Površinska napetost tečnosti

Uvod
Ponekad se dogodi da predmeti koji imaju veću gustinu od gustine vode opstaju na površinu vode tj. neće potonuti iako bi po Arhimedovom zakonu morala potonuti. Kod primjera sa iglom, kada igla ne tone u dodiru s vodom već plovi po površini vode, postavljamo pitanje dal na površini vode postoji neka nevidljiva membrane koja ne dozvoljava da igla potone. Ovaj i još mnogi drugi primjeri doveli su naučnike do zaključka da je slobodna površina tečnosti u stanju napetosti. Postojanje površinskog napona tečnosti može se dokazivati mnogim fizičkim eksperimentima.

Površinski napon
Molekula u unutrašnjost tečnosti sa svih je strana okružena istovrsnim molekulama s kojima međudjeluje. Rezultantna sila koja djeluje na nju stoga je jednaka nuli. Oko molekule na površini tečnosti istovrsne molekule se poslože u obliku polukugle. Zbog takvog rasporeda, rezultantna sila nad spomenutom molekulom usmjerena je prema središtu tečnosti. Ona je veća što su osobine susjednog fluida različitije od osobina posmatrane tečnosti, budući da određena interakcija postoji i između površinskih molekula i molekula tvari s kojom dotična tečnost graniči.

Površinski napon(σ) može se definirati kao mjera za silu kojom bi trebalo djelovati na molekule na površini tečnosti da one pokazuju jednaku silu međudjelovanja kao i molekule u njenoj unutrašnjosti. Ova fizička veličina izražava koliko je rada odnosno energije potrebno uložiti da bi se nadvladale kohezivne sile na površini tekućine kako bi se površina povećala za određen iznos.

dw = σ dA (1)

gdje je w rad, a A površina tekućine.
Mjerna jedinica kojom se iskazuje vrijednost površinskog napona jeste: N m-1.

Treba napomenuti da se ovaj fenomen javlja na granici dva fluida. Ukoliko su oba fluida tečnosti koje se ne miješaju, govori se o međupovršinskom odnosno interfacialnom naponu. Ako je jedan od njih tečnost, a drugi plin govori se o površinskom naponu. Ona je zapravo posebni slučaj interfacijalnog napona. Napon površine ovisi obrnuto proporcionalno o temperaturi te o prirodi tečnosti čiste supstance i supstance s kojom ona graniči, najčešće njenom zasićenom parom u zraku. Zašto igla pluta na jezeru iako je teža od vode? Zašto kiša pada u obliku kapljica? Odgovor na ova pitanja daje fenomen površinski napon. Površina tečnosti teži biti što manja.
Kada bi se tečnost posmatrala kao niz vodoravnih slojeva debljine jedne molekule, utvrdilo bi se da je površinski sloj „najsiromašniji“ molekulama upravo zbog sile koja molekule vuče u niže slojeve. Kao posljedica jake kohezije, njegove molekule su toliko gusto zbijene da tvore glatku i napetu površinu neprobojnu za jednu suhu iglu. Na temelju iznesenih činjenica o broju sastavnih jedinica i gustoći sloja može se zaključiti da taj sloj ima manju površinu od ostalih slojeva ovako iscjepkane tekućine.

Termodinamički gledano, potrebno je uložiti energiju da bi se površina povećala. Dakle, sistem ima najmanju potencijalnu energiju ako ima najmanju površinu. Pri konstantnom volumenu i temperaturi rad potreban za stvaranje površine može se poistovjetiti s promjenom Helmholtz-ove energije. Budući da se ona smanjuje smanjivanjem površine, površine imaju prirodnu tendenciju da se smanje.

Kako je geometrijsko tijelo najmanjeg omjera površine i volumena kugle tečnosti su sferične. U prirodi sila teže preobrazi te kuglice u kapljice kiše ili pak oceane. Kada se govori o kapljicama, mjehurićima i šupljinama treba napomenuti da je je težnja za smanjenjem njihove površine izbalansirana porastom pritiska s njihove konkavne strane. Razliku pritisaka s vanjske i unutrašnje strane zakrivljene površine izražava Laplace-ova jednadžba:

pu = pv + 2σ/r (2)

u kojoj pu označava pritisak s konkavne strane zakrivljene površine, pv pritisak s konveksne strane zakrivljene površine, a r je polumjer zakrivljenosti. Ova jednadžba pokazuje da je razlika u pritiscima veća što je šupljina manja.