Површински напон

Површински напон је привлачна особина површине течности. Он узрокује да површина дела течности буде привучена до друге површине. Примењујући Њутнову физику на силе које настају због површинског напона, можемо тачно предвидети мноштво особина течности. Примењујући законе термодинамике на те исте силе, можемо предвидети и суптилнија понашања течности.

Површински напон има димензију силе по јединици дужине, или енергија по јединици површине. Ове две јединице су еквивалентне — али када се говори о енергији по јединици површине, најчешће се користи термин површинска енергија — који је општији термин у смислу да се примењује и на чврста тела, а не само на течности.

Узрок

Дијаграм сила два молекула течности.

Површински напон је узрокован привлачењем између молекула течности помоћу разних међумолекулских сила. У маси течности, сваки молекул бива привлачен једнако у свим правцима од стране суседних молекула течности, што резултује резултантом свих сила, која је једнака нули. На површини течности, молекули бивају привлачени према доле од стране молекула које се налазе дубље у течности, док их молекуле у сусједном медију (вакууму, ваздуху или некој другој течност) не привлаче тим интензитетом. Молекули на површини су под утицајем привлачне молекуларне силе, која се уравнотежује једино преко отпора те течности на притисак, што значи да нема резултантне силе привлачења молекула са површине од стране молекула у дубини течности. Међутим, постоји сила која умањује површину, те због овога површина течности добија растегнуту еластичну мембрану. Због овога се течност помера све док не добије локално најмању могућу површину.

Инсект мале тежине не може потонути услед површинског напона.

Други начин да гледања је да молекул у контакту са суседном молекулом има ниже енергетско стање од случаја када није у контакту са суседном молекулом. Унутрашњи молекули имају суседне молекуле са свих страна. Гранични молекули имају мањи број суседних молекула од унутрашњих, те су, због тога, на вишем енергетском стању. Како би течност смањила своје енергетско стање, она мора смањити број граничних молекула, те, због тога, мора смањити своју површину.

Као резултат смањења површине, површина ће попримити најглађи могући облик (математички доказ да "глатки" облици минимизују површину ослања се на употребу Ојлер–Лагранжове једначине). Пошто било које закривљење на облику површине резултује већом површином, такође ће резултовати и вишом енергијом. На крају ће површина потискивати свако закривљење.

Основна физика

Додирни углови

Пошто ни једна течност не може дуго опстати у савршеном вакууму, површина било које течности је граница између течности и неког другог медија. Горња површина баре, на пример, је граница између воде из баре и ваздуха. Површински напон, тада, није особина само течности, него и особина границе те течности са другим медијем. Ако је течност у суду, тада, осим границе течност-гас на горњој површини, постоји такође и граница између течности и зидова суда. Површински напон између течности и ваздуха обично је различит (већи) од површинског напона са зидовима суда. А где се две површине срећу, њихова геометрија мора бити таква да се све силе уравнотеже.

Сила у тачкама додира приказана за угао додира већи од 90° (лево) и мању од 90° (десно)

Где се две површине срећу, оне формирају додирни угао, $\scriptstyle \theta$, који је угао којег тангента на површину прави са чврстом површином. Дијаграм на десној страни приказује два примера. Напонске силе су приказане на границама течност-ваздух, течност-чврсто тело и чврсто тело-ваздух. Пример лево приказује случај када је разлика између површинског напона течност-чврсто тело и чврсто тело-ваздух, $\scriptstyle \gamma _{\mathrm {ls} }-\gamma _{\mathrm {sa} }$, мања од површинског напона течност-гас, $\scriptstyle \gamma _{\mathrm {la} }$, али је и поред тога позитивна,

$\gamma _{\mathrm {la} }\ >\ \gamma _{\mathrm {ls} }-\gamma _{\mathrm {sa} }\ >\ 0$

На дијаграму, и вертикалне и хоризонталне силе се морају поништити у истој тачки. Хоризонтална компонента од $\scriptstyle f_{\mathrm {la} }$ се поништи са адхезивном силом, $\scriptstyle f_{\mathrm {A} }$.

$f_{\mathrm {A} }\ =\ f_{\mathrm {la} }\sin \theta$

Информативнији баланс сила је у вертикалном правцу. Вертикална компонента од $\scriptstyle f_{\mathrm {la} }$ мора поништити силу, $\scriptstyle f_{\mathrm {ls} }$.

$f_{\mathrm {ls} }-f_{\mathrm {sa} }\ =\ -f_{\mathrm {la} }\cos \theta$

Течност	Чврсто тело	Додирни угао
вода	стакло од натријум карбоната оловно стакло таљени кварц	0°
етанол
диетил етар
угљен тетрахлорид
глицерол
сирћетна киселина
вода	парафински восак	107°
	сребро	90°
метил јодид	стакло од натријум карбоната	29°
	оловно стакло	30°
	каљени кварц	33°
жива	стакло од натријум карбоната	140°
Неки додирни углови течност-чврсто тело

Пошто су силе директно пропорционалне њиховим површинским напонима (респективно), имамо да је:

$\gamma _{\mathrm {ls} }-\gamma _{\mathrm {sa} }\ =\ -\gamma _{\mathrm {la} }\cos \theta$

где је

• $\scriptstyle \gamma _{\mathrm {ls} }$ површински напон течност-чврсто тело,
• $\scriptstyle \gamma _{\mathrm {la} }$ површински напон течност-ваздух,
• $\scriptstyle \gamma _{\mathrm {sa} }$ површински напон чврсто тело-ваздух,
• $\scriptstyle \theta$ је додирни угао, где конкавни (удубљени) менискус има додирни угао мањи од 90°, а конвексни (испупчени) менискус има додирни угао већи од 90°.

