Površinski napon

Površinski napon ili površinska napetost je sklonost sažimanju površine tečnosti koja dopušta suprotstavljanje vanjskoj sili. Površinski napon je važna osobina koja značajno utječe na ekosistem. Površinski napon je izložen, naprimjer, u svako vrijeme na svakom objektu ili insektu (npr. vodeni pauk) koji je gušći od vode u mogućnosti da pluta ili trči duž vodene površine. Na sučeljavanjima između tečnosti i zraka, površinski napon se javlja zbog većeg privlačenja vodenih molekula međusobno (zbog kohezije) nego molekula iz zraka (zbog adhezije). Mrežni efekt je unutrašnja sila na svojoj površini koja uzrokuje da se voda ponaša kao da je površina pokrivena sa zategnutom elastičnom membranom. Zbog relativno jake privlačnosti vodenih molekula međusobno, voda ima visok površinski napon (72,8 milinjutna po metru na 20 °C) u odnosu na ostale tečnosti. Površinski napon je važan faktor u pojavi kapilarne reakcije.

Površinski napon ima dimenziju sile po jedinici dužine, ili energije po jedinici površine. Dvije su ekvivalentne—ali kada se odnosi na energiju po jedinici površine, ljudi koriste pojam površinska energija—što je općenitiji pojam u smislu da se odnosi također na čvrsta tijela, a ne samo na tečnosti.

U nauci o materijalima, površinski napon je korišten da opiše površinski pritisak ili energiju slobodne površine.

 Uzrok 
mini|Dijagram sila dvije molekule tečnosti.

lijevo|250px|mini|Insekt male težine ne može potonuti zbog površinskog napona.

Površinski napon uzorkovan je privlačenjem između molekula tečnosti pomoću raznih međumolekularnih sila. U masi tečnosti, svaka molekula biva privlačena jednako u svim pravcima od strane susjednih molekula tečnosti, što rezultira rezultantom svih sila koja je jednaka nuli. Na površini tečnosti, molekule bivaju privlačene prema dole od strane molekula koje se nalaze dublje u tečnosti, dok ih molekule u susjednom mediju (neka to bude vakuum, zrak ili neka druga tečnost) ne pravlače tim intenzitetom. Odatle, sve molekule na površini su pod uticajem privlačne molekularne sile, koja se uravnotežuje jedino preko otpora te tečnosti na pritisak, što znači da nema rezultantne sile privlačenja molekula sa površine od strane molekula u dubini tečnosti. Međutim, postoji sila koja umanjuje površinu, te zbog ovoga površina tečnosti dobija rastegnutu elastičnu membranu. Zbog ovoga se tečnost stišće sve dok ne dobije lokalno najmanju moguću površinu.

Drugi način da ovo sagledamo je da molekula u kontaktu sa susjednom molekulom ima niže energetsko stanje od slučaja kada nije u kontaktu sa susjednom molekulom. Unutrašnje molekule imaju sve susjedne molekule koje mogu imati. Ali granične molekule imaju manje susjednih molekula od unutrašnjih, te su, zbog toga, na višem energetskom stanju. Kako bi tečnost smanjila svoje energetsko stanje, mora smanjiti broj graničnih molekula, te, zbog toga, mora smanjiti svoju površinu.

Kao rezultat smanjenja površine, površina će poprimiti najglađi mogući oblik (matematički dokaz da "glatki" oblici minimiziraju površinu oslanja se na upotrebu Euler–Lagrangeove jednačine). Pošto bilo koje zakrivljenje na obliku površine rezultira većom površinom, također će reultirati i višom energijom. Na kraju će površina potiskivati svako zakrivljenje.

 Osnovna fizika 

 Dodirni uglovi 

Pošto ni jedna tečnost ne može dugo opstati u savršenom vakuumu, površina bilo koje tečnosti i granica između te tečnosti i nekog drugog medija. gornja površina bare, na primjer, je granica između vode iz bare i zraka. Površinski napon, tada, nije osobina samo tečnosti, nego i osobina granice te tečnosti sa drugim medijem. Ako je tečnost u spremniku, tada, osim granice tečnost-plin na gornjoj površini, postoji, također, granica između tečnosti i zidova spremnika. Površinski napon između tečnosti i zraka obično je različit (veći) od površinskog napona sa zidovima spremnika. A gdje se dvije površine sreću, njihova geometrija mora biti takva da se sve sile uravnoteže.

mini|255px|desno|Sila u tačkama dodira prikazana za ugao dodira veći od 90° (lijevo) i manju od 90° (desno)

Gdje se dvije površine sreću, one formiraju dodirni ugao, , koji je ugao kojeg tangenta na površinu pravi sa čvrstom površinom. Dijagram na desnoj strani prikazuje dva primjera. Naponske sile su prikazane na granicama tečnost-zrak, tečnost-čvrsto tijelo i čvrsto tijelo-zrak. Primjer lijevo prikazuje slučaj kada je razlika između površinskog napona tečnost-čvrsto tijelo i čvrsto tijelo-zrak, , manja od površinskog napona tečnost-zrak, , ali je i pored toga pozitivna, to jest

Na dijagramu, i vertikalne i horizontalne sile moraju se poništitiu istoj tački. Horizontalna komponenta od  se poništi sa adhezivnom silom, .

The more telling balance of forces, though, is in the vertical direction. Vertikalna komponenta od  mora poništiti silu, .

