انت هنا الان : شبكة جامعة بابل > موقع الكلية > نظام التعليم الالكتروني > مشاهدة المحاضرة

التوتر السطحي

Share |
الكلية كلية التربية للعلوم الصرفة     القسم قسم الفيزياء     المرحلة 1
أستاذ المادة فاتن فاضل محمود       12/11/2016 17:29:15
التوتر السطحي
التوتر السطحي بالإنجليزية: (Surface tension) هو التأثير الذي يجعل الطبقة السطحيّة لأي سائل تتصرف كورقة مرنة. ذلك التأثير الذي يسمح للحشرات بالسير على الماء، والأشياء المعدنية الصغيرة كالإبر، أو أجزاء ورق القصدير من الطفو على الماء، وهوالمسبب أيضا للخاصيّة الشعريّة.


السوائل
الكثافة الكتلية : هي كتلة الحجوم لمادة متجانسة وحداتها كغم/ م3 او غم/ سم3 . ان كثافة الماء عند درجة حرارة 4 م0 هي 1 غم/ سم3 او 1000 كغم/ م3 . ويكون اعتماد الكثافة على الضغط ضعيفا جدا.
علل/ تتغير كثافة المادة بتغير درجة الحرارة؟
• بسبب جزيئات المادة تهتز بمسافات اكبر عندما تزداد درجة الحرارة ، وعليه فان معدل المسافات البينية سوف تزداد أي ان كتلة المادة ستحتل حجما اكبر مما يؤدي الى تغير كثافة المادة بتغير درجة حرارتها، وبصورة عامة تقل كثافة بارتفاع درجة حرارتها.
تعتمد كثافة المادة على عاملين رئيسيين :
• كتلة الذرات اوالجزيئات
• المسافات البينية بين الذرات والجزيئات
الخاصية الشعرية
عند وضع انبوب شعري مفتوح الطرفين في سائل فان تأثير الشد السطحي للسائل ستؤدي الى احدى الحالتين:
• ارتفاع السائل في الانبوب الشعري. في حالة صنع السائل زاوية حادة مع سطح الانبوب الشعري، مثال ذلك الماء الذي يرتفع داخل الانبوب الشعري الى ارتفاع معين فوق سطحه الخارجي.
• انخفاض السائل في النبوب الشعري. في حالة صنع السائل زاوي منفرجة مع سطحه الداخلي للانبوب الشعري ، مثال ذلك الزئبق الذي ينخفض داخل الانبوب الشعري الى مستوى معين تحت سطحه الخارجي.
علل/ سبب ارتفاع الماء داخل الانابيب الشعرية ؟
• بسبب تغلب قوى التلاصق على قوى التماسك ، أي ان محصلة القوى ستكون نحو الاعلى فتؤدي الى ارتفاع جزيئات السائل داخل الانبوب الشعري.
علل/ سبب انخفاض الزئبق داخل الانابيب الشعرية ؟
• بسبب تغلب قوى التماسك على قوى التلاصق ، أي ان محصلة القوى ستكون نحو الاسفل فتؤدي الى انخفاض جزيئات السائل داخل الانبوب الشعري.




الشد السطحي: هو القوة المؤثرة لكل وحدة طول من سطح السائل، وحداته نت/ م او داين / سم . حيث تتوقف قيمته على نوع السائل ودرجة حرارته اذ تقل قيمته للسائل كلما ارتفعت درجة درجة حرارته وهذا يفسر استخدام الماء الحار مع الصابون لأزالة بقع الدهون ، اذ يقل الشد السطحي للبقع الدهنية بتأثير الحرارة وتتفتت البقع .
المادة الشد السطحي نت/ م
الزئبق 465
الماء عند 4 م0 73
البنزين 29

