पृष्ठ तनाव परिवर्तक
आणविक बलों से औद्योगिक अनुप्रयोगों तक: पृष्ठ तनाव में महारत हासिल करना
पृष्ठ तनाव वह अदृश्य शक्ति है जो पानी के कीड़ों को पानी पर चलने देती है, बूंदों को गोले बनाने का कारण बनती है, और साबुन के बुलबुले को संभव बनाती है। द्रवों का यह मौलिक गुण द्रव और वायु के बीच के अंतरापृष्ठ पर अणुओं के बीच एकजुट बलों से उत्पन्न होता है। रसायन विज्ञान, पदार्थ विज्ञान, जीव विज्ञान और इंजीनियरिंग के लिए पृष्ठ तनाव को समझना आवश्यक है - डिटर्जेंट डिजाइन करने से लेकर कोशिका झिल्लियों को समझने तक। यह व्यापक मार्गदर्शिका भौतिकी, माप की इकाइयों, औद्योगिक अनुप्रयोगों और पृष्ठ तनाव (N/m) और पृष्ठ ऊर्जा (J/m²) की ऊष्मागतिक तुल्यता को शामिल करती है।
मौलिक अवधारणाएँ: द्रव सतहों का विज्ञान
प्रति इकाई लंबाई बल के रूप में पृष्ठ तनाव
द्रव की सतह पर एक रेखा के साथ कार्य करने वाला बल
इसे न्यूटन प्रति मीटर (N/m) या डाइन प्रति सेंटीमीटर (dyn/cm) में मापा जाता है। यदि आप एक द्रव फिल्म के संपर्क में एक चल पक्ष के साथ एक फ्रेम की कल्पना करते हैं, तो पृष्ठ तनाव उस पक्ष पर खींचने वाला बल है जिसे उसकी लंबाई से विभाजित किया गया है। यह यांत्रिक परिभाषा है।
सूत्र: γ = F/L जहाँ F = बल, L = किनारे की लंबाई
उदाहरण: पानी @ 20°C = 72.8 mN/m का अर्थ है प्रति मीटर किनारे पर 0.0728 N बल
पृष्ठ ऊर्जा (ऊष्मागतिक समतुल्य)
नया सतह क्षेत्र बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा
इसे जूल प्रति वर्ग मीटर (J/m²) या अर्ग प्रति वर्ग सेंटीमीटर (erg/cm²) में मापा जाता है। नया सतह क्षेत्र बनाने के लिए अंतर-आणविक बलों के खिलाफ काम करने की आवश्यकता होती है। यह संख्यात्मक रूप से पृष्ठ तनाव के समान है लेकिन बल के दृष्टिकोण के बजाय ऊर्जा के दृष्टिकोण का प्रतिनिधित्व करता है।
सूत्र: γ = E/A जहाँ E = ऊर्जा, A = सतह क्षेत्र में वृद्धि
उदाहरण: पानी @ 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (समान संख्या, दोहरा अर्थ)
संसंजन बनाम आसंजन
अंतर-आणविक बल सतह के व्यवहार को निर्धारित करते हैं
संसंजन: समान अणुओं के बीच आकर्षण (द्रव-द्रव)। आसंजन: भिन्न अणुओं के बीच आकर्षण (द्रव-ठोस)। उच्च संसंजन → उच्च पृष्ठ तनाव → बूंदें मनके बनाती हैं। उच्च आसंजन → द्रव फैलता है (गीलापन)। संतुलन संपर्क कोण और केशिका क्रिया को निर्धारित करता है।
संपर्क कोण θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (यंग का समीकरण)
उदाहरण: कांच पर पानी का θ कम होता है (आसंजन > संसंजन) → फैलता है। कांच पर पारे का θ अधिक होता है (संसंजन >> आसंजन) → मनके बनाता है।
