Cairan adalah keadaan agregat materi, perantara antara gas dan padat, oleh karena itu ia memiliki sifat zat gas dan padat. Cairan, seperti padatan, memiliki volume tertentu, dan seperti gas, mereka mengambil bentuk wadah tempat mereka berada. Molekul gas praktis tidak saling berhubungan oleh gaya interaksi antarmolekul. Dalam hal ini, energi rata-rata dari gerakan termal molekul gas jauh lebih besar daripada energi potensial rata-rata karena gaya tarik-menarik di antara mereka, sehingga molekul gas menyebar ke arah yang berbeda, dan gas menempati seluruh volume yang disediakan untuknya. .

Dalam benda padat dan cair, gaya tarik antar molekul sudah signifikan dan menjaga molekul pada jarak tertentu satu sama lain. Dalam hal ini, energi rata-rata dari gerakan termal kacau molekul lebih kecil dari energi potensial rata-rata karena gaya interaksi antarmolekul, dan itu tidak cukup untuk mengatasi gaya tarik-menarik antar molekul, sehingga padatan dan cairan memiliki gaya tertentu. volume.

Analisis difraksi sinar-X zat cair menunjukkan bahwa sifat susunan partikel zat cair adalah perantara antara gas dan zat padat. Dalam gas, molekul bergerak secara acak, sehingga tidak ada pola dalam pengaturan timbal baliknya. Untuk padatan, yang disebut pesanan jarak jauh dalam susunan partikel, yaitu pengaturan mereka yang teratur, berulang dalam jarak jauh. Dalam cairan, yang disebut pesanan jarak pendek dalam susunan partikel, yaitu pengaturan mereka yang teratur, berulang pada jarak yang sebanding dengan jarak antar atom.

Teori fluida belum sepenuhnya dikembangkan sampai saat ini. Gerakan termal dalam cairan dijelaskan oleh fakta bahwa setiap molekul berosilasi untuk beberapa waktu di sekitar posisi kesetimbangan tertentu, setelah itu melompat ke posisi baru, yang berada pada jarak urutan jarak interatomik dari yang awal. Dengan demikian, molekul cairan bergerak cukup lambat di seluruh massa cairan, dan difusi terjadi jauh lebih lambat daripada di gas. Dengan peningkatan suhu cairan, frekuensi gerakan osilasi meningkat tajam, mobilitas molekul meningkat, yang merupakan alasan penurunan viskositas cairan.

Gaya tarik menarik bekerja pada setiap molekul cairan dari sisi molekul sekitarnya, menurun dengan cepat seiring dengan jarak, oleh karena itu, mulai dari jarak minimum tertentu, gaya tarik antar molekul dapat diabaikan. Jarak ini (kurang lebih 10 -9 m) disebut radius aksi molekul r , dan bola berjari-jari r-lingkup aksi molekuler.

Pilih molekul di dalam cairan TETAPI dan gambarlah bola berjari-jari di sekelilingnya r(gbr.10.1). Cukuplah, menurut definisi, untuk memperhitungkan aksi pada molekul tertentu hanya dari molekul-molekul yang berada di dalam bola.

Gambar 10.1. aksi molekuler. Gaya-gaya yang dengannya molekul-molekul ini bekerja pada molekul TETAPI, diarahkan ke arah yang berbeda dan, rata-rata, dikompensasi, oleh karena itu, gaya yang dihasilkan yang bekerja pada molekul di dalam cairan dari molekul lain sama dengan nol. Situasinya berbeda jika molekul, misalnya molekul PADA, terletak pada jarak dari permukaan r. Dalam hal ini, lingkup aksi molekuler hanya sebagian terletak di dalam cairan. Karena konsentrasi molekul dalam gas yang terletak di atas cairan kecil dibandingkan dengan konsentrasinya di dalam cairan, gaya resultan F, diterapkan pada setiap molekul lapisan permukaan, tidak sama dengan nol dan diarahkan ke dalam cairan. Dengan demikian, gaya yang dihasilkan dari semua molekul lapisan permukaan memberikan tekanan pada cairan, yang disebut molekuler(atau intern). Tekanan molekul tidak bekerja pada benda yang ditempatkan dalam cairan, karena itu disebabkan oleh gaya yang hanya bekerja antara molekul-molekul cairan itu sendiri.

Energi total partikel cair adalah jumlah energi gerak termal kacau dan energi potensial akibat gaya interaksi antarmolekul. Untuk memindahkan molekul dari kedalaman cairan ke lapisan permukaan, kerja harus dikeluarkan. Pekerjaan ini dilakukan dengan mengorbankan energi kinetik molekul dan meningkatkan energi potensialnya. Oleh karena itu, molekul-molekul lapisan permukaan cairan memiliki energi potensial yang lebih besar daripada molekul-molekul di dalam cairan. Energi ekstra yang dimiliki oleh molekul-molekul pada lapisan permukaan zat cair disebut energi permukaan, sebanding dengan luas lapisan S:

Δ W=σ Δ S,(10.1)

di mana σ – koefisien tegangan permukaan, didefinisikan sebagai kerapatan energi permukaan.

Karena keadaan setimbang dicirikan oleh energi potensial minimum, cairan, tanpa adanya gaya eksternal, akan mengambil bentuk sedemikian rupa sehingga, untuk volume tertentu, ia memiliki permukaan minimum, yaitu. bentuk bola. Mengamati tetesan terkecil yang tersuspensi di udara, kita dapat melihat bahwa mereka benar-benar berbentuk bola, tetapi agak terdistorsi karena aksi gaya gravitasi. Dalam kondisi tanpa bobot, setetes cairan apa pun (berapa pun ukurannya) memiliki bentuk bulat, yang telah terbukti secara eksperimental di pesawat ruang angkasa.

Jadi, syarat kesetimbangan stabil cairan adalah energi permukaan minimum. Ini berarti bahwa cairan untuk volume tertentu harus memiliki luas permukaan terkecil, yaitu. cairan cenderung mengurangi luas permukaan bebas. Dalam hal ini, lapisan permukaan cairan dapat disamakan dengan film elastis yang diregangkan di mana gaya tegangan bekerja.

Pertimbangkan permukaan cairan yang dibatasi oleh kontur tertutup. Di bawah aksi gaya tegangan permukaan (mereka diarahkan secara tangensial ke permukaan cairan dan tegak lurus terhadap bagian kontur tempat mereka bekerja), permukaan cairan berkontraksi dan kontur yang dipertimbangkan bergerak. Gaya-gaya yang bekerja dari area yang dipilih ke area yang berdekatan melakukan pekerjaan:

Δ A=fΔ akuΔ x,

di mana f=F/Δ aku -gaya tegangan permukaan, bekerja per satuan panjang dari kontur permukaan cairan. Dapat dilihat bahwa akuΔ x= Δ S, itu.

Δ A = f∆S.

Usaha ini dilakukan dengan mengurangi energi permukaan, yaitu

Δ Α =Δ W

Dari perbandingan ekspresi, dapat dilihat bahwa

yaitu, koefisien tegangan permukaan sama dengan gaya tegangan permukaan per satuan panjang kontur yang membatasi permukaan. Satuan tegangan permukaan adalah newton per meter (N/m) atau joule per meter persegi (J/m2). Kebanyakan cairan pada suhu 300K memiliki tegangan permukaan orde 10 -2 -10 -1 N/m. Tegangan permukaan menurun dengan meningkatnya suhu, karena jarak rata-rata antara molekul cair meningkat.

Tegangan permukaan pada dasarnya tergantung pada pengotor yang ada dalam cairan , zat cair yang dapat menurunkan tegangan permukaan disebut zat aktif permukaan (surfaktan). Sabun adalah surfaktan yang paling terkenal untuk air. Ini sangat mengurangi tegangan permukaannya (dari sekitar 7,5 10 -2 hingga 4,5 10 -2 N/m). Surfaktan yang menurunkan tegangan permukaan air juga alkohol, eter, minyak, dll.

