Разумевање површинске напетости
Површински напон настаје зато што површина течности тежи да се укрути, стварајући танки мембрански изглед. На то утичу кохезионе силе између молекула воде. Да бисмо боље разумели ово објашњење, размотримо следећу илустрацију. Размотримо течност у посуди.
Молекули течности се обично привлаче. Унутар течности, сваки молекул течности је окружен другим молекулима са сваке стране; али на површини течности постоје само молекули течности са стране и испод. Нема других молекула течности изнад. Пошто се молекули течности привлаче, постоји нето сила једнака нули на молекуле у унутрашњости течности. Насупрот томе, молекуле течности на површини привлаче молекули течности са стране и испод. Као резултат тога, постоји нето сила на површини течности која је усмерена надоле. Због ове нето силе надоле, течност на површини тежи да смањи своју површину, скупљајући се што је више могуће.
Због тога слој течности на површини изгледа као да је прекривен танком еластичном мембраном.
Када се копча пажљиво постави на површину воде, молекули воде који се налазе на површини су благо притиснути гравитацијом копче, тако да молекули воде који се налазе испод делују силом враћања навише како би подржали копчу (сетимо се еластичности и Хуковог закона ).
У стварности, спајалице нису једина ствар коју можете користити; могу бити и други предмети, попут игала. Ако пажљиво поставите иглу на површину воде, она ће плутати. То је такође разлог зашто инсекти могу плутати на води.
Једначина површинског напона
Да бисмо лакше извели једначину површинског напона, разматрамо жицу која је савијена у облику слова U. Још једна права жица је причвршћена за два крака U жице, где се права жица може померати.
Ако се ова жица стави у раствор сапуна, онда ће се након што се уклони на површини жице формирати слој сапунасте воде. Слично као када се играте мехурићима од сапуна. Пошто се права жица може померати и њена маса није превелика, слој сапунасте воде ће обезбедити силу површинског напона на правој жици тако да се права жица креће нагоре (обратите пажњу на смер стрелице). Да би се спречило кретање праве жице (жица је у равнотежи), потребна је укупна сила усмерена надоле, где је величина укупне силе F = w + T. У равнотежи, F = сила коју слој сапунасте воде делује на праву жицу.
Претпоставимо да је дужина равне жице l. Пошто слој сапунице који додирује равну жицу има две површине, сила коју генерише слој сапунице делује дуж дужине од 2l. Површински напон на слоју сапунице је однос између Силе (F) и дужине површине на коју сила делује (d). За овај случај, дужина површине је 2l. Математички, пише се:
Пошто је површински напон однос силе и јединице дужине, јединице су њутн по метру (N/m) или дин по центиметру (dyn/cm).
Следе неке вредности површинског напона добијене на основу експеримената.
На основу горе наведених података, чини се да температура утиче на површински напон флуида. Генерално, како температура расте, вредност се смањује. То је зато што се, како температура расте, молекули течности крећу брже, смањујући интеракцију између молекула течности. Сходно томе, вредност површинског напона се такође смањује.
Примена у свакодневном животу
Да ли сте се икада запитали зашто перемо одећу сапуном? Проблем је у томе што, да би одећа била заиста чиста, вода мора да прође кроз веома уске отворе у влакнима. То захтева повећање површине воде. Ово је веома тешко постићи због површинске напетости. Свиђало се то вама или не, површинска напетост воде мора прво да се смањи. Површинску напетост можемо смањити коришћењем топле воде. Што је температура воде виша, то боље, јер што је температура воде виша, површинска напетост је нижа (видети табелу). Ово је прва алтернатива и ретко се користи, осим за оне који воле да се играју са топлом водом. Друга алтернатива је коришћење сапуна.
На температури од 20 ° C, вредност површинског напона сапунасте воде је 25,00 mN/m. Покушајте да упоредите сапунасту воду и врућу воду, која је вредност најмања? На 100 ° C, вредност површинског напона вруће воде = 58,90. На температури од 20 ° C, вредност површинског напона сапунасте воде је 25,00 mN/m. Исплативије је користити сапун... вода такође није врућа. Постоје и други фактори који утичу на то колико добро се наша одећа или тело могу очистити сапуном. Дакле, оно што је горе објашњено је само један од фактора који утичу.
Зашто су мехурићи од сапуна или воде округли?
Сапунски мехурићи, или капљице воде, су сферног облика због површинског напона. Прво ћемо разговарати о сапунским мехурићима. Сапунски мехурићи имају две танке мембране на својој површини, са танким слојем воде између њих.
Површински напон узрокује контракцију мембране, тежећи да смањи њену површину. Када се мембрана од сапунице контрахује и покушава да смањи своју површину, настаје разлика у ваздушном притиску између спољашње стране мембране (атмосферски притисак) и унутрашње стране мембране. Ваздушни притисак споља мембране (атмосферски притисак) такође гура мембрану од сапунице док се она контрахује, јер је притисак ваздуха унутар мембране нижи.
Након што се мембрана контрахује, ваздух унутра (ваздух заробљен између две мембране) се такође компримује, повећавајући притисак ваздуха унутар мембране док се контракција не заустави. Другим речима, када контракција престане, притисак ваздуха између мембрана једнак је атмосферском притиску + сили површинске напетости која контрахује мембране.
Шта је онда са капљицама росе или капљицама воде које излазе из славине? Оне су у суштини исте, јер је примарни узрок површински напон. Док мехур од сапунице има две танке мембране на своје две површине, капљица воде има само једну танку мембрану, на спољашњој страни капљице. Унутрашњост је испуњена водом. Спољашњост капљице је увучена ка унутра. Као резултат тога, вода се скупља, тежећи да смањи своју површину. Спољашњи атмосферски притисак такође помаже у компресији капљице воде. Контракција престаје када притисак на унутрашњој страни воде буде једнак атмосферском притиску плус сила која скупља водену мембрану.
