توضیح تصویر: تیغ شناور روی آب

واقعیت سریع

کشش سطحی در آب ناشی از تعامل زیاد بین مولکول‌های آب است که به پیوند هیدروژنی معروف است. از آن جا که مقدار کشش سطحی آب زیاد است، آب از نقطه جوش بالایی برخوردار است.

نیروی جاذبه بین مولکول‌های مشابه در یک مایع تمایل به انقباض در سطح را ایجاد می‌کند. از این رو گفته می‌شود که این سطح تحت "کشش" قرار دارد. کشش سطحی خاصیت سطح یک مایع برای مقاومت در برابر نیروی خارجی است. به همین دلیل سطح بدنه آب مانند غشایی کشیده به نظر می‌رسد. کشش سطحی باعث "عمل مویرگی" می‌شود، و به همین دلیل آب از میان ساقه گیاهان بالا می‌رود و خون در عروق کوچک بدن ما جریان می‌یابد. در زیر مفاهیمی اساسی در مورد نیروهای مولکولی آمده است که باید قبل از درک کشش سطحی بدانیم.

- نیروهای پیوستگی، نیروهای موجود بین مولکول‌های مشابه هستند. به عنوان مثال، قدرت جاذبه بین دو مولکول آب، نیروی پیوستگی است.

- نیروهای چسبندگی، نیروهای بین مولکول‌های غیر مشابه هستند. نیروی جاذبه بین یک مولکول آب و هوا، نیروی چسبندگی است.

- دامنه نیروهای مولکولی، حداکثر فاصله‌ای است که نیروهای بین مولکولی در آن محدوده مؤثر هستند.

- کره‌ای که به وسیله مرکز و دامنه نیروهای مولکولی به صورت شعاع کشیده می‌شود به عنوان حوزه نفوذ شناخته می‌شود.

- فیلم سطحی، لایه‌ای از سطح مایع است که ضخامت آن برابر با دامنه نیروهای جاذبه بین مولکول‌ها در سطح است.

کشش سطحی چیست؟

کشش سطحی پدیده ای است که در آن سطح یک مایع، جایی که مایع با گاز در تماس است، به صورت یک ورق نازک الاستیک عمل می‌کند. از این اصطلاح معمولاً فقط در صورت تماس سطح مایع با گاز (مانند هوا) استفاده می‌شود. اگر سطح بین دو مایع (مانند آب و روغن) مد نظر باشد، به آن "تنش رابط" گفته می‌شود.

توضیح تصویر: کشش سطحی

همان طور که در شکل بالا نشان داده شده است، مولکول هایA ، B ، وC یک مایع (مثلاً آب) را در نظر بگیرید. مولکول A به خوبی درون آب است، B در فیلم سطحی (R) ، و C در سطح است. حوزه تأثیر مولکول A کاملاً درون مایع است. از این رو، با یک نیروی منسجم مساوی و متضاد از مولکول‌های باقی مانده کشیده می‌شود. بنابراین، بزرگی نیروی خالص وارد بر مولکول A صفر است.

بخشی از کره نفوذ مولکول B بالای سطح آب است. از این رو، نیروهای چسبندگی ناشی از مولکول‌های هوا بر روی مولکول B عمل می‌کنند. به همین دلیل، نیروهای پیوستگی ناشی از مولکول‌های زیر و اطراف B آن را در مجموع به سمت پایین می‌کشند. بنابراین، نیروهای قوی‌تر پیوستگی خنثی نشده وارد بر مولکول، در مجموع مولکول B را در آب به پایین می‌کشد.

نیمی از کره نفوذ مولکول C در آب قرار دارد، در حالی که نیمی دیگر در هوا است. نیروهای پیوستگی در برابر نیروهای چسبندگی عمل می‌کنند، و C به دلیل برآیند نیروی بزرگتر پیوستگی حاصل از داخل مایع، به پایین کشیده می‌شود.

با توجه به این نیروهای پیوستگی، سطح مایع کاهش می‌یابد. بنابراین، کشش سطح همچنین می‌تواند به عنوان نیروی لازم در واحد سطح برای گسترش سطح یک مایع تعریف شود.

