Сила, действаща по линия на повърхността на течността

Измерва се в нютони на метър (N/m) или динове на сантиметър (dyn/cm). Ако си представите рамка с подвижна страна в контакт с течен филм, повърхностното напрежение е силата, която дърпа тази страна, разделена на нейната дължина. Това е механичното определение.

Формула: γ = F/L, където F = сила, L = дължина на ръба

Пример: Вода при 20°C = 72.8 mN/m означава 0.0728 N сила на метър ръб

Енергия, необходима за създаване на нова повърхностна площ

Измерва се в джаули на квадратен метър (J/m²) или ергове на квадратен сантиметър (erg/cm²). Създаването на нова повърхностна площ изисква работа срещу междумолекулните сили. Числено е идентична с повърхностното напрежение, но представлява енергийната перспектива, а не силовата.

Формула: γ = E/A, където E = енергия, A = увеличение на повърхностната площ

Пример: Вода при 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (същото число, двойна интерпретация)

Междумолекулните сили определят поведението на повърхността

Кохезия: привличане между еднакви молекули (течност-течност). Адхезия: привличане между различни молекули (течност-твърдо тяло). Висока кохезия → високо повърхностно напрежение → капките се събират. Висока адхезия → течността се разпростира (омокряне). Балансът определя контактния ъгъл и капилярното действие.

Контактен ъгъл θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (уравнение на Йънг)

Пример: Водата върху стъкло има нисък θ (адхезия > кохезия) → разпростира се. Живакът върху стъкло има висок θ (кохезия >> адхезия) → събира се на капки.

Първи количествени експерименти върху повърхностното напрежение

Немският физик Сегнер изучава плаващи игли и наблюдава, че водните повърхности се държат като опънати мембрани. Той изчислява силите, но му липсва молекулярна теория, за да обясни явлението.

Уравнението на Йънг за контактния ъгъл

Британският полимат Йънг извежда връзката между повърхностното напрежение, контактния ъгъл и омокрянето: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Това фундаментално уравнение все още се използва днес в материалознанието и микрофлуидиката.

Уравнението на Йънг-Лаплас за налягането

Лаплас извежда ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂), показвайки, че извитите повърхности имат разлики в налягането. Обяснява защо малките мехурчета имат по-високо вътрешно налягане от големите — което е от решаващо значение за разбирането на белодробната физиология и стабилността на емулсиите.

Молекулярна теория на повърхностното напрежение

Нидерландският физик Ван дер Ваалс обяснява повърхностното напрежение, използвайки междумолекулни сили. Работата му върху молекулярното привличане му носи Нобелова награда през 1910 г. и полага основите за разбирането на капилярността, адхезията и критичната точка.

Монослоеве и повърхностна химия

Лангмюр изучава молекулярни филми върху водни повърхности, създавайки областта на повърхностната химия. Работата му върху повърхностноактивни вещества, адсорбция и молекулярна ориентация му носи Нобелова награда през 1932 г. Филмите на Лангмюр-Блоджет са кръстени на него.

Повърхностното напрежение определя омокрянето, разпространението и адхезията:

• Формулиране на бои: Регулирайте γ до 25-35 mN/m за оптимално разпространение върху субстрати
• Мастиленоструен печат: Мастилото трябва да има γ < субстрата за омокряне (обикновено 25-40 mN/m)
• Коронна обработка: Увеличава повърхностната енергия на полимера от 30 → 50+ mN/m за адхезия
• Прахови покрития: Ниското повърхностно напрежение помага за изравняване и развитие на гланц
• Покрития против графити: Ниското γ (15-20 mN/m) предотвратява адхезията на боята
• Контрол на качеството: Тензиометър с пръстен на Дю Ной за консистенция между партидите

Детергентите действат, като намаляват повърхностното напрежение:

• Чиста вода: γ = 72.8 mN/m (не прониква добре в тъканите)
• Вода + сапун: γ = 25-30 mN/m (прониква, омокря, премахва мазнини)
• Критична концентрация на мицелообразуване (ККМ): γ рязко спада до ККМ, след което се стабилизира
• Омокрящи агенти: Индустриалните почистващи препарати намаляват γ до <30 mN/m
• Препарат за миене на съдове: Формулиран за γ ≈ 27-30 mN/m за премахване на мазнини
• Пръскачки за пестициди: Добавят повърхностноактивни вещества, за да намалят γ за по-добро покритие на листата

