Spēks, kas darbojas gar līniju uz šķidruma virsmas

Mēra ņūtonos uz metru (N/m) vai dinos uz centimetru (dyn/cm). Ja jūs iedomājaties rāmi ar kustīgu malu saskarē ar šķidruma plēvi, virsmas spraigums ir spēks, kas velk šo malu, dalīts ar tās garumu. Tā ir mehāniskā definīcija.

Formula: γ = F/L, kur F = spēks, L = malas garums

Piemērs: Ūdens @ 20°C = 72.8 mN/m nozīmē 0.0728 N spēku uz metru malas

Enerģija, kas nepieciešama jauna virsmas laukuma izveidošanai

Mēra džoulos uz kvadrātmetru (J/m²) vai ergos uz kvadrātcentimetru (erg/cm²). Jauna virsmas laukuma izveidošana prasa darbu pret starpmolekulārajiem spēkiem. Skaitliski identisks virsmas spraigumam, bet atspoguļo enerģijas, nevis spēka perspektīvu.

Formula: γ = E/A, kur E = enerģija, A = virsmas laukuma pieaugums

Piemērs: Ūdens @ 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (tas pats skaitlis, dubulta interpretācija)

Starpmolekulārie spēki nosaka virsmas uzvedību

Kohēzija: pievilkšanās starp līdzīgām molekulām (šķidrums-šķidrums). Adhēzija: pievilkšanās starp atšķirīgām molekulām (šķidrums-ciets ķermenis). Augsta kohēzija → augsts virsmas spraigums → pilieni veido lodītes. Augsta adhēzija → šķidrums izplatās (slapināšana). Līdzsvars nosaka saskares leņķi un kapilāro darbību.

Saskares leņķis θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (Janga vienādojums)

Piemērs: Ūdenim uz stikla ir zems θ (adhēzija > kohēzija) → izplatās. Dzīvsudrabam uz stikla ir augsts θ (kohēzija >> adhēzija) → veido lodītes.

Pirmie kvantitatīvie eksperimenti ar virsmas spraigumu

Vācu fiziķis Segners pētīja peldošas adatas un novēroja, ka ūdens virsmas uzvedas kā izstieptas membrānas. Viņš aprēķināja spēkus, bet viņam trūka molekulārās teorijas, lai izskaidrotu parādību.

Janga vienādojums saskares leņķim

Britu polimāts Jangs atvasināja sakarību starp virsmas spraigumu, saskares leņķi un slapināšanu: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Šis fundamentālais vienādojums joprojām tiek izmantots materiālzinātnē un mikrofluidikā.

Janga-Laplasa vienādojums spiedienam

Laplass atvasināja ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂), parādot, ka izliektām saskarnēm ir spiediena atšķirības. Tas izskaidro, kāpēc maziem burbuļiem ir lielāks iekšējais spiediens nekā lieliem – tas ir kritiski svarīgi, lai izprastu plaušu fizioloģiju un emulsiju stabilitāti.

Virsmas spraiguma molekulārā teorija

Holandiešu fiziķis van der Vālss izskaidroja virsmas spraigumu, izmantojot starpmolekulāros spēkus. Viņa darbs par molekulāro pievilkšanos viņam nopelnīja 1910. gada Nobela prēmiju un lika pamatus kapilaritātes, adhēzijas un kritiskā punkta izpratnei.

Monoslāņi un virsmas ķīmija

Langmīrs pētīja molekulārās plēves uz ūdens virsmām, radot virsmas ķīmijas jomu. Viņa darbs par virsmaktīvajām vielām, adsorbciju un molekulāro orientāciju viņam nopelnīja 1932. gada Nobela prēmiju. Langmīra-Blodžetas plēves ir nosauktas viņa vārdā.