- पृष्ठ तनाव (N/m) और पृष्ठ ऊर्जा (J/m²) संख्यात्मक रूप से समान हैं लेकिन वैचारिक रूप से भिन्न हैं
- सतह पर अणुओं में असंतुलित बल होते हैं, जिससे एक शुद्ध आंतरिक खिंचाव पैदा होता है
- सतहें स्वाभाविक रूप से क्षेत्र को कम करती हैं (यही कारण है कि बूंदें गोलाकार होती हैं)
- तापमान में वृद्धि → पृष्ठ तनाव में कमी (अणुओं में अधिक गतिज ऊर्जा होती है)
- पृष्ठसक्रियकारक (साबुन, डिटर्जेंट) पृष्ठ तनाव को नाटकीय रूप से कम करते हैं
- मापन: डु नोय रिंग, विल्हेल्मी प्लेट, पेंडेंट ड्रॉप, या केशिका वृद्धि विधियाँ
ऐतिहासिक विकास और खोज
पृष्ठ तनाव का अध्ययन सदियों से चला आ रहा है, प्राचीन अवलोकनों से लेकर आधुनिक नैनो विज्ञान तक:
1751 – Johann Segner
पृष्ठ तनाव पर पहले मात्रात्मक प्रयोग
जर्मन भौतिक विज्ञानी सेग्नर ने तैरती सुइयों का अध्ययन किया और देखा कि पानी की सतहें तनी हुई झिल्लियों की तरह व्यवहार करती हैं। उन्होंने बलों की गणना की लेकिन इस घटना को समझाने के लिए आणविक सिद्धांत का अभाव था।
1805 – Thomas Young
संपर्क कोण के लिए यंग का समीकरण
ब्रिटिश बहुश्रुत यंग ने पृष्ठ तनाव, संपर्क कोण और गीलेपन के बीच संबंध स्थापित किया: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV। यह मौलिक समीकरण आज भी पदार्थ विज्ञान और माइक्रोफ्लुइडिक्स में उपयोग किया जाता है।
1805 – Pierre-Simon Laplace
दबाव के लिए यंग-लाप्लास समीकरण
लाप्लास ने ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) को व्युत्पन्न किया, जिसमें दिखाया गया कि घुमावदार अंतरापृष्ठों में दबाव का अंतर होता है। यह बताता है कि छोटे बुलबुले में बड़े बुलबुले की तुलना में अधिक आंतरिक दबाव क्यों होता है - जो फेफड़ों के शरीर विज्ञान और इमल्शन की स्थिरता को समझने के लिए महत्वपूर्ण है।
1873 – Johannes van der Waals
पृष्ठ तनाव का आणविक सिद्धांत
डच भौतिक विज्ञानी वैन डेर वाल्स ने अंतर-आणविक बलों का उपयोग करके पृष्ठ तनाव की व्याख्या की। आणविक आकर्षण पर उनके काम ने उन्हें 1910 में नोबेल पुरस्कार दिलाया और केशिकात्व, आसंजन और महत्वपूर्ण बिंदु को समझने की नींव रखी।
1919 – Irving Langmuir
एकल परतें और सतह रसायन विज्ञान
लैंगम्यूर ने पानी की सतहों पर आणविक फिल्मों का अध्ययन किया, जिससे सतह रसायन विज्ञान का क्षेत्र बना। पृष्ठसक्रियकारकों, अधिशोषण और आणविक अभिविन्यास पर उनके काम ने उन्हें 1932 में नोबेल पुरस्कार दिलाया। लैंगम्यूर-ब्लॉडगेट फिल्में उनके नाम पर हैं।
पृष्ठ तनाव रूपांतरण कैसे काम करते हैं