A A
B
T cos ? B T cos ?
T sin ? R T sin ? R
الشكل (2) الشكل (1)
الشكل (1): الذي يمثل نقطة اتصال السائل بسطح صلب . ان جزيئات عند النقطة A تتعرض الى نوعين من القوى
• قوة التماسك بين جزيئات السائل نفسه المجاورة لها والتي تحول ان تشدها اليها
• قوة التلاصق بين جزيئات السائل وجزيئات السطح الصلب.
فأذا كانت قوى التلاصق اكبر من قوى التماسك فان محصلة القوتين ستؤثر باتجاه المؤشر نحو السطح الصلب لذا سيتخذ سطح السائل شكل منحنيا نحو الاعلى. أما في النقاط الواقعة بعيدا عن سطح الصلب فان قوى التلاصق ستضعف و محصلة القوى تكون عمودية تقريبا مما يجعل سطح السائل افقيا تقريبا.

الشكل (2) : أذا كانت قوى التماسك اكبر من قوى التلاصق فان محصلة القوتين ستؤثر باتجاه المؤشر بعيدا عن السطح الصلب لذا سيتخذ سطح السائل شكل منحنيا نحو الاسفل كما هو الحال في الزئبق.
المركبة المتجه للاعلى في الشكل (1) = T cos ?
اذا محصلة القوى الكلية (F) = 2?r T cos ?
حيث ان محيط الانبوبة الشعرية = 2?r
لأيجاد وزن عمود السائل ? ?gh?r2 =
لكي تحصل حالة التوازن ويتوقف السائل عن الارتفاع داخل الانبوبة الشعرية يجب ان يكون
F = ?
2?r T cos ? = ?gh?r2
T = N, dyne
OR h = m, cm
العلاقة الاخيرة تبين العلاقة العكسية بين ارتفاع السائل ونصف قطر الانبوبة الشعرية
في حالة الزجاج النظيف والماء المقطر تكون زاوية التماس صفرا او قريبا من الصفر cos ? =1
• في الزئبق تكون قوى التماسك اكبر من قوى التلاصق مما يؤدي ان تكون زاوية التماس اكبر من 90 أي cos ? تمون سالبة أي الارتفاع يكون سالبا
زاوية التماس: الزاوية المحصورة بين السطح الصلب و السطح المماس لسطح السائل وتقاس داخل السائل وتعتمد على نوع السائل ونوع السطح الصلب.
• يصنع السائل زاوية حادة مع السطح الصلب ( الماء وسطح الزجاج ) حيث تكون قوى التلاصق اكبر من قوى التماسك مما يؤدي الى انتشار جزيئات السائل والتصاقها بالسطح الصلب.
• يصنع السائل زاوية حادة مع السطح الصلب ( الزئبق وسطح الزجاج ) حيث تكون قوى التماسك اكبر من قوى التلاصق مما يؤدي الى تكوين سطح محدب يجمع الجزيئات وابتعادها عن السطح الصلب بدلا من الانتشار والالتصاق.
• تصنع بعض السوائل زاوية صفر مع بعض السطوح الملساء والنظيفة جدا ( الماء وبعض السوائل العضوية ) عند تلامسها مع سطح زجاجي نظيف جدا حيث تكون قوة التلاصق كبيرة جدا مقارنة مع قوة التماسك.





? = 100 ? = 1400
الضغط في السوائل :
يؤثر السائل بقوة على الجدران الجانبية وقاعدة الوعاء الذي يحتويه. ونكون القوة عمودية على جميع النقاط السطح الذي تؤثر عليه حيث ان الضغط هو القوة المؤثرة لوحدة المساحة
P = F/A N/m2 , dyne/cm2
ويقاس ايضا بوحدات الجو (atm) = 1*105 N/m2 . كما يرمز للضغط بارتفاع عمود الزئبق الذي كثافته 13.6 غم /سم3 ويكافئ الضغط الجوي عند سطح البحر 76 سم – زئبق . اما الضغط الواطئ فيقاس بوحدات ملم زئبق (mmHg) والتي تسمى احيانا (torr) = 1mmHg = 1/760 atm.
• يتناسب الضغط الذي يسلطه السائل نتيجة لوزنه عند أي نقطة داخل السائل مع كثافتة السائل وعمق تلك النقطة عند سطح السائل . فأذا اخذت نقطة على عمق h سم في سائل كثافته ? غم / سم3 فان القوة التي تؤثر بها السائل على مساحة مقدارها A عند تلك النقطة
F = Ah g ? dyne
ويكون الضغط يساوي P = ? hg dyne/ cm3


