Ste se že kdaj igrali z milnimi mehurčki? Milni mehurčki so okrogli. Smešno. Lahko se napihnejo. Po letenju milni mehurčki počijo. Vau, to je zabavna otroška igra. Zakaj je milni mehurček okrogel?
Zbudite se zjutraj in opazujte listje okoli hiše. Opazujte kapljice rose, pritrjene na liste. Čudno je; kapljice rose so okrogle. Kako je lahko tako?
Površinska napetost nastane, ker se površina tekočine nagiba k napenjanju, tako da je videti kot tanka membrana. Na to vpliva kohezijska sila med molekulami vode. Za boljše razumevanje te razlage si oglejmo naslednjo ilustracijo. Oglejmo si tekočino v posodi.
Znotraj tekočine je vsaka molekula tekočine obdana z drugimi molekulami na vsaki strani; na površini tekočine pa so spodaj le molekule tekočine. Na vrhu ni drugih molekul tekočine. Ker se molekule tekočine privlačijo, je v molekuli, ki je v notranjosti tekočine, skupna sila nič. Nasprotno pa molekule tekočine, ki se nahajajo na površini, vlečejo delci tekočine, ki so na dnu. Posledično na površini tekočine deluje skupna sila, ki je usmerjena navzdol. Zaradi neto sile navzdol se tekočina, ki se nahaja na površini, nagiba k zmanjšanju svoje površine, tako da se čim bolj skrči.
Zaradi tega je plast tekočine na površini videti, kot da je prekrita s tanko elastično membrano. Ta pojav je znan kot površinska napetost.
Ko sponko previdno položimo na površino vode, molekule vode na površini rahlo pritisne gravitacija sponke, tako da molekule vode spodaj oddajo obnovitveno silo navzgor, da podprejo sponko.
V resnici ne gre samo za sponke ali sponke za papir, ampak tudi za druge stvari, kot so igle. Če iglo previdno postavimo nad gladino vode, bo plavala. Površinska napetost tekočine je tudi razlog, zakaj žuželke lahko plavajo na vodi.
Enačba površinske napetosti
V prejšnji razpravi smo kvalitativno preučili koncept površinske napetosti (ni matematične enačbe). Zdaj si bomo površinsko napetost ogledali kvantitativno. Za lažjo izpeljavo enačbe površinske napetosti si bomo ogledali žico, ki je upognjena v črko U. Na oba kraka žice v obliki črke U je pritrjena druga ravna žica, kjer se lahko ravna žica premika.
Če to žico vstavimo v milo, se bo po odstranitvi na njeni površini oblikovala plast milnice. Podobno je igranju z milnimi mehurčki. Ker se ravna žica lahko premika in masa ni prevelika, bo plast milnice delovala na ravno žico s površinsko napetostjo, tako da bo žica šla naravnost navzgor. Da se ravna žica ne bi premikala (ko je žica v ravnovesju), je potrebna skupna sila navzdol, pri čemer je znesek skupne sile F = w + T. V ravnovesju je F = sila površinske napetosti, ki jo plast mila prenaša na ravno žico.
Recimo, da je dolžina ravne žice l. Ker ima plast milnice, ki se dotika ravne žice, dve površini, sila površinske napetosti, ki jo ustvari plast milnice, deluje vzdolž 2l. Površinska napetost v plasti milnice je primerjava med silo površinske napetosti (F) in dolžino površine, na kateri sila deluje (d). V tem primeru je dolžina površine 2l. Matematično zapisano:
Ker je površinska napetost razmerje med silo površinske napetosti in dolžino, je enota za površinsko napetost newton na meter (N/m) ali din na centimeter (din/cm).
Sledijo nekatere vrednosti površinske napetosti, pridobljene na podlagi poskusov.
Na podlagi podatkov o površinski napetosti temperatura vpliva na vrednost površinske napetosti tekočine. Na splošno se ob zvišanju temperature vrednost površinske napetosti zmanjša (primerjajte površinsko napetost vode pri vsaki temperaturi. Glejte tabelo). To je zato, ker se molekule tekočine ob zvišanju temperature gibljejo hitreje, zato se učinek interakcije med molekulami tekočine zmanjša. Posledično se zmanjša tudi vrednost površinske napetosti.
Uporaba konceptov površinske napetosti v vsakdanjem življenju
Ste se kdaj vprašali, zakaj bi morali prati oblačila z milom? Težava je v tem, da so oblačila, ki jih peremo, resnično čista; voda mora preiti skozi zelo ozko režo v vlaknih oblačil. Zaradi tega je treba povečati površino vode. No, to je zaradi površinske napetosti zelo težko storiti. Neizogibno je treba najprej znižati vrednost površinske napetosti. Površinsko napetost lahko zmanjšamo z uporabo vroče vode. Višja kot je temperatura vode, tem bolje, saj višja kot je temperatura vode, manjša je površinska napetost (glej tabelo). To je prva alternativa in se redko uporablja. Druga možnost je uporaba mila.
Pri temperaturi 20 oPri temperaturi C je vrednost površinske napetosti milnice 25.00 mN/m. Poskusite primerjati med milnico in vročo vodo, katera je najmanjša vrednost površinske napetosti? Pri 100 oC, vrednost površinske napetosti vroče vode = 58.90. Pri temperaturi 20 oC, vrednost površinske napetosti mila je 25.00 mN/m. Uporaba mila je bolj donosna. Zgoraj pojasnjeno je le eden od vplivnih dejavnikov?
Zakaj je milni ali vodni mehurček okrogel?
Mehurčki mila ali kapljice vode so okrogli, ker nanje vpliva površinska napetost. Najprej se pogovorimo o milnih mehurčkih. Milni mehurčki imajo na površini dve tanki membrani, med njima pa so tanke plasti vode.
Prisotnost površinske napetosti povzroči krčenje membrane in zmanjšanje njene površine. Ko se membrana milnice krči in poskuša zmanjšati svojo površino, obstaja razlika med zračnim tlakom na zunanji strani membrane (atmosferski tlak) in zračnim tlakom na notranji strani plasti. Zračni tlak zunaj plasti (atmosferski tlak) prav tako potiska membrano milnice, ko se krči, ker je zračni tlak na notranji strani membrane manjši.
Ko se membrana skrči, se zrak v notranjosti (zrak, ujet med membranama) potlači, kar poveča zračni tlak znotraj plasti, dokler krčenja ni več. Z drugimi besedami, ko krčenja ni več, je količina zračnega tlaka med membranama enaka atmosferskemu tlaku + sili površinske napetosti, ki naguba plast.
Kaj pa rosice ali kapljice vode, ki prihajajo iz pipe? Enako, ker je primarni vzrok površinska napetost. Če imajo milni mehurčki dve tanki membrani na dveh površinah, potem imajo kapljice vode samo eno tanko plast, ki je na zunanji strani kapljic vode. Notranjost je polna vode. Zaradi kohezijske sile nastane površinska napetost. Zunanji del kapljice vode se potegne navznoter. Posledično se voda krči in skuša zmanjšati svojo površino. Zunanji atmosferski tlak prav tako zavira kapljice vode. Krčenje se bo ustavilo, ko bo tlak v notranjosti vode enak atmosferskemu tlaku + sili površinske napetosti, ki krči vodno membrano.
