التوتر السطحي

التوتر السطحي
مشاهدات :
1- ما الذي يجعل الإبرة تطفو على سطح الماء عندما تضعها برفق ؟؟
2- كيف تستطيع الحشرات السير على سطح الماء؟
للتعرف على هذه الظواهر وغيرها قم بالنشاط التالي:
نشاط رقم (1) :
أدوات النشاط : حلقة من سلك خفيف - خيط رفيع - صابون - ماء.
خطوات إجراء النشاط :
1- كون مزيج من الماء والصابون
2- اربط الخيط على شكل حلقة أصغر من حلقة السلك
3- اغمس حلقة السلك في محلول الصابون حتى يتكون عليها غشاء
4- ضع الخيط المربوط على الغشاء برفق , فماذا تلاحظ ؟
هل يحمل الغشاء الخيط ؟ هل يتخذ الخيط شكلاً معيناً ؟
5- اثقب الغشاء في منطقة داخل الخيط, ماذا تلاحظ؟
6- هل أصبح للخيط شكل محدد؟ ما هو؟ فسر مشاهداتك.
ربما تتساءل الآن : من أين جاءت هذه القوى والتي جعلت الخيط يتخذ شكلاً دائرياً ؟
لعلك تلاحظ أن هناك قوى تسمى " قوى التوتر" تعمل على تراجع سطحا الثقب وشد الخيط حتى أكبر مدى له, ولذلك أخذ الشكل الدائري.
وللحديث عن منشأ هذه القوى: تصور عدداً من جزيئات سائل, بعضها على سطح السائل, وبعضها في الداخل, ومن المعروف لك عزيزي الدارس: أن جزيئات المادة تؤثر في بعضها بقوى يطلق عليها اسم " قوى التماسك " والجزيئات في داخل السائل تتعرض لقوى التماسك من الجزيئات المحيطة من الاتجاهات جميعها, لذلك فهي متزنة أو تتحرك تبعاً لما تتعرض له من تصادمات ( تحركاً حراً داخل السائل). أما الجزيئات الموجودة على السطح فإن محصلة قوى التماسك عليها لا تساوي صفراً. ولو أننا حللنا هذه القوى كل منها إلى مركبتين أحدهما في
" جزيئات السطح كلها تكون مشدودة إلى داخل السائل وهذه القوى تعمل على شد جزيئات سطح السائل نحو الداخل " وتسمى " قوى التوتر السطحي ". اتجاه يوازي السطح والأخرى في الاتجاه المتعامد لكانت محصلة القوى في الاتجاه الموازي للسطح تساوي صفراً, أما المركبات العمودية فإن محصلتها ستكون إلى الأسفل ومن ذلك نستنتج أن
معامل التوتر السطحي :
في الشكل أمامك حلقة مستطيلة في منتصفها خيط, وإلى يمين الخيط يوجد غشاء. ماذا يجب أن نفعل لزيادة مساحة سطح الغشاء إلى يمين الخيط؟

لا بد من التأثير بقوة في الخيط في اتجاه يعاكس قوى التوتر السطحي, وهذه القوى ستبذل شغلاً, وعند الاتزان, تكون القوى المؤثرة ( ق ) عند تحريك الخيط مسافة صغيرة =  ش= ق (  ف )
وعند تحريك الخيط مسافة  ل , تزداد مساحة الغشاء بمقدار  أ حيث ( أ ) مساحة الغشاء.
ويعرف معامل التوتر السطحي ( ت ) لسائل ما بأنه :
" الشغل اللازم لزيادة مساحة سطح السائل بمقدار وحدة واحدة " لكن الزيادة في مساحة سطح الغشاء = (  ف × 2 ل )
حيث : ( ل ) طول الخيط المستقيم على سطح السائل الذي تؤثر قوة التوتر في جانبيه.