h
1
1 2


عند وضع الانبوب الشعري في السائل نجد انحناء السطح يجعل الضغط عند النقطة (4) اقل من الضغط الجوي عند النقطة (5) مما يدفع السائل الى الارتفاع في النبوب الشعري لأجل معادلة الضغط عند النقطتين نفرض ان الضغط عند النقاط (1-5) يساوي (p1-p5) لأن فرق الضغط عبر السطح الافقي يساوي صفر
P1 = P2
كذلك P1 = P2= P3
P1 = P4 + ? hg
P5 = P4 + 2¥/r
قيمة الضغط عند النقطة 1، 5 متساويتان لأنهما يمثلان الضغط الجوي أي ان P1=P5
P4 + ? hg = P4 + 2¥/r
¥ = ? hgr/2 or h = 2¥/ ?gr



الجواب / اذا اخذنا وعاء مغلق يحتوي على عدد من المكابس مملوء بالماء . فأذا كانت مساحة هذه المكابس متساوية وواقعة على نفس العمق وسلطت قوة على احد هذه المكابس فان قوة مساوية يجب ان تسلط على المكابس الاخرى من اجل المحافظة على نفس اماكنها أي ان
F1 = F2 = F3 = F4


المــــــــــاء


الشكل (1)


الجواب /
يكون الضغط واحدا عند جميع النقاط الواقعة على عمق معين للسطح وهذا الضغط يؤثر على اية نقطة و أي سطح على هذا العمق مهما كان اتجاهه فلو فرضنا ان سطح السائل ليس افقيا كما في الشكل (2) ولتكن النقطتان 1و2 في داخل السائل عند المستوى الافقي نفسه , فاذا كانت h1, h2 تمثلان ارتفاع السائل فوق النقطتين 1و2 على التوالي فان الضغط المسلط على 1و2 سيكون ? hg1 و ? hg2هذان الضغطان يجب إن يكونان متساويان و إلا فان السائل سينساب من النقطة 1 الى النقطة 2 وعليه
?gh1 = ?gh2
h1 = h2
وعليه ان السطح (AB) من السائل يجب ان يكون افقيا

A B
h1 h2
1 2

الشكل (2)


ان غشاء الصابون سيكون كبيرا مقارنة بالأبعاد الجزيئية للسائل ولذلك اذا تم سحب السلك المتحرك فان مساحة الغشاء سوف تزداد.
معامل الشد السطحي: القوة المؤثرة عموديا على وحدة الطول وباتجاه مماس لسطح السائل
= F/2L
اذا فرضنا ان القوة المسلطة على السلك F تستطيع تحريك السلك مسافة مقدارها dx وبذلك تنجز شغلا مقداره dw
dW= Fdx
dA = 2Ldx بالقسمة

= F/2L بدلالة الشغل المبذول
يمكن تعريف الشد السطحي لغشاء الصابون : على انه الشغل اللازم لزيادة مساحة سطح الغشاء في وحدة المساحة وحداته J/m2 او erg/cm2 .
































المادة المعروضة اعلاه هي مدخل الى المحاضرة المرفوعة بواسطة استاذ(ة) المادة . وقد تبدو لك غير متكاملة . حيث يضع استاذ المادة في بعض الاحيان فقط الجزء الاول من المحاضرة من اجل الاطلاع على ما ستقوم بتحميله لاحقا . في نظام التعليم الالكتروني نوفر هذه الخدمة لكي نبقيك على اطلاع حول محتوى الملف الذي ستقوم بتحميله .
download lecture file topic