Ово значи да је, упркос потешкоћама у директном мерењу разлике између површинских напона течност-чврсто тело и чврсто тело-ваздух, $\scriptstyle \gamma _{\mathrm {ls} }-\gamma _{\mathrm {sa} }$, могуће је закључити колико они износе помоћу мерења додирног угла (који се мере), $\scriptstyle \theta$, ако је површински напон течност-ваздух, $\scriptstyle \gamma _{\mathrm {la} }$, познат.

Иси однос постоји и код дијаграма на десној страни слике. Али у овом случају видимо да је, због чињенице да је додирни угао мањи од 90°, разлика површинског напона течност-чврсто тело/чврсто тело-ваздух мора бити негативна:

$\gamma _{\mathrm {la} }\ >\ 0\ >\ \gamma _{\mathrm {ls} }-\gamma _{\mathrm {sa} }$

Посебни додирни углови

У посебном случају границе вода-сребро, где је додирни угао једнак 90°, разлика површинског напона течност-чврсто тело / чврсто тело-ваздух је једнака нули.

Други посебни случај је када је додирни угао 180°. Вода са посебно припремљеним тефлоном приближно има ту вредност додирног угла. Додирни угао од 180° појављује се када је површински напон течност-чврсто тело тачно једнак површинском напону течност-ваздух.

$\gamma _{\mathrm {la} }\ =\ \gamma _{\mathrm {ls} }-\gamma _{\mathrm {sa} }\ >\ 0\qquad \theta \ =\ 180^{\circ }$

Ефекти

Течност у вертикалној цеви

Главни чланак: Капиларни ефект

Дијаграм живиног барометра

Ако је цев довољно уска, а адхезија течности према њеним зидовима довољно јака, површински напон може вући течност уз цијев, што представља феномен познат под називом капиларни ефект. Висина на коју је стубац течности подигнут рачуна се преко формуле:

$h\ =\ {\frac {2\gamma _{\mathrm {la} }\cos \theta }{\rho gr}}$

где је

• $\scriptstyle h$ висина издигнуте течности,
• $\scriptstyle \gamma _{\mathrm {la} }$ површински напон течност-ваздух,
• $\scriptstyle \rho$ густина течности,
• $\scriptstyle r$ радијус капилара (цеви),
• $\scriptstyle g$ гравитационо убрзање,
• $\scriptstyle \theta$ је додирни угао. Уочите да ће, ако је $\scriptstyle \theta$ већи од 90°, као код живе у стакленом спремнику, течност бити спуштена, а не уздигнута.

Одеђивање коефицијента површинског напона течности

Физичка појава која се испитује

Површински напон течности - појава која се јавља на слободној површини течности. Испољава се као сила која тежи да слободну површину течности сведе на најмању меру, да је затегне(скупи), тако да се слободна површина течности понаша као еластична опна - мембрана. Мера површинског напона течности назива се коефицијент површинског напона течности, то је сила затезања, која делује нормално на јединицу дужине, по површини течности. Према томе јединица за коефицијент површинског напона течности је Нм^-1. Коефицијент површинског напона зависи од природе течности, примеса и температуре. Ако има примеса и температура је виша, коефицијент површинског напона је мањи. Метода капиларне цеви је најпоузданија метода за одредјивање коефицијента површинског напона течности. Заснива се на мерењу висине подизања течности у капилари познатог пречника услед деловања површинског напона течности.,, Течност ћији се коефицијент површинског напона одредјује је дестилована вода.

Апаратура за одређивање коефицијента површинског напона течности

Делови апаратуре

Апаратура за одредјивање коефицијента површинског напона течности

1. постоље
2. вертикални носач
3. стаклена посуда
4. стаклена капилара причвршћена за
5. лењир са милиметарском поделом
6. ваздушна пумпа

Мерни поступак

• Чиста стаклена посуда (3) се напуни дестилованом водом.
• Ваздушном пумпом (6) се продува (осуши) предходно очишћена стаклена капилара (4), причвршћена за лењир са милиметарском поделом (5) уз који вертикално клизи.
• Припремљена капилара се хвата само за горњи део, који се не потапа у воду.
• Капилара се својим доњим делом урања у дестиловану воду и то скоро до дна посуде, а онда се полако подиже на неку произвољну дубину, ближе нивоу воде у посуди.
• Образује се стуб воде у капилари. Да би се том приликом отклониле грубе грешке опет употребити ваздушну пумпу (6), отпуштајући стиснути балон пумпе.
• На лењиру (5) очитава се висина воде у капилари.
• Нулти подеок на лењиру је у нивоу воде у посуди.
• Капилару потпуно извадити из воде и поновити цео експеримент.
• Извршити довољан број мерења.

