भूतल तनाव क्या है? परिभाषा और प्रयोग

सतही तनाव एक घटना है जिसमें एक तरल की सतह, जहां तरल एक गैस के संपर्क में होती है, एक पतली लोचदार शीट के रूप में कार्य करती है। यह शब्द आम तौर पर केवल तब उपयोग किया जाता है जब तरल सतह गैस (जैसे हवा) के संपर्क में हो। यदि सतह दो तरल पदार्थ (जैसे पानी और तेल) के बीच है, तो इसे "इंटरफ़ेस तनाव" कहा जाता है।

विभिन्न अंतर-आणविक बल, जैसे वैन डेर वाल्स बल, तरल कणों को एक साथ खींचते हैं। सतह के साथ, कणों को तरल के बाकी हिस्सों की ओर खींचा जाता है, जैसा कि चित्र में दाईं ओर दिखाया गया है।

सतह तनाव (ग्रीक चर के साथ चिह्नित) गामा) को सतह बल के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है एफ लंबाई के लिए घ जिसके साथ बल कार्य करता है:

गामा = एफ / घ

भूतल तनाव की इकाइयाँ

सतह तनाव में मापा जाता है एस आई यूनिट एन / एम (न्यूटन प्रति मीटर), हालांकि अधिक सामान्य इकाई सीजीएस यूनिट dyn / cm (डायने परिधि) है।

स्थिति के ऊष्मप्रवैगिकी पर विचार करने के लिए, कभी-कभी इसके संदर्भ में विचार करना उपयोगी होता है काम प्रति यूनिट क्षेत्र। उस स्थिति में SI इकाई J / m है² (जूल प्रति मीटर वर्ग)। Cgs यूनिट erg / cm है².

ये बल सतह के कणों को एक साथ बांधते हैं। हालांकि यह बाध्यकारी कमजोर है - किसी भी तरल की सतह को तोड़ना बहुत आसान है - यह कई तरीकों से प्रकट होता है।

पानी की बूंदें। पानी के ड्रॉपर का उपयोग करते समय, पानी एक सतत प्रवाह में नहीं बहता है, बल्कि बूंदों की एक श्रृंखला में होता है। बूंदों का आकार पानी की सतह तनाव के कारण होता है। पानी की बूंद पूरी तरह से गोलाकार नहीं होने का एकमात्र कारण यह है कि गुरुत्वाकर्षण बल इस पर नीचे खींच रहा है। गुरुत्वाकर्षण की अनुपस्थिति में, तनाव को कम करने के लिए ड्रॉप सतह क्षेत्र को कम करेगा, जिसके परिणामस्वरूप पूरी तरह से गोलाकार आकार होगा।

पानी पर चलने वाले कीड़े। कई कीड़े पानी पर चलने में सक्षम हैं, जैसे कि पानी में घुसे हुए लोग। उनके पैरों को उनके वजन को वितरित करने के लिए बनाया जाता है, जिससे तरल की सतह उदास हो जाती है, क्षमता को कम कर देती है बलों का एक संतुलन बनाने के लिए ऊर्जा ताकि स्ट्राइडर पानी की सतह के माध्यम से बिना टूटे पार कर सके सतह। यह अपने पैरों को डूबने के बिना स्नोशो को गहरे स्नोड्रिफ़्स पर चलने के लिए पहनने की अवधारणा में समान है।

सुई (या पेपर क्लिप) पानी पर तैरती है। भले ही इन वस्तुओं का घनत्व पानी से अधिक हो, लेकिन अवसाद के साथ सतह का तनाव धातु की वस्तु पर गुरुत्वाकर्षण के बल का प्रतिकार करने के लिए पर्याप्त है। चित्र पर दाईं ओर क्लिक करें, फिर इस स्थिति के एक बल आरेख को देखने के लिए "अगला" पर क्लिक करें या अपने लिए फ़्लोटिंग सुई चाल की कोशिश करें।