पृष्ठ तनाव रूपांतरण सीधे हैं क्योंकि सभी इकाइयाँ प्रति लंबाई बल को मापती हैं। मुख्य सिद्धांत: N/m और J/m² आयामी रूप से समान हैं (दोनों kg/s² के बराबर हैं)।
- अपने स्रोत इकाई श्रेणी की पहचान करें: SI (N/m), CGS (dyn/cm), या इंपीरियल (lbf/in)
- रूपांतरण कारक लागू करें: SI ↔ CGS सरल है (1 dyn/cm = 1 mN/m)
- ऊर्जा इकाइयों के लिए: याद रखें कि 1 N/m = 1 J/m² बिल्कुल (समान आयाम)
- तापमान मायने रखता है: पानी के लिए पृष्ठ तनाव ~0.15 mN/m प्रति °C कम हो जाता है
त्वरित रूपांतरण उदाहरण
रोजमर्रा के पृष्ठ तनाव मान
| पदार्थ | तापमान | पृष्ठ तनाव | संदर्भ |
|---|---|---|---|
| द्रव हीलियम | 4.2 K | 0.12 mN/m | सबसे कम ज्ञात पृष्ठ तनाव |
| एसीटोन | 20°C | 23.7 mN/m | सामान्य विलायक |
| साबुन का घोल | 20°C | 25-30 mN/m | डिटर्जेंट की प्रभावशीलता |
| इथेनॉल | 20°C | 22.1 mN/m | शराब तनाव को कम करती है |
| ग्लिसरॉल | 20°C | 63.4 mN/m | चिपचिपा द्रव |
| पानी | 20°C | 72.8 mN/m | संदर्भ मानक |
| पानी | 100°C | 58.9 mN/m | तापमान पर निर्भरता |
| रक्त प्लाज्मा | 37°C | 55-60 mN/m | चिकित्सा अनुप्रयोग |
| जैतून का तेल | 20°C | 32 mN/m | खाद्य उद्योग |
| पारा | 20°C | 486 mN/m | उच्चतम सामान्य द्रव |
| पिघला हुआ चांदी | 970°C | 878 mN/m | उच्च तापमान धातु |
| पिघला हुआ लोहा | 1535°C | 1872 mN/m | धातु विज्ञान अनुप्रयोग |
पूर्ण इकाई रूपांतरण संदर्भ
सभी पृष्ठ तनाव और पृष्ठ ऊर्जा इकाई रूपांतरण। याद रखें: N/m और J/m² आयामी रूप से समान और संख्यात्मक रूप से बराबर हैं।
SI / मीट्रिक इकाइयाँ (प्रति इकाई लंबाई बल)
Base Unit: न्यूटन प्रति मीटर (N/m)
| From | To | Formula | Example |
|---|---|---|---|
| N/m | mN/m | mN/m = N/m × 1000 | 0.0728 N/m = 72.8 mN/m |
| N/m | µN/m | µN/m = N/m × 1,000,000 | 0.0728 N/m = 72,800 µN/m |
| N/cm | N/m | N/m = N/cm × 100 | 1 N/cm = 100 N/m |
| N/mm | N/m | N/m = N/mm × 1000 | 0.1 N/mm = 100 N/m |
| mN/m | N/m | N/m = mN/m / 1000 | 72.8 mN/m = 0.0728 N/m |
CGS सिस्टम रूपांतरण
Base Unit: डाइन प्रति सेंटीमीटर (dyn/cm)
CGS इकाइयाँ पुराने साहित्य में आम हैं। 1 dyn/cm = 1 mN/m (संख्यात्मक रूप से समान)।
| From | To | Formula | Example |
|---|---|---|---|
| dyn/cm | N/m | N/m = dyn/cm / 1000 | 72.8 dyn/cm = 0.0728 N/m |
| dyn/cm | mN/m | mN/m = dyn/cm × 1 | 72.8 dyn/cm = 72.8 mN/m (समान) |
| N/m | dyn/cm | dyn/cm = N/m × 1000 | 0.0728 N/m = 72.8 dyn/cm |
| gf/cm | N/m | N/m = gf/cm × 0.9807 | 10 gf/cm = 9.807 N/m |
