Pochopenie povrchového napätia
Povrchové napätie vzniká preto, lebo povrch kvapaliny má tendenciu stuhnúť a vytvoriť tenký membránový vzhľad. Toto je ovplyvnené kohéznymi silami medzi molekulami vody. Pre lepšie pochopenie tohto vysvetlenia si pozrime nasledujúci príklad. Predstavme si kvapalinu v nádobe.
Molekuly kvapaliny sa typicky priťahujú. Vo vnútri kvapaliny je každá molekula kvapaliny obklopená inými molekulami na každej strane; ale na povrchu kvapaliny sú iba molekuly kvapaliny po stranách a pod ňou. Nad ňou nie sú žiadne ďalšie molekuly kvapaliny. Pretože sa molekuly kvapaliny priťahujú, na molekuly vo vnútri kvapaliny pôsobí nulová sila. Naopak, molekuly kvapaliny na povrchu sú priťahované molekulami kvapaliny po stranách a pod ňou. V dôsledku toho na povrchu kvapaliny pôsobí výsledná sila smerom nadol. V dôsledku tejto výslednej sily smerujúcej nadol má kvapalina na povrchu tendenciu zmenšovať svoj povrch a čo najviac sa zmenšovať.
Vďaka tomu sa vrstva kvapaliny na povrchu javí, akoby bola pokrytá tenkou elastickou membránou.
Keď sa spona opatrne umiestni na hladinu vody, molekuly vody nachádzajúce sa na hladine sú mierne stlačené gravitácia klip, aby molekuly vody umiestnené pod ním poskytovali vratnú silu pôsobiacu nahor na podopretie klipu (opäť si pamätajte elasticita a Hookeov zákon).
V skutočnosti nie sú kancelárske sponky to jediné, čo môžete použiť; môžu to byť aj iné predmety, ako napríklad ihly. Ak ihlu opatrne umiestnite na hladinu vody, bude plávať. To je tiež dôvod, prečo hmyz dokáže plávať na vode.
Rovnica povrchového napätia
Aby sme si odvodili rovnicu povrchového napätia, uvažujme drôt ohnutý do tvaru písmena U. Ďalší rovný drôt je pripevnený k dvom vetvám drôtu v tvare U, kde sa dá rovný drôt pohybovať.
Ak sa tento drôt vloží do mydlového roztoku, po jeho vybratí sa na jeho povrchu vytvorí vrstva mydlovej vody. Podobne ako pri hraní s mydlovými bublinami. Pretože rovný drôt sa dá pohybovať a jeho hmotnosť nie je príliš veľká, vrstva mydlovej vody bude pôsobiť na rovný drôt silou povrchového napätia, takže sa rovný drôt pohybuje nahor (všimnite si smer šípky). Aby sa rovný drôt nepohyboval (drôt je v rovnováhe), je potrebná celková sila smerujúca nadol, kde veľkosť celkovej sily je F = w + T. V rovnováhe je F = sila, ktorou pôsobí vrstva mydlovej vody na rovný drôt.
Predpokladajme, že dĺžka rovného drôtu je l. Keďže vrstva mydlovej vody, ktorá sa dotýka rovného drôtu, má dva povrchy, sila generovaná vrstvou mydlovej vody pôsobí pozdĺž dĺžky 2l. Povrchové napätie na vrstve mydla je pomer medzi silou (F) a dĺžkou povrchu, na ktorý sila pôsobí (d). V tomto prípade je dĺžka povrchu 2l. Matematicky sa to píše:
Keďže povrchové napätie je pomer sily k jednotke dĺžky, jednotkami sú Newton na meter (N/m) alebo dyn na centimeter (dyn/cm).
Nasledujú niektoré hodnoty povrchového napätia získané na základe experimentov.