Ada zat (gula, garam) yang meningkatkan tegangan permukaan cairan karena molekulnya berinteraksi dengan molekul cairan lebih kuat daripada molekul cairan berinteraksi satu sama lain.

Dalam konstruksi, surfaktan digunakan untuk menyiapkan larutan yang digunakan dalam pemrosesan bagian dan struktur yang beroperasi dalam kondisi atmosfer yang merugikan (kelembaban tinggi, suhu tinggi, paparan radiasi matahari, dll.).

Fenomena pembasahan

Diketahui dari praktik bahwa setetes air menyebar di atas kaca dan mengambil bentuk yang ditunjukkan pada Gambar 10.2, sedangkan merkuri pada permukaan yang sama berubah menjadi tetesan yang agak pipih. Dalam kasus pertama, dikatakan bahwa cairan basah permukaan yang keras, yang kedua - tidak basah dia. Pembasahan tergantung pada sifat gaya yang bekerja antara molekul-molekul lapisan permukaan media yang bersentuhan. Untuk zat cair yang membasahi, gaya tarik menarik antara molekul zat cair dan zat padat lebih besar daripada gaya tarik menarik antara molekul zat cair itu sendiri, dan zat cair cenderung bertambah

permukaan kontak dengan benda padat. Untuk cairan yang tidak membasahi, gaya tarik antara molekul cairan dan padatan lebih kecil daripada gaya tarik antara molekul cairan, dan cairan cenderung mengurangi permukaan kontaknya dengan padatan.

Tiga gaya tegangan permukaan diterapkan pada garis kontak tiga media (titik 0 adalah perpotongannya dengan bidang gambar), yang diarahkan secara tangensial ke permukaan kontak dari dua media yang sesuai. Gaya-gaya ini, per satuan panjang garis kontak, sama dengan tegangan permukaan yang sesuai σ 12 , σ 13 , σ 23 . Injeksi θ antara garis singgung permukaan zat cair dan zat padat disebut sudut tepi. Syarat kesetimbangan jatuh adalah sama dengan nol dari jumlah proyeksi gaya tegangan permukaan pada arah garis singgung ke permukaan benda padat, mis.

–σ 13 + σ 12 + σ 23 karena θ =0 (10.2)

karena θ =(σ 13 - σ 12)/σ 23 . (10.3)

Ini mengikuti dari kondisi bahwa sudut kontak bisa lancip atau tumpul tergantung pada nilainya σ 13 dan σ 12 . Jika sebuah σ 13 >σ 12 , maka cos θ >0 dan sudut θ tajam, yaitu cairan membasahi permukaan padat. Jika sebuah σ 13 <σ 12 , maka cos θ <0 и угол θ – tumpul, yaitu cairan tidak membasahi permukaan yang keras.

Sudut kontak memenuhi kondisi (10.3) jika

(σ 13 - σ 12)/σ 23 ≤1.

Jika kondisinya tidak terpenuhi, maka setetes cairan untuk nilai apa pun θ tidak bisa seimbang. Jika sebuah σ 13 >σ 12 +σ 23 , kemudian cairan menyebar di atas permukaan padatan, menutupinya dengan film tipis (misalnya, minyak tanah di permukaan kaca), - kita punya pembasahan lengkap(pada kasus ini θ =0).

Jika sebuah σ 12 >σ 13 +σ 23 , kemudian cairan menyusut menjadi setetes bola, dalam batas yang hanya memiliki satu titik kontak dengannya (misalnya, setetes air di permukaan parafin), - kita miliki lengkap tanpa pembasahan(pada kasus ini θ =π).

Pembasahan dan tidak pembasahan adalah konsep relatif, mis. Cairan yang membasahi satu permukaan padat tidak membasahi yang lain. Misalnya, air membasahi gelas tetapi tidak membasahi parafin; Merkuri tidak membasahi kaca, tetapi membasahi permukaan logam yang bersih.

Fenomena pembasahan dan tidak pembasahan sangat penting dalam teknologi. Misalnya, dalam metode pengayaan flotasi bijih (pemisahan bijih dari batuan sisa), bijih yang dihancurkan halus dikocok dalam cairan yang membasahi batuan sisa dan tidak membasahi bijih. Udara dihembuskan melalui campuran ini, dan kemudian mengendap. Pada saat yang sama, partikel batuan yang dibasahi dengan cairan tenggelam ke dasar, dan butiran mineral "menempel" pada gelembung udara dan mengapung ke permukaan cairan. Saat mengerjakan logam, mereka dibasahi dengan cairan khusus, yang memfasilitasi dan mempercepat perawatan permukaan.

Dalam konstruksi, fenomena pembasahan penting untuk persiapan campuran cair (dempul, dempul, mortar untuk meletakkan batu bata dan menyiapkan beton). Adalah perlu bahwa campuran cairan ini membasahi dengan baik permukaan struktur bangunan tempat mereka diterapkan. Saat memilih komponen campuran, tidak hanya sudut kontak untuk pasangan permukaan campuran yang diperhitungkan, tetapi juga sifat aktif permukaan komponen cair.

Tegangan permukaan menggambarkan kemampuan fluida untuk menahan gaya gravitasi. Misalnya, air di permukaan meja akan jatuh karena molekul air tertarik satu sama lain, yang melawan gaya gravitasi. Berkat tegangan permukaan, benda yang lebih berat, seperti serangga, dapat ditahan di permukaan air. Tegangan permukaan diukur dengan gaya (N) dibagi dengan satuan panjang (m), atau jumlah energi per satuan luas. Gaya dengan mana molekul air berinteraksi (gaya kohesif) menyebabkan ketegangan, menghasilkan tetesan air (atau cairan lainnya). Tegangan permukaan dapat diukur dengan beberapa barang sederhana yang ditemukan di hampir setiap rumah dan kalkulator.

Langkah

Dengan bantuan rocker

Tuliskan persamaan tegangan permukaan. Dalam percobaan ini, persamaan untuk menentukan tegangan permukaan adalah sebagai berikut: F = 2Sd, di mana F- gaya dalam newton (N), S- tegangan permukaan dalam newton per meter (N/m), d adalah panjang jarum yang digunakan dalam percobaan. Kami menyatakan tegangan permukaan dari persamaan ini: S = F/2d.

• Gaya akan dihitung pada akhir percobaan.
• Sebelum memulai percobaan, gunakan penggaris untuk mengukur panjang jarum dalam meter.

1. Bangun rocker kecil. Dalam percobaan ini, rocker dan jarum kecil yang mengapung di permukaan air digunakan untuk menentukan tegangan permukaan. Penting untuk mempertimbangkan dengan cermat konstruksi lengan ayun, karena keakuratan hasilnya tergantung padanya. Anda dapat menggunakan berbagai bahan, yang utama adalah membuat batang horizontal dari sesuatu yang keras: kayu, plastik atau karton tebal.

   • Tentukan bagian tengah batang (misalnya, sedotan atau penggaris plastik) yang akan Anda gunakan sebagai palang, dan bor atau buat lubang di tempat ini; ini akan menjadi titik tumpu palang, di mana ia akan berputar bebas. Jika Anda menggunakan sedotan plastik, cukup tusuk dengan peniti atau paku.
   • Bor atau buat lubang di ujung palang sehingga jaraknya sama dari pusat. Masukkan benang melalui lubang di mana Anda akan menggantung cangkir berat dan jarum.
   • Jika perlu, dukung rocker dengan buku atau benda lain yang cukup kuat untuk menahan palang dalam posisi horizontal. Palang harus berputar bebas di sekitar paku atau batang yang tertancap di tengahnya.

2. Ambil selembar aluminium foil dan lipat menjadi bentuk kotak atau piring. Sama sekali tidak perlu piring ini memiliki bentuk persegi atau bulat yang benar. Anda akan mengisinya dengan air atau berat lainnya, jadi pastikan itu dapat menopang berat.

   • Gantung kotak foil atau piring dari salah satu ujung batang. Buat lubang kecil di sepanjang tepi cawan dan masukkan benang melaluinya sehingga cawan menggantung di palang.

