ความตึงผิว

ความตึงผิว ความตึงผิว คือ ความพยายามในการยึดผิวของเหลว

แรงตึงผิวของเหลว คือ แรงที่พยายามยึดผิวของเหลวไว้ แรงตึงผิวจะมีทิศขนานผิวของเหลว และตั้งฉากกับเส้นขอบของวัตถุที่สัมผัสของเหลว

หยดของเหลวจะสมดุลเสถียร เมื่อพลังงานศักย์มีค่าน้อยที่สุด เมื่อมีพื้นที่ผิวน้อยที่สุดจึงมักจะมีลักษณะเป็นทรงกลม เพราะทรงกลมมีพื้นที่ผิวน้อยที่สุด สำหรับปริมาตรที่กำหนดให้ค่าหนึ่ง

1.แรงตึงผิว คือ แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล พยายามจะยึดผิวของเหลวโดยมีทิศทางขนานกับผิวของเหลว และตั้งฉากกับขอบสัมผัสสัมประสิทธิ์ความตึงผิว
(γ) คืองานต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ผิวเพิ่มขึ้นน้ำหนักลวด คือ แรงฉุด F ให้เลื่อนมาระยะทาง
∆xงานของแรง F , = F • ∆xงานที่ทำให้พื้นที่ผิวมากขึ้น
(2 ผิว) = γ(2ℓ) • ∆xF • ∆x = x(2ℓ) • ∆xF = γ • 2ℓถ้าพื้นผิวมีด้านเดียวจะได้F = γ ℓγ คือ ความยาวผิววัตถุที่สัมผัสของเหลวถ้าเป็นแผ่นกลมคล้ายเหรียญบาทใช้ความยาวเส้นรอบวงด้านเดียว = 2πrF = γ (2πr)
2. ความตึงผิว (Surface Tension) ใช้สัญลักษณ์ γ คืออัตราส่วนของแรงตึงผิวต่อความยาวของของเหลวที่ถูกกระทำ เช่น ในกรณีที่เป็นลวด (จะมีความยาว 2 ด้าน) กับของเหลว แล้ววัดแรงตึงผิวได้ F2 โดยลวดที่แตะของเหลวยาว ℓ เพราะฉะนั้น ความยาวของของเหลวที่ถูกแรงกระทำ = 2ℓสรุปถ้า F ความตึงผิว (N)ℓ ความยาวของลวดที่แตะผิวของเหลว (m) 2ℓ ความยาวของของเหลวที่ถูกแรงกระทำการทดลองหาความตึงผิวของของเหลว นอกจากจะใช้เครื่องมือการหาแรงตึงผิว โดยใช้คานแล้วยังสามารถใช้เครื่องมืออย่างง่ายอีกแบบหนึ่ง ซึ่งประกอบด้วยลวดที่ตัดเป็นรูปตัว U และลวดอีกเส้นทำเป็นเส้นตรงที่คล้องขดลวดรูปตัว U สามารถเคลื่อนที่ขึ้นลงได้สะดวกและมีน้ำหนัก W1 (น้อยมาก) นำลวดทั้งหมดไปจุ่มในน้ำสบู่ แล้วดึงขึ้นจากน้ำสบู่ลวดเส้นตรงจะค่อยๆ เลื่อนขึ้นไปยังส่วนบน จึงต้องเติมน้ำหนัก W2 ให้แก่ลวดจึงสามารถทำให้ลวดเส้นตรงอยู่นิ่งๆ ได้ โดยระหว่างเส้นลวดมีรูปตัว U มีแผ่นฟิล์มสบู่อยู่พิจารณาที่ลวดเส้นตรง มีแรงตึงผิว (F) ฉุดขึ้น แต่มีน้ำหนักลวดเส้นตรง (W1) และน้ำหนักที่เติม (W2) ฉุดลง แล้วลวดอยู่ในสภาวะสมดุล

F = W1 + W2 ........(1)

แม้ว่าแผ่นฟิล์มสบู่จะบางมาก แต่ก็ยังมีความหนาแน่นมาก เมื่อเทียบกับขนาดของโมเลกุล ดังนั้นจึงเสมือนกับของเหลวประกอบด้วย 2 ผิวที่พยายามดึงลวดเส้นตรงขึ้นเพื่อให้สมดุลกับแรง W1 + W2 โดยพื้นที่ผิวฟิล์มสบู่จะคงที่ เมื่ออุณหภูมิคงที่ถ้าให้ ℓ เป็นความยาวของลวดเส้นตรง และเนื่องจากแผ่นฟิล์มสบู่มี 2 ผิว ฉะนั้นความยาวทั้งหมดของผิวที่มีแรงกระทำจึงเป็น 2ℓจาก

γ = F/2ℓ ........(2)

γ = W1 + W2/2ℓ

3. แรงตึงผิว ( Surface Tension Force ) มีอยู่ 2 ชนิดแรงเชื่อมแน่น ( Cohesion ) เป็นแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของสารชนิดเดียวกันแรงยึดติด ( Adhesion ) เป็นแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของสารต่างชนิดกันการทดลองหาค่าแรงตึงผิว ใช้คานที่มีปลายข้างหนึ่งผูกกับที่ตะขอแขวนนอต ปลายอีกข้างผูกกับขดลวดที่ขดเป็นวงในแนวระดับ โดยมีระยะห่างจากจุดหมุนของคานเป็น x และ y ตามลำดับ เมื่อคานอยู่ในสภาวะสมดุล เมื่อน้ำหนักของตะขอ + นอต เป็น m1g และน้ำหนักขดลวดเป็น W1 เมื่อขดลวดแตะผิวของของเหลวต้องเอานอตไปแขวนในตะขอเพิ่มขึ้นอีก m2g ขดลวดจึงจะเริ่มเผยอจากผิวของของเหลว

สิ่งที่ควรทราบ
1. แรงตึงผิวของของเหลวจะมีทิศขนานกับผิวของของเหลว
2. แรงตึงผิวของของเหลวจะมีทิศตั้งฉากกับเส้นขอบที่ของเหลวสัมผัส
3. ความตึงผิวของของเหลวจะลดลงเมื่ออุณหภูมิของของเหลวเพิ่มขึ้น
4. ของเหลวที่เกิดฟองได้ง่ายและของเหลวที่มีสารอื่นเจือปน ( เช่น สบู่ , น้ำเกลือ ) จะมีค่าความตึงผิวน้อย กว่าน้ำ
5. แรงตึงผิวจะหาได้ในขณะที่ผิวของเหลวเริ่มจะขาดออกจากกันเท่านั้น
6. ความยาวของเส้นผิวที่ขาด (ℓ ) จะต้องคิดเฉพาะตรงบริเวณที่ของเหลวเริ่มจะขาดออกจากกันเท่านั้น
7. แรงตึงผิวมีทิศตรงข้ามกับทิศที่ทำให้ผิวของของเหลวยืดออกไป
8. ถ้าเส้นขอบที่ของเหลวสัมผัสมีด้านเดียวแล้วความยาวของเส้นผิวที่ขาด (ℓ ) คือความยาวของเส้นขอบนั้น
9. ถ้าเส้นขอบที่ของเหลวสัมผัสมีทั้งด้านในและด้านนอกแล้วความยาวของเส้นผิวที่ขาด (ℓ ) จะต้องคิดทั้งด้านในและด้านนอกด้วยห้ามคิดด้านเดียวนะ