10.2 Eiginleikar vökva

Þegar þú hellir vatni í glas eða fyllir bíl af bensíni tekurðu eftir því að vatn og bensín flæða auðveldlega. Þegar þú hellir hins vegar sírópi á pönnukökur eða bætir vélarolíu á bílvél tekurðu eftir því að síróp og vélarolía flæða ekki jafn greiðlega. Seigja vökva er mælikvarði á mótstöðu hans gegn flæði. Vatn, bensín og aðrir vökvar sem flæða auðveldlega hafa litla seigju. Hunang, síróp, vélarolía og aðrir vökvar sem flæða treglega, líkt og þeir sem sýndir eru á mynd 10.15, hafa meiri seigju. Hægt er að mæla seigju með því að mæla hraðann sem málmkúla fellur í gegnum vökva, en kúlan fellur hægar í gegnum seigari vökva, eða með því að mæla hraðann sem vökvi flæðir í gegnum granna pípu, en seigari vökvar flæða hægar.

Millisameindakraftar milli sameinda vökva, stærð og lögun sameindanna og hitastigið ákvarða hversu auðveldlega vökvi flæðir. Eins og tafla 10.2 sýnir eykst seigja vökva eftir því sem bygging sameindanna verður flóknari og millisameindakraftarnir milli þeirra sterkari, því þá eiga sameindirnar erfiðara með að hreyfast hver fram hjá annarri. Þegar hitastig hækkar hreyfast sameindirnar hraðar og hreyfiorka þeirra dugar betur til að yfirvinna kraftana sem halda þeim saman; við það minnkar seigja vökvans.

Hinir ýmsu millisameindakraftar milli sams konar sameinda efnis eru dæmi um samloðunarkrafta. Sameindirnar í vökva eru umkringdar öðrum sameindum og dragast jafnt í allar áttir vegna samloðunarkrafta í vökvanum. Sameindir á yfirborði vökva dragast hins vegar aðeins að um það bil helmingi færri sameindum. Vegna þessa ójafnvægis í aðdráttarkröftum á yfirborðssameindir dragast vökvar saman og mynda lögun sem lágmarkar fjölda sameinda á yfirborðinu, það er þá lögun sem hefur minnsta yfirborðsflatarmálið. Lítill vökvadropi hefur tilhneigingu til að taka á sig kúlulögun, eins og sýnt er á mynd 10.16, því í kúlu er hlutfall yfirborðsflatarmáls og rúmmáls í lágmarki. Stærri dropar verða fyrir meiri áhrifum af þyngdarafli, loftmótstöðu, yfirborðsvíxlverkunum og svo framvegis og eru þar af leiðandi síður kúlulaga.

Yfirborðsspenna er skilgreind sem sú orka sem þarf til að auka yfirborðsflatarmál vökva, eða sá kraftur sem þarf til að auka lengd vökvayfirborðs um tiltekna stærð. Þessi eiginleiki stafar af samloðunarkröftum milli sameinda á yfirborði vökva og veldur því að yfirborð vökvans hegðar sér eins og strekkt gúmmíhimna. Yfirborðsspenna nokkurra vökva er sýnd í töflu 10.3. Af algengum vökvum hefur vatn sérstaklega háa yfirborðsspennu vegna sterkra vetnistengja milli sameinda þess. Vegna þessarar háu yfirborðsspennu myndar yfirborð vatns tiltölulega sterka „húð“ sem þolir talsverðan kraft án þess að rofna. Stálnál sem lögð er varlega á vatn flýtur. Sum skordýr, eins og það sem sýnt er á mynd 10.17, geta hreyft sig á yfirborði vatns þótt þau hafi meiri eðlismassa en vatnið, vegna þess að yfirborðsspennan heldur þeim uppi.

Yfirborðsspenna er háð ýmsum breytum, þar á meðal því þegar efnum er bætt á yfirborðið. Undir lok 19. aldar hóf Agnes Pockels, sem í fyrstu var meinað að stunda vísindastörf en lagði stund á þau á eigin spýtur, að rannsaka áhrif og einkenni sápu- og fitufilma á vatni. Hún smíðaði sér tæki úr heimilisefnum, svokallað trog, til að mæla yfirborðsmengun og áhrif hennar. Með stuðningi hins virta vísindamanns Rayleighs lávarðar sýndi grein hennar frá 1891 að yfirborðsmengun dregur verulega úr yfirborðsspennu og að breytingar á eiginleikum yfirborðsins, þegar því er þjappað saman eða það þanið út, hafa einnig áhrif á yfirborðsspennu. Áratugum síðar byggðu Irving Langmuir og Katharine Blodgett á vinnu Pockels í eigin trogi og náðu mikilvægum framförum í yfirborðsefnafræði. Langmuir þróaði aðferðir til að mynda einfameindalög af filmu; Blodgett beitti þeim við þróun endurskinslauss glers, sem skipti miklu fyrir kvikmyndagerð og aðra notkun, og rannsakaði einnig aðferðir við hreinsun yfirborða sem eru mikilvægar í framleiðslu hálfleiðara.