| kgf/m | N/m | N/m = kgf/m × 9.807 | 1 kgf/m = 9.807 N/m |
इंपीरियल / अमेरिकी पारंपरिक इकाइयाँ
Base Unit: पाउंड-बल प्रति इंच (lbf/in)
| From | To | Formula | Example |
|---|---|---|---|
| lbf/in | N/m | N/m = lbf/in × 175.127 | 1 lbf/in = 175.127 N/m |
| lbf/in | mN/m | mN/m = lbf/in × 175,127 | 0.001 lbf/in = 175.1 mN/m |
| lbf/ft | N/m | N/m = lbf/ft × 14.5939 | 1 lbf/ft = 14.5939 N/m |
| ozf/in | N/m | N/m = ozf/in × 10.9454 | 1 ozf/in = 10.9454 N/m |
| N/m | lbf/in | lbf/in = N/m / 175.127 | 72.8 N/m = 0.416 lbf/in |
प्रति क्षेत्र ऊर्जा (ऊष्मागतिक रूप से समतुल्य)
पृष्ठ ऊर्जा और पृष्ठ तनाव संख्यात्मक रूप से समान हैं: 1 N/m = 1 J/m²। यह कोई संयोग नहीं है—यह एक मौलिक ऊष्मागतिक संबंध है।
| From | To | Formula | Example |
|---|---|---|---|
| J/m² | N/m | N/m = J/m² × 1 | 72.8 J/m² = 72.8 N/m (समान) |
| mJ/m² | mN/m | mN/m = mJ/m² × 1 | 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (समान) |
| erg/cm² | mN/m | mN/m = erg/cm² × 1 | 72.8 erg/cm² = 72.8 mN/m (समान) |
| erg/cm² | N/m | N/m = erg/cm² / 1000 | 72,800 erg/cm² = 72.8 N/m |
| cal/cm² | N/m | N/m = cal/cm² × 41,840 | 0.001 cal/cm² = 41.84 N/m |
| BTU/ft² | N/m | N/m = BTU/ft² × 11,357 | 0.01 BTU/ft² = 113.57 N/m |
N/m = J/m² क्यों: आयामी प्रमाण
यह एक रूपांतरण नहीं है—यह एक आयामी पहचान है। कार्य = बल × दूरी, इसलिए प्रति क्षेत्र ऊर्जा प्रति लंबाई बल बन जाती है:
| Calculation | Formula | Units |
|---|---|---|
| पृष्ठ तनाव (बल) | [N/m] = kg·m/s² / m = kg/s² | प्रति लंबाई बल |
| पृष्ठ ऊर्जा | [J/m²] = (kg·m²/s²) / m² = kg/s² | प्रति क्षेत्र ऊर्जा |
| पहचान का प्रमाण | [N/m] = [J/m²] ≡ kg/s² | समान मूल आयाम! |
| भौतिक अर्थ | 1 m² सतह बनाने के लिए γ × 1 m² जूल कार्य की आवश्यकता होती है | γ बल/लंबाई और ऊर्जा/क्षेत्र दोनों है |
वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोग और उद्योग
कोटिंग्स और प्रिंटिंग
पृष्ठ तनाव गीलापन, फैलाव और आसंजन को निर्धारित करता है:
- पेंट का सूत्रीकरण: सबस्ट्रेट्स पर इष्टतम फैलाव के लिए γ को 25-35 mN/m पर समायोजित करें
- इंकजेट प्रिंटिंग: स्याही का γ सबस्ट्रेट से कम होना चाहिए ताकि गीला हो सके (आमतौर पर 25-40 mN/m)
- कोरोना उपचार: आसंजन के लिए बहुलक की सतह ऊर्जा को 30 → 50+ mN/m तक बढ़ाता है
- पाउडर कोटिंग्स: कम पृष्ठ तनाव समतलन और चमक के विकास में मदद करता है
