Razumevanje površinske napetosti
Površinska napetost nastane, ker se površina tekočine ponavadi strdi in ustvari tanko membrano. Na to vplivajo kohezijske sile med molekulami vode. Da bi bolje razumeli to razlago, si oglejmo naslednjo ilustracijo. Predstavljajmo si tekočino v posodi.
Molekule tekočine se običajno privlačijo. Znotraj tekočine je vsaka molekula tekočine obdana z drugimi molekulami na vsaki strani; na površini tekočine pa so ob straneh in spodaj le molekule tekočine. Zgoraj ni drugih molekul tekočine. Ker se molekule tekočine privlačijo, na molekule v notranjosti tekočine deluje neto sila nič. Nasprotno pa molekule tekočine na površini privlačijo molekule tekočine ob straneh in spodaj. Posledično na površini tekočine deluje neto sila, ki je usmerjena navzdol. Zaradi te neto sile navzdol se tekočina na površini nagiba k zmanjšanju svoje površine in se čim bolj skrči.
Zaradi tega je plast tekočine na površini videti, kot da je prekrita s tanko elastično membrano.
Ko sponko previdno položimo na površino vode, molekule vode, ki se nahajajo na površini, nekoliko pritisnemo gravitacija sponko, tako da molekule vode, ki se nahajajo spodaj, zagotavljajo silo, ki deluje navzgor in podpira sponko (spomnite se še enkrat elastičnost in Hookejev zakon).
V resnici pa sponke za papir niso edina stvar, ki jo lahko uporabite; lahko so tudi drugi predmeti, kot so igle. Če iglo previdno položite na površino vode, bo plavala. Zato lahko žuželke plavajo na vodi.
Enačba površinske napetosti
Za lažjo izpeljavo enačbe površinske napetosti si predstavljamo žico, ki je upognjena v obliko črke U. Na oba kraka žice v obliki črke U je pritrjena druga ravna žica, kjer se lahko ravna žica premika.
Če to žico damo v milno raztopino, se bo po odstranitvi na njeni površini oblikovala plast milnice. Podobno kot pri igranju milnih mehurčkov. Ker se ravna žica lahko premika in njena masa ni prevelika, bo plast milnice ustvarila površinsko napetost na ravni žici, tako da se bo ravna žica premikala navzgor (upoštevajte smer puščice). Da se ravna žica ne bi premikala (žica je v ravnovesju), je potrebna skupna sila, ki je usmerjena navzdol, kjer je velikost skupne sile F = w + T. V ravnovesju je F = sila, ki jo plast milnice izvaja na ravno žico.
Recimo, da je dolžina ravne žice l. Ker ima plast milnice, ki se dotika ravne žice, dve površini, sila, ki jo ustvari plast milnice, deluje vzdolž dolžine 2l. Površinska napetost na plasti milnice je razmerje med silo (F) in dolžino površine, na katero sila deluje (d). V tem primeru je dolžina površine 2l. Matematično je zapisano:
Ker je površinska napetost razmerje med silo in enoto dolžine, so enote newton na meter (N/m) ali din na centimeter (din/cm).
Sledijo nekatere vrednosti površinske napetosti, pridobljene na podlagi poskusov.
Na podlagi zgornjih podatkov je razvidno, da temperatura vpliva na površinsko napetost tekočine. Na splošno velja, da se vrednost z naraščanjem temperature zmanjšuje. To je zato, ker se molekule tekočine z naraščanjem temperature gibljejo hitreje, kar zmanjšuje interakcijo med molekulami tekočine. Posledično se zmanjša tudi vrednost površinske napetosti.
Uporaba v vsakdanjem življenju
Ste se kdaj vprašali, zakaj perilo peremo z milom? Težava je v tem, da mora voda za resnično čista oblačila prehajati skozi zelo ozke reže v vlaknih. To zahteva povečanje površine vode. To je zaradi površinske napetosti zelo težko doseči. Če nam je všeč ali ne, je treba najprej znižati površinsko napetost vode. Površinsko napetost lahko znižamo z uporabo vroče vode. Višja kot je temperatura vode, tem bolje, saj višja kot je temperatura vode, nižja je površinska napetost (glej tabelo). To je prva alternativa in se redko uporablja, razen za tiste, ki se radi igrajo z vročo vodo. Druga alternativa je uporaba mila.
Pri temperaturi 20 oPri 100 °C je vrednost površinske napetosti milnice 25,00 mN/m. Poskusite primerjati milnico in vročo vodo, katera ima najmanjšo vrednost? oC, vrednost površinske napetosti vroče vode = 58,90. Pri temperaturi 20 oC, površinska napetost milnice je 25,00 mN/m. Uporaba mila je ugodnejša ... tudi voda ni vroča. Obstajajo tudi drugi dejavniki, ki vplivajo na to, kako dobro lahko milo očisti naša oblačila ali telo. Zgoraj navedeno je torej le en dejavnik.
Zakaj so milni ali vodni mehurčki okrogli?
Milni mehurčki ali vodne kapljice so zaradi površinske napetosti okrogle oblike. Najprej se pogovorimo o milnih mehurčkih. Milni mehurčki imajo na svoji površini dve tanki membrani, med katerima je tanka plast vode.
Površinska napetost povzroči krčenje membrane, kar zmanjšuje njeno površino. Ko se membrana iz milnice krči in poskuša zmanjšati svojo površino, nastane razlika v zračnem tlaku med zunanjostjo membrane (atmosferski tlak) in notranjostjo membrane. Zračni tlak zunaj membrane (atmosferski tlak) prav tako potiska membrano iz milnice, ko se krči, ker je zračni tlak znotraj membrane nižji.
Ko se membrana skrči, se stisne tudi zrak v notranjosti (zrak, ujet med membranama), kar poveča zračni tlak znotraj membrane, dokler se krčenje ne ustavi. Z drugimi besedami, ko se krčenje ustavi, je zračni tlak med membranama enak atmosferskemu tlaku + sili površinske napetosti, ki krči membrane.
Kaj pa kapljice rose ali kapljice vode, ki prihajajo iz pipe? V bistvu so enake, saj je glavni vzrok površinska napetost. Medtem ko ima milni mehurček dve tanki membrani na svojih dveh površinah, ima kapljica vode samo eno tanko membrano na zunanji strani kapljice. Notranjost je napolnjena z vodo. Zunanjost kapljice se potegne navznoter. Posledično se voda krči in s tem zmanjšuje svojo površino. Zunanji atmosferski tlak prav tako pomaga stisni kapljico vode. Krčenje se ustavi, ko je tlak v notranjosti vode enak atmosferskemu tlaku in sili, ki krči vodno membrano.
