Apa Ketegangan Permukaan? Definisi dan Eksperimen

Ketegangan permukaan adalah fenomena di mana permukaan cairan, di mana cairan itu bersentuhan dengan gas, bertindak sebagai lembaran elastis tipis. Istilah ini biasanya digunakan hanya ketika permukaan cairan bersentuhan dengan gas (seperti udara). Jika permukaannya berada di antara dua cairan (seperti air dan minyak), itu disebut "antarmuka tegangan."

Berbagai gaya antarmolekul, seperti gaya Van der Waals, menyatukan partikel-partikel cair. Di sepanjang permukaan, partikel ditarik ke arah sisa cairan, seperti yang ditunjukkan pada gambar di sebelah kanan.

Ketegangan permukaan (dilambangkan dengan variabel Yunani gamma) didefinisikan sebagai rasio kekuatan permukaan F sampai panjang d di mana kekuatan bertindak:

gamma = F / d

Satuan Ketegangan Permukaan

Ketegangan permukaan diukur dalam Unit SI N / m (newton per meter), meskipun unit yang lebih umum adalah satuan cgs dyn / cm (dyne per centimeter).

Untuk mempertimbangkan termodinamika situasi, terkadang berguna untuk mempertimbangkannya

Kekuatan-kekuatan ini mengikat partikel permukaan bersama-sama. Meskipun pengikatan ini lemah - cukup mudah untuk memecahkan permukaan cairan - itu memang bermanifestasi dalam banyak cara.

Tetesan air. Saat menggunakan penetes air, air tidak mengalir dalam aliran yang kontinu, melainkan dalam serangkaian tetes. Bentuk tetesan air disebabkan oleh tegangan permukaan air. Satu-satunya alasan setetes air tidak sepenuhnya berbentuk bola adalah karena gaya gravitasi menariknya ke bawah. Dengan tidak adanya gravitasi, drop akan meminimalkan area permukaan untuk meminimalkan ketegangan, yang akan menghasilkan bentuk bola sempurna.

Serangga berjalan di atas air. Beberapa serangga dapat berjalan di atas air, seperti pengukur air. Kaki mereka dibentuk untuk mendistribusikan beratnya, menyebabkan permukaan cairan menjadi tertekan, meminimalkan potensi energi untuk menciptakan keseimbangan kekuatan sehingga strider dapat bergerak melintasi permukaan air tanpa menembusnya permukaan. Ini mirip dalam konsep memakai sepatu salju untuk berjalan melintasi salju tebal tanpa kaki Anda tenggelam.

Jarum (atau penjepit kertas) mengambang di atas air. Meskipun kerapatan benda-benda ini lebih besar dari air, tegangan permukaan di sepanjang depresi cukup untuk menetralkan gaya gravitasi yang menekan benda logam. Klik pada gambar di sebelah kanan, lalu klik "Selanjutnya," untuk melihat diagram gaya dari situasi ini atau coba trik Mengambang Jarum untuk Anda sendiri.

Saat Anda meniup gelembung sabun, Anda menciptakan gelembung udara bertekanan yang terkandung dalam permukaan cairan yang tipis dan elastis. Sebagian besar cairan tidak dapat mempertahankan tegangan permukaan yang stabil untuk membuat gelembung, itulah sebabnya sabun umumnya digunakan dalam proses... itu menstabilkan tegangan permukaan melalui sesuatu yang disebut efek Marangoni.

Ketika gelembung ditiup, permukaan film cenderung berkontraksi. Ini menyebabkan tekanan di dalam gelembung meningkat. Ukuran gelembung menstabilkan pada ukuran di mana gas di dalam gelembung tidak akan berkontraksi lebih jauh, setidaknya tanpa memecahkan gelembung.

Faktanya, ada dua antarmuka gas-cair pada gelembung sabun - satu di bagian dalam gelembung dan satu di bagian luar gelembung. Di antara dua permukaan adalah a film pendek cairan.

Bentuk bola dari gelembung sabun disebabkan oleh minimasi luas permukaan - untuk volume tertentu, bola selalu merupakan bentuk yang memiliki luas permukaan paling sedikit.

Untuk mempertimbangkan tekanan di dalam gelembung sabun, kami mempertimbangkan radiusnya R gelembung dan juga tegangan permukaan, gamma, dari cairan (sabun dalam hal ini - sekitar 25 dyn / cm).