- एंटी-ग्रैफिटी कोटिंग्स: कम γ (15-20 mN/m) पेंट के आसंजन को रोकता है
- गुणवत्ता नियंत्रण: बैच-टू-बैच स्थिरता के लिए डु नोय रिंग टेंसियोमीटर
पृष्ठसक्रियकारक और सफाई
डिटर्जेंट पृष्ठ तनाव को कम करके काम करते हैं:
- शुद्ध पानी: γ = 72.8 mN/m (कपड़ों में अच्छी तरह से प्रवेश नहीं करता है)
- पानी + साबुन: γ = 25-30 mN/m (प्रवेश करता है, गीला करता है, तेल हटाता है)
- क्रांतिक मिसेल सांद्रता (CMC): γ CMC तक तेजी से गिरता है, फिर स्थिर हो जाता है
- गीला करने वाले एजेंट: औद्योगिक क्लीनर γ को <30 mN/m तक कम करते हैं
- बर्तन धोने का तरल: ग्रीस हटाने के लिए γ ≈ 27-30 mN/m पर तैयार किया गया
- कीटनाशक स्प्रेयर: बेहतर पत्ती कवरेज के लिए γ को कम करने के लिए पृष्ठसक्रियकारक जोड़ें
पेट्रोलियम और बढ़ी हुई तेल वसूली
तेल और पानी के बीच का अंतरापृष्ठीय तनाव निष्कर्षण को प्रभावित करता है:
- तेल-पानी अंतरापृष्ठीय तनाव: आमतौर पर 20-50 mN/m
- बढ़ी हुई तेल वसूली (EOR): γ को <0.01 mN/m तक कम करने के लिए पृष्ठसक्रियकारक इंजेक्ट करें
- कम γ → तेल की बूंदें पायसीकृत हो जाती हैं → छिद्रपूर्ण चट्टान से बहती हैं → बढ़ी हुई वसूली
- कच्चे तेल का लक्षण वर्णन: सुगंधित सामग्री पृष्ठ तनाव को प्रभावित करती है
- पाइपलाइन प्रवाह: कम γ पायस की स्थिरता को कम करता है, अलगाव में मदद करता है
- पेंडेंट ड्रॉप विधि जलाशय के तापमान/दबाव पर γ को मापती है
जैविक और चिकित्सा अनुप्रयोग
पृष्ठ तनाव जीवन प्रक्रियाओं के लिए महत्वपूर्ण है:
- फेफड़े का पृष्ठसक्रियकारक: वायुकोशीय γ को 70 से 25 mN/m तक कम करता है, जिससे पतन को रोका जा सकता है
- समय से पहले जन्मे शिशु: अपर्याप्त पृष्ठसक्रियकारक के कारण श्वसन संकट सिंड्रोम
- कोशिका झिल्ली: लिपिड बाईलेयर γ ≈ 0.1-2 mN/m (लचीलेपन के लिए बहुत कम)
- रक्त प्लाज्मा: γ ≈ 50-60 mN/m, बीमारियों में वृद्धि (मधुमेह, एथेरोस्क्लेरोसिस)
- आंसू फिल्म: लिपिड परत के साथ बहु-परत संरचना जो वाष्पीकरण को कम करती है
- कीट श्वसन: श्वासनली प्रणाली पानी के प्रवेश को रोकने के लिए पृष्ठ तनाव पर निर्भर करती है
पृष्ठ तनाव के बारे में आकर्षक तथ्य
पानी के कीड़े पानी पर चलते हैं
पानी के कीड़े (Gerridae) पानी के उच्च पृष्ठ तनाव (72.8 mN/m) का उपयोग अपने शरीर के वजन का 15 गुना समर्थन करने के लिए करते हैं। उनके पैर मोमी बालों से ढके होते हैं जो सुपरहाइड्रोफोबिक होते हैं (संपर्क कोण >150°)। प्रत्येक पैर पानी की सतह में एक गड्ढा बनाता है, और पृष्ठ तनाव ऊपर की ओर बल प्रदान करता है। यदि आप साबुन मिलाते हैं (γ को 30 mN/m तक कम करते हुए), तो वे तुरंत डूब जाते हैं!