Virsmas spraigums nosaka slapināšanu, izplatīšanos un adhēziju:

• Krāsu formulēšana: Pielāgojiet γ līdz 25-35 mN/m optimālai izplatībai uz pamatnēm
• Tintes strūklas druka: Tintei jābūt ar γ < pamatnes, lai notiktu slapināšana (parasti 25-40 mN/m)
• Koronas apstrāde: Palielina polimēra virsmas enerģiju no 30 → 50+ mN/m adhēzijai
• Pulverkrāsas: Zems virsmas spraigums palīdz izlīdzināšanai un spīduma attīstībai
• Pret-grafiti pārklājumi: Zems γ (15-20 mN/m) novērš krāsas adhēziju
• Kvalitātes kontrole: du Noüy gredzena tensiometrs partiju konsekvencei

Mazgāšanas līdzekļi darbojas, samazinot virsmas spraigumu:

• Tīrs ūdens: γ = 72.8 mN/m (slikti iesūcas audumos)
• Ūdens + ziepes: γ = 25-30 mN/m (iesūcas, slapina, noņem eļļu)
• Kritiskā micellu koncentrācija (KMK): γ strauji krītas līdz KMK, pēc tam stabilizējas
• Slapināšanas līdzekļi: Rūpnieciskie tīrīšanas līdzekļi samazina γ līdz <30 mN/m
• Trauku mazgāšanas līdzeklis: Formulēts ar γ ≈ 27-30 mN/m tauku noņemšanai
• Pesticīdu smidzinātāji: Pievieno virsmaktīvās vielas, lai samazinātu γ labākai lapu pārklāšanai

Starpfāžu spraigums starp naftu un ūdeni ietekmē ieguvi:

• Naftas-ūdens starpfāžu spraigums: Parasti 20-50 mN/m
• Uzlabota naftas ieguve (EOR): Ievada virsmaktīvās vielas, lai samazinātu γ līdz <0.01 mN/m
• Zems γ → naftas pilieni emulģējas → plūst caur porainu iezi → palielināta ieguve
• Jēlnaftas raksturojums: Aromātisko savienojumu saturs ietekmē virsmas spraigumu
• Cauruļvadu plūsma: Zemāks γ samazina emulsijas stabilitāti, palīdz atdalīšanai
• Piekarinātā piliena metode mēra γ rezervuāra temperatūrā/spiedienā

Virsmas spraigums ir kritiski svarīgs dzīvības procesiem:

• Plaušu surfaktants: Samazina alveolu γ no 70 līdz 25 mN/m, novēršot kolapsu
• Priekšlaicīgi dzimuši zīdaiņi: Elpošanas distresa sindroms nepietiekama surfaktanta dēļ
• Šūnu membrānas: Lipīdu dubultslāņa γ ≈ 0.1-2 mN/m (ļoti zems elastībai)
• Asins plazma: γ ≈ 50-60 mN/m, paaugstināts slimību gadījumā (diabēts, ateroskleroze)
• Asaru plēve: Daudzslāņu struktūra ar lipīdu slāni, kas samazina iztvaikošanu
• Kukaiņu elpošana: Traheju sistēma balstās uz virsmas spraigumu, lai novērstu ūdens iekļūšanu

Ūdensmērītāji (Gerridae) izmanto ūdens augsto virsmas spraigumu (72.8 mN/m), lai noturētu 15 reizes lielāku svaru par savu ķermeņa svaru. Viņu kājas ir pārklātas ar vaskotiem matiņiem, kas ir superhidrofobiski (saskares leņķis >150°). Katra kāja izveido iedobi ūdens virsmā, un virsmas spraigums nodrošina spēku uz augšu. Ja pievienosiet ziepes (samazinot γ līdz 30 mN/m), viņi nekavējoties nogrims!

Virsmas spraigums darbojas, lai minimizētu virsmas laukumu dotam tilpumam. Sfērai ir minimālais virsmas laukums jebkuram tilpumam (izoperimetriskā nevienādība). Ziepju burbuļi to skaisti demonstrē: gaiss iekšpusē spiež uz āru, virsmas spraigums velk uz iekšu, un līdzsvars rada perfektu sfēru. Ne-sfēriskiem burbuļiem (piemēram, kubiskiem stiepļu rāmjos) ir lielāka enerģija un tie ir nestabili.

