Fluidoak

Gainazal-tentsioa

Tantak: Tate-ren legea

Gainazalen kurbadurak
eragindako presioa

Gainazal-tentsioa
xaboi-ponpa batean (I)

Gainazal-tentsioa
xaboi-ponpa batean (II)

Burbuilaren metodoa

Fenomeno kapilarrak

Ponpa bati eusten
dion sokaren forma

Likido baten gainazal-tentsioa nola neurtu

Erreferentzia

• A, molekula likidoaren barruan dagoenean
• B, gainazalaren inguruan dagoenean
• C, justu gainazalean.

Demagun molekula bat (puntu gorria) fluido baten barruan eta orekan, esaterako, A kasuan, gainazaletik urrun. Simetriak ezarrita, inguruan dituen molekulek (urdinek) denek eragiten dizkiote erakarpen-indarrak gorriari, baina indar guzti horien erresultantea nulua izan behar da. Aldiz, B kasuko molekulak molekula gutxiago ditu goiko aldean behekoan baino, eta horregatik, berak jasaten duen indar erresultantea likidoaren barrualderantz izan beharko da. Azkenik, C kasuko molekulak jasaten duen indar erresultantea B kasukoa baino handiagoa izan behar da.

Edozein likidotan, gainazaleko molekulek barruranzko indarra jasaten dute, erakarpen-indar hori dela medio.

Edozein sistema mekanikok bezala, likidoek ere energia potentzial minimoko egoerara jotzen dute, eta beraz, beti erakusten diote kanpoaldeari ahalik eta gainazalik txikiena.

Gainazal-tentsioaren koefizientea

Irudiak erakusten du dispositibo bat, likidoen kohesioak eragindako gainazal-energia neurtzeko. "U" formako alanbre bat da (buruz behera) eta alanbre labainkor bat, AB. Xaboi-geruza bat itsatsita geratzen da (urdina) alanbre aldakor horrek inguratuta. Xaboi-geruzak uzkurtzeko joera dauka, baina kohesio-indarrari eusteko, alanbre labainkorrari F indarra aplikatzen zaio, irudiak erakusten duen bezala, beherantz.

F indarrak ez du menpekotasunik geruzaren x altuerarekiko. AB alanbrea beherantz desplazatzen badugu, Dx distantzia, orduan kanpo-indarrak eragindako lana FDx da, eta geruzaren barne-energia handituko da. Geruzaren azalera handitu denez, DS=2dDx (bider 2 faktoreaz biderkatzen da geruzak bi alde dituelako: atzekoa eta aurrekoa), esan nahiko du likidoaren barruan zeuden molekuletako batzuk gainazalera pasatu direla, eta horrek energia-igoera eragiten dio.

Dei diezaiogun azalera unitateko energiari, g , orduan, honako erlazioa beteko da:

Azalera unitateko energiaren unitateak J/m² edo N/m dira, eta gainazal-tentsio deritzo.

Gainazal-tentsioak menpekotasuna dauka likido-motarekin, likidoaren inguruan dagoen medioarekin eta tenperaturarekin. Oro har, gainazal-tentsioa gutxitu egiten da tenperaturarekin, zeren kohesio-indarrak ahuldu egiten baitira agitazio termikoa handitzean. Likidoaren inguruan dagoen medioaren eragina ere logikoa da, zeren molekula haiek ere erakarri egiten dituzte likidoaren gainazalean kokatuta dauden molekulak, alegia, likidoaren beraren barruko molekulen erakarpenaren aurka.

Zenbait likidoren gainazal-tentsioa, 20ºC-tan.

Datuen jatorria: Manual de Física, Koshkin N. I. , Shirkévich M. G. Mir Argitaletxea (1975)

Likido baten gainazal-tentsioa nola neurtu

Metodorik ezagunenetakoa Du Nouy-rena da. Aluminiozko eraztun bat dauka eta, justu likidoaren geruza apurtzera doan unean, indar gehigarria neurtzen du, ΔF.

Likidoaren gainazal-tentsioa kalkulatzeko ezagutu behar dira, eraztunaren diametroa, 2R, eta dinamometroak neurtutako indarra, ΔF. Likidoa ontzi batean kokatzen da eta eraztuna pixka  bat murgilduta. Sifoi-gisa, hodi txiki bat erabiltzen da (irudian eskumako aldean) eta likidoa apurka-apurka zurrupatzen du, beraz, likido-maila jaisten doa, harik eta eraztuna likidotik ateratzen den arte.