बुलबुले हमेशा गोल क्यों होते हैं
पृष्ठ तनाव किसी दिए गए आयतन के लिए सतह क्षेत्र को कम करने का काम करता है। गोले का किसी भी आयतन के लिए न्यूनतम सतह क्षेत्र होता है (आइसोपेरिमेट्रिक असमानता)। साबुन के बुलबुले इसे खूबसूरती से प्रदर्शित करते हैं: अंदर की हवा बाहर की ओर धकेलती है, पृष्ठ तनाव अंदर की ओर खींचता है, और संतुलन एक आदर्श गोला बनाता है। गैर-गोलाकार बुलबुले (जैसे तार के फ्रेम में घन) में अधिक ऊर्जा होती है और वे अस्थिर होते हैं।
समय से पहले जन्मे शिशु और पृष्ठसक्रियकारक
नवजात शिशुओं के फेफड़ों में फुफ्फुसीय पृष्ठसक्रियकारक (फॉस्फोलिपिड्स + प्रोटीन) होता है जो वायुकोशीय पृष्ठ तनाव को 70 से 25 mN/m तक कम करता है। इसके बिना, साँस छोड़ते समय वायुकोशिकाएँ ढह जाती हैं (एटेलेक्टेसिस)। समय से पहले जन्मे शिशुओं में पर्याप्त पृष्ठसक्रियकारक की कमी होती है, जिससे श्वसन संकट सिंड्रोम (RDS) होता है। सिंथेटिक पृष्ठसक्रियकारक चिकित्सा (1990 के दशक) से पहले, RDS नवजात मृत्यु का एक प्रमुख कारण था। अब, जीवित रहने की दर 95% से अधिक है।
शराब के आँसू (मारंगोनी प्रभाव)
एक गिलास में शराब डालें और देखें: किनारों पर बूंदें बनती हैं, ऊपर चढ़ती हैं, और फिर से नीचे गिरती हैं - 'शराब के आँसू'। यह मारंगोनी प्रभाव है: शराब पानी की तुलना में तेजी से वाष्पित होती है, जिससे पृष्ठ तनाव प्रवणताएँ बनती हैं (γ स्थानिक रूप से भिन्न होती है)। द्रव कम-γ क्षेत्रों से उच्च-γ क्षेत्रों की ओर बहता है, शराब को ऊपर खींचता है। जब बूंदें काफी भारी हो जाती हैं, तो गुरुत्वाकर्षण जीत जाता है और वे गिर जाती हैं। मारंगोनी प्रवाह वेल्डिंग, कोटिंग और क्रिस्टल विकास में महत्वपूर्ण हैं।
साबुन वास्तव में कैसे काम करता है
साबुन के अणु एम्फीफिलिक होते हैं: हाइड्रोफोबिक पूंछ (पानी से नफरत करता है) + हाइड्रोफिलिक सिर (पानी से प्यार करता है)। घोल में, पूंछें पानी की सतह से बाहर निकलती हैं, हाइड्रोजन बंधन को बाधित करती हैं और γ को 72 से 25-30 mN/m तक कम करती हैं। क्रांतिक मिसेल सांद्रता (CMC) पर, अणु गोलाकार मिसेल बनाते हैं जिनकी पूंछें अंदर होती हैं (तेल को फँसाती हैं) और सिर बाहर होते हैं। यही कारण है कि साबुन ग्रीस को हटाता है: तेल मिसेल के अंदर घुल जाता है और धुल जाता है।
कपूर की नावें और पृष्ठ तनाव मोटर्स
पानी पर कपूर का एक क्रिस्टल गिराएँ और यह एक छोटी नाव की तरह सतह पर ज़ूम करेगा। कपूर असममित रूप से घुलता है, जिससे एक पृष्ठ तनाव प्रवणता बनती है (पीछे उच्च γ, आगे कम)। सतह क्रिस्टल को उच्च-γ क्षेत्रों की ओर खींचती है - एक पृष्ठ तनाव मोटर! यह 1890 में भौतिक विज्ञानी सी.वी. बॉयज़ द्वारा प्रदर्शित किया गया था। आधुनिक रसायनज्ञ माइक्रोरोबोट और दवा वितरण वाहनों के लिए समान मारंगोनी प्रणोदन का उपयोग करते हैं।
अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न
पृष्ठ तनाव (N/m) और पृष्ठ ऊर्जा (J/m²) संख्यात्मक रूप से बराबर क्यों हैं?