Междуфазното напрежение между нефт и вода влияе на извличането:

• Междуфазно напрежение нефт-вода: Обикновено 20-50 mN/m
• Подобрено извличане на нефт (EOR): Инжектират се повърхностноактивни вещества, за да се намали γ до <0.01 mN/m
• Ниско γ → нефтените капки се емулгират → протичат през пореста скала → увеличено извличане
• Характеризиране на суров петрол: Ароматното съдържание влияе на повърхностното напрежение
• Поток в тръбопроводи: По-ниското γ намалява стабилността на емулсията, подпомага разделянето
• Методът на висяща капка измерва γ при температура/налягане на резервоара

Повърхностното напрежение е от решаващо значение за жизнените процеси:

• Белодробен сърфактант: Намалява алвеоларното γ от 70 на 25 mN/m, предотвратявайки колапс
• Недоносени бебета: Респираторен дистрес синдром поради недостатъчен сърфактант
• Клетъчни мембрани: γ на липидния двоен слой ≈ 0.1-2 mN/m (много ниско за гъвкавост)
• Кръвна плазма: γ ≈ 50-60 mN/m, повишено при заболявания (диабет, атеросклероза)
• Слъзен филм: Многослойна структура с липиден слой, намаляващ изпарението
• Дишане на насекоми: Трахеалната система разчита на повърхностното напрежение, за да предотврати навлизането на вода

Водните паяци (Gerridae) използват високото повърхностно напрежение на водата (72.8 mN/m), за да поддържат 15 пъти телесното си тегло. Краката им са покрити с восъчни косъмчета, които са суперхидрофобни (контактен ъгъл >150°). Всеки крак създава вдлъбнатина във водната повърхност, а повърхностното напрежение осигурява възходящата сила. Ако добавите сапун (намалявайки γ до 30 mN/m), те потъват веднага!

Повърхностното напрежение действа така, че да минимизира повърхностната площ за даден обем. Сферата има минималната повърхностна площ за всеки обем (изопериметрично неравенство). Сапунените мехури демонстрират това прекрасно: въздухът вътре натиска навън, повърхностното напрежение дърпа навътре и равновесието създава перфектна сфера. Несферичните мехури (като кубичните в телени рамки) имат по-висока енергия и са нестабилни.

Белите дробове на новородените съдържат белодробен сърфактант (фосфолипиди + протеини), който намалява повърхностното напрежение в алвеолите от 70 до 25 mN/m. Без него алвеолите колабират при издишване (ателектаза). Недоносените бебета нямат достатъчно сърфактант, което причинява респираторен дистрес синдром (РДС). Преди терапията със синтетичен сърфактант (90-те години на миналия век), РДС беше водеща причина за неонатална смърт. Сега процентът на оцеляване надхвърля 95%.

Налейте вино в чаша и наблюдавайте: капчици се образуват по стените, изкачват се нагоре и падат обратно — „сълзите на виното“. Това е ефектът на Марангони: алкохолът се изпарява по-бързо от водата, създавайки градиенти на повърхностното напрежение (γ варира пространствено). Течността тече от области с ниско γ към области с високо γ, дърпайки виното нагоре. Когато капките станат достатъчно тежки, гравитацията надделява и те падат. Потоците на Марангони са от решаващо значение при заваряване, нанасяне на покрития и растеж на кристали.

Молекулите на сапуна са амфифилни: хидрофобна опашка (мрази водата) + хидрофилна глава (обича водата). В разтвор опашките стърчат от водната повърхност, нарушавайки водородните връзки и намалявайки γ от 72 до 25-30 mN/m. При критичната концентрация на мицелообразуване (ККМ) молекулите образуват сферични мицели с опашките вътре (улавяйки мазнина) и главите отвън. Ето защо сапунът премахва мазнини: мазнината се разтваря вътре в мицелите и се отмива.

Пуснете кристал камфор върху вода и той ще се движи по повърхността като малка лодка. Камфорът се разтваря асиметрично, създавайки градиент на повърхностното напрежение (по-високо γ отзад, по-ниско отпред). Повърхността дърпа кристала към региони с високо γ — двигател с повърхностно напрежение! Това е демонстрирано от физика Ч.В. Бойс през 1890 г. Съвременните химици използват подобно задвижване на Марангони за микророботи и превозни средства за доставка на лекарства.

