Gaya sing tumindak ing sadawane garis ing permukaan cairan

Diukur ing newton saben meter (N/m) utawa dyne saben sentimeter (dyn/cm). Yen sampeyan mbayangake bingkai kanthi sisih sing bisa dipindhah sing kena film cairan, tegangan permukaan yaiku gaya sing narik sisih kasebut dibagi karo dawane. Iki definisi mekanis.

Rumus: γ = F/L ing endi F = gaya, L = dawa pinggiran

Conto: Banyu @ 20°C = 72.8 mN/m tegese 0.0728 N gaya saben meter pinggiran

Energi sing dibutuhake kanggo nggawe area permukaan anyar

Diukur ing joule saben meter persegi (J/m²) utawa erg saben sentimeter persegi (erg/cm²). Nggawe area permukaan anyar mbutuhake kerja nglawan gaya antarmolekul. Sacara numerik identik karo tegangan permukaan nanging nggambarake perspektif energi tinimbang perspektif gaya.

Rumus: γ = E/A ing endi E = energi, A = paningkatan area permukaan

Conto: Banyu @ 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (nomer sing padha, interpretasi ganda)

Gaya antarmolekul nemtokake prilaku permukaan

Kohesi: daya tarik antarane molekul sing padha (cairan-cairan). Adhesi: daya tarik antarane molekul sing beda (cairan-padhet). Kohesi dhuwur → tegangan permukaan dhuwur → tetesan mbentuk manik-manik. Adhesi dhuwur → cairan nyebar (mbanyoni). Keseimbangan nemtokake sudut kontak lan aksi kapiler.

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

Conto: Banyu ing kaca duwe θ sing sithik (adhesi > kohesi) → nyebar. Raksa ing kaca duwe θ sing dhuwur (kohesi >> adhesi) → mbentuk manik-manik.

Eksperimen kuantitatif pisanan babagan tegangan permukaan

Fisikawan Jerman Segner nyinaoni dom sing ngambang lan ngamati yen permukaan banyu tumindak kaya membran sing direntangake. Dheweke ngitung gaya nanging ora duwe teori molekuler kanggo nerangake fenomena kasebut.

Persamaan Young kanggo sudut kontak

Polimat Inggris Young nurunake hubungan antarane tegangan permukaan, sudut kontak, lan pembasahan: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Persamaan dhasar iki isih digunakake nganti saiki ing ilmu material lan mikrofluida.

Persamaan Young-Laplace kanggo tekanan

Laplace nurunake ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂), nuduhake yen antarmuka mlengkung duwe beda tekanan. Iki nerangake kenapa gelembung cilik duwe tekanan internal sing luwih dhuwur tinimbang sing gedhe—penting kanggo mangerteni fisiologi paru-paru lan stabilitas emulsi.

Teori molekuler tegangan permukaan

Fisikawan Walanda van der Waals nerangake tegangan permukaan nggunakake gaya antarmolekul. Karyane babagan daya tarik molekuler ndadekake dheweke menang Hadiah Nobel taun 1910 lan dadi dhasar kanggo mangerteni kapilaritas, adhesi, lan titik kritis.

Lapisan tunggal lan kimia permukaan

Langmuir nyinaoni film molekuler ing permukaan banyu, nggawe bidang kimia permukaan. Karyane babagan surfaktan, adsorpsi, lan orientasi molekuler ndadekake dheweke menang Hadiah Nobel taun 1932. Film Langmuir-Blodgett dijenengi miturut jenenge.

Tegangan permukaan nemtokake pembasahan, penyebaran, lan adhesi:

• Formulasi cat: Setel γ dadi 25-35 mN/m kanggo penyebaran optimal ing substrat
• Pencetakan ink-jet: Tinta kudu duwe γ < substrat kanggo pembasahan (biasane 25-40 mN/m)
• Perawatan korona: Nambah energi permukaan polimer saka 30 → 50+ mN/m kanggo adhesi
• Lapisan bubuk: Tegangan permukaan sing sithik mbantu ngrata lan ngembangake kilap
• Lapisan anti-grafiti: γ sing sithik (15-20 mN/m) nyegah adhesi cat
• Kontrol kualitas: Tensiometer cincin du Noüy kanggo konsistensi antar-batch

Deterjen kerja kanthi nyuda tegangan permukaan:

• Banyu murni: γ = 72.8 mN/m (ora nembus kain kanthi becik)
• Banyu + sabun: γ = 25-30 mN/m (nembus, mbanyoni, ngilangi lenga)
• Konsentrasi Misel Kritis (CMC): γ mudhun tajem nganti CMC, banjur rata
• Zat pembasah: Pembersih industri nyuda γ nganti <30 mN/m
• Cairan pencuci piring: Diformulasikake kanggo γ ≈ 27-30 mN/m kanggo ngilangi lemak
• Penyemprot pestisida: Tambah surfaktan kanggo nyuda γ kanggo cakupan godhong sing luwih apik

