ความตึงผิว (Surface tension)
รูปที่ 1 แสดงปรากฏการณ์ของความตึงผิวที่พบเห็นในชีวิตประจำวัน ลักษณะของความตึงผิวแบบต่าง ๆ รูปที่ 2 ตัวจิงโจ้น้ำ วิ่งบนผิวน้ำ ความตึงผิว คือ แรงต่อความยาวของผิวสัมผัส (ความพยายามในการยึดผิวของของเหลว) แรงดึงผิวของของเหลว คือ แรงที่เกิดขึ้นบริเวณที่ผิวของของเหลวสัมผัสกับของเหลวอื่นหรือกับผิวของแข็งโดยมีพลังงานเพียงพอต่อการยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล ซึ่งมีขนาดสัมพันธ์กับแรงยึดติดและแรงเชื่อมแน่นทำให้เกิดเป็นลักษณะคล้ายๆ กับแผ่นบางๆ ที่สามารถต้านแรงดึงได้เล็กน้อย มีทิศขนานกับผิวของเหลวและตั้งฉากกับเส้นขอบที่ของเหลวสัมผัส เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นความตึงผิวของเหลวจะมีค่าลดลง รูปที่ 3
แสดงโมเลกุลใต้พื้นผิวของของเหลว จะมีแรงกระทำระหว่างกันในทุกทิศทาง
ขณะที่โมเลกุลที่พื้นผิว จะมีแรงกระทำจากด้านล่างเท่านั้น
ซึ่งจะทำให้มีแรงตึงผิวเข้าสู่ศูนย์กลาง
ในของไหลทุกชนิดจะมีคุณสมบัติของแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล 2 ชนิด คือ 1. แรงยึดติด (Cohesive Forces) คือแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของของเหลวชนิดเดียวกันแรงนี้สามารถรับความเค้นดึง (tensile stress) ได้เล็กน้อย 2. แรงเชื่อมแน่น (Adhesive force) คือแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของของเหลวกับสารชนิดอื่น เช่น
น้ำกับแก้ว ปรอทกับแก้ว เป็นต้น รูปที่ 4 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความตึงผิวและแรงดึงผิว
ปรากฏการณ์ของความตึงผิว 1. การเกิดหยดของเหลว ( droplet ) เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นกับของเหลวที่มีขนาดเล็กและอยู่อย่างอิสระ เช่น เม็ดของของเหลวในบรรยากาศ หรือเม็ดของของเหลวที่เกิดจากหัวฉีดที่ฉีดของเหลวออกมาเป็นฝอยหรือละอองเล็กๆ หรือเม็ดของของเหลวที่เกาะตามใบไม้ ซึ่งอิทธิพลของแรงตึงผิวจะพยายามปรับรูปร่างให้เม็ดของของเหลวมีลักษณะเป็นรูปทรงกลม ทำให้แรงดันในหยดของเหลวมากขึ้น เพื่อให้เกิดแรงต้านแรงตึงผิว เป็นผลให้หยดของเหลวคงสภาพอยู่ได้อย่างสมดุลถ้าพิจารณาหยดของเหลวทรงกลมที่มีรัศมี r และความดันภายในหยดของเหลว P โดย รูปที่ 5 หยดปรอท: หยดเล็ก ๆ จะมีรูปร่างเป็นทรงกลม ขณะที่หยดที่ใหญ่กว่าจะเป็นทรงกลมแบน เนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก รูปที่ 6 หยดน้ำ พอลิเมอร์ซิลิโคน (silicone polymer) ที่เคลือบบนแก้ว/กระจก จะลด Adhesive forces ระหว่างโมเลกุลของน้ำกับพื้นผิวทำให้น้ำไม่เกาะติดบนพื้นผิวของแก้ว/กระจก 2. คาพิลลาริตี้ ( capillarity ) คือปรากฏการณ์ที่ของไหลที่สัมผัสกับวัตถุแล้วมีลักษณะสูงขึ้นหรือต่ำลง เนื่องมาจากอิทธิพลของแรงยึดติดและแรงเชื่อมแน่น เช่น บริเวณที่น้ำสัมผัสกับผิวแก้ว จะมีระดับน้ำสูงขึ้นเล็กน้อย เพราะแรงยึดติดระหว่างโมเลกุลของน้ำกับโมเลกุลของแก้วมีมากกว่าแรงเชื่อมแน่นระหว่างโมเลกุลของน้ำ แต่ถ้าเป็นบริเวณที่ปรอทสัมผัสกับผิวแก้ว ระดับปรอทจะต่ำลงเล็กน้อย เนื่องจากเชื่อมแน่นระหว่างโมเลกุลของปรอทมีมากกว่าแรงยึดติดระหว่างโมเลกุลของปรอทกับโมเลกุลของแก้ว รูปที่ 7 แสดง ผิวสัมผัสระหว่างน้ำกับแก้ว และปรอทกับแก้ว เมื่อนำหลอดแก้วขนาดเล็กที่มีรัศมี r จุ่มลงในของไหลที่มีแรงยึดติดมากกว่าแรงเชื่อมแน่น จะเห็นของไหลสูงขึ้นเป็นระยะ h โดยของเหลวมีแรงดึงผิว F ทำมุม θ กับแนวดิ่ง รูปที่ 8 แสดงความสัมพันธ์ของความสูงและความตึงผิว |
||