Jaundzimušo plaušas satur plaušu surfaktantu (fosfolipīdus + proteīnus), kas samazina alveolu virsmas spraigumu no 70 līdz 25 mN/m. Bez tā alveolas sabrūk izelpojot (atelekstāze). Priekšlaicīgi dzimušiem zīdaiņiem trūkst pietiekami daudz surfaktanta, kas izraisa elpošanas distresa sindromu (RDS). Pirms sintētiskā surfaktanta terapijas (1990. gadi) RDS bija galvenais jaundzimušo nāves cēlonis. Tagad izdzīvošanas rādītāji pārsniedz 95%.

Ielejiet vīnu glāzē un vērojiet: uz malām veidojas pilieni, kas kāpj uz augšu un pēc tam krīt atpakaļ – 'vīna asaras'. Tas ir Marangoni efekts: alkohols iztvaiko ātrāk nekā ūdens, radot virsmas spraiguma gradientus (γ mainās telpiski). Šķidrums plūst no zema γ apgabaliem uz augsta γ apgabaliem, velkot vīnu uz augšu. Kad pilieni kļūst pietiekami smagi, gravitācija uzvar un tie nokrīt. Marangoni plūsmas ir kritiskas metināšanā, pārklāšanā un kristālu audzēšanā.

Ziepju molekulas ir amfifiliskas: hidrofobiska aste (neieredz ūdeni) + hidrofila galva (mīl ūdeni). Šķīdumā astes izvirzās no ūdens virsmas, traucējot ūdeņraža saites un samazinot γ no 72 līdz 25-30 mN/m. Pie kritiskās micellu koncentrācijas (KMK) molekulas veido sfēriskas micellas ar astēm iekšpusē (ieslogojot eļļu) un galvām ārpusē. Tāpēc ziepes noņem taukus: eļļa tiek šķīdināta micellu iekšienē un nomazgāta.

Nometiet kampara kristālu uz ūdens, un tas skries pa virsmu kā maza laiva. Kampars šķīst asimetriski, radot virsmas spraiguma gradientu (augstāks γ aizmugurē, zemāks priekšā). Virsma velk kristālu uz augsta γ apgabaliem – virsmas spraiguma dzinējs! To 1890. gadā demonstrēja fiziķis C.V. Boiss. Mūsdienu ķīmiķi izmanto līdzīgu Marangoni piedziņu mikrorobotiem un zāļu piegādes transportlīdzekļiem.

Tā ir fundamentāla termodinamiska sakarība, nevis sagadīšanās. Dimensionāli: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² un [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Tiem ir identiskas pamatdimensijas! Fizikāli: lai izveidotu 1 m² jaunas virsmas, nepieciešams darbs = spēks × attālums = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Tātad γ, kas mērīts kā spēks/garums, ir vienāds ar γ, kas mērīts kā enerģija/laukums. Ūdens @ 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (tas pats skaitlis, dubulta interpretācija).

Kohēzija: pievilkšanās starp līdzīgām molekulām (ūdens-ūdens). Adhēzija: pievilkšanās starp atšķirīgām molekulām (ūdens-stikls). Augsta kohēzija → augsts virsmas spraigums → pilieni veido lodītes (dzīvsudrabs uz stikla). Augsta adhēzija attiecībā pret kohēziju → šķidrums izplatās (ūdens uz tīra stikla). Līdzsvars nosaka saskares leņķi θ, izmantojot Janga vienādojumu: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Slapināšana notiek, ja θ < 90°; lodīšu veidošanās, ja θ > 90°. Superhidrofobām virsmām (lotosa lapa) ir θ > 150°.

