Gaya yang bekerja di sepanjang garis pada permukaan cairan

Diukur dalam newton per meter (N/m) atau dyne per sentimeter (dyn/cm). Jika Anda membayangkan sebuah bingkai dengan sisi yang dapat digerakkan yang bersentuhan dengan film cairan, tegangan permukaan adalah gaya yang menarik sisi tersebut dibagi dengan panjangnya. Ini adalah definisi mekanis.

Rumus: γ = F/L di mana F = gaya, L = panjang tepi

Contoh: Air @ 20°C = 72.8 mN/m berarti 0.0728 N gaya per meter tepi

Energi yang dibutuhkan untuk membuat area permukaan baru

Diukur dalam joule per meter persegi (J/m²) atau erg per sentimeter persegi (erg/cm²). Membuat area permukaan baru membutuhkan kerja melawan gaya antarmolekul. Secara numerik identik dengan tegangan permukaan tetapi mewakili perspektif energi daripada perspektif gaya.

Rumus: γ = E/A di mana E = energi, A = peningkatan area permukaan

Contoh: Air @ 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (angka yang sama, interpretasi ganda)

Gaya antarmolekul menentukan perilaku permukaan

Kohesi: daya tarik antara molekul sejenis (cair-cair). Adhesi: daya tarik antara molekul yang berbeda (cair-padat). Kohesi tinggi → tegangan permukaan tinggi → tetesan membentuk manik-manik. Adhesi tinggi → cairan menyebar (pembasahan). Keseimbangan menentukan sudut kontak dan aksi kapiler.

Sudut kontak θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (persamaan Young)

Contoh: Air di atas kaca memiliki θ rendah (adhesi > kohesi) → menyebar. Raksa di atas kaca memiliki θ tinggi (kohesi >> adhesi) → membentuk manik-manik.

Eksperimen kuantitatif pertama tentang tegangan permukaan

Fisikawan Jerman Segner mempelajari jarum yang mengapung dan mengamati bahwa permukaan air berperilaku seperti membran yang diregangkan. Dia menghitung gaya tetapi tidak memiliki teori molekuler untuk menjelaskan fenomena tersebut.

Persamaan Young untuk sudut kontak

Polimat Inggris Young menurunkan hubungan antara tegangan permukaan, sudut kontak, dan pembasahan: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Persamaan fundamental ini masih digunakan hingga saat ini dalam ilmu material dan mikrofluida.

Persamaan Young-Laplace untuk tekanan

Laplace menurunkan ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂), menunjukkan bahwa antarmuka melengkung memiliki perbedaan tekanan. Ini menjelaskan mengapa gelembung kecil memiliki tekanan internal yang lebih tinggi daripada yang besar—penting untuk memahami fisiologi paru-paru dan stabilitas emulsi.

Teori molekuler tegangan permukaan

Fisikawan Belanda van der Waals menjelaskan tegangan permukaan menggunakan gaya antarmolekul. Karyanya tentang daya tarik molekuler membuatnya memenangkan Hadiah Nobel tahun 1910 dan meletakkan dasar untuk memahami kapilaritas, adhesi, dan titik kritis.

Lapisan tunggal dan kimia permukaan

Langmuir mempelajari film molekuler di permukaan air, menciptakan bidang kimia permukaan. Karyanya tentang surfaktan, adsorpsi, dan orientasi molekuler membuatnya memenangkan Hadiah Nobel tahun 1932. Film Langmuir-Blodgett dinamai menurut namanya.

Tegangan permukaan menentukan pembasahan, penyebaran, dan adhesi:

• Formulasi cat: Sesuaikan γ ke 25-35 mN/m untuk penyebaran optimal pada substrat
• Pencetakan ink-jet: Tinta harus memiliki γ < substrat untuk pembasahan (biasanya 25-40 mN/m)
• Perlakuan korona: Meningkatkan energi permukaan polimer dari 30 → 50+ mN/m untuk adhesi
• Pelapis bubuk: Tegangan permukaan rendah membantu perataan dan pengembangan kilap
• Pelapis anti-grafiti: γ rendah (15-20 mN/m) mencegah adhesi cat
• Kontrol kualitas: Tensiometer cincin du Noüy untuk konsistensi antar-batch

Deterjen bekerja dengan mengurangi tegangan permukaan:

• Air murni: γ = 72.8 mN/m (tidak meresap dengan baik ke dalam kain)
• Air + sabun: γ = 25-30 mN/m (meresap, membasahi, menghilangkan minyak)
• Konsentrasi Misel Kritis (CMC): γ turun tajam hingga CMC, kemudian mendatar
• Zat pembasah: Pembersih industri mengurangi γ hingga <30 mN/m
• Cairan pencuci piring: Diformulasikan untuk γ ≈ 27-30 mN/m untuk menghilangkan lemak
• Penyemprot pestisida: Tambahkan surfaktan untuk mengurangi γ untuk cakupan daun yang lebih baik

