Oberflächenspannung ist ein Eigentum der Oberfläche einer Flüssigkeit, die ihm erlaubt, einer Außenkraft zu widerstehen. Es wird zum Beispiel im Schwimmen von einigen Gegenständen auf der Oberfläche von Wasser offenbart, wenn auch sie dichter sind als Wasser, und in der Fähigkeit von einigen Kerbtieren (z.B Wasser striders), um auf dem Wasserspiegel zu laufen. Dieses Eigentum wird durch die Kohäsion von ähnlichen Molekülen verursacht, und ist für viele der Handlungsweisen von Flüssigkeiten verantwortlich.

Oberflächenspannung hat die Dimension der Kraft pro Einheitslänge, oder von der Energie pro Einheitsgebiet. Die zwei sind gleichwertig — aber wenn sie sich auf die Energie pro Einheit des Gebiets beziehen, verwenden Leute die Begriff-Oberflächenenergie — der ein allgemeinerer Begriff im Sinn ist, dass es auch für Festkörper und nicht nur Flüssigkeiten gilt.

In der Material-Wissenschaft wird Oberflächenspannung entweder für Oberflächenbetonung verwendet, oder erscheinen Sie freie Energie.

Ursachen

Die zusammenhaltenden Kräfte unter flüssigen Molekülen sind für das Phänomen der Oberflächenspannung verantwortlich. Im Hauptteil der Flüssigkeit wird jedes Molekül ebenso in jeder Richtung durch das Grenzen an flüssige Moleküle gezogen, auf eine Nettokraft der Null hinauslaufend. Die Moleküle an der Oberfläche haben andere Moleküle auf allen Seiten von ihnen nicht und werden deshalb nach innen gezogen. Das schafft etwas inneren Druck und zwingt flüssige Oberflächen, sich zum minimalen Gebiet zusammenzuziehen.

Oberflächenspannung ist für die Gestalt von flüssigen Tröpfchen verantwortlich. Obwohl leicht deformiert, neigen Tröpfchen von Wasser dazu, in eine kugelförmige Gestalt durch die zusammenhaltenden Kräfte der Oberflächenschicht gezogen zu werden. Ohne andere Kräfte, einschließlich des Ernstes, würden Fälle eigentlich aller Flüssigkeiten vollkommen kugelförmig sein. Die kugelförmige Gestalt minimiert die notwendige "Wandspannung" der Oberflächenschicht gemäß dem Gesetz von Laplace.

Eine andere Weise, Oberflächenspannung anzusehen, ist in Bezug auf die Energie. Ein Molekül im Kontakt mit einem Nachbar ist in einem niedrigeren Staat der Energie, als wenn es (nicht im Kontakt mit einem Nachbar) allein war. Die Innenmoleküle haben so viele Nachbarn, wie sie vielleicht haben können, aber die Grenzmoleküle vermissen Nachbarn (im Vergleich zu Innenmolekülen) und haben deshalb eine höhere Energie. Für die Flüssigkeit, um seinen Energiestaat zu minimieren, muss die Zahl von höheren Energiegrenzmolekülen minimiert werden. Die minimierte Menge von Grenzmolekülen läuft auf eine minimierte Fläche hinaus.

Infolge der Fläche-Minimierung wird eine Oberfläche die glatteste Gestalt annehmen es kann (mathematischer Beweis, dass "glatte" Gestalten Fläche minimieren, verlässt sich auf den Gebrauch der Euler-Lagrange Gleichung). Da jede Krümmung in der Oberflächengestalt auf größeres Gebiet hinausläuft, wird eine höhere Energie auch resultieren. Folglich wird die Oberfläche zurück gegen jede Krümmung auf die ziemlich gleiche Weise stoßen, wie ein Ball gestoßen hat, bergauf wird zurück stoßen, um seine potenzielle Gravitationsenergie zu minimieren.

Effekten im täglichen Leben

Wasser

Mehrere Effekten der Oberflächenspannung können mit gewöhnlichem Wasser gesehen werden:

A. Von Regenwasser auf der Oberfläche einer wächsernen Oberfläche wie ein Blatt perlend. Wasser klebt schwach, um zu wachsen, und stark zu sich, so Wassertrauben in Fälle. Oberflächenspannung gibt ihnen ihre mit der Nähe kugelförmige Gestalt, weil ein Bereich die kleinstmögliche Fläche zum Volumen-Verhältnis hat.

B. Die Bildung von Fällen kommt vor, wenn eine Masse von Flüssigkeit gestreckt wird. Der Zeichentrickfilm zeigt Wasser, das an der Wasserhahn-Gewinnungsmasse klebt, bis es zu einem Punkt gestreckt wird, wo die Oberflächenspannung es zum Wasserhahn nicht mehr binden kann. Es trennt sich dann, und Oberflächenspannung bildet den Fall in einen Bereich. Wenn ein Strom von Wasser vom Wasserhahn liefe, würde sich der Strom in Fälle während seines Falls auflösen. Ernst streckt den Strom, dann klemmt Oberflächenspannung es in Bereiche.

