترون، نیروی الکترواستاتیک برقرار می‌شود و باعث تمایل مواد به قرارگیری کنار یکدیگر می‌شود.

چسبندگی نفوذی
نفوذ اتم‌ها و مولکول‌های مواد در یگدیگر می‌تواند آنها را در کنار هم قرار دهد. این فرایند را می‌توان در بسیاری از مواد مانند فلزها و سرامیک‌ها با فرآیند تف‌جوشی یا پلیمرها دید.

مویینگی
موئینگی (به انگلیسی: capillarity)‏ یکی از پدیده‌های فیزیکی ناشی از نیروهای چسبندگی سطحی است.

اگر یک لوله موئین (لوله‌ای بسیار باریک) شیشه‌ای را در آب قرار دهیم آب در لوله بالا می‌رود و سطح آن کاو (مقعر) خواهد بود اما اگر همین لوله را در جیوه مایع قرار دهیم، جیوه از سطح قبلی خود پایین‌تر می‌ایستد و سطح کوژ (محدب) پیدا می‌کند.
بین مولکول‌های آب و شیشه نیروی چسبندگی سطحی قوی‌تر از نیروی چسبندگی بین مولکول‌های آب با یکدیگر است بنابراین مولکول‌های آب هرچه بیشتر به طرف مولکول‌های شیشه در سطح داخلی لوله موئین کشیده می‌شند و در لوله بالا می‌روند.
اما در مورد جیوه برعکس، نیروی چسبندگی بین مولکول‌های جیوه با یکدیگر قوی‌تر از نیروی چسبندگی سطحی بین مولکول‌های جیوه و شیشه است پس مولکول‌های جیوه به طرف مرکز لوله کشیده می‌شوند و در سطحی برجسته تجمع می‌یابند.