 Tečnost Čvrsto tijelo Dodirni ugao voda staklo od natrij-karbonata olovno staklo taljeni kvarc 0° etanol dietil eter karbon tetrahlorid glicerol acetatna kiselina voda parafinski vosak 107° srebro 90° metil jodid staklo od natrij-karbonata 29° olovno staklo 30° taljeni kvarc 33° živa staklo od natrij-karbonata 140° Neki dodirni uglovi tečnost-čvrsto tijelo

Pošto su sile direktno proporcionalne njehovim površinskim naponima (respektivno), imamo da je:

gdje je

  površinski napon tečnost-čvrsto tijelo,
  površinski napon tečnost-zrak,
  površinski napon čvrsto tijelo-zrak,
  je dodirni ugao, gdje konkavni (udubljeni) meniskus ima dodirni ugao manji od 90°, a konveksni (ispupčeni) meniskus ima dodirni ugao veći od 90°.Sears, Francis Weston; Zemanski, Mark W. University Physics 2nd ed. Addison Wesley 1955

Ovo znači da je, uprkos poteškoćama u direktnom mjerenju razlike između površinskih napona tečnost-čvrsto tijelo i čvrsto tijelo-zrak, , moguće zaključiti koliko oni iznose pomoću mjerenja dodirnog ugla (koji se lahko izmjeri), , ako je površinski napon tečnost-zrak, , poznat.

Isi odnos postoji i kod dijagrama na desnoj strani slike. Ali u ovom slučaju vidimo da je, zbog činjenice da je dodirni ugao manji od 90°, razlika površinskog napona tečnost-čvrsto tijelo/čvrsto tijelo-zrak mora biti negativna:

 Posebni dodirni uglovi 

Uočite da je, u posebnom slučaju granice voda-srebro, gdje je dodirni ugao jednak 90°, razlika površinskog napona tečnost-čvrsto tijelo/čvrsto tijelo-zrak difference jednaka nula.

Drugi posebni slučaj je kada je dodirni ugao 180°. Voda sa posebno pripremljenim teflonom približno ima tu vrijednost dodirnog ugla. Dodirni ugao od 180° pojavljuje se kada je površinski napon tečnost-čvrsto tijelo tačno jednak površinskom naponu tečnost-zrak.

 Efekti 

 Tečnost u vertikalnoj cijevi 

mini|160px|desno|Dijagram živinog barometra

Ako je cijev dovoljno uska, a adhezija tečnosti prema njenim zidovima dovoljno jaka, površinski napon može vući tečnost uz cijev, što predstavlja fenomen poznat pod nazivom kapilarni efekt. Visina na koju je stubac tečnosti podignut računa se preko formule:

gdje je

  visina izdignute tečnosti,
  površinski napon tečnost-zrak,
  gustoća tečnosti,
  radijus kapilara (cijevi),
  gravitaciono ubrzanje,
  je dodirni ugao. Uočite da će, ako je  veći od 90°, kao kod žive u staklenom spremniku, tečnost biti spuštena, a ne uzdignuta.

 Galerija efekata 

 Tabela sa podacima 
Površinski napon u raznim tečnostima u jedinici din/cm naspram zrakaLange's Handbook of Chemistry, 10th ed. pp 1661–1665Postotci mješavine poredani se po težini din/cm odgovara jedinica mN/m (milinewton po metru) u SI jedinicama Tečnost  Temperatura (°C)  Površinski napon , γ Acetatna kiselina  20  27,6 Acetatna kiselina (40,1%) + voda 30  40,68 Acetatna kiselina (10,0%) + voda  30  54,56 Aceton  20  23,7 Dietil eter  20  17,0 Etanol  20  22,27 Etanol (40%) + Water  25  29,63 Etanol (11,1%) + Water  25  46,03 Glicerol  20  63 n-heksan  20  18,4 Hlorovodonična kiselina 17,7M vodenog rastvora  20  65,95 Izopropanol  20  21,7 Živa  15  487 Metanol  20  22,6 n-oktan  20  21,8 Natrijum hlorid 6,0M vodenog rastvora  20  82,55 Saharoza (55%) + voda  20  76,45 Voda  0  75,64 Voda  25  71,97 Voda  50  67,91 Voda  100  58,85

 Također pogledajte 

 Kapilarni talas – kratki talasi na površini vode, kojima upravlja površinski naponi
 Eötvösovo pravilo – pravilo predviđanja zavisnosti površinskog napona od temperature
 Meniskus (hidrostatika) – zakrivljenje površine koje pravi tečnost u spremniku
 Živino kucajuće srce – posljedica nehomogenog površinskog napona
 Specifična energija površine
 Vrijednosti površinskog napona
 Tehnika sesilne kapi
 Surfaktanti – supstance koje smanjuju pvršinski napon
 Vinske suze – fenomen koji nastaje zbog površinskog napona, a koji se vidi na zidovima čaša koje sadrže alkoholna pića
 Tolmanova dužina – vodeći termin u korekciji površinskog napona za zakrivljene površine
 Weberov broj

 Reference 

 Vanjski linkovi 
 Concise overview of surface tension
 On surface tension and interesting real-world cases
 MIT Lecture Notes on Surface Tension 
 Theory of surface tension measurements 
 Surface Tensions of Various Liquids
 Understanding the interaction between gases and liquids Scientist Live
 Calculation of temperature-dependent surface tensions for some common components

Kategorija:Koncepti u fizici
Kategorija:Mehanika fluida
Kategorija:Hemija površine