Površinska napetost

Površinsko napetost opazujemo na meji med kapljevino in plinom. Površinska napetost je tisti pojav, ki povzroči, da se površina kapljevine obnaša kot napeta opna, na katero lahko položimo lahek predmet - in predmet obstane na površini (glej sliko 1). Pri tem sila vzgona ni vpletena, saj je gostota telesa lahko večja od gostote tekočine.

Površinska napetost opazimo, če kapljevina miruje pri nižjih temperaturah. Termično gibanje molekul pri višjih temperaturah slabijo pojav površinske napetosti.

Videli bomo, da so vzrok za površinsko napetost šibke privlačne medmolekularne sile v kapljevinah. Imenujejo se Van der Waalsove sile. Te so na površini razporejene drugače kot v globini. Delujejo tangencialno na gladino tako, da jo napenjajo. Če se tekočina vboči zaradi delovanja sile teže (glej sliko 1 in 2), deluje sila površinske napetosti tangencialno na krivino gladine in jo želi izravnati.

Med molekulami kapljevine delujejo medmolekularne sile. Sile med molekulami smo spoznali že v poglavju Deformacija trdnin. Če je razdalja med molekulami:

Opazujmo molekulo vode dovolj globoko pod površino. Vzemimo, da je v začetku razdalja sosednje molekule od opazovane veliko večja od radija molekule:

Smatrajmo, da je pri tej razdalji potencialna energija molekule enaka nič. Spomnimo: sami lahko poljubno določimo, kje bo potencialna energija nič. Zaradi privlačne sile F se molekula približa opazovani molekuli do razdalje . Njena potencialna energija pada, postaja negativna. Pri razdalji doseže maksimalno negativno vrednost (glej sliko 3).

Privlačne sile med molekulami v kapljevinah imajo kratek doseg. Njeni vplivi se raztezajo le do razdalje nekajkratnika radija molekule. Vzemimo, da le N sosednjih molekul prispeva k potencialni energiji. Skupna potencialna energije je:

Na molekulo, ki se nahaja na površini, deluje polovico manj sosednjih molekul, zato je njena potencialna energija polovico manjša (glej sliko 4):

Razlika med potencialno energijo molekulo na površini in pod gladino je:

Potencialna energija molekule na površini je večja od potencialne energije molekule pod površino!

Vrnimo se k pojavu, ko gladina vode preseže rob kozarca. Opazimo lahko, da je površina gladine večja, kot pa je presek kozarca - površina gladine je namreč zaobljena. Ker je površina gladine večja od preseka kozarca, to pomeni, da smo morali na površino dovesti dodatne molekule.

Če si računanje poenostavimo, lahko rečemo, da je površina ene molekule in število molekul, ki jih moramo dovesti na površino, da jo povečamo za , enaka:

Na površino smo dovedli n dodatnih molekul, zato se skupna potencialna energija poveča za:

Vzemimo okvir z gibljivo prečko dolžine l. Okvir pomočimo npr. v milnico tako, da se preko celotne površine naredi opna. Če na prečko ne deluje nobena sila, jo želi opna premakniti v smeri zmanjšanja skupne površine. Na prečko delujmo s silo F tako, da jo premaknemo za (glej sliko 5). Skupna površina opne milnice se poveča za . Faktor 2 smo vzeli zato, ker ima opna dejansko dvojno mejno površino glede na zrak.

Če želimo povečati skupno površino za , moramo opraviti delo A, ki je enako spremembi potencialne energije površine kapljevine:

V spodnji tabeli so podane površinske napetosti izbranih kapljevin.

V prejšnjem poglavju smo se omejili na fenomen površinske napetosti ob stiku kapljevina - plin (zrak). Obstajajo pa tudi druge mejne površine, na katerih nastaja površinska napetost. To sta poleg kapljevine in plina tudi meja med:

Vse tri površinske napetosti vplivajo na obliko ploskve kapljevine ob stiku s trdnino in plinom.

Kakšna kapljica tekočine nastane je odvisno od površinske napetosti na vseh ploskvah, ki mejijo na kapljico. Za razlago tega pojava pojem površinske napetosti razširimo na površinsko napetost med dvema snovema, npr. kapljevino in zrakom, kapljevino in trdnino, med trdnino in zrakom ali pa med dvema kapljevinama.

Zakaj pride do površinske napetosti ob stikih različnih snovi istih ali različnih faz (trdnin, tekočin, plinov)?

Kvalitativna razlaga, zakaj pride do površinske napetosti med kapljevino in plinom je bila v začetku snovi podana na osnovi spremembe potencialne energije, ki jo povzročajo šibke Van der Waalsove sile. Delujejo privlačno in molekule, ko se zbližajo v gruče, zgubljajo potencialno energijo. Videli smo, da je padec potencialne energije odvisen od tega, ali opazujemo molekule znotraj snovi ali pa na meji s plinom (npr. zrakom).

Podobno delujejo šibke sile tudi na stiku poljubnih dveh snovi istih ali različnih faz. Potencialna energija je drugačna v znotraj snovi, kot na njeni mejni ploskvi. In odvisna je od obeh snovi, ki se stikata.

Vrnimo se na kapljico. Tekočina zavzame takšno obliko, da ima najmanjšo skupno energijo. Ta je sestavljena iz površinske energije in potencialne energije zaradi teže. Če zanemarimo potencialno energijo zaradi teže, je najugodnejša oblika kroglica. Ima najmanjšo površino pri danem volumnu. Če je kapljica velika, se nekoliko splošči, težišče (potencialna energija) se ji zniža. Skupna energija je še vedno najmanjša. Pravimo, da je tekočina v stabilnem ravnovesnem stanju.

Na stični črti plin - tekočina - trdnina (podlaga) obstajajo tri površinska napetost (glej sliko 9):

Horizontalne komponente sil na rob kapljice se morajo izničiti, da kapljica miruje. Iz tega pogoja izrazimo kot, ki ga oklepa kapljica s podlago.

V tabeli so podani izbrani koti omočitve za nekatere trdnine in kapljevine:

Kot določa omočitev (glej sliko 10). Če je kot omočitve manjši od , se podlaga omoči. Če je večji od , se podlaga ne omoči. Mejni kot med omočeno ali neomočeno podlago pa je .

V uvodu smo omenili, da lahko potuje tekočina, npr. voda po tankih ceveh imenovanih kapilare, navzgor, ne da bi bila zo to potrebna dodatna sila ali tlak. Kapilare v rastlinah omogočajo, da doseže voda od korenin vse njene dele. Pojavu pravimo kapilarni tlak in je posledica površinske napetosti.

Kapilarni tlak je odvisen od kota omočitve med steno kapilare in tekočino. Če je kot omočitve manjši od , se tekočina dvigne po cevi nad gladino, če je večji, je gladina v kapilari nižja.

Kako izračunamo dvig tekočine v kapilari? Pomagajmo si s sliko 11:

Vertikalna komponenta sile površinske napetosti je nasprotno enaka sili teže tekočine v kapilari: