परीक्षा: सतही तनाव - Police SI Exams MCQ

जब एक छोटी मात्रा में पानी को एक साफ कांच की प्लेट पर डाला जाता है और यह पतला फैलता है, तो यह व्यवहार सतह तनाव का प्रदर्शन है। सतह तनाव एक तरल की विशेषता है जो तरल अणुओं के बीच के सहसंवेग बलों से उत्पन्न होती है। यह तरल को अपने सतह क्षेत्र को न्यूनतम करने के लिए प्रेरित करती है, जिससे पानी का साफ कांच की प्लेट पर पतला फैलने जैसा व्यवहार होता है।

गुरुत्वाकर्षण के अलावा, एक अन्य बल जो तरल पदार्थों के आकार को प्रभावित करता है, वह सतह तनाव है। सतह तनाव उन तरल पदार्थों के व्यवहार के लिए जिम्मेदार है जैसे कि पानी एक चिकने काँच की सतह पर छोटे बूँदों के रूप में बनता है और पारा काँच की सतह पर गोल बूँदों का निर्माण करता है। यह तरल के अणुओं के बीच के एकजुट बलों का परिणाम है।

सतही तनाव को तरल की सतह के तल में प्रति इकाई लंबाई के बल के रूप में परिभाषित किया जाता है, जो उस सतह में खींची गई एक काल्पनिक रेखा के दोनों तरफ सीधे कोण पर कार्य करता है। यह प्रति इकाई लंबाई का बल तरल अणुओं के बीच सतह पर एकजुट बलों का माप है।

सतही ऊर्जा से तात्पर्य उस अतिरिक्त ऊर्जा से है जो सतह क्षेत्र को बढ़ाने पर प्रति इकाई क्षेत्र में उत्पन्न होती है। यह अवधारणा तरल पदार्थों के इंटरफेस पर व्यवहार को समझने में महत्वपूर्ण है और विभिन्न प्राकृतिक घटनाओं में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है, जैसे कि कैपिलरी क्रिया और सतही तनाव।

जब तरल का सतह क्षेत्रफल बढ़ता है, तो शीतलन इसलिए होता है क्योंकि वातावरण से गर्मी अवशोषित की जाती है ताकि तापमान को स्थिर रखा जा सके। यह घटना सतह ऊर्जा के सिद्धांत से जुड़ी है, जहां सतह क्षेत्रफल को बढ़ाने के लिए आवश्यक अतिरिक्त ऊर्जा शीतलन प्रभाव का कारण बनती है क्योंकि गर्मी वातावरण से खींची जाती है ताकि ऊर्जा परिवर्तन की भरपाई की जा सके।

तरल के सतह क्षेत्रफल को बढ़ाना आणविकों के बीच आकर्षण बल के खिलाफ कार्य की आवश्यकता होती है। यह प्रक्रिया नए सतह में संभावित ऊर्जा का संग्रहित होना होता है, जो सतह ऊर्जा के सिद्धांत में योगदान करता है। सतह क्षेत्रफल को बढ़ाने के द्वारा, आणविकों के बीच का आकर्षण बल प्रभावी रूप से कमजोर हो जाता है, जिससे इंटरफेस पर अतिरिक्त ऊर्जा का संचय होता है।

तार PQ को संतुलन में बनाए रखने के लिए आवश्यक नीचे की दिशा में बल F तरल फिल्म की लंबाई l के सीधे अनुपात में है, जो PQ के संपर्क में है। इस संबंध को F = T/2l के रूप में व्यक्त किया जा सकता है, जहां T तरल की सतही तनाव को दर्शाता है। यह बल PQ के संपर्क में आने वाली फिल्म की लंबाई के दो गुना के विपरीत अनुपात में है। यह संबंध हमें संतुलन की स्थिति और इसे बनाए रखने में सतही तनाव की भूमिका को समझने में मदद करता है।

जब तार PQ को एक छोटी दूरी Δx द्वारा नीचे की ओर खिसकाया जाता है, तब बल F द्वारा किया गया कार्य निम्नलिखित सूत्र द्वारा दिया जाता है: W = F * Δx = T * 2l * Δx। चूंकि 2l * Δx कुल क्षेत्रफल में वृद्धि (ΔA) का प्रतिनिधित्व करता है, कार्य को सरल बनाया जा सकता है: W = T * ΔA। यह समीकरण दर्शाता है कि सतही तनाव T कैसे उस कार्य से संबंधित है जो स्थिर तापमान पर तरल फिल्म के सतह क्षेत्र को एकता से बढ़ाने के लिए आवश्यक है, जिसे जूल प्रति वर्ग मीटर में दर्शाया जाता है।

