طرق قياس التوتر السطحي

التوتّر السطحي

إنّ التوتّر السطحي هو خاصيّةً فيزيائيةً تعبّر عن القوة المؤثّرة التي تعطي المرونة للطبقة السطحية للسائل، وتسمح هذه القوة المؤثّرة للحشرات بالسير على سطح السوائل المختلفة، وكذلك طفو المواد المعدنية الصغيرة كالإبر، والقصدير، كما يعد المولدّ الرئيسي للخاصيّة الشعريّة.

تفسير ظاهرة التوتّر السطحي

تحدث ظاهرة التوتّر السطحي نتيجةً لتجاذب جزيئات السائل بسبب التغيّر في قوى الجزيئات الداخليّة، ففي معظم أنواع السائل يُسحب كل جزيء بشكل متساوٍ في جميع الاتجاهات من قِبل جزيئات السائل المجاورة له، وتكون محصلّة القوى الناتجة تساوي صفراً، أمّا عند سطح السائل فتُسحب الجزيئات من قِبل الجزيئات الأعمق في السائل، ولا تساوي شدّة هذه الجاذبية جاذبية الجزيئات المجاورة للجزيئات، حيث تكون مساوية لضغط الهواء أو ضغط سائلٍ آخر. لذلك تتعرّض الجزيئات الموجودة عند السطح لقوى داخلية من التجاذب الجزيئي، وبالتالي يغيّر السائل شكله حتى يتخذّ أقل مساحة ممكنة.

كما يمكن تفسير ظاهر التوتر السطحي بأنّ طاقة الجزيء المتصل مع الجزيء المجاور له أقل من طاقة الجزيء غير المتصل مع الجزيء الآخر المجاور له، ولأنّ جزيئات السائل الموجودة على السطح ترتبط بعدد أقل من الجزيئات المجاورة للجزيئات الداخلية، فإنّها تحتوي طاقة عالية، ويقاوم السائل حالة الطاقة العالية من خلال تقليل عدد الجزيئات الموجودة على السطح، ولذلك يقلل مساحة سطحه.

التوتّر السطحي فيزيائياً

يُشار للتوتّر السطحي بالرموز σ, γ أو T، ويعبّر فيزيائياً عن القوة المؤثّرة عموديّاً على طول خط عمل وحدة القوى الموازية للسطح. وتُقاس قيمة التوتّر السطحي بوحدة نيوتن لكل متر. وتعبّر الديناميكا الحرارية عن التوتّر السطحي بأنّه الشغل المبذول لوحدة المساحات. و يعتمد التوتّر السطحي على عامليين، هما:

• نوع السائل: حيث إنّ هناك سوائل ذات توتّر سطحي أعلى من السوائل الأخرى.
• درجة الحرارة: فكلّما ارتفعت درجة حرارة السائل يقل التوتر السطحي المتشكّل على السطح، وينعدم التوتر السطحي نهائياً عندما ترتفع درجة حرارة السائل إلى درجة غليانه.

طريقة قياس التوتر السطحي

يُمكن قياس التوتّر السطحي من خلال استخدام الأنابيب الشعرية، حيث يُقاس ارتفاع السائل داخل هذه الأنابيب، ويُحدد نصف قطر الأنبوبة الشعرية من خلال العلاقة الرياضية الآتية: (T=2/dgr(h+1/3r، حيث إنّ:

• t: هو التوتّر السطحي للسائل.
• d: كثافة السائل.
• g: الجاذبية الأرضية.
• h: ارتفاع السائل داخل الأنابيب الشعرية.
• r: نصف قطر الأنبوب الشعري.

كما أنّ هناك جداول فيزيائيّة خاصّة يوجد فيها قيم التوتّر السطحي لسوائل معينة عند تلامسها مع سطوح أخرى، مما يسهّل الحصول على قيمة التوتّر السطحي.