Napięcie powierzchniowe

Z Wikipedii

Masz nowe wiadomości (różnica z poprzednią wersją).

Napięcie powierzchniowe nadaje kształt przepływającej wodzie

Napięcie powierzchniowe utrzymuje na powierzchni kwiat

... monetę

... i kopulujące owady.

Napięcie powierzchniowe – zjawisko fizyczne występujące na styku powierzchni cieczy z ciałem stałym, gazowym lub inną cieczą. Polega na powstawaniu dodatkowych sił działających na powierzchnię cieczy w sposób kurczący ją (dla powierzchni wypukłej przyciągający do wnętrza cieczy, dla wklęsłej odwrotnie). Zjawisko to ma swoje źródło w siłach przyciągania pomiędzy molekułami cieczy. Występuje ono zawsze na granicy faz termodynamicznych, dlatego zwane jest też napięciem międzyfazowym .

Efektem napięcia powierzchniowego jest np. utrudnione zanurzanie w cieczy ciał nie podatnych na zwilżanie tą cieczą (znika ono w momencie całkowitego zanurzenia takiego ciała). Innym zjawiskiem związanym z napięciem powierzchniowym jest podnoszenie się (np. woda) lub opadanie (np. rtęć) cieczy w wąskich rurkach, tzw. kapilarach – zjawisko to należy do zjawisk kapilarnych.

Wysokie napięcie powierzchniowe na granicy faz A i B oznacza, że siły spójności (kohezji) wewnątrz faz A-A i B-B są większe niż siły przylegania (adhezji) na granicy faz A-B.

Substancjami zmniejszającymi napięcie powierzchniowe są tzw. surfaktanty czyli związki powierzchniowo czynne np. emulgatory oraz mydła i detergenty. Podobne do siebie charakterem ciecze z reguły mieszają się (reguła "podobne w podobnym"), natomiast nie chcą się mieszać ciecze polarne z niepolarnymi (zobacz mieszalność cieczy). Surfaktantami są najczęściej cząsteczki posiadające polarną głowę (np. spolaryzowane grupy funkcyjne ulegające w roztworze jonizacji) oraz apolarny (niepolarny) ogon (np. łańcuch alifatyczny). Ich działanie najczęściej polega na adsorpcji cząsteczek na granicy 2 faz w ten sposób, że część polarna jest skierowana do fazy bardziej polarnej co umożliwia utworzenie emulsji (roztworu koloidalnego).

Przykładem emulsji może być majonez – połączenie oleju i wody jest możliwie dzięki emulgatorowi – lecytynie pochodzącej z żółtka jaja kurzego. Wykorzystanie mydła i detergentów to przykład tzw. solubilizacji, gdzie cząsteczki surfaktantu otaczają niepolarną cząstkę "brudu" adsorbując się na niej niepolarnymi ogonami a pozostawiając polarne głowy w kontakcie z polarną fazą wodną (polarny "brud" rozpuszcza się w wodzie).

[edytuj] Fizyczny opis zjawiska

Miarą napięcia powierzchniowego jest praca jaką trzeba wykonać, by utworzyć jednostkową powierzchnię cieczy, co można wyrazić wzorem:

$\gamma = \frac{\Delta W}{\Delta A}$ (jednostką w SI J/m²).

gdzie:

$γ$ (używa się też oznaczenia $σ$ ) - napięcie powierzchniowe,
W - praca potrzebna do utworzenia powierzchni A,
A - pole powierzchni.

Powyższy wzór jest równoważny:

$\gamma = \frac{F}{l}$ (jednostką w SI N/m = J/m²).

gdzie:

F - siła napięcia powierzchniowego działająca równolegle do powierzchni cieczy, dążąca do zmniejszenia powierzchni cieczy,
l - długość odcinka na której działa siła.

Wzór ten odpowiada definicji napięcia powierzchniowego: Napięciem powierzchniowym γ nazywa się siłę styczną do powierzchni cieczy, działającą na jednostkę długości obrzeża powierzchni cieczy.

