Površinski napon

[thumb|Površinski napon i [hidrofobnost su u interakciji u pokušaju da presjeku kap vode.]]
thumb|Eksperimentalna demonstracija površinskog pritiska sa sapunom

**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&nbsp;°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.

Gdje se dvije površine sreću, one formiraju dodirni ugao, \scriptstyle \theta, 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, \scriptstyle \gamma_{\mathrm{ls}} - \gamma_{\mathrm{sa}} , manja od površinskog napona tečnost-zrak, \scriptstyle \gamma_{\mathrm{la}} , ali je i pored toga pozitivna, to jest

:\gamma_{\mathrm{la}}\ >\ \gamma_{\mathrm{ls}} - \gamma_{\mathrm{sa}}\ >\ 0

Na dijagramu, i vertikalne i horizontalne sile moraju se poništitiu istoj tački. Horizontalna komponenta od \scriptstyle f_\mathrm{la} se poništi sa adhezivnom silom, \scriptstyle f_\mathrm{A}.

Ovo znači da je, uprkos poteškoćama u direktnom mjerenju razlike između površinskih napona tečnost-čvrsto tijelo i čvrsto tijelo-zrak, \scriptstyle \gamma_\mathrm{ls} - \gamma_\mathrm{sa}, moguće zaključiti koliko oni iznose pomoću mjerenja dodirnog ugla (koji se lahko izmjeri), \scriptstyle \theta, ako je površinski napon tečnost-zrak, \scriptstyle \gamma_\mathrm{la}, 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:

:\gamma_\mathrm{la}\ >\ 0\ >\ \gamma_\mathrm{ls} - \gamma_\mathrm{sa}

#### 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.

:\gamma_{\mathrm{la}}\ =\ \gamma_{\mathrm{ls}} - \gamma_\mathrm{sa}\ >\ 0\qquad \theta\ =\ 180^\circ

## 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:

::h\ =\ \frac {2\gamma_\mathrm{la} \cos\theta}{\rho g r}

gdje je

:* \scriptstyle h visina izdignute tečnosti,
:* \scriptstyle \gamma_\mathrm{la} površinski napon tečnost-zrak,
:* \scriptstyle \rho gustoća tečnosti,
:* \scriptstyle r radijus kapilara (cijevi),
:* \scriptstyle g gravitaciono ubrzanje,
:* \scriptstyle \theta je dodirni ugao. Uočite da će, ako je \scriptstyle \theta veći od 90°, kao kod žive u staklenom spremniku, tečnost biti spuštena, a ne uzdignuta.

## Galerija efekata 

Datoteka:UnstableLiquidSheet.jpg|Rasipanje pokretnog sloja vode koji se odbija od kašiku.
Datoteka:SurfaceTension.jpg|Fotografija tekuće vode koja prijanja uz ruku. Površinski napon stvara sloj vode između strujanje i ruke.
Datoteka:Ggb in soap bubble 1.jpg|Mjehurić balansira sile površinskog napona sa unutrašnjim pneumatičkim pritiskom.
Datoteka:2006-01-15 coin on water.jpg|Površinski napon spriječava da novčić potone: novčić je neupitno gušći od vode, tako da ne može plutati samo zbog potiska.
Datoteka:Dscn3156-daisy-water 1200x900.jpg|Cijeli cvijet leži ispod nivoa (nerasporođene) slobodne površine. Voda se blago uzdiže oko ivica cvijeta. Površinski napon spriječava da voda potopi cvijet.
Datoteka:Wine legs shadow.jpg|Fotografija prikazuje fenomen pod nazivom "vinske suze".
Datoteka:Dew on an Equisetum fluviatile Luc Viatour.jpg|Svježa jutarnja rosa.
Datoteka:Surface Tension 01.jpg|Metalna spajalica pluta na vodi.
Datoteka:3_Moeda_(5).jpg|Aluminijumski novčić pluta na površini vode na 10&nbsp;°C. Bilo koja dodatna težina potopila bi novčić do dna.

## Tabela sa podacima 
## 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