वह स्थिति जिसमें तरल फिल्म के सतह क्षेत्र को एकता से बढ़ाया जाता है, स्थिर तापमान पर, सतह तनाव T उस कार्य का प्रतीक है जो इस कार्य को पूरा करने के लिए आवश्यक है। विशेष रूप से, T तरल फिल्म का विस्तार करने के लिए प्रति इकाई क्षेत्र आवश्यक ऊर्जा को दर्शाता है। सतह तनाव की अवधारणा को समझना कार्य, बल, और विभिन्न परिस्थितियों में तरल पदार्थों के व्यवहार के बीच संबंध की अंतर्दृष्टि प्रदान करता है।

तरल बूँद की सतह के अंदर और बाहर के दबावों के बीच का अंतर इस समीकरण द्वारा दिया जाता है: P₂ - P₁ = 2T/R। यह अतिरिक्त दबाव बूँद के सतह क्षेत्र पर कार्यरत सतही तनाव के परिणामस्वरूप उत्पन्न होता है। इस दबाव के अंतर को समझना तरल यांत्रिकी में विभिन्न घटनाओं को समझने के लिए आवश्यक है, जैसे कि तरल बूँदों की स्थिरता और बुलबुलों का व्यवहार।

एक साबुन के बुलबुले के लिए, बुलबुले के अंदर और बाहर के दबावों के बीच का संबंध समीकरण P₂ - P₁ = 4T/R द्वारा व्यक्त किया जाता है। एक साबुन के बुलबुले के अंदर का यह अतिरिक्त दबाव एक तरल की बूंद के अंदर के अतिरिक्त दबाव का दो गुना होता है, जो कि दो सतहों की उपस्थिति के कारण है। इस दबाव भिन्नता को समझना साबुन के बुलबुलों की स्थिरता और विशेषताओं को समझने के लिए महत्वपूर्ण है, जो सतही तनाव के क्रियान्वयन के अद्भुत उदाहरण हैं।

जैसे कि वर्णित किया गया है, दबाव का अंतर तरल बूंदों और साबुन के बुलबुलों की स्थिरता को प्रभावित करने में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। यह दबाव भेद, बूंदों के लिए समीकरणों जैसे P2 - P1 = 2T/R और बुलबुलों के लिए P2 - P1 = 4T/R द्वारा वर्णित किया जाता है, इन संरचनाओं के संतुलन और व्यवहार को समझने में एक प्रमुख कारक है। इन इकाइयों के अंदर अतिरिक्त दबाव सतही तनाव का प्रत्यक्ष परिणाम है, जो उनके आकार, आकार, और विभिन्न वातावरणों में समग्र स्थिरता को प्रभावित करता है।

सही उत्तर कैपिलैरिटी है। यह घटना तरल पदार्थों के सतह तनाव के कारण होती है, जो तरल पदार्थों को ट्यूब के सामग्री के साथ बातचीत के आधार पर कैपिलरी ट्यूब में ऊपर या नीचे ले जाती है। कैपिलैरिटी संकीर्ण ट्यूबों में तरल पदार्थों के व्यवहार को समझने में एक महत्वपूर्ण अवधारणा है।

दी गई समीकरण में, 'h' उस ऊंचाई का प्रतिनिधित्व करता है जिस पर तरल कैपिलरी ट्यूब में कैपिलरी क्रिया के कारण उठता है। इस ऊंचाई पर तरल के सतह तनाव, कैपिलरी ट्यूब के त्रिज्या, तरल की घनत्व, और गुरुत्वाकर्षण के त्वरण जैसे कारक प्रभाव डालते हैं।

छोटी कैपिलरी ट्यूब के ऊपरी सिरे से तरल फव्वारे के रूप में बाहर नहीं आता है तरल की सतह तनाव के कारण। ऐसी स्थितियों में सतह तनाव बल प्रमुख होते हैं, जिससे तरल एक निश्चित ऊँचाई तक उठता है और फिर फैल जाता है, बल्कि निरंतर फव्वारे की तरह बहता नहीं है।