Това е фундаментална термодинамична връзка, а не съвпадение. Размерностно: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² и [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Те имат идентични основни размерности! Физически: създаването на 1 m² нова повърхност изисква работа = сила × разстояние = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Така че γ, измерено като сила/дължина, е равно на γ, измерено като енергия/площ. Вода при 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (същото число, двойна интерпретация).

Кохезия: привличане между еднакви молекули (вода-вода). Адхезия: привличане между различни молекули (вода-стъкло). Висока кохезия → високо повърхностно напрежение → капките се събират (живак върху стъкло). Висока адхезия спрямо кохезията → течността се разпростира (вода върху чисто стъкло). Балансът определя контактния ъгъл θ чрез уравнението на Йънг: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Омокряне се случва, когато θ < 90°; събиране на капки, когато θ > 90°. Суперхидрофобните повърхности (листо на лотос) имат θ > 150°.

Молекулите на сапуна са амфифилни: хидрофобна опашка + хидрофилна глава. На границата вода-въздух опашките се ориентират навън (избягвайки водата), а главите навътре (привлечени от водата). Това нарушава водородните връзки между водните молекули на повърхността, намалявайки повърхностното напрежение от 72.8 на 25-30 mN/m. По-ниското γ позволява на водата да омокря тъканите и да прониква в мазнини. При критичната концентрация на мицелообразуване (ККМ, обикновено 0.1-1%) молекулите образуват мицели, които разтварят мазнините.

По-високата температура дава на молекулите повече кинетична енергия, отслабвайки междумолекулните привличания (водородни връзки, сили на Ван дер Ваалс). Повърхностните молекули имат по-малко нетно притегляне навътре → по-ниско повърхностно напрежение. За водата: γ намалява с ~0.15 mN/m за всеки °C. При критичната температура (374°C за водата, 647 K) разликата между течност и газ изчезва и γ → 0. Правилото на Йотвьош го определя количествено: γ·V^(2/3) = k(T_c - T), където V = моларен обем, T_c = критична температура.

Четири основни метода: (1) Пръстен на Дю Ной: Платинен пръстен се издърпва от повърхността, измерва се силата (най-често срещан, ±0.1 mN/m). (2) Плоча на Вилхелми: Тънка плоча се окачва, докосвайки повърхността, силата се измерва непрекъснато (най-висока прецизност, ±0.01 mN/m). (3) Висяща капка: Формата на капката се анализира оптично с помощта на уравнението на Йънг-Лаплас (работи при високи T/P). (4) Капилярно покачване: Течността се изкачва в тясна тръбичка, измерва се височината: γ = ρghr/(2cosθ), където ρ = плътност, h = височина, r = радиус, θ = контактен ъгъл.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) описва разликата в налягането през извита повърхност. R₁ и R₂ са главните радиуси на кривина. За сфера (мехур, капка): ΔP = 2γ/R. Малките мехурчета имат по-високо вътрешно налягане от големите. Пример: 1 мм водна капка има ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Това обяснява защо малките мехурчета в пяната се свиват (газът дифундира от малките към големите) и защо белодробните алвеоли се нуждаят от сърфактант (намалява γ, за да не колабират).

Живак: Силна кохезия (метални връзки, γ = 486 mN/m) >> слаба адхезия към стъкло → контактен ъгъл θ ≈ 140° → събира се на капки. Вода: Умерена кохезия (водородни връзки, γ = 72.8 mN/m) < силна адхезия към стъкло (водородни връзки с повърхностните -OH групи) → θ ≈ 0-20° → разпростира се. Уравнение на Йънг: cos θ = (γ_твърдо-пара - γ_твърдо-течност)/γ_течност-пара. Когато адхезията > кохезията, cos θ > 0, така че θ < 90° (омокряне).

Не. Повърхностното напрежение е винаги положително — то представлява енергийния разход за създаване на нова повърхностна площ. Отрицателно γ би означавало, че повърхностите спонтанно се разширяват, нарушавайки термодинамиката (ентропията се увеличава, но обемната фаза е по-стабилна). Въпреки това, междуфазното напрежение между две течности може да бъде много ниско (близо до нула): при подобрено извличане на нефт, повърхностноактивните вещества намаляват γ между нефт и вода до <0.01 mN/m, предизвиквайки спонтанна емулсификация. В критичната точка γ = 0 точно (разликата между течност и газ изчезва).