Pochopení povrchového napětí
Povrchové napětí vzniká proto, že povrch kapaliny má tendenci tuhnout a vytvářet tenký membránový vzhled. To je ovlivněno kohezními silami mezi molekulami vody. Pro lepší pochopení tohoto vysvětlení si vezměme následující ilustraci. Uvažujme kapalinu v nádobě.
Molekuly kapaliny se obvykle navzájem přitahují. Uvnitř kapaliny je každá molekula kapaliny obklopena dalšími molekulami na každé straně; ale na povrchu kapaliny jsou molekuly kapaliny pouze po stranách a pod ním. Nahoře nejsou žádné další molekuly kapaliny. Protože se molekuly kapaliny navzájem přitahují, na molekuly uvnitř kapaliny působí nulová síla. Naopak molekuly kapaliny na povrchu jsou přitahovány molekulami kapaliny po stranách a pod ním. Výsledkem je, že na povrchu kapaliny působí síla směřující dolů. Kvůli této síle směřující dolů má kapalina na povrchu tendenci zmenšovat svůj povrch a co nejvíce se smršťovat.
Díky tomu se vrstva kapaliny na povrchu jeví, jako by byla pokryta tenkou elastickou membránou.
Když je sponka opatrně umístěna na hladině vody, molekuly vody nacházející se na hladině jsou poněkud stlačeny gravitace klip, aby molekuly vody umístěné pod ním poskytovaly vzestupnou vratnou sílu, která klip podepře (opět si pamatujte elasticita a Hookeův zákon).
Ve skutečnosti sponky na papír nejsou to jediné, co můžete použít; mohou to být i jiné předměty, například jehly. Pokud jehlu opatrně umístíte na hladinu vody, bude plavat. Proto může hmyz plavat na vodě.
Rovnice povrchového napětí
Abychom si lépe odvodili rovnici povrchového napětí, uvažujme drát ohnutý do tvaru U. Další rovný drát je připojen k oběma ramenům drátu ve tvaru U, kde se rovný drát může pohybovat.
Pokud se tento drát vloží do mýdlového roztoku, vytvoří se po jeho vyjmutí na jeho povrchu vrstva mýdlové vody. Podobně jako když si hrajete s mýdlovými bublinami. Protože se rovný drát dá pohybovat a jeho hmotnost není příliš velká, vrstva mýdlové vody vyvíjí na rovný drát povrchovou tahovou sílu, takže se rovný drát pohybuje nahoru (všimněte si směru šipky). Aby se rovný drát nepohyboval (drát je v rovnováze), je potřeba celková síla směřující dolů, kde velikost celkové síly je F = w + T. V rovnováze je F = síla, kterou na rovný drát působí vrstva mýdlové vody.
Předpokládejme, že délka rovného drátu je l. Protože vrstva mýdlové vody, která se dotýká rovného drátu, má dva povrchy, síla generovaná vrstvou mýdlové vody působí podél délky 2l. Povrchové napětí na vrstvě mýdla je poměr mezi silou (F) a délkou povrchu, na který síla působí (d). V tomto případě je délka povrchu 2l. Matematicky se píše:
Protože povrchové napětí je poměr síly k jednotce délky, jednotky jsou newton na metr (N/m) nebo dyn na centimetr (dyn/cm).
Následují některé hodnoty povrchového napětí získané na základě experimentů.
Na základě výše uvedených údajů se zdá, že teplota ovlivňuje povrchové napětí kapaliny. Obecně platí, že s rostoucí teplotou se hodnota snižuje. Je to proto, že s rostoucí teplotou se molekuly kapaliny pohybují rychleji, čímž se snižuje interakce mezi molekulami kapaliny. V důsledku toho se snižuje i hodnota povrchového napětí.
Aplikace v každodenním životě
Přemýšleli jste někdy, proč pereme prádlo mýdlem? Problém je v tom, že k dosažení skutečně čistého oblečení musí voda procházet velmi úzkými štěrbinami ve vláknech. To vyžaduje zvětšení povrchové plochy vody. Toho je kvůli povrchovému napětí velmi obtížné dosáhnout. Ať se nám to líbí nebo ne, povrchové napětí vody je nutné nejprve snížit. Povrchové napětí můžeme snížit použitím horké vody. Čím vyšší teplota vody, tím lépe, protože čím vyšší teplota vody, tím nižší povrchové napětí (viz tabulka). Toto je první alternativa a používá se jen zřídka, s výjimkou těch, kteří si rádi hrají s horkou vodou. Další alternativou je použití mýdla.
Při teplotě 20 oC je hodnota povrchového napětí mýdlové vody 25,00 mN/m. Zkuste porovnat mýdlovou vodu a horkou vodu, která má nejmenší hodnotu? Při 100 oC, hodnota povrchového napětí horké vody = 58,90. Při teplotě 20 oC, povrchové napětí mýdlové vody je 25,00 mN/m. Použití mýdla je výhodnější… voda není ani horká. Existují i další faktory, které ovlivňují, jak dobře lze naše oblečení nebo tělo vyčistit mýdlem. Výše uvedené je tedy jen jeden faktor.
Proč jsou mýdlové nebo vodní bubliny kulaté?
Mýdlové bubliny neboli kapky vody mají v důsledku povrchového napětí kulovitý tvar. Nejprve si povíme o mýdlových bublinách. Mýdlové bubliny mají na svém povrchu dvě tenké membrány s tenkou vrstvou vody mezi nimi.
Povrchové napětí způsobuje smršťování membrány, což má tendenci zmenšovat její povrch. Když se membrána z mýdlové vody smršťuje a snaží se zmenšit svůj povrch, vzniká rozdíl v tlaku vzduchu mezi vnější stranou membrány (atmosférický tlak) a vnitřní stranou membrány. Tlak vzduchu vně membrány (atmosférický tlak) také tlačí na membránu z mýdlové vody při jejím smršťování, protože tlak vzduchu uvnitř membrány je nižší.
Po smrštění membrány se stlačí i vzduch uvnitř (vzduch zachycený mezi oběma membránami), čímž se zvyšuje tlak vzduchu uvnitř membrány, dokud smrštění nepřestane. Jinými slovy, když smrštění přestane, tlak vzduchu mezi membránami se rovná atmosférickému tlaku + síle povrchového napětí, která smršťuje membrány.
A co kapky rosy nebo kapky vody, které vytékají z kohoutku? V podstatě jsou to stejné, protože hlavní příčinou je povrchové napětí. Zatímco mýdlová bublina má na svých dvou površích dvě tenké membrány, kapka vody má pouze jednu tenkou membránu, a to na vnější straně kapky vody. Vnitřek je naplněn vodou. Vnější strana kapky vody je vtažena dovnitř. V důsledku toho se voda smršťuje a má tendenci zmenšovat svůj povrch. Vnější atmosférický tlak také pomáhá stlačovat kapku vody. Smršťování se zastaví, když se tlak uvnitř vody vyrovná atmosférickému tlaku + síle, která smršťuje vodní membránu.