3. Gantung jarum atau penjepit kertas dari ujung palang yang lain sehingga horizontal. Ikat jarum atau penjepit kertas secara horizontal ke benang yang menggantung dari ujung palang yang lain. Agar percobaan berhasil, perlu untuk menempatkan jarum atau penjepit kertas tepat secara horizontal.

4. Tempatkan sesuatu di batang, seperti plastisin, untuk menyeimbangkan wadah aluminium foil. Sebelum melanjutkan percobaan, perlu untuk memastikan bahwa palang terletak secara horizontal. Piring foil lebih berat dari jarum, sehingga bilah akan jatuh ke samping. Tempelkan plastisin secukupnya ke sisi yang berlawanan dari palang sehingga horizontal.

   • Ini disebut penyeimbang.

5. Tempatkan jarum gantung atau penjepit kertas dalam wadah berisi air. Langkah ini akan membutuhkan usaha ekstra untuk menempatkan jarum di permukaan air. Pastikan jarum tidak terendam air. Isi wadah dengan air (atau cairan lain yang tegangan permukaannya tidak diketahui) dan letakkan di bawah jarum gantung sehingga jarum tepat berada di permukaan cairan.

   • Pada saat yang sama, pastikan tali yang menahan jarum tetap di tempatnya dan cukup kencang.

6. Timbang beberapa pin atau sejumlah kecil tetes air terukur dalam skala kecil. Anda akan menambahkan satu pin atau setetes air ke piring aluminium di kursi goyang. Dalam hal ini, perlu diketahui berat yang tepat di mana jarum akan keluar dari permukaan air.

   • Hitung jumlah pin atau tetes air dan timbang.
   • Tentukan berat satu pin atau setetes air. Untuk melakukan ini, bagi berat total dengan jumlah pin atau tetes.
   • Misalkan 30 peniti beratnya 15 gram, maka 15/30 = 0,5, yaitu satu peniti beratnya 0,5 gram.

7. Tambahkan pin atau tetes air satu per satu ke dalam piring aluminium foil sampai jarum keluar dari permukaan air. Secara bertahap tambahkan satu pin atau setetes air. Perhatikan jarum dengan hati-hati agar tidak ketinggalan momen ketika, setelah peningkatan beban berikutnya, itu akan keluar dari air. Setelah jarum keluar dari permukaan cairan, berhenti menambahkan pin atau tetes air.

   • Hitung jumlah pin atau tetes air yang diambil jarum di ujung mistar yang berlawanan untuk keluar dari permukaan air.
   • Catat hasilnya.
   • Ulangi percobaan beberapa (5 atau 6) kali untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat.
   • Hitung nilai rata-rata dari hasil yang diperoleh. Untuk melakukan ini, jumlahkan jumlah pin atau tetes di semua percobaan dan bagi jumlahnya dengan jumlah percobaan.

8. Ubah jumlah pin menjadi kekuatan. Untuk melakukannya, kalikan jumlah gram dengan 0,00981 N/g. Untuk menghitung tegangan permukaan, Anda perlu mengetahui gaya yang dibutuhkan untuk mengangkat jarum dari permukaan air. Karena Anda menghitung berat pin pada langkah sebelumnya, untuk menentukan kekuatannya, cukup mengalikan berat ini dengan 0,00981 N/g.

   • Kalikan jumlah pin yang ditempatkan di cawan dengan berat satu pin. Misalnya, jika Anda memasukkan 5 pin dengan berat masing-masing 0,5 gram, berat totalnya adalah 0,5 gram/pin = 5 x 0,5 = 2,5 gram.
   • Kalikan jumlah gram dengan faktor 0,00981 N/g: 2,5 x 0,00981 = 0,025 N.

9. Substitusikan nilai yang diperoleh ke dalam persamaan dan temukan nilai yang diinginkan. Dengan bantuan hasil yang diperoleh selama percobaan, tegangan permukaan dapat ditentukan. Cukup masukkan nilai yang ditemukan dan hitung hasilnya.

   • Misalkan pada contoh di atas, panjang jarum adalah 0,025 meter. Dengan memasukkan nilai ke dalam persamaan, kita mendapatkan: S = F/2d = 0,025 N/(2 x 0,025) = 0,05 N/m. Jadi, tegangan permukaan cairan adalah 0,05 N/m.

Molekul-molekul cairan berinteraksi satu sama lain dengan gaya tarik-menarik dan tolak menolak, yang terlihat jelas di kejauhan r, disebut jari-jari aksi molekul (berdasarkan beberapa diameter molekul). Radius Bola r disebut bidang aksi molekuler. Jika molekul berada di lapisan permukaan, yaitu kurang dari r dari permukaan, maka resultan gaya tarik menarik dari molekul sekitarnya diarahkan ke dalam cairan. Oleh karena itu, untuk transisi molekul dari bagian dalam cairan ke permukaannya, diperlukan untuk melakukan pekerjaan, sebagai akibatnya, energi bebas permukaan meningkat. Energi permukaan bebas per satuan permukaan cairan disebut koefisien tegangan permukaan:

dimana A adalah usaha yang perlu dilakukan untuk memperbesar luas permukaan sebesar S. Dalam sistem SI, koefisien tegangan permukaan (diukur dalam J / m2.

Dalam posisi kesetimbangan, energi bebas sistem minimal, sehingga cairan, dibiarkan sendiri, cenderung mengurangi permukaannya. Mari kita batasi secara mental setiap bagian dari lapisan permukaan menjadi kontur tertutup. Gaya-gaya yang bekerja di dalamnya, yang disebut gaya tegangan permukaan, diarahkan secara tangensial ke permukaan yang tegak lurus terhadap bagian kontur tempat mereka bekerja. Koefisien tegangan permukaan (dapat juga didefinisikan sebagai gaya per satuan panjang dari kontur yang membatasi permukaan:

Satuan pengukurannya dalam sistem SI adalah 1N/m (ton per meter = 1 J/m2, atau militon per meter.

Koefisien tegangan permukaan tergantung pada komposisi kimia cairan, media yang berbatasan, dan suhu. Menurun dengan meningkatnya suhu dan menghilang pada suhu kritis.

Tergantung pada kekuatan interaksi molekul cair dengan partikel benda padat yang bersentuhan dengannya, pembasahan atau tidak pembasahan benda padat oleh cairan dimungkinkan. Dalam kedua kasus, permukaan cairan di dekat batas dengan padatan melengkung ...

Tegangan permukaan air pada suhu yang berbeda

Tegangan permukaan (pada 20 ° C)

Tegangan permukaan cairan

Zat	q, mN/m
Aluminium cair (pada t=7000 0 C, c)	840
Nitrogen cair (pada t=-183 0 C,p)	6,2
Aseton (p)	24
Air (pada t=0 0 , in)	75,6
Air (pada t=20 0 , in)	72,8
Air (pada t=100 0 , in)	58,8
Air (pada t=374.15 0 , in)	0
Emas cair (pada t=1130 0 C, c)	1102
Gliserin (dalam)	63
Minyak Tanah (pada t=0 0 , in)	29
Minyak tanah (c)	24
Oksigen cair (pada t=-183 0 C, c)	13,1
Susu (dalam)	46
Minyak (dalam)	30
larutan sabun (dalam)	40
Merkuri (n)	472
Timbal cair (pada t=350 0 C, c)	442
Perak cair (pada t=970 0 C, c)	930
Alkohol (pada t=0 0 C, in)	22
Eter (p)	17

Tegangan permukaan larutan berair (dalam dyne/cm)
Konversi ke SI: 1 dyne/cm = 10 - 3 N/m

terlarut	t, °C	Konten, berat%
		5	10	20	50
H2SO4	18	-	74,1	75,2	77,3
HNO3	20	-	72,7	71,1	65,4
NaOH	20	74,6	77,3	85,8	-
NaCl	18	74,0	75,5	-	-
Na2SO4	18	73,8	75,2	-	-
NaNO3	30	72,1	72,8	74,4	79,8
KC1	18	73,6	74,8	77,3	-
KNO3	18	73,0	73,6	75,0	-
K2CO3	10	75,8	77,0	79,2	106,4
NH3	18	66,5	63,5	59,3	-
NH4C1	18	73,3	74,5	-	-
NH4NO3	100	59,2	60,1	61,6	67,5
MgCl2	18	73,8	-	-	-
CaCl2	18	73,7	-	-	-

Cairan–zat yang berada dalam keadaan agregasi cair, menempati posisi perantara antara keadaan padat dan gas. Sifat utama cairan, yang membedakannya dari zat dalam keadaan agregasi lain, adalah kemampuan untuk mengubah bentuk tanpa batas di bawah aksi tekanan mekanis tangensial, bahkan kecil secara sewenang-wenang, sambil mempertahankan volume secara praktis.