فشارِ چسبندگی
روشن است که حتی هنگامی که تودهی مایع کمینه سطحِ ممکن را بهدست آورد هنوز همان نیرویِ برایندِ جاذبهی بینِ مولکولیِ روبه داخلِ وارد شده بر مولکولهای سطح به وسیله مولکولهای مایعِ مجاورِ سطح وجود دارد. این نیرویِ عمودِ روبه داخلِ وارد شده بر سطح مایع فشاری بر مایع وارد میآوَرَد که دارای توزیعی در سرتاسرِ مایع خواهد بود (درست شبیهِ یک توده مایعِ قرار گرفته در اتمسفر که فشار هوا بر آن به شکلِ نیرویِ عمودِ روبه داخلِ وارد بر سطحِ آن اثر میکند درحالیکه این فشار در سرتاسرِ مایع احساس میشود). این فشار را فشارِ چسبندگی مینامیم. این در واقع این فشار (به اضافه فشار هوا درصورتِ قرار داشتنِ مایع در اتمسفر) میباشد که توده را تحت پِرِس قرار داده و سطحِ آنرا کمینه مینماید.
یک قطرهی مایع را که به شرطِ عدمِ وجودِ جاذبه گرانشی و عدمِ وجودِ فشارِ گازِ خارجیِ وارد شده بر سطح قطره (گرچه این شرطِ اخیر لازم نیست) شکلِ یک کُره را بهخود میگیرد درنظر بگیرید (واضح است که این شکل بهاین علت که دارای سطحِ کمینه است بهدست میآید). مولکولی از مایع را بر سطحِ این کُره درنظر گیرید. نیرویِ روبه مرکزی، عمود بر سطح، براین مولکول وجود دارد که ناشی از نیروهای جاذبه بینِ مولکولیِ وارد بر آن از مولکولهای داخلیِ مجاور با آن میباشد. از آنجا که این مولکول درحالِ تعادل است لزوماً باید نیرویی مساوی اما مختلفالجهه نیز برآن وجود داشته باشد. این نیرو که روبه خارج براین مولکول وارد میشود ناشی از فشارِ چسبندگی در مایعِ قطره میباشد.
همچنین میتوان این کُره را توسطِ یک صفحهی نصف النهاریِ آَنگاری به دو نیمکُره تقسیم کرد. دو نیروی مساوی اما مختلف الجهه بر نیم کره راست وارد شده باعثِ تعادلِ آن میشود: نیرویِ روبه چپِ ناشی از جاذبه بینِ مولکولهای مایع در سطحِ جداییِ دو نیمکره (یعنی صفحهی نصف النهاری)، و نیرویِ روبه راستِ ناشی از فشارِ چسبندگی در این سطحِ جدایی.
فشارِ چسبندگی ممکن است در نقاط مختلفِ تودهای از مایع متفاوت باشد (درست همانگونه که فشارِ ناشی از وزن مایع در نقاطِ مختلفِ مایعِ دارای ارتفاعاتِ کوناگون یکسان نیست). برای بررسیِ این امر دو مثال از حالتهای ناپایدار و پایدار را درنظر میگیریم:
حالتِ ناپایدارِ تودهی مایعِ شکلِ 1 را با فرض اینکه جاذبهی گرانشی و فشارِ گازِ خارجی وجود ندارد درنظر گیرید.
مطمئناً فشارِ چسبندگی در قسمتِ برآمده کمتر است تا در قسمتهای دیگر. این امر باعث میشود که گرچه همان نیرویِ جاذبهی روبه داخلی بر یک سطحِ جزئیِ لایهی مولکولیِ تشکیل دهندهی سطحِ این قسمتِ برآمده وارد میآید که بر یک سطحِ جزئیِ این لایه که تشکیل دهنده سطحِ دیگر قسمت هاست وارد میآید، اما چون فشارِ چسبندگیِ زیرِ این لایه در قسمتِ برآمده کمتر است تا در دیگر قسمتها لذا نیرویِ روبه خارجِ وارد شده بر سطح جزئیِ لایه در قسمتِ برآمده کمتر است تا در دیگر قسمتها. پس نیرویِ برایندِ وارد بر سطح جزئی در قسمتِ برآمده روبه داخل است درحالیکه در دیگر قسمتها تقریباً صفر است. این باعث میشود که لایه بهسمتِ داخل کشیده شود تا شکلِ کُروی برای توده بهدست آید.
اکنون حالتِ پایدارِ یک قطرهی مایع ، که درحالیکه فشارِ گازِ خارجی وجود ندارد تحتِ تأثیرِ وزن خود بر رویِ یک سطح صُلب، که به وسیلهی مایع تر نمیشود، قرار گرفته است، را درنظر گیرید؛ شکل 2 را ببینید. میدانیم که در هر نقطه روی سطح قطره، بهجز آن قسمت که در تماس با سطحِ S است، نیرویِ (برایندِ) روبهداخلِ وارد بر یک سطح جزئی (ناشی از جاذبه های بینِ مولکولی) یکسان است. چون هر نقطهی قطره درحالِ تعادل است نیرویِ روبه خارجِ وارد بر سطحِ جزئی باید دارای همان بزرگیِ نیرویِ روبه داخل باشد. این نیرویِ روبه خارج، ناشی از فشاری زیرِ سطح قطره است. این فشار مجموعِ دو فشار است: فشارِ ناشی از وزنِ ستونِ مایع بالای هر نقطه، و فشارِ چسبندگی. چون میدانیم با حرکت روی سطح از قُلّه بهطرفِ پایین، فشارِ ناشی از وزن مایع زیاد میشود لاجَرَم باید نتیجه بگیریم که با حرکت از قله به پایین، فشارِ چسبندگی در مایعِ مجاورِ سطح کاهش مییابد، و درحقیقت شکلِ گرفته شده به وسیلهی قطره به خاطرِ فراهم آوردنِ این فُرمِ ویژهی لازم از شیبِ فشارِ چسبندگی میباشد.
نیروی روبه داخلِ وارد بر سطحی از مایع که در تماس با سطح S میباشد شاملِ دو نیروی روبه داخلِ ناشی از جاذبهی بینِ مولکولیِ مولکولهای مایع و نیروی (عمود) عکس العملِ سطح S میباشد. روشن است که این نیرو میبایست توسطِ نیروهای روبه خارجِ ناشی از وزن مایع و فشار چسبندگی خنثی شود، وچون فشار وزن نسبت به نقاطی از سطح مایع که نزدیک به اما غیرِمماس با سطحِ S میباشند چندان تغییری ندارد نتیجه میگیریم که فشار چسبندگی نسبت به این نقاط به نحوِ قابل توچهی افزایش یافته است.