C. Das Schwimmen von Gegenständen, die dichter sind als Wasser, kommt vor, wenn der Gegenstand nichtbenetzbar ist und sein Gewicht klein genug ist, um durch die Kräfte geboren zu werden, die aus der Oberflächenspannung entstehen. Zum Beispiel verwendet Wasser striders Oberflächenspannung, um auf der Oberfläche eines Teichs spazieren zu gehen. Die Oberfläche des Wassers benimmt sich wie ein elastischer Film: Die Füße des Kerbtiers verursachen Einrückungen in der Oberfläche von Wasser, seine Fläche vergrößernd.

D. Die Trennung von Öl und Wasser (in diesem Fall, flüssiges und Wasserwachs) wird durch eine Spannung in der Oberfläche zwischen unterschiedlichen Flüssigkeiten verursacht. Dieser Typ der Oberflächenspannung wird "Schnittstelle-Spannung" genannt, aber seine Physik ist dasselbe.

E. Tränen von Wein sind die Bildung von Fällen und Bächen auf der Seite eines Glases, das ein alkoholisches Getränk enthält. Seine Ursache ist eine komplizierte Wechselwirkung zwischen den sich unterscheidenden Oberflächenspannungen von Wasser und Vinylalkohol; es wird durch eine Kombination der Oberflächenspannungsmodifizierung von Wasser durch Vinylalkohol zusammen mit Vinylalkohol veranlasst, der schneller verdampft als Wasser.

Image:Dew 2.jpg|A. Wasser, das auf einem Blatt perlt

Image:Water Fall-Zeichentrickfilm hat klein gif|B erhöht. Wasser, das von einem Klaps tropft

File:WaterstriderEnWiki.jpg|C. Wasser striders bleibt oben auf der Flüssigkeit wegen der Oberflächenspannung

File:1990s Mathmos Astro.jpg|D. Lava-Lampe mit der Wechselwirkung zwischen unterschiedlichen Flüssigkeiten; flüssiges und Wasserwachs

Image:Wine Bein-Schatten jpg|E. Foto, die "Tränen von Wein" Phänomen zeigend.

</Galerie>

Surfactants

Oberflächenspannung ist in anderen allgemeinen Phänomenen besonders sichtbar, wenn surfactants verwendet werden, um sie zu vermindern:

• Seifenblasen haben sehr große Flächen mit sehr wenig Masse. Luftblasen in reinem Wasser sind nicht stabil. Die Hinzufügung von surfactants kann jedoch eine Stabilisierungswirkung auf die Luftblasen haben (sieh Wirkung von Marangoni). Bemerken Sie, dass surfactants wirklich die Oberflächenspannung von Wasser durch einen Faktor drei oder mehr reduzieren.
• Emulsionen sind ein Typ der Lösung, in der Oberflächenspannung eine Rolle spielt. Winzige Bruchstücke von in reinem Wasser aufgehobenem Öl werden sich in viel größere Massen spontan versammeln. Aber die Anwesenheit eines surfactant stellt eine Abnahme in der Oberflächenspannung zur Verfügung, die Stabilität von Minutentröpfchen von Öl im Hauptteil von Wasser (oder umgekehrt) erlaubt.

Grundlegende Physik

Zwei Definitionen

Oberflächenspannung, die durch das Symbol γ vertreten ist, wird als die Kraft entlang einer Linie der Einheitslänge definiert, wo die Kraft zur Oberfläche, aber Senkrechte zur Linie parallel ist. Eine Weise, das darzustellen, ist, sich einen flachen Seife-Film vorzustellen, der auf einer Seite durch einen gespannten Faden der Länge, L begrenzt ist. Der Faden wird zum Interieur des Films durch eine Kraft gezogen, die 2L gleich ist (der Faktor 2 ist, weil der Seife-Film zwei Seiten, folglich zwei Oberflächen hat). Oberflächenspannung wird deshalb in Kräften pro Einheitslänge gemessen. Seine SI-Einheit ist Newton pro Meter, aber die cgs Einheit des Dyns pro Cm wird auch verwendet. Ein dyn/cm entspricht 0.001 N/m.

Eine gleichwertige Definition, diejenige, die in der Thermodynamik nützlich ist, ist geleistete Arbeit pro Einheitsgebiet. Als solcher, um die Fläche einer Masse von Flüssigkeit durch einen Betrag, δA zu vergrößern, ist eine Menge der Arbeit, δA, erforderlich. Diese Arbeit wird als potenzielle Energie versorgt. Folglich Oberflächenspannung kann auch im SI-System als Joule pro Quadratmeter und im cgs System als Erg pro Cm gemessen werden. Da mechanische Systeme versuchen, einen Staat der minimalen potenziellen Energie zu finden, nimmt ein freies Tröpfchen von Flüssigkeit natürlich eine kugelförmige Gestalt an, die die minimale Fläche für ein gegebenes Volumen hat.

Die Gleichwertigkeit des Maßes der Energie pro Einheitsgebiet, um pro Einheitslänge zu zwingen, kann durch die dimensionale Analyse bewiesen werden.