Tegangan antarmuka antara minyak dan air memengaruhi ekstraksi:

• Tegangan antarmuka minyak-air: Biasanya 20-50 mN/m
• Peningkatan Perolehan Minyak (EOR): Suntikkan surfaktan untuk mengurangi γ hingga <0.01 mN/m
• γ rendah → tetesan minyak teremulsi → mengalir melalui batuan berpori → peningkatan perolehan
• Karakterisasi minyak mentah: Kandungan aromatik memengaruhi tegangan permukaan
• Aliran pipa: γ yang lebih rendah mengurangi stabilitas emulsi, membantu pemisahan
• Metode tetesan gantung mengukur γ pada suhu/tekanan reservoir

Tegangan permukaan sangat penting untuk proses kehidupan:

• Surfaktan paru-paru: Mengurangi γ alveolar dari 70 menjadi 25 mN/m, mencegah kolaps
• Bayi prematur: Sindrom gangguan pernapasan karena surfaktan yang tidak mencukupi
• Membran sel: γ lapisan ganda lipid ≈ 0.1-2 mN/m (sangat rendah untuk fleksibilitas)
• Plasma darah: γ ≈ 50-60 mN/m, meningkat pada penyakit (diabetes, aterosklerosis)
• Lapisan air mata: Struktur berlapis-lapis dengan lapisan lipid yang mengurangi penguapan
• Pernapasan serangga: Sistem trakea mengandalkan tegangan permukaan untuk mencegah masuknya air

Serangga air (Gerridae) memanfaatkan tegangan permukaan air yang tinggi (72.8 mN/m) untuk menopang 15 kali berat badan mereka. Kaki mereka dilapisi dengan rambut berlilin yang superhidrofobik (sudut kontak >150°). Setiap kaki membuat lekukan di permukaan air, dan tegangan permukaan memberikan gaya ke atas. Jika Anda menambahkan sabun (mengurangi γ menjadi 30 mN/m), mereka akan langsung tenggelam!

Tegangan permukaan bekerja untuk meminimalkan luas permukaan untuk volume tertentu. Bola memiliki luas permukaan minimum untuk volume apa pun (ketidaksetaraan isoperimetrik). Gelembung sabun menunjukkan ini dengan indah: udara di dalam mendorong keluar, tegangan permukaan menarik ke dalam, dan keseimbangan menciptakan bola yang sempurna. Gelembung non-bola (seperti kubik dalam bingkai kawat) memiliki energi lebih tinggi dan tidak stabil.

Paru-paru bayi baru lahir mengandung surfaktan paru-paru (fosfolipid + protein) yang mengurangi tegangan permukaan alveolar dari 70 menjadi 25 mN/m. Tanpanya, alveoli akan kolaps saat menghembuskan napas (atelektasis). Bayi prematur kekurangan surfaktan yang cukup, menyebabkan Sindrom Gangguan Pernapasan (RDS). Sebelum terapi surfaktan sintetis (1990-an), RDS adalah penyebab utama kematian neonatal. Sekarang, tingkat kelangsungan hidup melebihi 95%.

Tuangkan anggur ke dalam gelas dan perhatikan: tetesan terbentuk di sisi, merayap ke atas, dan jatuh kembali—'air mata anggur'. Ini adalah efek Marangoni: alkohol menguap lebih cepat daripada air, menciptakan gradien tegangan permukaan (γ bervariasi secara spasial). Cairan mengalir dari daerah γ rendah ke daerah γ tinggi, menarik anggur ke atas. Ketika tetesan menjadi cukup berat, gravitasi menang dan mereka jatuh. Aliran Marangoni sangat penting dalam pengelasan, pelapisan, dan pertumbuhan kristal.

Molekul sabun bersifat amfifilik: ekor hidrofobik (benci air) + kepala hidrofilik (suka air). Dalam larutan, ekor menonjol keluar dari permukaan air, mengganggu ikatan hidrogen dan mengurangi γ dari 72 menjadi 25-30 mN/m. Pada Konsentrasi Misel Kritis (CMC), molekul membentuk misel bola dengan ekor di dalam (menjebak minyak) dan kepala di luar. Inilah mengapa sabun menghilangkan lemak: minyak larut di dalam misel dan terbilas.

Jatuhkan kristal kamper ke atas air dan ia akan melesat di permukaan seperti perahu kecil. Kamper larut secara asimetris, menciptakan gradien tegangan permukaan (γ lebih tinggi di belakang, lebih rendah di depan). Permukaan menarik kristal ke arah daerah γ tinggi—motor tegangan permukaan! Ini didemonstrasikan oleh fisikawan C.V. Boys pada tahun 1890. Ahli kimia modern menggunakan propulsi Marangoni serupa untuk mikrorobot dan kendaraan pengiriman obat.