Millisameindakraftar sem verka milli tveggja ólíkra sameinda kallast viðloðunarkraftar. Hugleiðum hvað gerist þegar vatn kemst í snertingu við eitthvert yfirborð. Ef viðloðunarkraftarnir milli vatnssameinda og sameinda yfirborðsins eru veikir í samanburði við samloðunarkraftana milli vatnssameindanna bleytir vatnið ekki yfirborðið. Til dæmis bleytir vatn ekki vaxborin yfirborð eða mörg plastefni eins og pólýetýlen. Vatn myndar dropa á þessum yfirborðum vegna þess að samloðunarkraftarnir innan dropanna eru meiri en viðloðunarkraftarnir milli vatnsins og plastsins. Vatn dreifist úr sér á gleri vegna þess að viðloðunarkrafturinn milli vatns og glers er meiri en samloðunarkraftarnir innan vatnsins. Þegar vatn er lokað inni í glerröri hefur meniskur þess, eða yfirborðsbogi, íhvolfa lögun vegna þess að vatnið bleytir glerið og skríður upp hliðar rörsins. Aftur á móti eru samloðunarkraftarnir milli kvikasilfursatóma mun meiri en viðloðunarkraftarnir milli kvikasilfurs og glers. Kvikasilfur bleytir því ekki gler og myndar kúptan menisk í röri vegna þess að samloðunarkraftarnir innan kvikasilfursins hafa tilhneigingu til að draga það saman í dropa (mynd 10.18).

Ef annar endi pappírsþurrku er lagður í niðurhellt vín, eins og sýnt er á mynd 10.19, dregst vökvinn upp í þurrkuna. Svipað ferli á sér stað í tauhandklæði þegar það er notað til að þurrka sér eftir sturtu. Þetta eru dæmi um hárpípukraft, það er þegar vökvi flæðir um gljúpt efni vegna aðdráttarkrafta milli sameinda vökvans og yfirborðs efnisins, auk aðdráttarkrafta milli sameinda vökvans sjálfs. Viðloðunarkraftarnir milli vökvans og gljúpa efnisins, ásamt samloðunarkröftum innan vökvans, geta verið nægilega sterkir til að draga vökvann upp á við gegn þyngdaraflinu.

Handklæði draga í sig vökva á borð við vatn vegna þess að trefjar þeirra eru úr sameindum sem laðast að vatnssameindum. Flest tauhandklæði eru úr bómull og pappírsþurrkur eru almennt búnar til úr pappírskvoðu. Bæði efnin samanstanda af löngum sellulósameindum sem innihalda marga −OH-hópa. Vatnssameindir laðast að þessum −OH-hópum og mynda vetnistengi við þá, sem dregur H₂O-sameindirnar upp eftir sellulósameindunum. Vatnssameindirnar laðast einnig hver að annarri, þannig að mikið magn vatns dregst upp eftir sellulósatrefjunum.

Hárpípukraftur getur einnig komið fram þegar öðrum enda rörs með litlu þvermáli er dýft í vökva, eins og sýnt er á mynd 10.20. Ef vökvasameindirnar laðast mjög að sameindum rörsins dregst vökvinn upp innanvert rörið þar til þyngd vökvans og viðloðunarkraftarnir eru í jafnvægi. Því minna sem þvermál rörsins er, því hærra stígur vökvinn. Það er að hluta til vegna hárpípukrafts í plöntufrumum sem kallast viðaræðar að vatn og uppleyst næringarefni berast úr jarðveginum upp í gegnum ræturnar og inn í plöntuna. Hárpípukraftur er grundvöllur þunnlagsskiljunar, rannsóknarstofuaðferðar sem oft er notuð til að aðskilja lítið magn af blöndum. Þú treystir á stöðugt framboð tára til að halda augunum rökum og á hárpípukraft til að dæla táravökvanum í burtu.

Hæðin sem vökvi stígur í hárpípu ræðst af nokkrum þáttum eins og sýnt er í eftirfarandi jöfnu:

Í þessari jöfnu er h hæð vökvans inni í hárpípunni miðað við yfirborð vökvans utan pípunnar, T er yfirborðsspenna vökvans, θ er snertihornið milli vökvans og pípunnar, r er radíus pípunnar, ρ er eðlismassi vökvans og g er þyngdarhröðunin, 9,8 m/s². Þegar pípan er gerð úr efni sem vökvasameindirnar laðast mjög að dreifa þær sér að fullu á yfirborðinu, sem samsvarar snertihorninu 0°. Þetta er staðan þegar vatn stígur í glerröri.