जब आप साबुन के बुलबुले को उड़ाते हैं, तो आप हवा का दबाव वाला बुलबुला बना रहे होते हैं जो तरल की पतली, लोचदार सतह के भीतर समाहित होता है। अधिकांश तरल पदार्थ एक बुलबुला बनाने के लिए एक स्थिर सतह तनाव को बनाए नहीं रख सकते हैं, यही वजह है कि साबुन आमतौर पर इस प्रक्रिया में उपयोग किया जाता है... यह मारंगोनी प्रभाव नामक चीज के माध्यम से सतह के तनाव को स्थिर करता है।

जब बुलबुला फुलाया जाता है, तो सतह फिल्म अनुबंध पर जाती है। इससे बुलबुले के अंदर दबाव बढ़ने लगता है। बुलबुले का आकार एक ऐसे आकार में स्थिर हो जाता है, जहाँ बुलबुले के अंदर गैस किसी भी तरह से आगे नहीं बढ़ेगी, कम से कम बुलबुले को पॉप किए बिना।

वास्तव में, साबुन के बुलबुले पर दो तरल-गैस इंटरफेस होते हैं - एक बुलबुले के अंदर और एक बुलबुले के बाहर। दो सतहों के बीच में एक है पतली फिल्म तरल का।

एक साबुन के बुलबुले का गोलाकार आकार सतह क्षेत्र के न्यूनतमकरण के कारण होता है - किसी दिए गए आयतन के लिए, एक गोला हमेशा वह रूप होता है जिसमें कम से कम सतह क्षेत्र होता है।

साबुन के बुलबुले के अंदर दबाव पर विचार करने के लिए, हम त्रिज्या पर विचार करते हैं आर बुलबुला और सतह तनाव भी, गामाके तरल (इस मामले में साबुन - के बारे में 25 dyn / सेमी)।

हम कोई बाहरी दबाव (जो निश्चित रूप से, सच नहीं है, लेकिन हम इसका थोड़ा ध्यान रखेंगे) मानकर शुरू करते हैं। आप फिर बुलबुले के केंद्र के माध्यम से एक क्रॉस-सेक्शन पर विचार करते हैं।

इस क्रॉस सेक्शन के साथ, आंतरिक और बाहरी त्रिज्या में बहुत मामूली अंतर को अनदेखा करते हुए, हम जानते हैं कि परिधि 2 होगीअनुकरणीयआर. प्रत्येक आंतरिक और बाहरी सतह पर दबाव होगा गामा पूरी लंबाई के साथ, इसलिए कुल। सतह तनाव (आंतरिक और बाहरी दोनों फिल्म से) से कुल बल है, इसलिए, 2गामा (2पी आर).

बुलबुले के अंदर, हालांकि, हमारे पास एक दबाव है पी जो पूरे क्रॉस-सेक्शन पर काम कर रहा है पी आर²के कुल बल में जिसके परिणामस्वरूप पी(पी आर²).

चूंकि बुलबुला स्थिर है, इसलिए इन बलों का योग शून्य होना चाहिए ताकि हम प्राप्त करें:

2 गामा (2 पी आर) = पी( पी आर²)
या
पी = 4 गामा / आर

जाहिर है, यह एक सरलीकृत विश्लेषण था जहां बुलबुले के बाहर दबाव 0 था, लेकिन इसे प्राप्त करने के लिए आसानी से विस्तार किया गया है अंतर आंतरिक दबाव के बीच पी और बाहरी दबाव पी_इ:

पी - पी_इ = 4 गामा / आर

विरोध के रूप में तरल की एक बूंद का विश्लेषण एक साबुन का बुलबुला, सरल है। दो सतहों के बजाय, विचार करने के लिए केवल बाहरी सतह है, इसलिए 2 का एक कारक बाहर निकल जाता है पहले वाला समीकरण (याद रखें कि हमने सतह के तनाव को दो सतहों के हिसाब से दोगुना कैसे किया है?) प्राप्ति:

पी - पी_इ = 2 गामा / आर

सतह तनाव गैस-तरल इंटरफ़ेस के दौरान होता है, लेकिन अगर वह इंटरफ़ेस किसी संपर्क में आता है ठोस सतह - जैसे कंटेनर की दीवारें - इंटरफ़ेस आमतौर पर उसी के पास या नीचे घटता है सतह। इस तरह के एक अवतल या उत्तल सतह के आकार के रूप में जाना जाता है नवचंद्रक