W termodynamice napięcie miedzyfazowe definiuje się wzór:

$\gamma=\left( \frac{\partial G}{\partial A} \right)_{P,T}$ ,

gdzie $G$ to Entalpia swobodna zwana energią Gibbsa, a $A$ wielkość powierzchni.

[edytuj] Zależność od temperatury

Napięcie powierzchniowe silnie zależy od temperatury cieczy zmniejszając się wraz ze wzrostem temperatury i ginąc (osiągając zero) w temperaturze krytycznej lub kilka stopni poniżej niej. Istnieją wzory empiryczne określające zależność napięcia powierzchniowego od temperatury:

Eötvösa:

$\gamma V^{2/3}=k(T_C-T)\,\!$

gdzie

V

to objętość molowa substancji

T C

to temperatura krytyczna

k

współczynnik zależny od substancji.

Przykładowo dla wody k = 1.03 erg/°C, V= 18 ml/mol a T_C= 374°C.

Guggenheim-Katayama:

$\gamma = \gamma^o \left( 1-\frac{T}{T_C} \right)^n$

γ o

to stała zależna od cieczy, n empiryczny wykładnik, równy 11/9 dla cieczy organicznych.

[edytuj] Wytwarzane ciśnienie

Zakrzywiona powierzchnia cieczy wytwarza ciśnienie określone wzorem zwanym wzorem Laplasa (en:Young-Laplace Equation):

$\Delta P=\gamma \frac{dA}{dV}$ .

gdzie $d A$ zmiana powierzchni cieczy, wywołana $d V$ zmianą objętości.

Z zależności tej wynika:

Dla płaskiej powierzchni $\frac{dA}{dV}=0$ dlatego ciśnienie w cieczy i na zewnątrz jest takie same.
Dla powierzchni kuli (sfera), czyli w kropli $P_I=P_O+\frac{2 \gamma}{R}$ .
W bańce o cienkich ściankach $P_I=P_O+\frac{4 \gamma}{R}$ , bo bańka ma dwie ścianki.
Powierzchni torusa $P_I=P_O+\gamma \left( \frac{1}{R} + \frac{1}{r} \right)$ , gdzie r i R promieniami torusa.

Jeżeli powierzchnia cieczy jest wklęsła, to przyczynek od powierzchni ma wartość ujemną, na powierzchni toroidalnej każdy promień liczy się oddzielnie.

Powierzchnie o skomplikowanym kształcie można uznać za fragment torusa, wówczas R - jest promieniem największej krzywizny, a r - promieniem krzywizny w kierunku prostopadłym.

[edytuj] Nadmiar powierzchniowy

Jedną z ważniejszych wielkości opisujących roztwór substancji powierzchniowo czynnej jest nadmiar powierzchniowy, którego wartość wyznacza równanie:

$\Gamma = - \frac {c} {RT} \frac{\partial \gamma}{\partial c}$ .

[edytuj] Pomiar

Opracowano wiele metod pomiaru z czego praktyczne znaczenie mają:

Metody kapilarne - polegają na pomiarze wysokości wzniesienia kapilarnego w dwóch rurkach o różnej średnicy lub pomiarze ciśnienia wywołanego w rurce kapilarnej.
Metody maksymalnego ciśnienia w kroplach lub pęcherzykach - polegają na pomiarze maksymalnego ciśnienia podczas wtłaczania powietrza przez cienką rurkę do cieczy lub podczas tworzenia kropli na rurce.
Metoda odrywającej się kropli - (Stalagmometr) pomiar masy kapiącej z rurki kropli.
Metody leżącej lub wiszącej kropli - pomiar wysokości kropli leżącej na powierzchni.
Metody oderwania wyciąganego pierścienia lub ramki - pomiar siły oderwania pierścienia wyciąganego z cieczy.