Kita mulai dengan mengasumsikan tidak ada tekanan eksternal (yang, tentu saja, tidak benar, tapi kami akan membereskannya sedikit). Anda kemudian mempertimbangkan penampang melintang di tengah-tengah gelembung.

Sepanjang penampang ini, mengabaikan perbedaan sangat kecil dalam jari-jari dalam dan luar, kita tahu kelilingnya adalah 2piR. Setiap permukaan bagian dalam dan luar akan memiliki tekanan gamma sepanjang seluruh, jadi total. Oleh karena itu, gaya total dari tegangan permukaan (dari film dalam dan luar) adalah 2gamma (2pi R).

Di dalam gelembung, bagaimanapun, kita memiliki tekanan hal yang bertindak atas seluruh penampang pi R², menghasilkan kekuatan total hal(pi R²).

Karena gelembung itu stabil, jumlah dari gaya-gaya ini harus nol sehingga kita dapat:

2 gamma (2 pi R) = hal( pi R²)
atau
hal = 4 gamma / R

Jelas, ini adalah analisis yang disederhanakan di mana tekanan di luar gelembung adalah 0, tetapi ini mudah diperluas untuk mendapatkan perbedaan antara tekanan interior hal dan tekanan eksterior hal_e:

hal - hal_e = 4 gamma / R

Menganalisa setetes cairan, yang bertentangan dengan gelembung sabun, lebih sederhana. Alih-alih dua permukaan, hanya ada permukaan luar untuk dipertimbangkan, jadi faktor 2 jatuh persamaan sebelumnya (ingat di mana kami menggandakan tegangan permukaan untuk menjelaskan dua permukaan?) menjadi menghasilkan:

hal - hal_e = 2 gamma / R

Ketegangan permukaan terjadi selama antarmuka gas-cair, tetapi jika antarmuka itu bersentuhan dengan a permukaan padat - seperti dinding wadah - antarmuka biasanya melengkung ke atas atau ke bawah di dekat itu permukaan. Bentuk permukaan cekung atau cembung itu dikenal sebagai a meniskus

Sudut kontak, theta, ditentukan seperti yang ditunjukkan pada gambar di sebelah kanan.

Sudut kontak dapat digunakan untuk menentukan hubungan antara tegangan permukaan cair-padat dan tegangan permukaan gas-cair, sebagai berikut:

gamma_ls = - gamma_lg cos theta

dimana

• gamma_ls adalah tegangan permukaan cair-padat
• gamma_lg adalah tegangan permukaan gas-cair
• theta adalah sudut kontak

Satu hal yang perlu dipertimbangkan dalam persamaan ini adalah bahwa dalam kasus di mana meniskus adalah cembung (mis. Sudut kontak lebih besar dari 90 derajat), komponen kosinus dari persamaan ini akan negatif yang berarti bahwa tegangan permukaan padat-cair akan positif.

Jika, di sisi lain, meniskus cekung (mis. Turun ke bawah, sehingga sudut kontak kurang dari 90 derajat), maka theta Istilahnya positif, dalam hal ini hubungan akan menghasilkan a negatif tegangan permukaan cair-padat!

Apa artinya ini, pada dasarnya, adalah bahwa cairan itu melekat pada dinding wadah bekerja untuk memaksimalkan area yang bersentuhan dengan permukaan padat, sehingga meminimalkan potensi keseluruhan energi.

Efek lain yang terkait dengan air dalam tabung vertikal adalah properti dari kapilaritas, di mana permukaan cairan menjadi tinggi atau tertekan dalam tabung dalam kaitannya dengan cairan di sekitarnya. Ini juga terkait dengan sudut kontak yang diamati.

Jika Anda memiliki cairan dalam wadah, dan letakkan tabung sempit (atau kapiler) jari-jari r ke dalam wadah, perpindahan vertikal y yang akan terjadi dalam kapiler diberikan oleh persamaan berikut:

y = (2 gamma_lg cos theta) / ( dgr)

dimana

• y adalah perpindahan vertikal (naik jika positif, turun jika negatif)
• gamma_lg adalah tegangan permukaan gas-cair
• theta adalah sudut kontak
• d adalah densitas cairan
• g adalah percepatan gravitasi
• r adalah jari-jari kapiler

CATATAN: Sekali lagi, jika theta lebih besar dari 90 derajat (cembung meniskus), menghasilkan tegangan permukaan cair-padat negatif, tingkat cairan akan turun dibandingkan dengan tingkat sekitarnya, yang bertentangan dengan kenaikan sehubungan dengan Itu.