Informasi umum tentang keadaan cair

Keadaan cair biasanya dianggap perantara antara padat dan gas: gas tidak mempertahankan volume maupun bentuk, sedangkan padatan mempertahankan keduanya.

Bentuk benda cair dapat seluruhnya atau sebagian ditentukan oleh fakta bahwa permukaannya berperilaku seperti membran elastis. Jadi, air bisa terkumpul dalam tetesan. Tetapi cairan itu mampu mengalir bahkan di bawah permukaannya yang tidak dapat digerakkan, dan ini juga berarti non-konservasi bentuk (bagian internal dari benda cair).

Molekul-molekul cairan tidak memiliki posisi yang pasti, tetapi pada saat yang sama, mereka tidak memiliki kebebasan penuh untuk bergerak. Ada ketertarikan di antara mereka, cukup kuat untuk membuat mereka tetap dekat.

Suatu zat dalam keadaan cair ada dalam kisaran suhu tertentu, di bawahnya ia berubah menjadi keadaan padat (terjadi kristalisasi atau transformasi menjadi keadaan amorf padat - kaca), di atas - menjadi keadaan gas (terjadi penguapan). Batas-batas interval ini tergantung pada tekanan.

Sebagai aturan, zat dalam keadaan cair hanya memiliki satu modifikasi. (Pengecualian yang paling penting adalah cairan kuantum dan kristal cair.) Oleh karena itu, dalam banyak kasus, cairan tidak hanya keadaan agregasi, tetapi juga fase termodinamika (fase cair).

Semua cairan biasanya dibagi menjadi cairan murni dan campuran. Beberapa campuran cairan sangat penting bagi kehidupan: darah, air laut, dll. Cairan dapat bertindak sebagai pelarut.

Sifat fisik zat cair

1 ).Ketidakstabilan

Fluiditas adalah sifat utama cairan. Jika gaya eksternal diterapkan pada bagian fluida dalam kesetimbangan, maka aliran partikel fluida terjadi ke arah di mana gaya ini diterapkan: fluida mengalir. Jadi, di bawah aksi gaya eksternal yang tidak seimbang, cairan tidak mempertahankan bentuk dan pengaturan relatif dari bagian-bagiannya, dan karena itu mengambil bentuk bejana di mana ia berada.

Tidak seperti padatan plastik, cairan tidak memiliki kekuatan luluh: cukup untuk menerapkan gaya eksternal kecil yang sewenang-wenang untuk membuat cairan mengalir.

2).Konservasi Volume

Salah satu sifat karakteristik cairan adalah memiliki volume tertentu (dalam kondisi eksternal konstan). Cairan sangat sulit untuk dikompresi secara mekanis karena, tidak seperti gas, hanya ada sedikit ruang bebas di antara molekul-molekulnya. Tekanan yang diberikan pada cairan yang tertutup dalam bejana diteruskan tanpa perubahan ke setiap titik volume cairan ini (hukum Pascal juga berlaku untuk gas). Fitur ini, bersama dengan kompresibilitas yang sangat rendah, digunakan pada mesin hidrolik.

Cairan biasanya bertambah volumenya (memuai) ketika dipanaskan dan berkurang volumenya (berkontraksi) ketika didinginkan. Namun, ada pengecualian, misalnya, air dikompresi saat dipanaskan, pada tekanan dan suhu normal dari hingga kira-kira.

3).Viskositas

Selain itu, cairan (seperti gas) dicirikan oleh viskositas. Ini didefinisikan sebagai kemampuan untuk menahan pergerakan salah satu bagian relatif terhadap yang lain - yaitu, sebagai gesekan internal.

Ketika lapisan cairan yang berdekatan bergerak relatif satu sama lain, tabrakan molekul pasti terjadi selain itu karena gerakan termal. Ada kekuatan yang memperlambat gerakan yang teratur. Dalam hal ini, energi kinetik dari gerakan teratur diubah menjadi energi panas - energi gerakan kacau molekul.

Cairan di dalam bejana, digerakkan dan dibiarkan sendiri, secara bertahap akan berhenti, tetapi suhunya akan naik.

4).Ketercampuran

Miscibility adalah kemampuan cairan untuk larut satu sama lain. Contoh zat cair yang dapat bercampur: air dan etil alkohol, contoh zat cair yang tidak dapat bercampur: air dan minyak cair.

5).Pembentukan Permukaan dan Tegangan Permukaan Gratis

Karena konservasi volume, cairan dapat membentuk permukaan bebas. Permukaan seperti itu adalah antarmuka fase zat tertentu: di satu sisi ada fase cair, di sisi lain - gas (uap), dan, mungkin, gas lain, seperti udara.

Jika fase cair dan gas dari zat yang sama bersentuhan, timbul gaya yang cenderung mengurangi luas antarmuka - gaya tegangan permukaan. Antarmuka berperilaku seperti membran elastis yang cenderung menyusut.

6).gelombang kepadatan

Meskipun cairan sangat sulit untuk dikompresi, volume dan kerapatannya berubah seiring perubahan tekanan. Itu tidak terjadi secara instan; jadi, jika satu bagian dikompresi, maka kompresi tersebut ditransmisikan ke bagian lain dengan penundaan. Ini berarti bahwa gelombang elastis, lebih khusus lagi, gelombang kerapatan, mampu merambat di dalam cairan. Seiring dengan densitas, besaran fisika lainnya juga berubah, misalnya suhu.

Jika selama perambatan gelombang kerapatannya hanya berubah sedikit, gelombang seperti itu disebut gelombang suara, atau suara.

Jika kerapatan berubah cukup kuat, maka gelombang seperti itu disebut gelombang kejut. Gelombang kejut dijelaskan oleh persamaan lain.

Massa jenis gelombang dalam zat cair bersifat longitudinal, yaitu massa jenis berubah sepanjang arah rambat gelombang. Tidak ada gelombang elastik transversal dalam zat cair karena bentuk tidak kekal.

Gelombang elastis dalam cairan meluruh seiring waktu, energinya secara bertahap berubah menjadi energi panas. Alasan untuk redaman adalah viskositas, "penyerapan klasik", relaksasi molekuler, dan lain-lain. Dalam hal ini, yang disebut viskositas kedua, atau massal, bekerja - gesekan internal dengan perubahan kerapatan. Sebagai hasil dari redaman, gelombang kejut berubah menjadi gelombang suara setelah beberapa waktu.

Gelombang elastis dalam cairan juga tunduk pada hamburan oleh ketidakhomogenan yang dihasilkan dari gerakan termal acak molekul.

Struktur cairan

Studi eksperimental keadaan cair materi, berdasarkan pengamatan difraksi sinar-X dan fluks neutron saat melewati media cair, telah mengungkapkan adanya pesanan jarak pendek, yaitu kehadiran beberapa urutan dalam susunan partikel hanya pada jarak kecil dari setiap posisi yang dipilih (Gbr. 140).

Susunan timbal balik partikel tetangga dalam cairan mirip dengan susunan teratur partikel tetangga dalam kristal. Namun, pemesanan dalam cairan ini diamati hanya di dalam volume kecil. Pada jarak: dari beberapa molekul "pusat" yang dipilih, urutannya dilanggar ( adalah diameter efektif molekul). Urutan seperti itu dalam susunan partikel dalam cairan disebut urutan jarak pendek. .