ومن هذه المعادلة يمكن تعريف التوتر السطحي لسائل ما على أنه " القوة العمودية المؤثرة في وحدة الطول على أي خط مستقيم على سطح السائل "



سؤال : أثبت أن وحدة نيوتن / م تكافئ الوحدة ( جول / م2)
الجدول التالي يوضح معامل التوتر السطحي لبعض السوائل عند درجة حرارة 20 ْ س
السائل ت ( نيوتن / م ) السائل ت ( نيوتن / م )
ماء 72.8 × 10 -3 الزئبق 465 × 10 -3
بنزين 28.9 × 10 -3 زيت الزيتون 32 × 10 -3
كحول ايثيلي 22.3 × 10 -3 محلول الصابون 25 × 10 -3
جليسرين 63.1 × 10 -3 اسيتون 23.7 × 10 -3

تطبيق :
الفقاعات :
كثيراً ما نشاهد الفقاعات عند غليان الماء أو عند النفخ في مصاصة مغمورة في محلول الماء والصابون. فكيف تتشكل هذه الفقاعات ؟
من الواضح أنه عند النفخ في المصاصة, تتكون فقاعة الصابون التي هي سطحان كرويان, بينهما طبقة رقيقة من محلول الصابون, والتوتر السطحي دائماً يحاول تقليل المساحة وعليه تنكمش الفقاعة تدريجياً إلى أن تتلاشى, إلا أن استمرار النفخ يعني بذل شغل على الفقاعة الذي يختزن في الفقاعة على شكل طاقة, وتستقر الفقاعة عندما تكون القوة الناشئة عن الضغط في الداخل مساوية لقوى التوتر السطحي, مضافاً إليها القوة الناشئة عن الضغط الجوي, أي أن قوى التوتر السطحي تساوي القوة الناشئة عن فرق الضغط بين داخل الفقاعة وخارجها.

زاوية التماس :
لقد عرفت أن قوى التماسك بين جزيئات السائل هي المسؤولة عن ظاهرة التوتر السطحي, وتعلم أيضاً أن ثمة قوة بين السائل وجدران الوعاء الذي يوجد فيه السائل , فهل لقوى التلاصق هذه أي أثر في تعلق السائل بجدران الوعاء ؟

لعلك لاحظت أننا عند مناقشة القوى على جزيئات سطح السائل, لم نتعرض للجزيئات في الأطراف, لأن الجزيئات في أطراف السائل تتعرض لقوى إضافية هي قوى التلاصق بينها وبين جدران الوعاء. ولاحظ أن الجزيئات عند الحواف تتعرض لقوى تماسك محصلتها تميل بزاوية 45ْ درجة عن سطح السائل إلى الأسفل, إضافة إلى قوى التلاصق باتجاه عمودي على جدار الوعاء, والسؤال الآن: كيف سيكون سلوك الجزيئات في هذه المنطقة تحت تأثير هذه القوى ؟
ومن الواضح أنه إذا كانت قوى التماسك أكبر من قوى التلاصق, فإنها ستجذب الجزيئات إلى داخل السائل وبذلك , يكون سطح السائل عند الجدار على النحو المبين في الشكل :

لاحظ تحدب سطح السائل عند الجدار بفعل قوى التلاصق, ويطلق على الزاوية بين الجدار والمماس لسطح السائل عند نقطة اتصاله بالجدار اسم " زاوية التماس".
إن زاوية التماس المنفرجة , تعني أن قوى التماسك أكبر بكثير من قوى التلاصق, وفي هذه الحالة, لا تنتشر جزيئات السائل على الجدار, ولا تبللها , بل تتجمع على بعضها , فإذا كانت المادة قليلة, كونت قطرات منفصلة, كما يلاحظ ذلك في الزئبق مع الزجاج والماء مع الزبدة, أما إذا كانت قوى التلاصق أكبر بكثير من قوى التماسك , فإن سطح السائل يتقعر إلى الأعلى عند اتصاله بالجدار, وهذا يعني صعود بعض الجزيئات على الجدار, مثل الماء مع الزجاج وفي هذه الحالة تكون زاوية التماس حادة.

قيم زوايا التماس لبعض السوائل مع عدد من المواد الصلبة


السائل الجدار الزاوية
ناء زجاج صفر
ايثر زجاج صفر
غليسرين زجاج صفر
ماء بارافين ( الشمع ) 107 ْ
كحول زجاج صفر
زئبق زجاج 140 ْ