Oberflächenkrümmung und Druck

Wenn keine zu einer Tensioned-Oberfläche normalen Kraft-Taten, die Oberfläche flach bleiben muss. Aber wenn sich der Druck auf eine Seite der Oberfläche vom Druck auf der anderen Seite unterscheidet, läuft die Druck-Unterschied-Zeitfläche auf eine normale Kraft hinaus. In der Größenordnung von den Oberflächenspannungskräften, um die Kraft wegen des Drucks zu annullieren, muss die Oberfläche gebogen werden. Das Diagramm zeigt, wie die Oberflächenkrümmung eines winzigen Flecks der Oberfläche zu einem Nettobestandteil von Oberflächenspannungskräften führt, die normal zum Zentrum des Flecks handeln. Wenn alle Kräfte erwogen werden, ist die resultierende Gleichung als die Gleichung von Young-Laplace bekannt:

::

wo:

:*Δp ist der Druck-Unterschied.

:* ist Oberflächenspannung.

:*R und R sind Radien der Krümmung in jeder der Äxte, die zur Oberfläche parallel sind.

Die Menge in Parenthesen ist auf der rechten Seite tatsächlich (zweimal) die Mittelkrümmung der Oberfläche (abhängig von Normalisierung).

Lösungen dieser Gleichung bestimmen die Gestalt von Wasserfällen, Pfützen, Menisken, Seifenblasen und allen anderen durch die Oberflächenspannung bestimmten Gestalten (wie die Gestalt der Eindrücke, dass Füße eines Wasserstrider auf der Oberfläche eines Teichs machen).

Der Tisch zeigt unten, wie der innere Druck eines Wassertröpfchens mit dem abnehmenden Radius zunimmt. Für nicht sehr kleine Fälle ist die Wirkung fein, aber der Druck-Unterschied wird enorm, wenn sich die Fall-Größen der molekularen Größe nähern. (In der Grenze eines einzelnen Moleküls wird das Konzept sinnlos.)

Flüssige Oberfläche

Die Gestalt der minimalen durch einen Rahmen in der willkürlichen Form begrenzten Oberfläche mit ausschließlich mathematischen Mitteln zu finden, kann eine Einschüchtern-Aufgabe sein. Und doch durch die Formgebung des Rahmens aus der Leitung und das Tauchen davon in die Seife-Lösung wird eine lokal minimale Oberfläche im resultierenden Seife-Film innerhalb von Sekunden erscheinen.

Der Grund dafür besteht darin, dass der Druck-Unterschied über eine flüssige Schnittstelle zur Mittelkrümmung, wie gesehen, in der Gleichung von Young-Laplace proportional ist. Für einen offenen Seife-Film ist der Druck-Unterschied Null, folglich ist die Mittelkrümmung Null, und minimale Oberflächen haben das Eigentum der Nullmittelkrümmung.

Setzen Sie sich mit Winkeln in Verbindung

Die Oberfläche jeder Flüssigkeit ist eine Schnittstelle zwischen dieser Flüssigkeit und einem anderen Medium. Die Spitzenoberfläche eines Teichs ist zum Beispiel eine Schnittstelle zwischen dem Teich-Wasser und der Luft. Oberflächenspannung ist dann nicht ein Eigentum der Flüssigkeit allein, aber ein Eigentum der Schnittstelle von Flüssigkeit mit einem anderen Medium. Wenn eine Flüssigkeit in einem Behälter, dann außer der Schnittstelle der Flüssigkeit/Luft an seiner Spitzenoberfläche ist, gibt es auch eine Schnittstelle zwischen der Flüssigkeit und den Wänden des Behälters. Die Oberflächenspannung zwischen der Flüssigkeit und Luft ist gewöhnlich (größer verschieden als) seine Oberflächenspannung mit den Wänden eines Behälters. Und wo sich die zwei Oberflächen treffen, muss ihre Geometrie solch sein, dass alle Kräfte balancieren.

Wo sich die zwei Oberflächen treffen, bilden sie einen Kontakt-Winkel, der der Winkel ist, den die Tangente zur Oberfläche mit der festen Oberfläche macht. Das Diagramm zum Recht zeigt zwei Beispiele. Spannungskräfte werden für die Schnittstelle der flüssigen Luft, die flüssig-feste Schnittstelle und die Schnittstelle der festen Luft gezeigt. Das Beispiel ist links, wo der Unterschied zwischen dem flüssig-festen und der Oberflächenspannung der festen Luft weniger ist als die Oberflächenspannung der flüssigen Luft, aber dennoch positiv ist, der ist

:

Im Diagramm müssen sowohl die vertikalen als auch horizontalen Kräfte genau am Kontakt-Punkt annullieren, der als Gleichgewicht bekannt ist. Der horizontale Bestandteil dessen wird durch die klebende Kraft annulliert.

:

Mehr Erzählen-Gleichgewicht von Kräften ist aber in der vertikalen Richtung. Der vertikale Bestandteil dessen muss die Kraft genau annullieren.