Ini adalah hubungan termodinamika fundamental, bukan kebetulan. Secara dimensi: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² dan [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Mereka memiliki dimensi dasar yang identik! Secara fisik: membuat 1 m² permukaan baru membutuhkan kerja = gaya × jarak = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Jadi γ yang diukur sebagai gaya/panjang sama dengan γ yang diukur sebagai energi/area. Air @ 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (angka yang sama, interpretasi ganda).

Kohesi: daya tarik antara molekul sejenis (air-air). Adhesi: daya tarik antara molekul yang berbeda (air-kaca). Kohesi tinggi → tegangan permukaan tinggi → tetesan membentuk manik-manik (raksa di atas kaca). Adhesi tinggi relatif terhadap kohesi → cairan menyebar (air di atas kaca bersih). Keseimbangan menentukan sudut kontak θ melalui persamaan Young: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Pembasahan terjadi ketika θ < 90°; pembentukan manik-manik ketika θ > 90°. Permukaan superhidrofobik (daun teratai) memiliki θ > 150°.

Molekul sabun bersifat amfifilik: ekor hidrofobik + kepala hidrofilik. Di antarmuka air-udara, ekor mengarah ke luar (menghindari air), dan kepala mengarah ke dalam (tertarik oleh air). Ini mengganggu ikatan hidrogen antara molekul air di permukaan, mengurangi tegangan permukaan dari 72.8 menjadi 25-30 mN/m. γ yang lebih rendah memungkinkan air membasahi kain dan menembus lemak. Pada Konsentrasi Misel Kritis (CMC, biasanya 0.1-1%), molekul membentuk misel yang melarutkan minyak.

Suhu yang lebih tinggi memberi molekul lebih banyak energi kinetik, melemahkan daya tarik antarmolekul (ikatan hidrogen, gaya van der Waals). Molekul permukaan memiliki tarikan bersih ke dalam yang lebih sedikit → tegangan permukaan lebih rendah. Untuk air: γ menurun ~0.15 mN/m per °C. Pada suhu kritis (374°C untuk air, 647 K), perbedaan cair-gas menghilang dan γ → 0. Aturan Eötvös mengkuantifikasi ini: γ·V^(2/3) = k(T_c - T) di mana V = volume molar, T_c = suhu kritis.

Empat metode utama: (1) Cincin du Noüy: Cincin platina ditarik dari permukaan, gaya diukur (paling umum, ±0.1 mN/m). (2) Lempeng Wilhelmy: Lempeng tipis digantung menyentuh permukaan, gaya diukur secara terus-menerus (presisi tertinggi, ±0.01 mN/m). (3) Tetesan gantung: Bentuk tetesan dianalisis secara optik menggunakan persamaan Young-Laplace (berfungsi pada T/P tinggi). (4) Kenaikan kapiler: Cairan naik dalam tabung sempit, tinggi diukur: γ = ρghr/(2cosθ) di mana ρ = densitas, h = tinggi, r = jari-jari, θ = sudut kontak.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) menggambarkan perbedaan tekanan di seluruh antarmuka melengkung. R₁ dan R₂ adalah jari-jari kelengkungan utama. Untuk bola (gelembung, tetesan): ΔP = 2γ/R. Gelembung kecil memiliki tekanan internal yang lebih tinggi daripada yang besar. Contoh: tetesan air 1 mm memiliki ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Ini menjelaskan mengapa gelembung kecil dalam busa menyusut (gas berdifusi dari kecil ke besar) dan mengapa alveoli paru-paru membutuhkan surfaktan (mengurangi γ agar tidak kolaps).

Raksa: Kohesi kuat (ikatan logam, γ = 486 mN/m) >> adhesi lemah ke kaca → sudut kontak θ ≈ 140° → membentuk manik-manik. Air: Kohesi sedang (ikatan hidrogen, γ = 72.8 mN/m) < adhesi kuat ke kaca (ikatan hidrogen dengan gugus -OH permukaan) → θ ≈ 0-20° → menyebar. Persamaan Young: cos θ = (γ_padat-uap - γ_padat-cair)/γ_cair-uap. Ketika adhesi > kohesi, cos θ > 0, jadi θ < 90° (pembasahan).

Tidak. Tegangan permukaan selalu positif—ini mewakili biaya energi untuk membuat area permukaan baru. γ negatif berarti permukaan akan mengembang secara spontan, melanggar termodinamika (entropi meningkat, tetapi fase curah lebih stabil). Namun, tegangan antarmuka antara dua cairan bisa sangat rendah (mendekati nol): dalam peningkatan perolehan minyak, surfaktan mengurangi γ minyak-air hingga <0.01 mN/m, menyebabkan emulsifikasi spontan. Pada titik kritis, γ = 0 persis (perbedaan cair-gas menghilang).