کشش سطحی

کشش سطحی

کشش سطحی (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 قطره 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 γ {displaystyle gamma } gamma نشان داده میشود. کشش سطحی را همچنین میتوان مقدار کار لازم برای ایجاد واحد سطح مشترک جدید در نظر گرفت.

علت کشش سطحی چیست؟

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 کلش را کمینه کند، میکوشد تا 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 قضیه اویلر-لاگرانژ است). هر خمیدگی تازه بر روی سطح به مساحت بیشتر و در نتیجه انرژی بیشتر میانجامد.

کشش سطحی

اگر در یک روز تابستانی به سطح آب برکهای نگاه کنید احتمالاً حشره های زیادی را می بینید که روی سطح آب راه میروند درست همان طور که شما میتواند روی یک تخت فلزی بزرگ راه بروید. تیغ ریشتراشی یا یک سوزن خیاطی را، اگر چه چگالی فولاد تقریباً پنج برابر بیشتر از چگالی آب است، می توانید روی ظرف پر از آب شناور کنید. قطرات آبی که از یک شیر آب، به آهستگی چکه می کند در نظر بگیرید، هر قطره ابتدا به شکل تقریباً نیم کرهای درمیآید و سپس هنگام جدا شدن از شیر به شکل کره در میآید. اینها و بسیاری از پدیده های دیگر ناشی از کشش سطحیاند. اما علت کشش سطحی چیست؟ چگونه میتوانیم آن را اندازه بگیریم و کاربردهای آن کدامند؟

وقتی گازی را فشرده و سرد میکنیم با نزدیک شدن مولکولها به هم نیروی ربایشی بین آنها افزایش پیدا میکند و در دما و فشار خاصی گاز به مایع تبدیل میشود. هر مولکول در داخل مایع از همه طرف توسط مولکولهای دیگر محصور شدهاست و از همه طرف، نیروی ربایشی از طرف سایر مولکولهای دیگر بر آن وارد میآید. به علت تقارن برآیند این نیروها صفر است، یعنی هر نیرو با نیروی مساوی و هم اندازه ولی در جهت مخالف خنثی میشود. ولی برای یک مولکول که در سطح مایع قرار دارد این تقارن وجود ندارد زیرا از اثر مولکولهای هوا که ناچیزند چشمپوشی شده است و هر مولکول از طرف نصف تعداد مولکولهای مجاور یک مولکول واقع در داخل مایع، نیروی ربایشی وارد می شود. برآیند این نیروها، نیروی عمود بر سطح به سمت داخل مایع است. این نیرو را، نیروی کشش سطحی گویند. در غیاب نیروهای خارجی این نیرو عامل شکل کروی هر جرمی از مایع است تا نسبت حجم به سطح حداکثر شود و سطح آزاد مایعها دارای کمترین مساحت ممکن باشد. در اين حالت سطح مایع مانند یک پوستهی کشیده رفتار میکند. نظر به اینکه در اجسام هم حجم که دارای اشکال گوناگون هستند کره کمترین سطح کشیده را دارد، مایعها به صورت قطرههای کروی در میآیند.

ضریب کشش سطحی

یک سوزن روی سطح آب تغییر شکلی ایجاد می کند، با این تغییر شکل سطح مایع افزایش می یابد. به عنوان مثال اگر در ابتدا در سطح مایع 1000 مولکول آب موجود است، حالا این تعداد به 1200 مولکول روی سطح افزایش می یابد. یعنی برای افزایش سطح در اثر نیروی وزن سوزن، 200 مولکول از حجم به سطح آب می آیند.

به علت نیروی کشش سطحی برای جابه جایی این مولکولها از حجم به سطح مایع میشود با تغییر مساحتی که وزن در سطح آب ایجاد میکند متناسب است.

بنابراین هر گونه افزایش سطح مایع به میزان مستلزم انرژی ای به مقدار است. ضریب تناسب رابطهی بالای ضریب کشش سطحی است که به اختضار به آن کشش سطحی نیز میگویند و مقدارش به جنس و دمای مایع بستگی دارد.

«کشش سطحی برابر است با مقدار کار لازم برای ازدیاد سطح مایع به میزان واحد سطح.»

دسته بندی :