Na základe vyššie uvedených údajov sa zdá, že teplota ovplyvňuje povrchové napätie kvapaliny. Vo všeobecnosti platí, že so zvyšujúcou sa teplotou sa hodnota znižuje. Je to preto, že so zvyšujúcou sa teplotou sa molekuly kvapaliny pohybujú rýchlejšie, čím sa znižuje interakcia medzi molekulami kvapaliny. V dôsledku toho sa znižuje aj hodnota povrchového napätia.
Aplikácia v každodennom živote
Premýšľali ste niekedy nad tým, prečo perieme oblečenie mydlom? Problém je v tom, že na dosiahnutie skutočne čistého oblečenia musí voda prechádzať veľmi úzkymi medzerami vo vláknach. To si vyžaduje zväčšenie povrchovej plochy vody. To je kvôli povrchovému napätiu veľmi ťažké dosiahnuť. Či sa vám to páči alebo nie, povrchové napätie vody musíme najprv znížiť. Povrchové napätie môžeme znížiť použitím horúcej vody. Čím vyššia je teplota vody, tým lepšie, pretože čím vyššia je teplota vody, tým nižšie je povrchové napätie (pozri tabuľku). Toto je prvá alternatíva a používa sa zriedkavo, s výnimkou tých, ktorí sa radi hrajú s horúcou vodou. Ďalšou alternatívou je použitie mydla.
Pri teplote 20 oC, hodnota povrchového napätia mydlovej vody je 25,00 mN/m. Skúste porovnať mydlovú vodu a horúcu vodu, ktorá má najmenšiu hodnotu? Pri 100 oC, hodnota povrchového napätia horúcej vody = 58,90. Pri teplote 20 oC, povrchové napätie mydlovej vody je 25,00 mN/m. Použitie mydla je výhodnejšie... voda nie je ani horúca. Existujú aj ďalšie faktory, ktoré ovplyvňujú, ako dobre sa naše oblečenie alebo telo dá vyčistiť mydlom. Vyššie uvedené je teda len jeden faktor.
Prečo sú mydlové alebo vodné bubliny okrúhle?
Mydlové bubliny alebo kvapky vody majú guľovitý tvar kvôli povrchovému napätiu. Najprv si povedzme o mydlových bublinách. Mydlové bubliny majú na svojom povrchu dve tenké membrány s tenkou vrstvou vody medzi nimi.
Povrchové napätie spôsobuje sťahovanie membrány, čo má tendenciu zmenšovať jej povrch. Keď sa mydlová membrána sťahuje a snaží sa zmenšiť svoj povrch, vzniká rozdiel v tlaku vzduchu medzi vonkajšou stranou membrány (atmosférický tlak) a vnútornou stranou membrány. Tlak vzduchu mimo membrány (atmosférický tlak) tiež tlačí na mydlovú membránu pri jej sťahovaní, pretože tlak vzduchu vo vnútri membrány je nižší.
Po stiahnutí membrány sa stlačí aj vzduch vo vnútri (vzduch zachytený medzi dvoma membránami), čím sa zvyšuje tlak vzduchu vo vnútri membrány, až kým sa sťahovanie nezastaví. Inými slovami, keď sa sťahovanie zastaví, tlak vzduchu medzi membránami sa rovná atmosférickému tlaku + sile povrchového napätia, ktorá sťahuje membrány.
A čo kvapky rosy alebo vody vytekajú z kohútika? V podstate sú to isté, pretože hlavnou príčinou je povrchové napätie. Zatiaľ čo mydlová bublina má na svojich dvoch povrchoch dve tenké membrány, kvapka vody má iba jednu tenkú membránu na vonkajšej strane kvapky. Vnútorná strana je naplnená vodou. Vonkajšia strana kvapky je vtiahnutá dovnútra. V dôsledku toho sa voda zmršťuje a má tendenciu zmenšovať svoj povrch. Vonkajší atmosférický tlak tiež pomáha stlačiť kvapku vody. Zmršťovanie sa zastaví, keď sa tlak vo vnútri vody vyrovná atmosférickému tlaku plus sila, ktorá sťahuje vodnú membránu.