Ziepju molekulas ir amfifiliskas: hidrofobiska aste + hidrofila galva. Ūdens-gaisa saskarnē astes ir vērstas uz āru (izvairoties no ūdens), bet galvas – uz iekšu (pievilktas pie ūdens). Tas traucē ūdeņraža saites starp ūdens molekulām uz virsmas, samazinot virsmas spraigumu no 72.8 līdz 25-30 mN/m. Zemāks γ ļauj ūdenim slapināt audumus un iesūkties taukos. Pie kritiskās micellu koncentrācijas (KMK, parasti 0.1-1%) molekulas veido micellas, kas šķīdina eļļu.

Augstāka temperatūra dod molekulām vairāk kinētiskās enerģijas, vājinot starpmolekulārās pievilkšanās (ūdeņraža saites, van der Vālsa spēki). Virsmas molekulām ir mazāka tīrā vilkme uz iekšu → zemāks virsmas spraigums. Ūdenim: γ samazinās par ~0.15 mN/m uz °C. Kritiskajā temperatūrā (ūdenim 374°C, 647 K) šķidruma-gāzes atšķirība pazūd un γ → 0. Eötvös likums to kvantificē: γ·V^(2/3) = k(T_c - T), kur V = molārais tilpums, T_c = kritiskā temperatūra.

Četras galvenās metodes: (1) du Noüy gredzens: Platīna gredzens tiek vilkts no virsmas, tiek mērīts spēks (visizplatītākā, ±0.1 mN/m). (2) Wilhelmy plāksne: Plāna plāksne karājas, pieskaroties virsmai, spēks tiek mērīts nepārtraukti (augstākā precizitāte, ±0.01 mN/m). (3) Piekarināts piliens: Piliena forma tiek analizēta optiski, izmantojot Janga-Laplasa vienādojumu (darbojas augstā T/P). (4) Kapilārā pacelšanās: Šķidrums paceļas šaurā caurulē, tiek mērīts augstums: γ = ρghr/(2cosθ), kur ρ = blīvums, h = augstums, r = rādiuss, θ = saskares leņķis.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) apraksta spiediena atšķirību pāri izliektai saskarnei. R₁ un R₂ ir galvenie izliekuma rādiusi. Sfērai (burbulim, pilienam): ΔP = 2γ/R. Maziem burbuļiem ir lielāks iekšējais spiediens nekā lieliem. Piemērs: 1 mm ūdens pilienam ir ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Tas izskaidro, kāpēc mazi burbuļi putās sarūk (gāze difundē no maziem uz lieliem) un kāpēc plaušu alveolām ir nepieciešams surfaktants (samazina γ, lai tās nesabruktu).

Dzīvsudrabs: Spēcīga kohēzija (metāliskās saites, γ = 486 mN/m) >> vāja adhēzija pret stiklu → saskares leņķis θ ≈ 140° → veido lodītes. Ūdens: Mērena kohēzija (ūdeņraža saites, γ = 72.8 mN/m) < spēcīga adhēzija pret stiklu (ūdeņraža saites ar virsmas -OH grupām) → θ ≈ 0-20° → izplatās. Janga vienādojums: cos θ = (γ_ciets-tvaiks - γ_ciets-šķidrums)/γ_šķidrums-tvaiks. Kad adhēzija > kohēzija, cos θ > 0, tātad θ < 90° (slapināšana).

Nē. Virsmas spraigums vienmēr ir pozitīvs – tas atspoguļo enerģijas izmaksas jaunas virsmas laukuma izveidošanai. Negatīvs γ nozīmētu, ka virsmas spontāni izplestos, pārkāpjot termodinamiku (entropija palielinās, bet tilpuma fāze ir stabilāka). Tomēr starpfāžu spraigums starp diviem šķidrumiem var būt ļoti zems (tuvu nullei): uzlabotā naftas ieguvē virsmaktīvās vielas samazina naftas-ūdens γ līdz <0.01 mN/m, izraisot spontānu emulgāciju. Kritiskajā punktā γ = 0 precīzi (šķidruma-gāzes atšķirība pazūd).