Tegangan antarmuka antarane minyak lan banyu mengaruhi ekstraksi:

• Tegangan antarmuka minyak-banyu: Biasane 20-50 mN/m
• Peningkatan Perolehan Minyak (EOR): Suntikake surfaktan kanggo nyuda γ nganti <0.01 mN/m
• γ sing sithik → tetesan minyak teremulsi → mili liwat watu berpori → paningkatan perolehan
• Karakterisasi minyak mentah: Kandungan aromatik mengaruhi tegangan permukaan
• Aliran pipa: γ sing luwih sithik nyuda stabilitas emulsi, mbantu misahake
• Metode tetesan gantung ngukur γ ing suhu/tekanan reservoir

Tegangan permukaan penting banget kanggo proses urip:

• Surfaktan paru-paru: Nyuda γ alveolar saka 70 dadi 25 mN/m, nyegah kolaps
• Bayi prematur: Sindrom gangguan pernapasan amarga surfaktan sing ora cukup
• Membran sel: γ lapisan ganda lipid ≈ 0.1-2 mN/m (sithik banget kanggo fleksibilitas)
• Plasma getih: γ ≈ 50-60 mN/m, mundhak ing penyakit (diabetes, aterosklerosis)
• Lapisan eluh: Struktur berlapis-lapis kanthi lapisan lipid sing nyuda penguapan
• Pernapasan serangga: Sistem trakea gumantung ing tegangan permukaan kanggo nyegah banyu mlebu

Anggang-anggang (Gerridae) nggunakake tegangan permukaan banyu sing dhuwur (72.8 mN/m) kanggo nyangga 15 tikel bobot awake. Sikile dilapisi rambut lilin sing superhidrofobik (sudut kontak >150°). Saben sikil nggawe lekukan ing permukaan banyu, lan tegangan permukaan menehi gaya munggah. Yen sampeyan nambahake sabun (nyuda γ dadi 30 mN/m), dheweke langsung klelep!

Tegangan permukaan kerja kanggo minimalake area permukaan kanggo volume tartamtu. Bal duwe area permukaan minimal kanggo volume apa wae (ketidaksetaraan isoperimetrik). Gelembung sabun nuduhake iki kanthi apik: udara ing njero nyurung metu, tegangan permukaan narik mlebu, lan keseimbangan nggawe bal sing sampurna. Gelembung non-bola (kaya kubik ing bingkai kawat) duwe energi luwih dhuwur lan ora stabil.

Paru-paru bayi sing nembe lair ngandhut surfaktan paru-paru (fosfolipid + protein) sing nyuda tegangan permukaan alveolar saka 70 dadi 25 mN/m. Tanpa iku, alveoli bakal ambruk nalika ngembusake napas (atelektasis). Bayi prematur kurang surfaktan sing cukup, nyebabake Sindrom Gangguan Pernapasan (RDS). Sadurunge terapi surfaktan sintetis (1990-an), RDS minangka panyebab utama kematian neonatal. Saiki, tingkat kaslametan ngluwihi 95%.

Tuangake anggur menyang gelas lan delengen: tetesan mbentuk ing sisih, munggah, lan tiba maneh—'eluhe anggur'. Iki efek Marangoni: alkohol nguap luwih cepet tinimbang banyu, nggawe gradien tegangan permukaan (γ beda-beda sacara spasial). Cairan mili saka daerah γ sing sithik menyang daerah γ sing dhuwur, narik anggur munggah. Nalika tetesan dadi cukup abot, gravitasi menang lan dheweke tiba. Aliran Marangoni penting banget ing pengelasan, pelapisan, lan pertumbuhan kristal.

Molekul sabun iku amfifilik: buntut hidrofobik (sengit banyu) + endhas hidrofilik (seneng banyu). Ing larutan, buntut nonjol metu saka permukaan banyu, ngganggu ikatan hidrogen lan nyuda γ saka 72 dadi 25-30 mN/m. Ing Konsentrasi Misel Kritis (CMC), molekul mbentuk misel bal kanthi buntut ing njero (nangkep lenga) lan endhas ing njaba. Mula iku sabun ngilangi lemak: lenga larut ing njero misel lan dikumbah.

Tibaake kristal kamper ing banyu lan bakal mlaku ing permukaan kaya prau cilik. Kamper larut kanthi asimetris, nggawe gradien tegangan permukaan (γ luwih dhuwur ing mburi, luwih sithik ing ngarep). Permukaan narik kristal menyang daerah γ sing dhuwur—motor tegangan permukaan! Iki didemonstrasekake dening fisikawan C.V. Boys ing taun 1890. Ahli kimia modern nggunakake propulsi Marangoni sing padha kanggo mikrorobot lan kendaraan pengiriman obat.