:

| rowspan = "6" Stil = "text-align:Center;" |0°

| -

| Vinylalkohol

| -

| Diethyl-Äther

| -

| Kohlenstoff tetrachloride

| -

| Glyzerin

| -

| essigsaure Säure

| -

| rowspan = "2" |water

| Paraffin

| Stil = "text-align:Center;" |107°

| -

| Silber

| Stil = "text-align:Center;" |90°

| -

| rowspan = "3" | Methyl iodide

| Glas der Soda-Limone

| Stil = "text-align:Center;" |29°

| -

| führen Sie Glas

| Stil = "text-align:Center;" |30°

| -

| verschmolzener Quarz

| Stil = "text-align:Center;" |33°

| -

| Quecksilber

| Glas der Soda-Limone

| Stil = "text-align:Center;" |140°

| -

| colspan = "3" Stil = "text-align:Center;" |Some flüssig-fester Kontakt biegt um

| }\

Da die Kräfte im direkten Verhältnis zu ihren jeweiligen Oberflächenspannungen sind, haben wir auch:

:

wo

:* ist die flüssig-feste Oberflächenspannung,

:* ist die Oberflächenspannung der flüssigen Luft,

:* ist die Oberflächenspannung der festen Luft,

:* ist der Kontakt-Winkel, wo ein konkaver Meniskus Kontakt-Winkel hat, haben weniger als 90 ° und ein konvexer Meniskus Kontakt-Winkel von größeren als 90 °.

Das bedeutet, dass, obwohl der Unterschied zwischen dem flüssig-festen und der Oberflächenspannung der festen Luft schwierig ist, direkt zu messen, es aus der Oberflächenspannung der flüssigen Luft, und dem Gleichgewicht-Kontakt-Winkel abgeleitet werden kann, der eine Funktion des leicht messbaren Vorrückens und der zurücktretenden Kontakt-Winkel ist (sieh Hauptartikel-Kontakt-Winkel).

Diese dieselbe Beziehung besteht im Diagramm rechts. Aber in diesem Fall sehen wir, dass, weil der Kontakt-Winkel weniger als 90 ° ist, der Liquid-Solid/solid-Air-Oberflächenspannungsunterschied negativ sein muss:

:

Spezielle Kontakt-Winkel

Bemerken Sie, dass im speziellen Fall einer Wassersilberschnittstelle, wo der Kontakt-Winkel 90 ° gleich ist, der Liquid-Solid/solid-Air-Oberflächenspannungsunterschied genau Null-ist.

Ein anderer spezieller Fall ist, wo der Kontakt-Winkel genau 180 ° ist. Das Wasser mit dem besonders bereiten Teflon nähert sich dem. Der Kontakt-Winkel von 180 ° kommt vor, wenn die flüssig-feste Oberflächenspannung der Oberflächenspannung der flüssigen Luft genau gleich ist.

:

Methoden des Maßes

Weil sich Oberflächenspannung in verschiedenen Effekten äußert, bietet sie mehrere Pfade zu seinem Maß an. Welche Methode optimal ist, hängt auf die Natur der Flüssigkeit ab, die, der Bedingungen wird misst, unter denen seine Spannung, und die Stabilität seiner Oberfläche gemessen werden soll, wenn es deformiert wird.

• Methode von Du Noüy Ring: Die traditionelle Methode hat gepflegt, Oberfläche oder Grenzflächenspannung zu messen. Anfeuchtende Eigenschaften der Oberfläche oder Schnittstelle haben wenig Einfluss auf diese Messtechnik. Maximales Ziehen, das auf den Ring durch die Oberfläche ausgeübt ist, wird gemessen.
• Methode von Du Noüy-Padday: Eine minimierte Version der Methode von Du Noüy verwendet eine kleine Diameter-Metallnadel statt eines Rings in der Kombination mit einem hohen Empfindlichkeitsmikrogleichgewicht, um maximales Ziehen zu registrieren. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass sehr kleine Beispielvolumina (unten zu wenigen Zehnen von Mikrolitern) mit der sehr hohen Präzision ohne das Bedürfnis gemessen werden können, für die Ausgelassenheit (für eine Nadel oder eher, Stange, mit der richtigen Geometrie) zu korrigieren. Weiter kann das Maß sehr schnell minimal in ungefähr 20 Sekunden durchgeführt werden. Zuerst wurden kommerzielle Mehrkanaltensiometers [CMCeeker] kürzlich gestützt auf diesem Grundsatz gebaut.
• Teller-Methode von Wilhelmy: Eine universale Methode hat besonders gepasst, um Oberflächenspannung über Zwischenräume der langen Zeit zu überprüfen. Ein vertikaler Teller des bekannten Umfangs wird einem Gleichgewicht beigefügt, und die Kraft wegen der Befeuchtung wird gemessen.
• Das Drehen der Fall-Methode: Diese Technik ist ideal, um niedrige Grenzflächenspannungen zu messen. Das Diameter eines Falls innerhalb einer schweren Phase wird gemessen, während beide rotieren gelassen werden.
• Hängefall-Methode: Oberfläche und Grenzflächenspannung können durch diese Technik, sogar bei Hochtemperaturen und Druck gemessen werden. Die Geometrie eines Falls wird optisch analysiert. Für Details, sieh Fall.
• Luftblase-Druck-Methode (Die Methode der Raubmöwe): Eine Maß-Technik, um Oberflächenspannung in kurzen Oberflächenaltern zu bestimmen. Der maximale Druck jeder Luftblase wird gemessen.
• Fall-Volumen-Methode: Eine Methode, um Grenzflächenspannung als eine Funktion des Schnittstelle-Alters zu bestimmen. Die Flüssigkeit einer Dichte wird in eine zweite Flüssigkeit einer verschiedenen Dichte gepumpt, und die Zeit zwischen erzeugten Fällen wird gemessen.
• Kapillare Anstieg-Methode: Das Ende eines Haargefäßes wird in die Lösung versenkt. Die Höhe, an der die Lösung innerhalb des Haargefäßes reicht, ist mit der Oberflächenspannung durch die Gleichung verbunden, die unten besprochen ist.
• Methode von Stalagmometric: Eine Methode, einen Fall von Flüssigkeit zu beschweren und zu lesen.
• Festgewachsene Fall-Methode: Eine Methode, um Oberflächenspannung und Dichte durch das Stellen eines Falls auf einem Substrat und das Messen des Kontakt-Winkels zu bestimmen (sieh Festgewachsene Fall-Technik).
• Schwingfrequenz von frei geschwebten Fällen: Die natürliche Frequenz von Schwingschwingungen magnetisch frei geschwebter Fälle ist verwendet worden, um die Oberflächenspannung von Superflüssigkeit Er zu messen. Wie man schätzt, ist dieser Wert 0.375 dyn/cm an T = 0 K.