Karena tidak adanya keteraturan jarak jauh, cairan, dengan beberapa pengecualian, tidak menunjukkan karakteristik anisotropi kristal. Untuk alasan ini, struktur cairan kadang-kadang disebut sebagai kristal kuasi atau seperti kristal. .

Untuk pertama kalinya, gagasan kesamaan beberapa sifat cairan (terutama lelehan logam) dan padatan kristal diungkapkan dan kemudian dikembangkan dalam karya fisikawan Soviet Ya.I. Frenkel pada awal 1930-an–1940-an. . Menurut pandangan Frenkel, yang sekarang telah menerima pengakuan universal, gerakan termal atom dan molekul dalam cairan terdiri dari getaran tidak teratur dengan frekuensi rata-rata mendekati frekuensi getaran atom dalam tubuh kristal. Pusat osilasi ditentukan dalam hal ini oleh medan gaya partikel tetangga dan dipindahkan bersama dengan perpindahan partikel-partikel ini.

Dalam cara yang disederhanakan, gerakan termal seperti itu dapat direpresentasikan sebagai superposisi lompatan partikel yang relatif jarang dari satu posisi kesetimbangan sementara ke posisi keseimbangan lainnya dan osilasi termal dalam interval antara lompatan. Waktu rata-rata untuk tinggal "menetap" molekul cair di dekat posisi kesetimbangan tertentu disebut waktu relaksasi. Setelah berakhirnya waktu, molekul mengubah tempat kesetimbangannya, melompat ke posisi baru, terpisah dari yang sebelumnya dengan jarak urutan ukuran molekul itu sendiri. Dengan demikian, molekul bergerak perlahan di dalam cairan. Ketika suhu naik, waktu berkurang, mobilitas molekul meningkat, yang menyebabkan penurunan viskositas cairan (fluiditas meningkat). Menurut ekspresi figuratif Ya.I. Frenkel, molekul-molekul berkeliaran di seluruh volume cairan, memimpin gaya hidup nomaden, di mana perjalanan jangka pendek digantikan oleh periode kehidupan menetap yang relatif lama.

Padatan amorf (kaca, resin, bitumen, dll.) Dapat dianggap sebagai cairan superdingin, partikelnya, karena viskositas yang sangat meningkat, memiliki mobilitas terbatas.

Karena keteraturan yang rendah dari keadaan cair, teori cairan ternyata kurang berkembang dibandingkan teori gas dan padatan kristal. Belum ada teori yang lengkap tentang fluida.

Jenis khusus cairan adalah beberapa senyawa organik yang terdiri dari molekul memanjang atau berbentuk cakram, atau yang disebut kristal cair. Interaksi antar molekul dalam cairan tersebut cenderung menyelaraskan sumbu panjang molekul dalam urutan tertentu. Pada suhu tinggi, gerakan termal mencegah hal ini, dan zatnya adalah cairan biasa. Pada suhu di bawah suhu kritis, arah yang lebih disukai muncul dalam cairan, dan urutan orientasi jarak jauh muncul. Sementara mempertahankan fitur utama dari cairan, seperti fluiditas, kristal cair memiliki sifat karakteristik kristal padat - anisotropi sifat magnetik, listrik dan optik. Properti ini (bersama dengan fluiditas) menemukan banyak aplikasi teknis, misalnya, di jam tangan elektronik, kalkulator, ponsel, serta di monitor komputer pribadi, televisi, sebagai indikator, papan skor dan layar untuk menampilkan informasi digital, alfabet dan analog.

Tegangan permukaan

Fitur cairan yang paling menarik adalah kehadirannya permukaan bebas. Terkait dengan permukaan cairan energi bebas, sebanding dengan luas permukaan bebas cairan: . Karena energi bebas dari sistem terisolasi cenderung minimum, cairan (tanpa adanya medan eksternal) cenderung mengambil bentuk yang memiliki luas permukaan minimum. Dengan demikian, masalah bentuk cairan direduksi menjadi masalah isoperimetri di bawah kondisi tambahan yang diberikan (distribusi awal, volume, dll.). Tetesan bebas berbentuk bola, namun, dalam kondisi yang lebih kompleks, masalah bentuk permukaan cairan menjadi sangat sulit.

Cairan, tidak seperti gas, tidak mengisi seluruh volume bejana tempat ia dituangkan. Sebuah antarmuka terbentuk antara cairan dan gas (atau uap), yang berada dalam kondisi khusus dibandingkan dengan sisa massa cairan. Molekul-molekul di lapisan batas cairan, berbeda dengan molekul di kedalamannya, tidak dikelilingi oleh molekul lain dari cairan yang sama dari semua sisi. Gaya interaksi antarmolekul yang bekerja pada salah satu molekul di dalam cairan dari molekul tetangga, rata-rata, saling mengimbangi (Gbr. 141).

Tetapi semua molekul, termasuk yang berada di lapisan batas, harus berada dalam keadaan setimbang. Kesetimbangan ini dicapai karena beberapa penurunan jarak antara molekul-molekul lapisan permukaan dan tetangga terdekatnya di dalam cairan. Ketika jarak antar molekul berkurang, gaya tolak muncul. Molekul-molekul lapisan permukaan agak lebih padat, dan oleh karena itu mereka memiliki cadangan energi potensial tambahan dibandingkan dengan molekul-molekul dalam. Karena itu, molekul-molekul lapisan permukaan cairan memiliki energi potensial yang lebih besar dibandingkan dengan molekul-molekul di dalam cairan, sama dengan energi bebas . .Jadi, energi potensial permukaan cairan sebanding dengan luasnya: .

Dari mekanika diketahui bahwa keadaan kesetimbangan suatu sistem sesuai dengan nilai minimum energi potensialnya, yaitu permukaan bebas cairan cenderung mengurangi luasnya. Fluida berperilaku seolah-olah gaya bekerja secara tangensial ke permukaannya, mengurangi (mengerutkan) permukaan ini. Kekuatan ini disebut gaya tegangan permukaan .

Mari kita pilih beberapa kontur tertutup pada permukaan cairan. Untuk semua molekul yang terletak di dalam sirkuit ini, semua gaya saling seimbang. Namun, untuk molekul yang terletak di sepanjang kontur, gaya yang diarahkan ke luar adalah gaya eksternal; mereka tegak lurus terhadap keliling dan bersinggungan dengan permukaan cairan. Gaya-gaya yang meregangkan film ini adalah gaya tegangan permukaan (Gbr. 143).

Beras. 143.

Gaya tegangan permukaan diarahkan secara tangensial ke permukaan cairan, tegak lurus terhadap bagian kontur tempat ia bekerja dan sebanding dengan panjang bagian ini.: .

Adanya gaya tegangan permukaan membuat permukaan cairan terlihat seperti film elastis yang diregangkan, dengan satu-satunya perbedaan bahwa gaya elastis dalam film bergantung pada luas permukaannya (yaitu, pada bagaimana film dideformasi), dan gaya tegangan permukaan jangan tergantung pada luas permukaan cairan.