Kapilaritas bermanifestasi dalam banyak hal di dunia sehari-hari. Handuk kertas menyerap melalui kapilaritas. Saat membakar lilin, lilin yang meleleh naik ke atas sumbu karena kapilaritas. Dalam biologi, meskipun darah dipompa ke seluruh tubuh, proses inilah yang mendistribusikan darah dalam pembuluh darah terkecil yang disebut, secara tepat, kapiler.

Bahan yang dibutuhkan:

• 10 hingga 12 Perempat
• gelas penuh air

Perlahan, dan dengan tangan yang mantap, bawa perempat satu per satu ke tengah gelas. Tempatkan tepi sempit kuartal di air dan lepaskan. (Ini meminimalkan gangguan pada permukaan, dan menghindari membentuk gelombang yang tidak perlu yang dapat menyebabkan meluap.)

Ketika Anda melanjutkan dengan lebih banyak tempat, Anda akan heran betapa cembungnya air menjadi di atas gelas tanpa meluap!

Varian yang mungkin: Lakukan percobaan ini dengan kacamata yang identik, tetapi gunakan berbagai jenis koin di setiap gelas. Gunakan hasil dari berapa banyak yang bisa masuk untuk menentukan rasio volume koin yang berbeda.

Bahan yang dibutuhkan:

• garpu (varian 1)
• selembar kertas tisu (varian 2)
• jarum jahit
• gelas penuh air

Tempatkan jarum di garpu, turunkan perlahan ke dalam gelas air. Tarik keluar garpu dengan hati-hati, dan jarum bisa mengambang di permukaan air.

Trik ini membutuhkan tangan mantap yang nyata dan beberapa latihan, karena Anda harus menghapus garpu sedemikian rupa sehingga bagian dari jarum tidak menjadi basah... atau jarum akan wastafel. Anda dapat menggosokkan jarum di antara jari-jari Anda sebelumnya untuk "melumuri" itu meningkatkan peluang kesuksesan Anda.

Varian 2 Trick

Tempatkan jarum jahit pada selembar kertas tisu kecil (cukup besar untuk menahan jarum). Jarum diletakkan di atas kertas tisu. Kertas tisu akan menjadi basah dengan air dan tenggelam ke dasar gelas, meninggalkan jarum mengambang di permukaan.

Bahan yang dibutuhkan:

• lilin menyala (CATATAN: Jangan bermain dengan pertandingan tanpa persetujuan dan pengawasan orang tua!)
• corong
• larutan deterjen atau sabun-gelembung

Tempatkan ibu jari Anda di ujung kecil corong. Bawa dengan hati-hati ke arah lilin. Lepaskan ibu jari Anda, dan tegangan permukaan gelembung sabun akan membuatnya berkontraksi, memaksa udara keluar melalui corong. Udara yang dipaksa oleh gelembung harus cukup untuk memadamkan lilin.

Untuk percobaan yang agak terkait, lihat Balon Roket.

Bahan yang dibutuhkan:

• selembar kertas
• gunting
• minyak sayur atau deterjen pencuci piring cair
• sebuah mangkuk besar atau loyang kue penuh air

Setelah pola Paper Fish Anda dipotong, letakkan di wadah air sehingga mengapung di permukaan. Masukkan setetes minyak atau deterjen ke dalam lubang di tengah ikan.

Deterjen atau oli akan menyebabkan tegangan permukaan di lubang itu turun. Ini akan menyebabkan ikan mendorong ke depan, meninggalkan jejak minyak saat bergerak melintasi air, tidak berhenti sampai minyak telah menurunkan tegangan permukaan seluruh mangkuk.

Tabel di bawah ini menunjukkan nilai tegangan permukaan yang diperoleh untuk berbagai cairan pada berbagai suhu.

Nilai Ketegangan Permukaan Eksperimental

Diedit oleh Anne Marie Helmenstine, Ph. D.