Effekten

Flüssigkeit in einer vertikalen Tube

Ein altes Stil-Quecksilberbarometer besteht aus einer vertikalen Glastube ungefähr 1 Cm, der im Durchmesser teilweise mit Quecksilber gefüllt ist, und mit einem Vakuum (hat das Vakuum von Torricelli genannt) im ungefüllten Volumen (sieh Diagramm nach rechts). Bemerken Sie, dass das Quecksilberniveau am Zentrum der Tube höher ist als an den Rändern, die obere Oberfläche des Quecksilbers kuppelförmig machend. Das Zentrum der Masse der kompletten Säule von Quecksilber würde ein bisschen niedriger sein, wenn die Spitzenoberfläche des Quecksilbers über den kompletten crossection der Tube flach wäre. Aber die kuppelförmige Spitze gibt ein bisschen weniger Fläche der kompletten Masse von Quecksilber. Wieder verbinden sich die zwei Effekten, um die potenzielle Gesamtenergie zu minimieren. Solch eine Oberflächengestalt ist als ein konvexer Meniskus bekannt.

Der Grund wir denken die Fläche der kompletten Masse von Quecksilber einschließlich des Teils der Oberfläche, die im Kontakt mit dem Glas ist, besteht darin, weil Quecksilber überhaupt am Glas nicht klebt. So handelt die Oberflächenspannung des Quecksilbers über seine komplette Fläche, einschließlich, wo es im Kontakt mit dem Glas ist. Wenn statt des Glases die Tube aus Kupfer gemacht würde, würde die Situation sehr verschieden sein. Quecksilber klebt aggressiv an Kupfer. So in einer Kupfertube wird das Niveau von Quecksilber am Zentrum der Tube niedriger sein als an den Rändern (d. h. es würde ein konkaver Meniskus sein). In einer Situation, wo die Flüssigkeit an den Wänden seines Behälters klebt, denken wir den Teil der Fläche von Flüssigkeit, die im Kontakt mit dem Behälter ist, um negative Oberflächenspannung zu haben. Die Flüssigkeit arbeitet dann, um die Kontakt-Fläche zu maximieren. So vermindert in diesem Fall Erhöhung des Gebiets im Kontakt mit dem Behälter aber nicht vergrößert die potenzielle Energie. Diese Abnahme ist genug, um die vergrößerte potenzielle Energie zu ersetzen, die mit dem Heben von der Flüssigkeit in der Nähe von den Wänden des Behälters vereinigt ist.

Wenn eine Tube genug schmal ist und das flüssige Festkleben an seine Wände genug stark ist, Oberflächenspannung Flüssigkeit die Tube in einem als kapillare Handlung bekannten Phänomen ziehen kann. Durch die Höhe, zu der die Säule gehoben wird, wird gegeben:

::wo

:* ist die Höhe die Flüssigkeit, wird gehoben

:* ist die Oberflächenspannung der flüssigen Luft,

:* ist die Dichte der Flüssigkeit,

:* ist der Radius des Haargefäßes,

:* ist die Beschleunigung wegen des Ernstes,

:* ist der Winkel des Kontakts, der oben beschrieben ist. Wenn größer ist als 90 °, weil mit Quecksilber in einem Glasbehälter die Flüssigkeit niedergedrückt aber nicht gehoben wird.