संपर्क कोण, थीटा, सही करने के लिए तस्वीर में दिखाया गया है के रूप में निर्धारित किया जाता है।

संपर्क-कोण का उपयोग तरल-ठोस सतह तनाव और तरल-गैस सतह तनाव के बीच संबंध निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है, इस प्रकार है:

गामा_ls = - गामा_एलजी क्योंकि थीटा

कहाँ पे

• गामा_ls तरल-ठोस सतह तनाव है
• गामा_एलजी तरल-गैस सतह तनाव है
• थीटा संपर्क कोण है

इस समीकरण पर विचार करने के लिए एक बात यह है कि उन मामलों में जहां मेनिस्कस उत्तल है (यानी संपर्क कोण 90 से अधिक है) डिग्री), इस समीकरण का कोसाइन घटक ऋणात्मक होगा जिसका अर्थ है कि तरल-ठोस सतह तनाव होगा सकारात्मक।

यदि, दूसरी ओर, मेनिस्कस अवतल है (यानी नीचे की ओर खिसकता है, तो संपर्क कोण 90 डिग्री से कम है), तो कॉस थीटा टर्म पॉजिटिव है, जिस स्थिति में रिलेशनशिप में परिणाम होगा नकारात्मक तरल ठोस सतह तनाव!

अनिवार्य रूप से इसका मतलब यह है कि तरल कंटेनर की दीवारों का पालन कर रहा है और है ठोस सतह के संपर्क में क्षेत्र को अधिकतम करने के लिए काम करना, ताकि समग्र क्षमता को कम से कम किया जा सके ऊर्जा।

ऊर्ध्वाधर ट्यूबों में पानी से संबंधित एक और प्रभाव केशिकात्व की संपत्ति है, जिसमें तरल की सतह आसपास के तरल के संबंध में ट्यूब के भीतर ऊंचा या उदास हो जाती है। यह भी, संपर्क कोण से संबंधित है।

यदि आपके पास एक कंटेनर में तरल है, और एक संकीर्ण ट्यूब (या) रखें केशिका) त्रिज्या का आर कंटेनर में, ऊर्ध्वाधर विस्थापन y यह केशिका के भीतर होगा जो निम्नलिखित समीकरण द्वारा दिया गया है:

y = (2 गामा_एलजी क्योंकि थीटा) / ( DGR)

कहाँ पे

• y ऊर्ध्वाधर विस्थापन है (यदि सकारात्मक है, तो नकारात्मक है)
• गामा_एलजी तरल-गैस सतह तनाव है
• थीटा संपर्क कोण है
• घ तरल का घनत्व है
• जी गुरुत्वाकर्षण का त्वरण है
• आर केशिका की त्रिज्या है

ध्यान दें: एक बार फिर, अगर थीटा 90 डिग्री (एक उत्तल मेनिस्कस) से अधिक है, जिसके परिणामस्वरूप एक नकारात्मक तरल-ठोस सतह तनाव है, तरल स्तर आसपास के स्तर की तुलना में नीचे चला जाएगा, जैसा कि इसके संबंध में बढ़ने का विरोध है यह।

रोजमर्रा की दुनिया में कई तरह से क्षमता का प्रदर्शन होता है। पेपर टॉवल कैपिलारिटी के माध्यम से अवशोषित करते हैं। मोमबत्ती जलाते समय, पिघला हुआ मोम कैपिलारिटी के कारण विक को ऊपर उठाता है। जीव विज्ञान में, हालांकि पूरे शरीर में रक्त को पंप किया जाता है, लेकिन यह प्रक्रिया है जो सबसे छोटी रक्त वाहिकाओं में रक्त वितरित करती है जिसे उचित रूप से कहा जाता है, केशिकाओं.