यह एक मौलिक ऊष्मागतिक संबंध है, कोई संयोग नहीं। आयामी रूप से: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² और [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s²। उनके समान मूल आयाम हैं! भौतिक रूप से: 1 m² नई सतह बनाने के लिए कार्य = बल × दूरी = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J की आवश्यकता होती है। तो बल/लंबाई के रूप में मापा गया γ ऊर्जा/क्षेत्र के रूप में मापा गया γ के बराबर है। पानी @ 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (समान संख्या, दोहरा अर्थ)।
संसंजन और आसंजन के बीच क्या अंतर है?
संसंजन: समान अणुओं के बीच आकर्षण (पानी-पानी)। आसंजन: भिन्न अणुओं के बीच आकर्षण (पानी-कांच)। उच्च संसंजन → उच्च पृष्ठ तनाव → बूंदें मनके बनाती हैं (कांच पर पारा)। संसंजन के सापेक्ष उच्च आसंजन → द्रव फैलता है (साफ कांच पर पानी)। संतुलन यंग के समीकरण के माध्यम से संपर्क कोण θ को निर्धारित करता है: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV। गीलापन तब होता है जब θ < 90°; मनके बनना तब होता है जब θ > 90°। सुपरहाइड्रोफोबिक सतहों (कमल का पत्ता) का θ > 150° होता है।
साबुन पृष्ठ तनाव को कैसे कम करता है?
साबुन के अणु एम्फीफिलिक होते हैं: हाइड्रोफोबिक पूंछ + हाइड्रोफिलिक सिर। पानी-वायु अंतरापृष्ठ पर, पूंछें बाहर की ओर उन्मुख होती हैं (पानी से बचती हैं), और सिर अंदर की ओर (पानी द्वारा आकर्षित होते हैं)। यह सतह पर पानी के अणुओं के बीच हाइड्रोजन बंधन को बाधित करता है, पृष्ठ तनाव को 72.8 से 25-30 mN/m तक कम करता है। कम γ पानी को कपड़ों को गीला करने और ग्रीस में प्रवेश करने की अनुमति देता है। क्रांतिक मिसेल सांद्रता (CMC, आमतौर पर 0.1-1%) पर, अणु मिसेल बनाते हैं जो तेल को घोलते हैं।
पृष्ठ तनाव तापमान के साथ क्यों घटता है?
उच्च तापमान अणुओं को अधिक गतिज ऊर्जा देता है, जिससे अंतर-आणविक आकर्षण (हाइड्रोजन बंधन, वैन डेर वाल्स बल) कमजोर हो जाते हैं। सतह के अणुओं में कम शुद्ध आंतरिक खिंचाव होता है → कम पृष्ठ तनाव। पानी के लिए: γ ~0.15 mN/m प्रति °C घटता है। क्रांतिक तापमान (पानी के लिए 374°C, 647 K) पर, द्रव-गैस का अंतर समाप्त हो जाता है और γ → 0। Eötvös का नियम इसे मात्रात्मक बनाता है: γ·V^(2/3) = k(T_c - T) जहाँ V = मोलर आयतन, T_c = क्रांतिक तापमान।
पृष्ठ तनाव कैसे मापा जाता है?