Konverter Panjang dan Jarak Konverter Massa Makanan dan Makanan Massal Konverter Volume Konverter Area Unit Volume dan Resep Konverter Suhu Konverter Tekanan, Tegangan, Modulus Young Konverter Energi dan Kerja Konverter Daya Konverter Gaya Konverter Waktu Konverter Kecepatan Linier Konverter Sudut Datar efisiensi termal dan efisiensi bahan bakar Konverter angka dalam sistem bilangan berbeda Konverter satuan pengukuran kuantitas informasi Kurs mata uang Dimensi pakaian dan sepatu wanita Dimensi pakaian dan sepatu pria Konverter kecepatan sudut dan frekuensi rotasi Konverter percepatan Konverter percepatan sudut Konverter densitas Konverter volume spesifik Konverter momen inersia Momen konverter gaya Konverter torsi Konverter nilai kalor spesifik (menurut massa) Konverter densitas energi dan nilai kalor spesifik (menurut volume) Konverter perbedaan suhu Konverter koefisien Koefisien Ekspansi Termal Konverter Perlawanan Termal Konverter Konduktivitas Termal Konverter Kapasitas Panas Spesifik Konverter Eksposur Energi dan Daya Radiant Konverter Densitas Fluks Panas Koefisien Perpindahan Panas Konverter Aliran Volume Konverter Aliran Massa Konverter Aliran Molar Konverter Densitas Fluks Massa Konverter Konsentrasi Molar Konverter Konsentrasi Massa dalam Solusi Konverter Dinamis ( Konverter Viskositas Kinematik Konverter Tegangan Permukaan Konverter Permeabilitas Uap Konverter Kerapatan Fluks Uap Air Konverter Tingkat Suara Konverter Sensitivitas Mikrofon Konverter Tingkat Tekanan Suara (SPL) Konverter Tingkat Tekanan Suara dengan Referensi yang Dapat Dipilih Konverter Kecerahan Konverter Intensitas Cahaya Konverter Pencahayaan Konverter Resolusi Grafis Komputer Konverter frekuensi dan panjang gelombang Daya dalam dioptri dan panjang fokus Jarak Daya dalam Dioptri dan Pembesaran Lensa (×) Konverter Muatan Listrik Konverter Densitas Muatan Linear Konverter Densitas Muatan Permukaan Konverter Densitas Muatan Volumetrik Konverter Densitas Arus Listrik Konverter Densitas Arus Linear Konverter Densitas Arus Permukaan Konverter Kekuatan Medan Listrik Konverter Potensi Elektrostatik dan Tegangan Konverter Tahanan Listrik Konverter Listrik Resistansi Konverter Konduktivitas Listrik Konverter Konduktivitas Listrik Konverter Induktansi Kapasitansi Konverter Pengukur Kawat AS Tingkat dalam dBm (dBm atau dBm), dBV (dBV), watt, dll. unit Konverter gaya gerak magnet Konverter kekuatan medan magnet Konverter fluks magnetik Konverter induksi magnetik Radiasi. Pengonversi Radiasi Penyerapan Tingkat Dosis Radioaktivitas. Radiasi Konverter Peluruhan Radioaktif. Konverter Dosis Paparan Radiasi. Konverter Dosis Terserap Konverter Awalan Desimal Transfer Data Tipografi dan Konverter Satuan Pemrosesan Gambar Konverter Satuan Volume Kayu Perhitungan Massa Molar Tabel Periodik Unsur Kimia oleh D. I. Mendeleev

Nilai awal

Nilai yang dikonversi

newton per meter milinewton per meter gram-force per sentimeter dyne per sentimeter erg per sentimeter persegi erg per milimeter persegi poundal per inci pound-force per inci

Kuat medan listrik

Lebih lanjut tentang tegangan permukaan

Informasi Umum

Tegangan permukaan adalah sifat zat cair untuk menahan gaya yang bekerja padanya. Dibandingkan dengan cairan lain, tegangan permukaan air salah satu yang tertinggi. Sifat air ini disebabkan oleh struktur molekulnya, sehingga ikatan antar molekul jauh lebih kuat daripada cairan lainnya.

Tegangan permukaan tergantung pada cairan itu sendiri dan struktur molekulnya, tetapi juga pada bahan apa yang bersentuhan dengan cairan ini. Ketika datang ke tegangan permukaan di kerajaan hewan dan dalam banyak contoh lain di bawah ini, baik sistem air-udara atau larutan berair dari berbagai zat biasanya dipertimbangkan, karena ini adalah sistem yang paling umum yang terjadi di alam.

Perhitungan Tegangan Permukaan

Untuk menambah luas permukaan air, yaitu untuk meregangkan permukaan ini, perlu dilakukan kerja mekanis untuk mengatasi gaya tegangan permukaan. Jika tidak ada gaya eksternal lain yang diterapkan pada fluida, ia cenderung mengasumsikan bentuk di mana luas permukaan fluida ini minimal. Seperti yang akan kita lihat di bawah, bentuk yang paling optimal adalah bola. Dalam gravitasi nol, cairan benar-benar berbentuk bola. Energi potensial tegangan permukaan ditemukan dengan rumus:

berselancar = S

Di Sini σ adalah koefisien tegangan permukaan, dan S adalah luas total cairan. Rumus ini juga dapat dinyatakan sebagai:

σ = berselancar/S

Seperti dapat dilihat dari rumus ini, koefisien tegangan permukaan dinyatakan dalam joule per meter persegi (J/m² = N/m). Artinya, koefisien tegangan permukaan pada suhu konstan cairan sama dengan pekerjaan yang harus dilakukan untuk meningkatkan permukaan cairan per satuan luas. Ingatlah bahwa joule sama dengan newton dikalikan satu meter, dan kami mendapatkan unit lain untuk mengukur tegangan permukaan - newton per meter (N / m).

Tentang terminologi

Tegangan permukaan tidak hanya terjadi pada sistem udara-cair. Paling sering, ketika orang berbicara panjang lebar tentang gaya, yang mereka maksud adalah tegangan permukaan dalam sistem gas-cair. Terkadang kita berbicara tentang sistem cair-cair, yang juga memiliki tegangan permukaan. Contoh sistem cair-cair di mana kita dapat berbicara tentang tegangan permukaan adalah lampu lava. Ketika lampu dimatikan, parafin di dalamnya dalam keadaan padat, tetapi ketika dinyalakan, ia memanas, meleleh, dan naik, karena dalam keadaan panas parafin lebih ringan daripada cairan tempat ia berada. , dan dalam keadaan dingin lebih berat.

Mekanisme Tegangan Permukaan

Setiap molekul dalam cairan bekerja pada molekul sekitarnya dengan gaya tertentu. Dengan demikian, sejumlah gaya dari arah yang berbeda dari sisi molekul lain juga bekerja pada setiap molekul. Aksi gaya-gaya ini antar molekul ditunjukkan dalam ilustrasi. Gaya-gaya ini muncul karena fakta bahwa atom hidrogen dan oksigen yang membentuk air tertarik satu sama lain karena perbedaan muatan (muatan negatif oksigen tertarik ke muatan positif hidrogen). Gaya-gaya ini menarik molekul ke arah yang berbeda, menuju satu sama lain.

Situasi dengan molekul pada permukaan suatu zat sedikit berbeda, karena besarnya gaya yang digunakan molekul udara untuk bekerja pada molekul air jauh lebih kecil daripada gaya yang digunakan molekul air untuk bekerja satu sama lain. Seperti yang ditunjukkan dalam ilustrasi, gaya yang bekerja pada molekul pada permukaan cairan lebih kecil daripada gaya yang bekerja pada semua molekul lain di dalam zat. Gaya-gaya yang bekerja pada molekul-molekul ini bekerja pada mereka dari sisi tempat mereka dikelilingi oleh molekul air lainnya, tetapi tidak dari permukaan. Karena ini, molekul-molekul di permukaan tertarik ke dalam cairan dengan kekuatan yang lebih besar daripada yang ditarik ke permukaan. Karena itu, lapisan air yang jauh lebih “tahan lama” terbentuk di permukaan. Gaya yang bekerja pada molekul di permukaan menyebabkan permukaan berkontraksi untuk mengurangi luas permukaan sebanyak mungkin. Dibandingkan dengan ikatan lain, ikatan ini jauh lebih sulit untuk diputuskan.

Gaya yang bekerja pada molekul air menentukan keberadaan dua sifat air - adhesi dan kohesi. Kohesi adalah sifat molekul-molekul dari zat yang sama untuk menarik satu sama lain. Seperti yang telah kita lihat dari contoh sebelumnya, molekul air sangat kohesif. Berkat kohesi, tegangan permukaan dimungkinkan.

Adhesi, sebaliknya, adalah sifat molekul zat atau bahan yang berbeda untuk tertarik satu sama lain. Misalnya, jika adhesi antara cairan dan bejana tinggi, maka cairan "naik" di permukaan bejana, sedangkan area di tengah cairan tetap di tempatnya. Ini terlihat jelas pada contoh air dalam bejana kaca - bentuk air cekung meniskus jika Anda menuangkannya ke dalam wadah yang sempit.

