ความตึงผิวและความหนืด

สมบัติประการหนึ่งของของเหลวที่เกี่ยวกับแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล ได้แก่ ความตึงผิว โมเลกุลที่อยู่ภายในของเหลวถูกดึงดูดจากโมเลกุลข้างเคียงรอบด้านเท่าๆ กัน ทุกทิศทาง แต่โมเลกุลซึ่งอยู่ที่ผิวของของเหลวถูกดึงดูดจากโมเลกุลที่อยู่ด้านล่างและด้านข้างเท่านั้น แรงดึงดูดจากด้านบนไม่มี ที่ผิวของของเหลวจึงมีแต่แรงดึงเข้าภายใน แรงนี้พยายามดึงโมเลกุลที่ผิวจำนวนมากที่สุดที่จะมากได้ ทำให้ผิวของของเหลวหดลง โดยพยายามลดพื้นที่ผิวให้เหลือน้อยที่สุด พลังงานที่ดึงโมเลกุลที่ผิวของของเหลวเข้าภายในทำให้เกิด ความตึงผิว ถ้าโมเลกุลภายในของเหลวจะออกมาที่ผิว ก็จะต้องใช้พลังงานดึงมันขึ้นมาเป็นการต่อต้านแรงดึงเข้าภายใน หรือจะกล่าวอีกอย่างหนึ่งก็คือ ถ้าจะทำให้ผิวของของเหลวขยายออกจะต้องใส่พลังงานเข้าไป
เมื่อการขยายพื้นที่ผิวเป็นการใส่พลังงานเข้าไป การลดพื้นที่ผิวจึงเป็นการคายพลังงานออกมาของเหลวเข้าภายในทำให้เกิด ความตึงผิว ถ้าโมเลกุลภายในของเหลวจะออกมาที่ผิว ก็จะต้องใช้พลังงานดึงมันขึ้นมาเป็นการต่อต้านแรงดึงเข้าภายใน หรือจะกล่าวอีกอย่างหนึ่งก็คือ ถ้าจะทำให้ผิวของของเหลวขยายออกจะต้องใส่พลังงานเข้าไป   เมื่อการขยายพื้นที่ผิวเป็นการใส่พลังงานเข้าไป การลดพื้นที่ผิวจึงเป็นการคายพลังงานออกมาของเหลวพยายามที่จะมีพื้นที่ผิว น้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้ เพราะในสถานะเช่นนั้นจะมีพลังงานต่ำสุด หมายความว่าของเหลวอยู่ในสถานะที่เสถียรที่สุด

หยดกลม หยดน้ำค้างบนใบไม้ในตอนเช้าตรู่ก็มีรูปกลมเช่นเดียวกัน และถึงแม้ใช้กระจกเรียบธรรมดาไม่ฉาบขี้ผึ้งหยดน้ำก็จะแบนลงไปเท่านั้น แต่ยังเกาะกันอยู่ ไม่ถึงกับแยกออกกระจัดกระจาย ที่เป็นเช่นนี้ก็เนื่องมาจากความตึงผิว ของเหลวพยายามหดตัวเนื่องจากแรงดึงดูดภายในให้มีพื้นที่ผิวน้อยที่สุด

 

แรงตึงผิว (Surface tension) คือคุณสมบัติของพื้นผิวของของเหลว เป็นสิ่งทำให้เกิดบางส่วนของพื้นผิวของเหลวถูกดึงดูด (ยึดเข้าไว้ด้วยกัน) สู่พื้นผิวอื่น เช่น พื้นผิวของเหลวส่วนอื่น (การรวมตัวของหยดน้ำหรือหยดปรอทที่แกะกันเป็นลูกกลม)
แรงตึงผิวถูกทำให้เกิดขึ้นด้วยการดึงดูด (การดึงดูดของโมเลกุลกับโมเลกุลที่เหมือนกัน) เมื่อโมเลกุลบนพื้นผิวของของเหลวไม่ได้ล้อมรอบไปด้วยโมเลกุลที่เหมือนกันใน ทุกๆด้านแล้ว โมเลกุลจะมีแรงดึงดูดกับโมเลกุลใกล้เคียงบนพื้นผิวมากขึ้น แรงตึงผิวมีมิติของแรงต่อความยาวหนึ่งหน่วย หรือของพลังงานต่อพื้นที่หนึ่งหน่วย ซึ่งทั้งสองมีค่าเท่ากัน แต่พลังงานต่อพื้นที่หนึ่งหน่วยอยู่ในพจน์พลังงานพื้นผิว ซึ่งเป็นพจน์ทั่วไปในนัยที่ใช้กับของแข็งไม่ค่อยใช้ในของเหลว ในวัสดุศาสตร์ แรงตึงผิวใช้อยู่ในความเค้นพื้นผิว (surface stress) หรือ พลังงานอิสระพื้นผิว (surface free energy)