Pfützen auf einer Oberfläche

Das strömende Quecksilber auf eine horizontale flache Platte des Glases läuft auf eine Pfütze hinaus, die eine wahrnehmbare Dicke hat. Die Pfütze wird sich nur zum Punkt ausbreiten, wo es etwas unter einem halben Zentimeter dick, und nicht dünner ist. Wieder ist das wegen der Handlung der starken Oberflächenspannung von Quecksilber. Die flüssige Masse wird flach, weil das so viel vom Quecksilber zu einem so niedrigen Niveau bringt wie möglich, aber die Oberflächenspannung handelt dabei, um die Gesamtfläche zu reduzieren. Das Ergebnis ist der Kompromiss einer Pfütze einer fast festen Dicke.

Dieselbe Oberflächenspannungsdemonstration kann mit Wasser, Limone-Wasser oder sogar Salzquelle getan werden, aber nur auf einer Oberfläche, die aus einer Substanz gemacht ist, an der das Wasser nicht klebt. Wachs ist solch eine Substanz. Wasser ist auf eine glatte, flache, horizontale Wachs-Oberfläche geströmt, sagen Sie eine Wachsplatte des Glases, wird sich ähnlich zum auf das Glas gegossenen Quecksilber benehmen.

Durch die Dicke einer Pfütze von Flüssigkeit auf einer Oberfläche, deren Kontakt-Winkel 180 ° ist, wird gegeben:

::wo:

In Wirklichkeit wird die Dicke der Pfützen ein bisschen weniger sein als, was durch die obengenannte Formel vorausgesagt wird, weil sehr wenige Oberflächen einen Kontakt-Winkel von 180 ° mit jeder Flüssigkeit haben. Wenn der Kontakt-Winkel weniger als 180 ° ist, wird durch die Dicke gegeben:

::

Für Quecksilber auf dem Glas, γ = 487 dyn/cm, ρ = 13.5 g/cm und θ = 140 °, der h = 0.36 Cm gibt. Für Wasser auf Paraffin an 25 °C, γ = 72 dyn/cm, ρ = 1.0 g/cm und θ = 107 °, der h = 0.44 Cm gibt.

Die Formel sagt auch voraus, dass, wenn der Kontakt-Winkel 0 ° ist, sich die Flüssigkeit in eine mikrodünne Schicht über die Oberfläche ausbreiten wird. Wie man sagt, ist solch eine Oberfläche durch die Flüssigkeit völlig benetzbar.

Der Bruch von Strömen in Fälle

Im täglichen Leben bemerken wir alle, dass sich ein Strom von Wasser, das aus einem Wasserhahn erscheint, in Tröpfchen auflösen wird, egal wie glatt der Strom vom Wasserhahn ausgestrahlt wird. Das ist wegen eines Phänomenes genannt die Instabilität des Plateaus-Rayleigh, die völlig eine Folge der Effekten der Oberflächenspannung ist.

Die Erklärung dieser Instabilität beginnt mit der Existenz von winzigen Unruhen im Strom. Diese sind immer da, egal wie glatt der Strom ist. Wenn die Unruhen in sinusförmige Bestandteile aufgelöst werden, finden wir, dass einige Bestandteile mit der Zeit wachsen, während andere mit der Zeit verfallen. Unter denjenigen, die mit der Zeit wachsen, wachsen einige in schnelleren Tempos als andere. Ob ein Bestandteil verfällt oder wächst, und wie schnell es wächst, ist völlig eine Funktion seiner Welle-Zahl (ein Maß wie viel Spitzen und Tröge pro Zentimeter) und die Radien des ursprünglichen zylindrischen Stroms.

Thermodynamik

Wie oben angegeben musste die mechanische Arbeit zunehmen eine Oberfläche ist. Folglich bei der unveränderlichen Temperatur und dem Druck kommt Oberflächenspannung Gibbs freie Energie pro Fläche gleich:

::

wo Gibbs freie Energie ist und das Gebiet ist.

Thermodynamik verlangt, dass alle spontanen Änderungen des Staates durch eine Abnahme in Gibbs freie Energie begleitet werden.

Davon ist es leicht zu verstehen, warum das Verringern der Fläche einer Masse von Flüssigkeit immer unwillkürlich ist (

Gibbs freie Energie wird durch die Gleichung definiert, wo enthalpy ist und Wärmegewicht ist. Gestützt darauf und der Tatsache, dass Oberflächenspannung Gibbs freie Energie pro Einheitsgebiet ist, ist es möglich, den folgenden Ausdruck für das Wärmegewicht pro Einheitsgebiet zu erhalten:

::

Die Gleichung von Kelvin für Oberflächen entsteht durch das Umordnen der vorherigen Gleichungen. Es stellt fest, dass Oberfläche enthalpy oder Oberflächenenergie (verschieden von der freien Oberflächenenergie) sowohl von der Oberflächenspannung als auch von seiner Ableitung mit der Temperatur am unveränderlichen Druck durch die Beziehung abhängen.

::

Thermodynamik der Seifenblase

Der Druck innerhalb eines Ideales (eine Oberfläche) Seifenblase kann aus thermodynamischen freien Energierücksichten abgeleitet werden. Bei der unveränderlichen Temperatur und Partikel-Zahl, wird die Differenzialenergie von Helmholtz durch gegeben

::

wo der Unterschied im Druck innerhalb und außerhalb der Luftblase ist, und die Oberflächenspannung ist. Im Gleichgewicht, und so,

::.