Tentu saja, meniskus cekung akan terbentuk di bejana kaca apa pun jika tidak terlalu penuh, tetapi efek ini lebih mudah dilihat di bejana sempit, seperti pipa. Perlu dicatat bahwa dalam ilustrasi gelas penuh, meniskus cembung. Ini karena air tidak memiliki apa pun untuk "dikaitkan" selain molekul air lainnya. Bentuk meniskus yang cembung disebabkan oleh kohesi antar molekul air. Proses pembentukan meniskus cembung mirip dengan proses pembentukan tetesan air, yang dijelaskan di bawah ini.

Jika adhesi antara permukaan zat dan cairan kecil, maka meniskus akan cembung. Ini karena molekul-molekul cairan tertarik ke molekul cairan lain lebih dari yang mereka tarik ke permukaan bejana. Contoh meniskus yang baik adalah merkuri. Jika Anda memiliki alat pengukur dengan merkuri di dalamnya, seperti termometer, maka Anda dapat dengan mudah melihat meniskus ini.

Contoh tegangan permukaan di tempat kerja

Contoh tegangan permukaan dalam kehidupan sehari-hari dan teknologi mengelilingi kita di mana-mana. Pengaruh tegangan permukaan paling mudah dilihat dalam sistem air-udara.

Tetes air

Pembentukan tetesan bola juga terjadi karena gaya yang menarik molekul permukaan cairan ke dalam. Bayangkan setetes, seperti yang sering digambar anak-anak - bentuknya sama sekali tidak bulat, tetapi lonjong, memanjang di bagian atas dan membulat di bagian bawah. Gambar tetesan yang paling umum memiliki bentuk ini karena kita paling sering melihat tetesan seperti ini ketika berbagai gaya bekerja padanya. Sebagai contoh, beginilah penampakan tetesan air yang menggelinding di permukaan daun dan dahan pohon, lalu mengalir ke bawah.

Ketika setetes belum dikacakan dari permukaan di mana ia berada, beberapa gaya bekerja padanya, termasuk gaya tarik-menarik. Air dengan mudah berubah bentuk, dan setetes, sebelum jatuh, diregangkan dan mewakili gantung drop. Kami akrab dengan bentuk ini, karena tetesan seperti itu, tidak seperti yang bulat, bergerak agak lambat dan mudah dilihat.

Saat tetesan meregang, ia mencapai titik peregangan maksimum, setelah itu gaya tegangan permukaan tidak dapat lagi menahan molekul tetesan bersama-sama. Drop putus dari molekul air lainnya dan jatuh. Saat terbang ke bawah, pengaruh gaya sekitarnya berkurang, dan karena tegangan permukaan, bentuknya menjadi bulat, seperti yang kita bahas di atas.

Seperti yang Anda lihat di foto setetes kopi yang jatuh ke cangkir dari mesin kopi espresso, bentuk tetesan ini sangat dekat dengan bola, meskipun sedikit berubah bentuk oleh gaya gravitasi yang bekerja padanya.

Untuk memahami mekanisme di balik pembentukan tetesan bola, kita juga dapat mempertimbangkan tegangan permukaan dalam hal energi, seperti dalam definisi fenomena ini di atas. Partikel tertarik ke partikel lain dengan muatan yang berlawanan, sehingga kita dapat mengatakan bahwa partikel ini memiliki energi potensial yang bergantung pada bagaimana molekul ini berinteraksi dengan molekul di sekitarnya. Molekul pada permukaan zat cair tidak dikelilingi oleh molekul lain pada permukaannya, sehingga energi potensialnya lebih tinggi. Sistem seperti itu cenderung mengurangi energi potensial, menurut prinsip energi potensial minimum. Ini berarti bahwa molekul dengan energi potensial yang lebih tinggi cenderung menguranginya, misalnya dengan mengubah bentuknya. Dalam kasus kami, ini dicapai dengan mengubah bentuk yang diambil air.

Dengan tegangan permukaan konstan, energi potensial dapat dikurangi dengan mengurangi luas. Penting untuk diingat bahwa kita sedang membicarakan luas antar molekul. Setelah mempertimbangkan rumus untuk menghitung luas berbagai bentuk geometris, kami mencatat bahwa bola paling cocok untuk mengurangi luas antar molekul, yaitu, luas molekul di permukaan luar bola ini minimal dibandingkan dengan geometris lainnya. bentuk. Hubungan ini dapat dibuktikan dengan menggunakan Persamaan Euler-Lagrange.

Perubahan tegangan permukaan dengan perubahan suhu dan komposisi kimia suatu zat

Perlu dicatat bahwa dengan meningkatnya suhu, tegangan permukaan menurun. Ini karena dengan meningkatnya suhu, molekul menjadi lebih aktif dan intensitas getarannya meningkat. Akibatnya, jarak antar molekul meningkat dan ikatan antar molekul melemah. Beberapa zat yang ditambahkan ke air, seperti sabun, juga mengurangi tegangan permukaan, dan ini memungkinkan air untuk lebih melekat pada permukaan lain.

Penurunan tegangan permukaan memungkinkan air menembus pori-pori dan lubang yang sulit dijangkau, seperti di antara serat kain. Hal ini dimungkinkan karena fakta bahwa molekul air mudah dipisahkan satu sama lain pada tegangan permukaan yang rendah. Itulah sebabnya kain, piring, dan benda serta permukaan lainnya paling sering dicuci dengan air panas. Deterjen memiliki efek yang sama dalam mengurangi tegangan permukaan seperti pemanasan, sehingga deterjen juga sering digunakan untuk membersihkan permukaan, seringkali dikombinasikan dengan air panas.

Tegangan permukaan kapiler

Di atas, kami melihat pembentukan meniskus karena adhesi, tetapi ini bukan satu-satunya contoh bagaimana cairan berperilaku dalam tabung sempit dan kapiler. Cairan naik ke kapiler atau tabung karena adhesi, tetapi agar cairan naik melalui tabung secara keseluruhan tanpa pecah, kohesi juga diperlukan selain adhesi. Semakin sempit kapiler, semakin tinggi cairan dapat naik, karena dalam tabung yang lebih lebar mungkin tidak ada tegangan permukaan yang cukup untuk mengangkat sejumlah besar air ke atas.

Contoh fenomena di kapiler adalah handuk kertas, yang menyerap cairan yang tumpah, pakaian olahraga yang terbuat dari kain, yang menyerap keringat, dan akar, yang menyerap air dari tanah dan memindahkannya di sepanjang batang, ke cabang dan daun. Perlu dicatat bahwa pergerakan cairan seperti itu dapat disebabkan tidak hanya oleh tegangan permukaan, tetapi juga oleh osmosis. Sebuah fenomena menarik di candi Hindu dikenal sebagai keajaiban susu juga dijelaskan oleh kerja kapiler. Keajaiban susu adalah sebagai berikut. Pengunjung salah satu kuil Hindu di India memperhatikan bahwa patung-patung dewa di wilayah kuil "meminum" susu yang ditinggalkan orang percaya di piring di depan mereka. Fenomena ini telah terlihat di beberapa candi lain di India maupun di luar negeri. Para ilmuwan menjelaskan fenomena ini dengan kerja kapiler: batu dari mana patung-patung itu diukir berpori, dan susu naik melalui kapiler di dalam patung.

Seperti dapat dilihat dari contoh-contoh ini, tanpa tegangan permukaan tidak akan ada fenomena pergerakan cairan melalui kapiler. Cairan dapat menempel pada dinding bejana jika daya rekat antara zat cair dan bahan bejana tinggi, tetapi tanpa tegangan permukaan tidak dapat merambat ke atas, karena tidak dapat bergerak secara keseluruhan.