चार मुख्य विधियाँ: (1) डु नोय रिंग: एक प्लैटिनम रिंग को सतह से खींचा जाता है, बल को मापा जाता है (सबसे आम, ±0.1 mN/m)। (2) विल्हेल्मी प्लेट: एक पतली प्लेट सतह को छूते हुए लटकी रहती है, बल को लगातार मापा जाता है (उच्चतम सटीकता, ±0.01 mN/m)। (3) पेंडेंट ड्रॉप: यंग-लाप्लास समीकरण का उपयोग करके बूंद के आकार का ऑप्टिकल रूप से विश्लेषण किया जाता है (उच्च T/P पर काम करता है)। (4) केशिका वृद्धि: द्रव एक संकीर्ण ट्यूब में चढ़ता है, ऊंचाई को मापा जाता है: γ = ρghr/(2cosθ) जहाँ ρ = घनत्व, h = ऊंचाई, r = त्रिज्या, θ = संपर्क कोण।
यंग-लाप्लास समीकरण क्या है?
ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) एक घुमावदार अंतरापृष्ठ पर दबाव के अंतर का वर्णन करता है। R₁ और R₂ वक्रता की मुख्य त्रिज्याएँ हैं। एक गोले (बुलबुला, बूंद) के लिए: ΔP = 2γ/R। छोटे बुलबुले में बड़े बुलबुले की तुलना में अधिक आंतरिक दबाव होता है। उदाहरण: 1 मिमी पानी की बूंद का ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm) होता है। यह बताता है कि फोम में छोटे बुलबुले क्यों सिकुड़ते हैं (गैस छोटे से बड़े में फैलती है) और फेफड़ों की वायुकोशिकाओं को पृष्ठसक्रियकारक की आवश्यकता क्यों होती है (यह γ को कम करता है ताकि वे ढह न जाएँ)।
पारा मनके क्यों बनाता है जबकि पानी कांच पर फैलता है?
पारा: मजबूत संसंजन (धातु बंधन, γ = 486 mN/m) >> कांच से कमजोर आसंजन → संपर्क कोण θ ≈ 140° → मनके बनाता है। पानी: मध्यम संसंजन (हाइड्रोजन बंधन, γ = 72.8 mN/m) < कांच से मजबूत आसंजन (सतह -OH समूहों के साथ हाइड्रोजन बंधन) → θ ≈ 0-20° → फैलता है। यंग का समीकरण: cos θ = (γ_ठोस-वाष्प - γ_ठोस-द्रव)/γ_द्रव-वाष्प। जब आसंजन > संसंजन, cos θ > 0, तो θ < 90° (गीलापन)।
क्या पृष्ठ तनाव नकारात्मक हो सकता है?
नहीं। पृष्ठ तनाव हमेशा सकारात्मक होता है - यह नया सतह क्षेत्र बनाने की ऊर्जा लागत का प्रतिनिधित्व करता है। एक नकारात्मक γ का मतलब होगा कि सतहें अनायास फैल जाएंगी, ऊष्मागतिकी का उल्लंघन करते हुए (एन्ट्रॉपी बढ़ती है, लेकिन थोक चरण अधिक स्थिर होता है)। हालांकि, दो द्रवों के बीच का अंतरापृष्ठीय तनाव बहुत कम हो सकता है (शून्य के करीब): बढ़ी हुई तेल वसूली में, पृष्ठसक्रियकारक तेल-पानी γ को <0.01 mN/m तक कम करते हैं, जिससे सहज पायसीकरण होता है। क्रांतिक बिंदु पर, γ = 0 बिल्कुल (द्रव-गैस का अंतर समाप्त हो जाता है)।
संपूर्ण उपकरण निर्देशिका
UNITS पर उपलब्ध सभी 71 उपकरण