منبع: www.wikipedia.org
 





:: مرتبط با: علوم ,
:: برچسب‌ها: کشش سطحی , نیروی چسبندگی ,
تاریخ انتشار : دوشنبه 16 دی 1392 | نظرات
می توانید دیدگاه خود را بنویسید
canada pharmacies online prescriptions سه شنبه 13 شهریور 1397 05:58 ب.ظ

Awesome material. Thank you.
canada drugs drugstore online shopping reviews canadian pharmacy viagra buy viagra now canada pharmacies online prescriptions buy vistagra usa northwest pharmacies pharmacy canada plus buy viagrow pro trusted pharmacy canada scam
buy viagra online usa سه شنبه 13 شهریور 1397 02:57 ق.ظ

Great knowledge. Cheers!
buy viagra online silagra viagra buy usa is it safe to buy viagra online viagra online prescription viagra order online uk viagra how to get a prescription buy generic sildenafil buy generic viagra australia viagra from pharmacy
Cialis 20 mg دوشنبه 12 شهریور 1397 07:24 ب.ظ

Cheers, I appreciate this.
side effects for cialis discount cialis prices on cialis 10 mg cialis herbs cialis for sale cialis lowest price online prescriptions cialis dose size of cialis cialis 20 mg effectiveness 5 mg cialis coupon printable
cialisonla.com دوشنبه 12 شهریور 1397 12:52 ق.ظ

Many thanks, Awesome stuff!
cialis free trial cialis 5 mg buy purchasing cialis on the internet cialis uk next day cialis professional yohimbe buy cheap cialis in uk 200 cialis coupon cialis generika recommended site cialis kanada what is cialis
buy generic viagra cheap سه شنبه 23 مرداد 1397 02:51 ق.ظ

Thank you. I like it.
viagra best buy how to safely buy viagra online viagra purchase online buy cheapest viagra online buy brand viagra online without prescription lowest price viagra buy viagra online canadian pharmacy where can i buy cheap viagra buy viagra usa online buy viagra usa online
cialisvv.com یکشنبه 21 مرداد 1397 09:46 ب.ظ

Wonderful content. Thanks.
how do cialis pills work buy generic cialis import cialis the best site cialis tablets pastillas cialis y alcoho how does cialis work generic cialis with dapoxetine cialis for sale in europa cialis generico in farmacia cialis dosage recommendations
Buy cialis جمعه 7 اردیبهشت 1397 06:34 ب.ظ

This is nicely expressed. !
cialis pills boards cialis rckenschmerzen cialis rckenschmerzen side effects for cialis female cialis no prescription acheter du cialis a geneve buy cialis cheap 10 mg generic cialis 20mg uk cialis rezeptfrei free generic cialis
Tadalafil سه شنبه 4 اردیبهشت 1397 02:55 ق.ظ

Really all kinds of wonderful advice.
buy viagra usa viagra uk buy online can i buy viagra without a prescription buy generic viagra with paypal viagra at pharmacy viagra 100mg buy cheap viagra uk cheap online viagra uk buy viagra online canada buy viagra cheap online
Cialis generic جمعه 17 فروردین 1397 06:40 ب.ظ

Good content. Kudos.
click here to buy cialis cialis qualitat buy cialis online legal cialis online deutschland viagra cialis levitra cialis 20mg preis cf generic cialis at the pharmacy acheter du cialis a geneve cialis generique 5 mg cialis with 2 days delivery
Cialis online جمعه 3 فروردین 1397 02:43 ب.ظ

Awesome info, Cheers.
cialis uk cialis price thailand comprar cialis 10 espa241a cialis in sconto cialis coupons cialis prezzo al pubblico generic cialis with dapoxetine cialis without a doctor's prescription cialis 30 day sample cialis generic
Cialisdat یکشنبه 27 اسفند 1396 09:40 ب.ظ

Nicely put, Appreciate it.
order generic cialis online cialis 50 mg soft tab cialis super acti cialis generico online tadalafil 10 mg prix de cialis order cialis from india warnings for cialis cialis pills in singapore cialis price in bangalore
manicure سه شنبه 22 فروردین 1396 04:49 ب.ظ
Greetings! Very helpful advice within this article!
It is the little changes that make the most significant changes.
Thanks for sharing!
مهناز دوشنبه 16 دی 1392 11:30 ق.ظ
سلام خوبی؟وبلاگ زیبایی داری ولی یه مشکل خیلی کوچیک داری من یه راهی بهت پیشنهاد میکنم خودم تست کردم جواب گرفتم.برو وبلاگت رو به این آدرس ثبت کن این سایت بازدید کننده زیاد داره و کسانی که به این سایت سر میزنند به وبلاگ تو هم سر میزنند.موفق باشی
 
لبخندناراحتچشمک
نیشخندبغلسوال
قلبخجالتزبان
ماچتعجبعصبانی
عینکشیطانگریه
خندهقهقههخداحافظ
سبزقهرهورا
دستگلتفکر