Povrchové napätie

Povrchové napätie je sila na rozhraní kvapaliny a plynu, dvoch kvapalín, ktoré sa nemiešajú, a niekedy aj kvapaliny a tuhej látky, ktorá pôsobí v povrchu kvapaliny kolmo na jednotku dĺžky. Meria sa ako plošná hustota energie povrchovej vrstvy kvapaliny. Jeho jednotkou je N/m. Povrchové napätie je aj názov zodpovedajúceho javu.
Povrchové napätie spôsobuje, že sa povrchová vrstva správa ako elastická blana. Tento jav umožňuje hmyzu (ako je napríklad vodný pavúk) pohybovať sa po povrchu vody a spôsobuje aj kapilárne javy. Medzipovrchové napätie je meno pre rovnaký jav, ktorý prebieha medzi dvoma kvapalinami.

Príčina povrchového napätia

Povrchové napätie je spôsobené priťahovaním medzi molekulami kvapaliny rôznymi medzimolekulárnymi silami. Vnútri kvapalnej fázy je každá molekula priťahovaná rovnako všetkými smermi, suma týchto síl je rovná nule. Na povrchu sú molekuly priťahované dovnútra ďalšími molekulami, ale nie sú priťahované rovnakou silou molekulami susediacej fázy (či už je to vákuum, vzduch alebo iná kvapalina). V dôsledku toho sú všetky molekuly na povrchu kvapaliny sústavne vťahované dovnútra fázy, pričom táto sila je vyvážená odporom kvapaliny voči kompresii. Kvapalná fáza sa teda sama stláča, až kým nadobudne najmenší možný povrch.
Iný spôsob vyjadrenia povrchového napätia je, že každá molekula kvapaliny, ktorá je v kontakte so susednou molekulou je na nižšej energetickej úrovni ako keby nebola v kontakte so susednou molekulou. Molekuly vo vnútri fázy majú toľko susedných molekúl, ako je možné mať. Molekuly na povrchu však majú menej susediacich molekúl, s ktorými by boli v kontakte a sú preto na vyššej energetickej úrovni. Aby kvapalina dosiahla čo najnižšiu energetickú úroveň, musí zmenšiť svoj povrch.

Fyzikálna definícia povrchového napätia

Povrchové napätie je označované symbolom σ, γ, alebo T a je definované ako sila na úsečku jednotkovej dĺžky, pričom vektor sily je rovnobežný s povrchom kvapaliny ale kolmý na úsek dĺžky na ktorý sa vzťahuje. Jeden zo spôsobov ako si môžete túto definíciu vizualizovať, je predstaviť si napnutý film mydlovej vody, na jednej strane ohraničený napnutým vláknom dĺžky L. Vlákno bude vťahované smerom k centru filmu silou rovnou γL. Povrchové napätie je preto merané v Newtonoch na meter (N·m⁻¹).
Iná Lepšia definícia povrchového napätia pri narábaní s jeho termodynamikou je práca na jednotku plochy. To znamená, že aby sa zväčšil povrch masy vody o množstvo δA, je potrebné dodať množstvo práce γδA. Keďže sa mechanické systémy snažia nadobudnúť stav s najnižšou potenciálnou energiou, voľná kvapka kvapaliny samovoľne nadobudne tvar gule. Príčinou je, že guľa má najmenší možný povrch pre daný objem. Povrchové napätie môže byť preto merané aj v jouloch na štvorcový meter (J·m⁻²).
Ekvivalentnosť oboch jednotiek môže byť dokázaná dimenzionálnou analýzou.

Fyzika vodomeriek

Obrázok zobrazuje vodomerky stojace na hladine rybníka. Je jasne viditeľné, že ich nohy spôsobujú preliačenie vodnej hladiny. Je ľahké si predstaviť, ako preliačenie hladiny vody zvyšuje jej povrch oproti nohám vodomerky.
Spomeň si, že príroda sa snaží minimalizovať potenciálnu energiu. Zväčšením povrchu hladiny vodomerky zväčšili potenciálnu energiu hladiny vody. Všimni si však, že ťažisko vodomerky je nižšie ako by bolo ak by stála na nezakrivenej hladine, teda jej potenciálna energia je znížená. Ak vezmete do úvahy povrch vody a plochu vodomerky, zistíte, že celková potenciálna energia je minimálna. Ak by vodomerka poklesla a deformovala hladinu ešte viac, zväčšenie povrchu by prekonalo zníženie potenciálnej energie vodomerky spôsobené znížením jej ťažiska. Ak by deformoval povrch menej, zvýšene jej ťažiska by prekonalo zníženie povrchovej energie hladiny.
Obrázok vodomeriek tiež ilustruje predstavu, že povrchové napätie spôsobuje, že sa hladina správa ako elastický film na povrchu kvapaliny. V preliačinách je jasne viditeľné ako sa tento elastický film prispôsobuje záťaži vyvolanej telom vodomerky.