Napięcie powierzchniowe

Napięcie powierzchniowe

Napięcie powierzchniowe to zjawisko fizyczne, które występuje na granicy cieczy z ciałami stałymi, gazami lub innymi cieczami, sprawiając, że powierzchnia cieczy zachowuje się jak sprężysta błona. Oznacza ono energię przypadającą na jednostkę powierzchni, co odpowiada pracy potrzebnej do powiększenia tej powierzchni.

Przyczyną napięcia powierzchniowego są siły przyciągania między molekułami cieczy. Wysokie napięcie międzyfazowe oznacza, że siły kohezji w obrębie faz są większe niż siły adhezji na granicy tych faz.

Efekty napięcia powierzchniowego

• Wpływ na kształt powierzchni cieczy, co prowadzi do powstawania menisków.
• Kształt kropli cieczy w powietrzu oraz struktura cienkowarstwowych błon cieczy.
• Utrudnione zanurzanie ciał nieprzylegających do cieczy, co pozwala niektórym małym obiektom unosić się na jej powierzchni.

Fizyczny opis zjawiska

Miarą napięcia powierzchniowego jest praca konieczna do utworzenia jednostkowej powierzchni cieczy, wyrażona wzorem:

$\backslash gamma\; =\; \backslash frac\{\backslash Delta\; W\}\{\backslash Delta\; S\}$

gdzie $\backslash gamma$ to napięcie powierzchniowe, a $\backslash Delta\; W$ to praca, która musi być wykonana, a $\backslash Delta\; S$ to pole powierzchni. Zależność ta może być również przedstawiona jako:

$\backslash gamma\; =\; \backslash frac\{F\}\{l\}$

gdzie $F$ to siła napięcia powierzchniowego, a $l$ to długość odcinka, na którym działa ta siła.

Zależność od temperatury

Napięcie powierzchniowe zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury, osiągając wartość zerową w temperaturze krytycznej. Istnieją empiryczne wzory opisujące tę zależność.

Wytwarzane ciśnienie

Zakrzywiona powierzchnia cieczy wywołuje ciśnienie, które można opisać wzorem Laplace’a:

$\backslash Delta\; p=\backslash gamma\; \backslash frac\{dA\}\{dV\}$

gdzie $dA$ to zmiana powierzchni, a $dV$ to zmiana objętości cieczy.

Wpływ surfaktantów

Dodatki substancji powierzchniowo czynnych, takich jak mydła czy detergenty, mogą zmniejszyć napięcie powierzchniowe, co ułatwia kontakt między fazami. Surfaktanty składają się z części hydrofilowej i hydrofobowej, co ułatwia ich działanie.

Metody pomiaru

Pierwsze pomiary napięcia powierzchniowego przeprowadzono w XIX wieku. Obecnie stosowane metody obejmują:

• metody kapilarne,
• metody maksymalnego ciśnienia,
• metoda stalagmometryczna,
• metody leżącej lub wiszącej kropli,
• metody tensjometryczne.