در نگاهی دیگر می‌توان به علت نیروهای پیوستگی بین مولکول‌های یک توده از مایع، آن را به صورت توده‌ای ژله‌ای تصور کرد. با این دید همان طور که بر سطح یک توده ژله می‌توان وزنه‌ای کوچک را قرار داد که گرچه سطح تکیه‌گاه وزنه به خاطر وزن آن کمی فرو می‌رود اما پاره نمی‌شود، بر سطح مایع نیز می‌توان وزنه‌های کوچک قرار داد که توسط خاصیت ژله‌ای مایع تحمل می‌شود البته با تغییر فرم اندکی در سطح.

کاربردهای عملی

به جز جیوه، آب در مقایسه با دیگر مایعات بیشترین کشش سطحی را دارد. بگذارید به چند نمونه از کاربردهای کشش سطحی آب نگاهی بیاندازیم.

- آب روها حشره‌هایی هستند که به دلیل کشش سطحی آب می‌توانند روی سطح آب گام بردارند.

- تخم‌های پشه به دلیل کشش سطحی می‌توانند روی سطح آب شناور بمانند. نفت سفید روی آب اسپری می‌شود تا تخم‌های پشه غرق شوند و تولید مثل این حشره متوقف شود.

- آب گرم به منظور شستشو مورد استفاده قرار می گیرد زیرا گرم شدن کشش سطحی را کاهش ومساحت سطح را افزایش می دهد و در نتیجه سطح تماس آب برای شستشو زیادتر می‌شود و مولکول‌های آب آزادی بیشتری برای مواجهه با مولکول‌های چرک دارند. این عمل با افزودن مواد شوینده به آب سرد همانند سازی می‌شود.

- به دلیل کشش سطحی آب، یک سوزن قرار گرفته روی آب می‌تواند روی سطح شناور بماند. اگر سطح آب خراشیده شود، سوزن به سرعت فرو می‌رود.

نمونه‌های دیگری از کشش سطحی

- آزمایش زردی یا یرقان مستلزم استفاده از خواص کشش سطحی است. پودر گوگرد روی نمونه ادرار پاشیده می‌شود. اگر ادرار حاوی صفرا نباشد، پودر گوگرد به دلیل کشش سطحی شناور می‌شود. کشش سطحی پدیده ای است که در آن سطح یک مایع، جایی که مایع با گاز در تماس است، به صورت یک ورق نازک الاستیک عمل می‌کند. اگر صفرا در نمونه وجود داشته باشد، کشش سطحی ادرار کاهش می یابد و پودر گوگرد فرو می‌رود.

- خمیر دندان حاوی صابون است که باعث کاهش کشش سطحی آن می‌شود و به گسترش آزادانه آن در دهان کمک می‌کند.

- ضد عفونی کننده‌ها کشش سطحی کمی دارند، و این به آنها اجازه می‌دهد از طریق دیواره‌های سلولی باکتری‌ها پخش شوند.

- پدیده جالبی در فیزیک به این صورت وجود دارد که نیتروژن مایع در دمای بسیار سرد از دیواره ظرف خود بالا رفته و به بیرون جاری می‌شود و این روند تا خالی شدن کل نیتروژن مایع به بیرون از ظرف ادامه خواهد یافت. علت آن این است که دمایی برای نیتروژن مایع وجود دارد که در کمتر از آن نیروی پیوستکی بین مولکول‌های نیتروژن مایع کمتر از نیروی چسبندگی بین مولکول‌های ظرف و مولکول‌های نیتروژن مایع خواهد شد و درنتیجه نیروی چسبندگی بر نیروی پیوستگی غلبه می‌کند و کل مایع را روی دیواره داخلی ظرف بالا می‌کشد و به تدریج با غلبه بر نیروی ثقل به بیرون می‌ریزد.

کشش سطحی برخی مایعات

کشش سطحی برخی از مایعات برحسب واحد نیوتون بر متر در این جا ارائه می‌شود:
آب در دمای 20 درجه سانتیگراد 0.0727
آب صابون (معمولی) 0.0370
جیوه در دمای 20 درجه سانتی گراد 0.4355
مایعات بافت بدنی (معمولی) 0.050
گلیسیرین 0.0631

منبع: Neha Gohad