Benda terapung di permukaan zat cair

Benda yang tidak basah dalam zat cair dan memiliki massa jenis lebih besar dari massa jenis air dapat mengapung di permukaan air karena adanya keseimbangan antara gaya yang menimbulkan tegangan permukaan dan gaya yang menarik benda ke bawah, seperti benda bobot. Di sini kita hanya berbicara tentang bodi yang terbuat dari bahan tahan air. Jika air menembus bahan atau menempel pada cangkang, maka gambarnya menjadi jauh lebih rumit. Sifat tubuh untuk tetap berada di permukaan ini dengan mudah ditunjukkan dengan contoh klip kertas atau jarum yang mengambang di permukaan air. Turunkan penjepit kertas dengan hati-hati ke dalam air, berusaha untuk tidak menerapkan gaya, gaya tegangan permukaan yang besar. Untuk mengurangi jumlah air yang menempel pada permukaan klip kertas dan membuatnya tenggelam di bawah air, tutupi klip kertas dengan minyak. Jika kita meletakkan penjepit kertas di atas air dengan cukup lembut, itu akan tetap berada di permukaan air.

Bentuk tetesan yang menempel pada permukaan yang keras

Dalam contoh yang dijelaskan sebelumnya, kita melihat bahwa tetesan air cenderung menjadi bola untuk mengurangi energi potensial dalam sistem. Terkadang tidak mungkin untuk mencapai bentuk bola, jadi tetesannya mengambil bentuk yang paling dekat dengannya. Jika setetes air jatuh pada permukaan padat dan menempel padanya, maka bagian bawah tetesan yang bersentuhan dengan permukaan ini akan membentuk permukaan ini, misalnya, menjadi datar. Ini karena gaya tarik menarik jatuh ke permukaan. Permukaan drop, yang hanya bersentuhan dengan udara, sebaliknya akan mendekati bentuk bola. Akibatnya, tetesan pada permukaan datar, seperti pada lembaran atau kaca, memperoleh bentuk belahan bumi.

Ketika tetesan jatuh pada permukaan padat, mereka mengambil bentuk yang memungkinkan pengurangan luas, dan tetap dalam bentuk ini sampai keseimbangan antara kekuatan sangat terganggu sehingga tegangan permukaan tidak dapat lagi menahan tetesan pada permukaan dalam bentuk ini. Misalnya, tetesan embun tetap berada di kain tenda sampai bersentuhan dengan permukaan lain. Ketika tetesan telah terbentuk di luar, jika Anda menyentuh kain tenda dari dalam dan melepaskan tangan Anda, tegangan permukaan akan pecah sehingga tetesan akan menembus kain tenda dan air akan tetap berada di jari-jari Anda. .

Fenomena menarik dapat dilihat ketika minuman beralkohol, seperti anggur, dituangkan ke dalam gelas, terutama jika itu adalah anggur dengan kadar alkohol tinggi. Tetesan air terbentuk di dinding kaca ini, yang dikenal sebagai "air mata anggur".

Fenomena ini disebabkan oleh beberapa faktor, antara lain perbedaan tegangan permukaan antara etanol dan air. Seperti yang kami sebutkan di atas, tegangan permukaan air tinggi dibandingkan dengan cairan lain. Ini berkali-kali lebih besar dari tegangan permukaan etil alkohol. Dalam campuran air dan alkohol, seperti, misalnya, dalam anggur, molekul air lebih tertarik satu sama lain daripada molekul alkohol. Karena itu, air "mengalir" dari molekul alkohol, naik ke dinding kaca. Dengan kata lain, air bergerak dari molekul etanol menuju molekul air.

Tentu saja, ada etanol dalam anggur di dalam gelas, tetapi tidak ada di permukaan gelas di atas tingkat anggur, sehingga air bergerak tepat ke atas dinding gelas. Pada saat yang sama, tetesan yang mirip dengan air mata terbentuk di dinding di atas tingkat anggur. Oleh karena itu nama fenomena ini.

Semakin banyak air yang terkumpul dalam setetes, dan semakin tinggi naik, semakin sulit untuk tetap berada di kaca hanya karena tegangan permukaan. Akhirnya, tetesan itu mengalir kembali ke dalam gelas. Semakin tinggi kandungan alkohol anggur, semakin jelas efek ini.

Tegangan permukaan dalam diagnosa medis

Dokter menggunakan informasi tentang tegangan permukaan suatu zat untuk menentukan isinya dalam campuran. Misalnya, beberapa bentuk penyakit kuning ditandai dengan kandungan garam empedu yang tinggi dalam urin. Kehadiran garam ini menurunkan tegangan permukaan urin, dan oleh karena itu kandungannya dapat ditentukan dengan memeriksa apakah zat tertentu mengapung atau tenggelam dalam urin, dalam kasus kami bubuk belerang. Itu tidak tenggelam dalam urin pasien yang sehat, tetapi jika ada campuran garam empedu di dalamnya, maka tegangan permukaan tidak cukup, dan bubuk belerang tenggelam. Tes ini disebut tes Hay.

Di alam

Pengukuran tegangan permukaan

Ada beberapa cara untuk mencari tegangan permukaan dengan menggunakan berbagai alat ukur. Di bawah ini kami mempertimbangkan beberapa sistem pengukuran terkenal.

Dalam perangkat jenis pertama, gaya yang diterapkan pada perangkat pengukur sebagai akibat dari tegangan permukaan diukur. Ketika diukur dengan metode sobek cincin du Nouy dan metode du Nuy-Padey gaya yang diperlukan untuk mengangkat cincin atau jarum dari permukaan cairan, masing-masing, diperkirakan. Menurut hukum ketiga Newton, gaya yang diberikan pada cincin atau jarum karena tegangan permukaan ketika kita mengangkatnya dari permukaan cairan sama besarnya dengan gaya yang diperlukan untuk mengangkat benda-benda tersebut dari permukaan air. Artinya, dengan mengukur gaya yang diperlukan untuk mengangkat benda-benda ini, kita juga mendapatkan jumlah gaya yang mencegahnya mengangkat.

Metode Wilhelmy mengukur gaya yang bekerja pada pelat logam yang direndam dalam cairan yang tegangan permukaannya sedang diukur. Cairan menempel pada pelat, cincin, atau jarum (seperti dalam metode pengukuran sebelumnya), dan tegangan permukaan menahan molekul cairan yang menempel pada permukaan, serta molekul lainnya, bersama-sama secara keseluruhan. Artinya, cairan "tidak melepaskan" piring, cincin, atau jarum. Bahan dari mana pelat dibuat diketahui, serta seberapa kuat air melekat pada bahan ini, dan ini diperhitungkan saat menghitung gaya.

Tegangan permukaan juga dapat ditemukan dengan menggunakan berat tetesan air yang jatuh dari tabung vertikal atau kapiler. Metode ini disebut stalagmometri, dan alat yang mengukur tegangan permukaan adalah stalagmometer. Tegangan permukaan cairan dapat dengan mudah dihitung dari berat setetes, karena berat dan tegangan permukaan saling berhubungan. Jika diameter tabung diketahui, maka berat setetes dapat ditentukan dari jumlah tetesan dalam sejumlah cairan tertentu.

Metode penentuan dengan bentuk tetesan gantung mirip dengan yang sebelumnya karena juga menggunakan penurunan untuk menentukan gaya tegangan permukaan. Dalam hal ini, mereka mengukur seberapa banyak tetesan dapat memanjang sebelum terpisah dari sisa cairan dan jatuh.

Ada juga alat ukur yang memutar cairan dan gas (untuk sistem cair-gas) hingga sistem mencapai kesetimbangan dan bentuk zat menjadi konstan. Dalam hal ini, tegangan permukaan ditentukan oleh bentuk suatu zat dengan massa jenis yang lebih rendah. Cara mengukur tegangan permukaan ini disebut metode jatuh berputar.

Apakah Anda merasa kesulitan menerjemahkan satuan ukuran dari satu bahasa ke bahasa lain? Rekan-rekan siap membantu Anda. Kirim pertanyaan ke TCTerms dan dalam beberapa menit Anda akan menerima jawaban.