Für eine kugelförmige Luftblase werden das Volumen und die Fläche einfach durch gegeben

::

und

::.

Diese Beziehungen in den vorherigen Ausdruck einsetzend, finden wir

::

der zur Gleichung von Young-Laplace wenn R = R gleichwertig ist. Für echte Seifenblasen wird der Druck wegen der Anwesenheit von zwei Schnittstellen, einem Innerem und einer Außenseite verdoppelt.

Einfluss der Temperatur

Oberflächenspannung ist von der Temperatur abhängig. Deshalb, wenn ein Wert für die Oberflächenspannung einer Schnittstelle gegeben wird, muss Temperatur ausführlich festgesetzt werden. Die allgemeine Tendenz besteht darin, dass Oberflächenspannung mit der Zunahme der Temperatur abnimmt, einen Wert von 0 bei der kritischen Temperatur erreichend. Weil weitere Details Eötvös sehen herrschen. Es gibt nur empirische Gleichungen, um Oberflächenspannung und Temperatur zu verbinden:

• Eötvös:

::

Hier V ist das Mahlzahn-Volumen einer Substanz, T ist die kritische Temperatur, und k ist eine für fast alle Substanzen gültige Konstante. Ein typischer Wert ist k = 2.1 x 10 [J K mol]. Für Wasser kann man weiter V = 18 ml/mol und T = 374°C verwenden.

Eine Variante auf Eötvös wird von Ramay und Shields beschrieben:

::

wo der Temperaturausgleich von 6 kelvins die Formel mit einem besseren passenden zur Wirklichkeit bei niedrigeren Temperaturen versorgt.

• Guggenheim-Katayama:

::

ist eine Konstante für jede Flüssigkeit, und n ist ein empirischer Faktor, dessen Wert 11/9 für organische Flüssigkeiten ist. Diese Gleichung wurde auch von van der Waals vorgeschlagen, der weiter vorgeschlagen hat, dass das durch den Ausdruck gegeben werden konnte, wo eine universale Konstante für alle Flüssigkeiten ist, und der kritische Druck der Flüssigkeit ist (obwohl spätere Experimente gefunden haben, um sich zu einem gewissen Grad von einer Flüssigkeit bis einen anderen zu ändern).

Sowohl Guggenheim-Katayama als auch Eötvös ziehen die Tatsache in Betracht, dass Oberflächenspannung 0 bei der kritischen Temperatur reicht, wohingegen Ramay und Shields scheitern, Wirklichkeit an diesem Endpunkt zu vergleichen.

Einfluss der solute Konzentration

Solutes kann verschiedene Effekten auf die Oberflächenspannung abhängig von ihrer Struktur haben:

• Wenig oder keine Wirkung, zum Beispiel Zucker
• Zunahme-Oberflächenspannung, anorganische Salze
• Abnahme-Oberflächenspannung progressiv, alcohols
• Abnahme-Oberflächenspannung und, sobald ein Minimum, keine Wirkung mehr erreicht wird: surfactants

Was die Wirkung kompliziert, ist, dass ein solute in einer verschiedenen Konzentration an der Oberfläche eines Lösungsmittels bestehen kann als in seinem Hauptteil. Dieser Unterschied ändert sich von einer solute/solvent Kombination bis einen anderen.

Isotherme von Gibbs stellt dass fest:

• ist als Oberflächenkonzentration bekannt, sie vertritt Übermaß an solute pro Einheitsgebiet der Oberfläche darüber, was da sein würde, wenn die Hauptteil-Konzentration den ganzen Weg zur Oberfläche vorherrschen würde. Es hat Einheiten von mol/m

• ist die Konzentration der Substanz in der Hauptteil-Lösung.

• ist die Gaskonstante und die Temperatur

Bestimmte Annahmen werden in seinem Abzug genommen, deshalb kann Isotherme von Gibbs nur auf ideale (sehr verdünnte) Lösungen mit zwei Bestandteilen angewandt werden.

Einfluss der Partikel-Größe auf dem Dampf-Druck

Die Clausius-Clapeyron Beziehung führt zu einer anderen Kelvin auch zugeschriebenen Gleichung. Es erklärt, warum, wegen der Oberflächenspannung, der Dampf-Druck für kleine Tröpfchen von Flüssigkeit in der Suspendierung größer ist als Standarddampf-Druck dieser derselben Flüssigkeit, wenn die Schnittstelle flach ist. Das heißt ist das, wenn eine Flüssigkeit kleine Tröpfchen, die Gleichgewicht-Konzentration seines Dampfs in seinen Umgebungen bildet, größer. Das entsteht, weil der Druck innerhalb des Tröpfchens größer ist als draußen.

::

:* ist der Standarddampf-Druck für diese Flüssigkeit bei dieser Temperatur und Druck.

:* ist das Mahlzahn-Volumen.

:* ist der unveränderliche Gas-

ist der Radius von Kelvin, der Radius der Tröpfchen.