आवश्यक सामग्री:

• 10 से 12 तिमाही
• पानी से भरा गिलास

धीरे-धीरे, और एक स्थिर हाथ से, एक बार में एक गिलास के केंद्र में क्वार्टर लाएं। पानी में क्वार्टर के संकीर्ण किनारे रखें और जाने दें। (यह सतह के विघटन को कम करता है, और अनावश्यक तरंगों को बनाने से बचता है जो अतिप्रवाह का कारण बन सकते हैं।)

जैसा कि आप अधिक तिमाहियों के साथ जारी रखते हैं, आपको आश्चर्य होगा कि पानी का उत्तल ग्लास के ऊपर से कैसे बह जाता है बिना अतिप्रवाह के!

संभव भिन्न: इस प्रयोग को एक समान चश्मे से करें, लेकिन प्रत्येक गिलास में विभिन्न प्रकार के सिक्कों का उपयोग करें। विभिन्न सिक्कों के संस्करणों के अनुपात को निर्धारित करने के लिए कितने में जा सकते हैं।

आवश्यक सामग्री:

• कांटा (संस्करण 1)
• टिशू पेपर का टुकड़ा (संस्करण 2)
• सिलाई की सुई
• पानी से भरा गिलास

सुई को कांटे पर रखें, धीरे से पानी के गिलास में डालें। ध्यान से कांटा बाहर खींचो, और पानी की सतह पर तैरने वाली सुई को छोड़ना संभव है।

इस ट्रिक के लिए एक वास्तविक स्थिर हाथ और कुछ अभ्यास की आवश्यकता होती है, क्योंकि आपको कांटे को इस तरह से निकालना होगा कि सुई के कुछ हिस्सों को अलग न किया जाए... या सुई मर्जी सिंक। आप अपनी उंगलियों के बीच सुई को "तेल" में रगड़ सकते हैं यह आपकी सफलता की संभावना को बढ़ाता है।

वेरिएंट 2 ट्रिक

टिशू पेपर के एक छोटे टुकड़े पर सिलाई सुई रखें (सुई को पकड़ने के लिए पर्याप्त बड़ी)। सुई को टिशू पेपर पर रखा जाता है। टिशू पेपर पानी से लथपथ हो जाएगा और कांच के नीचे तक डूब जाएगा, जिससे सतह पर सुई तैरती रहेगी।

आवश्यक सामग्री:

• जलती हुई मोमबत्ती (ध्यान दें: माता-पिता की मंजूरी और पर्यवेक्षण के बिना मैचों के साथ मत खेलो! "
• कीप
• डिटर्जेंट या साबुन-बुलबुला समाधान

फ़नल के छोटे सिरे पर अपना अंगूठा रखें। ध्यान से इसे मोमबत्ती की ओर लाएं। अपने अंगूठे को हटा दें, और साबुन के बुलबुले की सतह का तनाव इसे अनुबंध करने का कारण बनेगा, जिससे फ़नल के माध्यम से हवा बाहर निकल जाएगी। बुलबुले को बाहर निकालने के लिए बुलबुले द्वारा मजबूर हवा पर्याप्त होनी चाहिए।

कुछ हद तक संबंधित प्रयोग के लिए, रॉकेट बैलून देखें।

आवश्यक सामग्री:

• कागज़ का टुकड़ा
• कैंची
• वनस्पति तेल या तरल डिशवॉशर डिटर्जेंट
• पानी से भरा एक बड़ा कटोरा या पाव केक पैन

एक बार जब आपका पेपर फिश पैटर्न कट आउट हो जाता है, तो इसे वॉटर कंटेनर पर रखें ताकि यह सतह पर तैरता रहे। मछली के बीच में छेद में तेल या डिटर्जेंट की एक बूंद डालें।

डिटर्जेंट या तेल उस छेद में सतह तनाव का कारण होगा। यह मछली को आगे बढ़ने के लिए प्रेरित करेगा, तेल का एक निशान छोड़कर, क्योंकि यह पानी के पार चला जाता है, तब तक नहीं रुकता जब तक कि तेल पूरे कटोरे की सतह तनाव को कम नहीं कर देता।

नीचे दी गई तालिका विभिन्न तापमानों पर विभिन्न तरल पदार्थों के लिए प्राप्त सतह तनाव के मूल्यों को प्रदर्शित करती है।

प्रायोगिक भूतल तनाव मान

द्वारा संपादित ऐनी मैरी हेल्मेनस्टाइन, पीएचडी।