Галерија ефеката

• 
  Кап воде лежи на текстилу са малим рупама, површински напон спречава преток
• 
  Фотографија текуће воде која приања уз руку. Површински напон ствара слој воде између струјање и руке.
• 
  Мехурић балансира силе површинског напона са унутрашњим пнеуматским притиском.
• 
  Површински напон спречава да новчић потоне: новчић је гушћи од воде, тако да не може плутати само због потиска.
• 
  Цели цвет лежи испод нивоа (нераспорођене) слободне површине. Вода се благо уздиже око ивица цвета. Површински напон спречава да вода потопи цвет.
• 
  Фотографија приказује феномен под називом "винске сузе".
• 
  Свјежа јутарња роса.
• 
  Метална спајалица плута на води.
• 
  Алуминијумски новчић плута на површини воде на 10 °C. Било која додатна тежина потопила би новчић до дна.

Подаци

Површински напон у разним течностима у јединици din/cm наспрам ваздуха
Проценти мешавине поређани се по тежини
din/cm одговара јединица mN/m у СИ јединицама

Течност	Температура (°C)	Површински напон , γ
Сирћетна киселина	20	27,6
Сирћетна киселина (40,1%) + вода	30	40,68
Сирћетна киселина (10,0%) + вода	30	54,56
Ацетон	20	23,7
Диетил етар	20	17,0
Етанол	20	22,27
Етанол (40%) + вода	25	29,63
Етанол (11,1%) + вода	25	46,03
Глицерол	20	63
n-хексан	20	18,4
Хлороводонична киселина 17,7M воденог раствора	20	65,95
Изопропанол	20	21,7
Жива	15	487
Метанол	20	22,6
n-октан	20	21,8
Натријум хлорид 6,0M воденог раствора	20	82,55
Сахароза (55%) + вода	20	76,45
Вода	0	75,64
Вода	25	71,97
Вода	50	67,91
Вода	100	58,85

Види још

• Специфична енергија површине
• Сурфактанти – супстанце које смањују површински напон.

Литература

• Wхите, Харвеy Е. (1948). Модерн Цоллеге Пхyсицс. ван Ностранд. ИСБН 978-0-442-29401-4. 
• Бутт, Ханс-Јüрген; Граф, Карлхеинз; Каппл, Мицхаел (2006). Пхyсицс анд Цхемистрy оф Интерфацес. Wилеy. стр. 9. ИСБН 978-3-527-60640-5. 
• Зографов, Николаy (2014). „Дроплет осциллатионс дривен бy ан елецтриц фиелд”. Цоллоидс анд Сурфацес А: Пхyсицоцхемицал анд Енгинееринг Аспецтс. 460: 351—354. дои:10.1016/ј.цолсурфа.2013.12.013. 
• Танковскy, Н. (2013). „Елецтрицаллy Дривен Ресонант Осциллатионс оф Пендант Хемиспхерицал Лиqуид Дроплет анд Поссибилитy то Евалуате тхе Сурфаце Тенсион ин Реал Тиме”. Зеитсцхрифт фüр Пхyсикалисцхе Цхемие. 227 (12). дои:10.1524/зпцх.2013.0420. 
• Танковскy, Николаy (2011). „Осциллатионс оф а Хангинг Лиqуид Дроп, Дривен бy Интерфациал Диелецтриц Форце”. Зеитсцхрифт фüр Пхyсикалисцхе Цхемие. 225 (4): 405—411. дои:10.1524/зпцх.2011.0074. 
• Пиерре-Гиллес де Геннес; Франçоисе Броцхард-Wyарт; Qуéрé, Давид (2002). Цапилларитy анд Wеттинг Пхеномена—Дропс, Бубблес, Пеарлс, Wавес. Алеx Реисингер. Спрингер. ИСБН 978-0-387-00592-8. 

Спољашње везе

• Преглед површинског напона
• On surface tension and interesting real-world cases
• Surface Tensions of Various Liquids
• Calculation of temperature-dependent surface tensions for some common components
• Surface tension calculator for aqueous solutions containing the ions H⁺, NH+
  4, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, SO2−
  4, NO−
  3, Cl⁻, CO2−
  3, Br⁻ and OH⁻.
• T. Proctor Hall (1893) New methods of measuring surface tension in liquids, Philosophical Magazine (series 5, 36: 385–415), link from Biodiversity Heritage Library.
• The Bubble Wall (Audio slideshow from the National High Magnetic Field Laboratory explaining cohesion, surface tension and hydrogen bonds)
• C. Pfister: Interface Free Energy. Scholarpedia 2010 (from first principles of statistical mechanics)
• Fundamentals of surface and interfacial tension Архивирано на сајту Wayback Machine (24. јул 2018)
• Surface and Interfacial Tension
• „Molten salts mixture surface tension”. The Journal of Chemical Thermodynamics. 3 (2): 259—265. mart 1971. doi:10.1016/S0021-9614(71)80111-8.