อาจกล่าวได้ว่า แรงดึงผิวของของเหลว คือ  แรงที่เกิดขึ้นบริเวณที่ผิวของของเหลวสัมผัสกับของเหลวอื่นหรือกับผิวของ แข็งโดยมีพลังงานเพียงพอต่อการยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล  ซึ่งมีขนาดสัมพันธ์กับแรงยึดติดและแรงเชื่อมแน่นทำให้เกิดเป็นลักษณะคล้ายๆ  กับแผ่นบางๆ ที่สามารถต้านแรงดึงได้เล็กน้อย มีทิศขนานกับผิวของเหลวและตั้งฉากกับเส้นขอบที่ของเหลวสัมผัส เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นความตึงผิวของเหลวจะมีค่าลดลง

ความตึงผิว คือ แรงต่อความยาวของผิวสัมผัส (ความพยายามในการยึดผิวของของเหลว)

ในของไหลทุกชนิดจะมีคุณสมบัติของแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล  2  ชนิด  คือ
1. แรงยึดติด (Cohesive Forces)  คือแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของของเหลวชนิดเดียวกันแรงนี้สามารถรับความ เค้นดึง  (tensile stress)   ได้เล็กน้อย

2. แรงเชื่อมแน่น (Adhesive  force) คือแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของของเหลวกับสารชนิดอื่น  เช่น  น้ำกับแก้ว  ปรอทกับแก้ว  เป็นต้น

ปรากฏการณ์ของความตึงผิว

1.  การเกิดหยดของเหลว  ( droplet )   เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นกับของเหลวที่มีขนาดเล็กและอยู่อย่างอิสระ  เช่น  เม็ดของของเหลวในบรรยากาศ  หรือเม็ดของของเหลวที่เกิดจากหัวฉีดที่ฉีดของเหลวออกมาเป็นฝอยหรือละออง เล็กๆ  หรือเม็ดของของเหลวที่เกาะตามใบไม้  ซึ่งอิทธิพลของแรงตึงผิวจะพยายามปรับรูปร่างให้เม็ดของของเหลวมีลักษณะเป็น รูปทรงกลม  ทำให้แรงดันในหยดของเหลวมากขึ้น  เพื่อให้เกิดแรงต้านแรงตึงผิว  เป็นผลให้หยดของเหลวคงสภาพอยู่ได้อย่างสมดุล

2.  คาพิลลาริตี้ ( capillarity ) คือปรากฏการณ์ที่ของไหลที่สัมผัสกับวัตถุแล้วมีลักษณะสูงขึ้นหรือต่ำลง  เนื่องมาจากอิทธิพลของแรงยึดติดและแรงเชื่อมแน่น  เช่น  บริเวณที่น้ำสัมผัสกับผิวแก้ว จะมีระดับน้ำสูงขึ้นเล็กน้อย เพราะแรงยึดติดระหว่างโมเลกุลของน้ำกับโมเลกุลของแก้วมีมากกว่าแรงเชื่อม แน่นระหว่างโมเลกุลของน้ำ  แต่ถ้าเป็นบริเวณที่ปรอทสัมผัสกับผิวแก้ว  ระดับปรอทจะต่ำลงเล็กน้อย  เนื่องจากเชื่อมแน่นระหว่างโมเลกุลของปรอทมีมากกว่าแรงยึดติดระหว่างโมเลกุล ของปรอทกับโมเลกุลของแก้ว

One response

  1. เหตุใดของเหลวแต่ละชนิดมีความตึงผิวต่างกัน(น้ำ น้ำเกลือ น้ำสบู่)

ไหนๆ ก็หลงเข้ามาแล้ว ทักทายกันหน่อยก็ดีนะคะ ^o^

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Connecting to %s