Iki hubungan termodinamika dhasar, dudu kebetulan. Sacara dimensi: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² lan [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Dheweke duwe dimensi dhasar sing identik! Sacara fisik: nggawe 1 m² permukaan anyar mbutuhake kerja = gaya × jarak = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Dadi γ sing diukur minangka gaya/dawa padha karo γ sing diukur minangka energi/area. Banyu @ 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (nomer sing padha, interpretasi ganda).

Kohesi: daya tarik antarane molekul sing padha (banyu-banyu). Adhesi: daya tarik antarane molekul sing beda (banyu-kaca). Kohesi dhuwur → tegangan permukaan dhuwur → tetesan mbentuk manik-manik (raksa ing kaca). Adhesi dhuwur relatif marang kohesi → cairan nyebar (banyu ing kaca sing resik). Keseimbangan nemtokake sudut kontak θ liwat persamaan Young: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Pembasahan dumadi nalika θ < 90°; pembentukan manik-manik nalika θ > 90°. Permukaan superhidrofobik (godhong teratai) duwe θ > 150°.

Molekul sabun iku amfifilik: buntut hidrofobik + endhas hidrofilik. Ing antarmuka banyu-udara, buntut madhep metu (ngindari banyu), lan endhas madhep mlebu (ditarik dening banyu). Iki ngganggu ikatan hidrogen antarane molekul banyu ing permukaan, nyuda tegangan permukaan saka 72.8 dadi 25-30 mN/m. γ sing luwih sithik ngidini banyu mbanyoni kain lan nembus lemak. Ing Konsentrasi Misel Kritis (CMC, biasane 0.1-1%), molekul mbentuk misel sing nglarutake lenga.

Suhu sing luwih dhuwur menehi molekul luwih akeh energi kinetik, nglemahake daya tarik antarmolekul (ikatan hidrogen, gaya van der Waals). Molekul permukaan duwe tarikan net mlebu sing luwih sithik → tegangan permukaan sing luwih sithik. Kanggo banyu: γ suda ~0.15 mN/m saben °C. Ing suhu kritis (374°C kanggo banyu, 647 K), bedane cair-gas ilang lan γ → 0. Aturan Eötvös ngitung iki: γ·V^(2/3) = k(T_c - T) ing endi V = volume molar, T_c = suhu kritis.

Papat metode utama: (1) Cincin du Noüy: Cincin platina ditarik saka permukaan, gaya diukur (paling umum, ±0.1 mN/m). (2) Lempeng Wilhelmy: Lempeng tipis digantung ndemek permukaan, gaya diukur terus-terusan (presisi paling dhuwur, ±0.01 mN/m). (3) Tetesan gantung: Bentuk tetesan dianalisis kanthi optik nggunakake persamaan Young-Laplace (bisa digunakake ing T/P dhuwur). (4) Munggah kapiler: Cairan munggah ing tabung sempit, dhuwur diukur: γ = ρghr/(2cosθ) ing endi ρ = densitas, h = dhuwur, r = jari-jari, θ = sudut kontak.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) nggambarake beda tekanan ing sadawane antarmuka sing mlengkung. R₁ lan R₂ yaiku jari-jari kelengkungan utama. Kanggo bal (gelembung, tetesan): ΔP = 2γ/R. Gelembung cilik duwe tekanan internal sing luwih dhuwur tinimbang sing gedhe. Conto: tetesan banyu 1 mm duwe ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Iki nerangake kenapa gelembung cilik ing busa nyusut (gas nyebar saka cilik menyang gedhe) lan kenapa alveoli paru-paru mbutuhake surfaktan (nyuda γ supaya ora ambruk).

Raksa: Kohesi kuwat (ikatan logam, γ = 486 mN/m) >> adhesi lemah menyang kaca → sudut kontak θ ≈ 140° → mbentuk manik-manik. Banyu: Kohesi sedheng (ikatan hidrogen, γ = 72.8 mN/m) < adhesi kuwat menyang kaca (ikatan hidrogen karo gugus -OH permukaan) → θ ≈ 0-20° → nyebar. Persamaan Young: cos θ = (γ_padhet-uap - γ_padhet-cair)/γ_cair-uap. Nalika adhesi > kohesi, cos θ > 0, dadi θ < 90° (pembasahan).

Ora. Tegangan permukaan tansah positif—iki nggambarake biaya energi kanggo nggawe area permukaan anyar. γ negatif tegese permukaan bakal nggedhekake sacara spontan, nglanggar termodinamika (entropi mundhak, nanging fase akeh luwih stabil). Nanging, tegangan antarmuka antarane rong cairan bisa sithik banget (cedhak nol): ing peningkatan perolehan minyak, surfaktan nyuda γ minyak-banyu nganti <0.01 mN/m, nyebabake emulsifikasi spontan. Ing titik kritis, γ = 0 persis (bedane cair-gas ilang).