Irudiak hiru egoera erakusten ditu:

1. Esperimentuaren hasiera.

2. Likido-geruza osatzen doa.

3. Amaieran, justu geruza apurtu aurretik, geruzak bi gainazal baino ez ditu (egoera horretan neurtu behar da indarra).

Eraztunak azpialdean ertz zorrotza baldin badauka, likidoaren gainazaletik irtenda dagoen likidoaren pisua arbuiagarria izan daiteke.

Hala ere, ez da edozein laborategitan egoten fluidoen gainazal-tentsioa neurtzeko tresna bat, eta beste prozedura ezberdin eta sinple bat ere erabil daiteke likidoen gainazal-tentsioa neurtzeko, baina mikroskopioen "porta" bat erabiliz. Porta bat beirazko xafla mehe bat da. Gurean, honako neurriak ditu: luzera, a=75 mm, zabalera, b=25 mm, lodiera, c=1 mm, eta pisua 4.37 g.

Lehenik, porta airean pisatu behar da. Ondoren, likidotan sartu eta, irtetera doanean, bere beheko ertzak likidoa oraindik ukitzen duenean, berriro pisua neurtu. Pisu-diferentzia, ΔF, gainazal-tentsioaren menpekoa da.

ΔF=2·γ (a+c)

Amaierako egoera lortzeko, porta astiro-astiro jaso behar da, eta justu likidoaren gainazala ukitzeari uztera doan unetxoan, goranzko F indarrak hiru osagai izango ditu:

• Portaren pisua, mg

• Likidoak osatu duen geruzaren gainazal-tentsioaren indarra: 2·γ(a+c)

• Likidoaren gainazaletik irtenda dagoen likidoaren pisua: ρgach (likidoaren gainazaletik gora h altuera igo da, eta likidoaren dentsitatea ρ da).

Portaren neurriak lehen aipatutakoak badira, eta likidoa ura bada, orduan, gainazaletik irtenda dagoen likidoaren h altuera 2.3 mm ingurukoa da (ikus ezazu erreferentzietan aipatutako artikulua).

• Gainazal-tentsioari dagokion kohesio-indarra hau da: 2·γ(a+c)=2·72.8·10^-3·(0.075+0.001)=11.07·10^-3 N.

• Likidoaren gainazaletik irtenda dagoen likidoaren pisua, ρgach=1000·9.8·0.075·0.001·0.0023=1.70·10^-3 N

Ondorengo simulazioa ahalik eta sinpleena izateko, ez da kontutan hartu bi indar horietako bigarrena, alegia, gainazaletik irtenda dagoen likidoaren pisua, izan ere, lehenaren %15 ingurukoa da, baina asko sinplifikatzen ditu kalkuluak.

Saiakuntza

Programa interaktiboak ausaz asmatzen du porta baten pisua, bi muga ezezagunen artean.

Berria botoian sakatu.

• Porta airean pisatu behar da. Balantza erabat horizontal geratu arte, saguarekin eraman itzazu gezi urdina, gorria eta beltza posizio egokietara (gramoak, hamarrenak eta ehunenak).

• Likidoa aukeratu, zerrenda tolesgarriko bostetatik bat aukeratuz.

Neurtu botoia sakatu. Oraingoan portak likidoa ukitzen du, justu geruza apurtzeko mugan.

• Berriz ere, balantza erabat horizontal geratu arte, saguarekin eraman itzazu hiru geziak posizio egokietara.

Bi neurketen arteko diferentzia kalkula ezazu: ΔF.

Gainazal-tentsioa kalkula daiteke, γ, lehen aipatutako formulaz:

ΔF=2·γ (a+c)

eta hemen a=75 mm eta c=1 mm

Azkenik, Erantzuna botoian klikatuz, kalkuluak ematen duen balioa konpara daiteke programa interaktiboak ematen duenarekin.

Adibidea:

Demagun portaren pisua airean hau ateratzen dela: 4.27 g

Ondoren, porta pisatzen da baina likidoaren gainazala ukitzen: 5.39 g

Bi pisuen arteko diferentzia kalkulatu behar da (Newtonetan).

ΔF=(5.39-4.27)·9.8/1000=10.98·10^-3 N

Eta formulara jo, gainazal-tentsioa kalkulatzeko:

Horixe izan behar da uraren gainazal-tentsioa. Taulakoaren aldean, oso antzekoa.