Die Wirkung erklärt Übersättigung von Dämpfen. Ohne nucleation Seiten müssen sich winzige Tröpfchen formen, bevor sie sich zu größeren Tröpfchen entwickeln können. Das verlangt einen Dampf-Druck oft der Dampf-Druck am Phase-Übergangspunkt.

Diese Gleichung wird auch in der Katalysator-Chemie verwendet, um mesoporosity für Festkörper zu bewerten.

Die Wirkung kann in Bezug auf die durchschnittliche Zahl von molekularen Nachbarn von Oberflächenmolekülen angesehen werden (sieh Diagramm).

Der Tisch zeigt einige berechnete Werte dieser Wirkung für Wasser an verschiedenen Fall-Größen:

Die Wirkung wird klar für sehr kleine Fall-Größen, weil ein Fall von 1 nm Radius ungefähr 100 Moleküle innen hat, der eine Menge ist, die klein genug ist, um eine Quant-Mechanik-Analyse zu verlangen.

Datentisch

Siehe auch

• Antinebel
• Kapillare Welle — Kurzwellen auf einem Wasserspiegel, der durch die Oberflächenspannung und Trägheit geregelt ist
• Mach's gut Wirkung — die Tendenz für kleine benetzbare Schwimmgegenstände, einander anzuziehen.
• Kohäsion
• Ohne Dimension Zahlen
• Band-Zahl
• Kapillare Zahl
• Zahl von Marangoni
• Zahl von Weber
• Dortmunder Datenbank — enthält experimentelle temperaturabhängige Oberflächenspannungen.
• Electrodipping zwingen
• Electrowetting
• Electrocapillarity
• Regel von Eötvös — eine Regel, um Oberflächenspannungsabhängigen auf der Temperatur vorauszusagen.
• Flüssige Pfeife
• Hydrostatisches Gleichgewicht — die Wirkung der Ernst-Ziehen-Sache in eine runde Gestalt.
• Meniskus — Oberflächenkrümmung hat sich durch eine Flüssigkeit in einem Behälter geformt.
• Quecksilberschlagen-Herz — eine Folge der Inhomogeneous-Oberflächenspannung.
• Mikroströmungslehre
• Festgewachsene Fall-Technik
• Spezifische Oberflächenenergie — dasselbe als Oberflächenspannung in isotropischen Materialien.
• Das Drehen der Fall-Methode
• Methode von Stalagmometric
• Oberflächenspannung schätzt
• Surfactants — Substanzen, die Oberflächenspannung reduzieren.
• Tränen von Wein — die Oberflächenspannung haben Phänomen veranlasst, das auf den Seiten der Brille gesehen ist, die alkoholische Getränke enthält.
• Länge von Tolman — Begriff im Korrigieren der Oberflächenspannung für gekrümmte Oberflächen führend.
• Befeuchtung und dewetting

Galerie von Effekten

Image:UnstableLiquidSheet.jpg|Breakup einer bewegenden Platte von Wasser, das von eines Löffels springt.

Image:SurfaceTension.jpg|Photo von fließendem Wasser, das an einer Hand klebt. Oberflächenspannung schafft die Platte von Wasser zwischen dem Fluss und der Hand.

Image:Ggb in der Seifenblase 1.jpg|A Seifenblase erwägt Oberflächenspannungskräfte gegen den inneren pneumatischen Druck.

Die Image:2006-01-15-Münze auf der Wasserjpg|Surfacespannung hält eine Münze davon ab zu sinken: Die Münze ist unbestreitbar dichter als Wasser, so muss es ein Volumen versetzen, das größer ist als sein eigenes für die Ausgelassenheit, Masse zu erwägen.

Image:Dscn3156-daisy-water 1200x900.jpg|A Gänseblümchen. Die Gesamtheit der Blume liegt unter dem Niveau der (unbeeinträchtigten) freien Oberfläche. Das Wasser erhebt sich glatt um seinen Rand. Oberflächenspannung verhindert Wasser, das die Luft zwischen den Blütenblättern füllt und vielleicht die Blume untertaucht.

Image:Surface Spannung 01.jpg|A Metallbüroklammer schwimmt auf Wasser. Mehrere können gewöhnlich ohne Überschwemmung von Wasser sorgfältig hinzugefügt werden.

Image:3_Moeda _ (5).jpg|An Aluminiummünze schwimmt auf der Oberfläche des Wassers an 10 °C. Jedes Extragewicht würde die Münze zum Boden fallen lassen.

</Galerie>

Referenzen

Links

• Auf der Oberflächenspannung und den interessanten wirklichen Fällen
• MIT Vortrag-Zeichen auf der Oberflächenspannung
• Oberflächenspannungen von verschiedenen Flüssigkeiten
• Berechnung von temperaturabhängigen Oberflächenspannungen für einige allgemeine Bestandteile
• Oberflächenspannungsrechenmaschine für wässrige Lösungen, die die Ionen H, den neuen, Na, K, das Mg, Kalifornien, also, nein, Cl, CO, Br und OH enthalten.
• Die Luftblase-Wand (Audiolichtbildervortrag vom Nationalen Hohen Magnetischen Feldlaboratorium, das Kohäsion, Oberflächenspannung und Wasserstoffobligationen erklärt)