Сила што дејствува по должина на линија на површината на течноста

Се мери во њутни на метар (N/m) или дини на сантиметар (dyn/cm). Ако замислите рамка со подвижна страна во контакт со течен филм, површинскиот напон е силата што ја влече таа страна поделена со нејзината должина. Ова е механичката дефиниција.

Формула: γ = F/L каде F = сила, L = должина на работ

Пример: Вода на 20°C = 72.8 mN/m значи 0.0728 N сила на метар раб

Енергија потребна за создавање нова површина

Се мери во џули на квадратен метар (J/m²) или ерги на квадратен сантиметар (erg/cm²). Создавањето нова површина бара работа против меѓумолекуларните сили. Нумерички е идентична со површинскиот напон, но ја претставува енергетската перспектива наместо перспективата на силата.

Формула: γ = E/A каде E = енергија, A = зголемување на површината

Пример: Вода на 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (ист број, двојна интерпретација)

Меѓумолекуларните сили го одредуваат однесувањето на површината

Кохезија: привлекување помеѓу слични молекули (течност-течност). Адхезија: привлекување помеѓу различни молекули (течност-цврсто тело). Висока кохезија → висок површински напон → капките се собираат. Висока адхезија → течноста се шири (натопување). Балансот го одредува контактниот агол и капиларното дејство.

Контактен агол θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (Јангова равенка)

Пример: Водата на стакло има низок θ (адхезија > кохезија) → се шири. Живата на стакло има висок θ (кохезија >> адхезија) → се собира во капки.

Први квантитативни експерименти за површинскиот напон

Германскиот физичар Сегнер ги проучувал пловечките игли и забележал дека површините на водата се однесуваат како растегнати мембрани. Тој ги пресметал силите, но му недостасувала молекуларна теорија за да го објасни феноменот.

Јангова равенка за контактниот агол

Британскиот полимат Јанг ја извел врската помеѓу површинскиот напон, контактниот агол и натопувањето: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Оваа фундаментална равенка сè уште се користи денес во науката за материјали и микрофлуидиката.

Јанг-Лапласова равенка за притисокот

Лаплас ја извел ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂), покажувајќи дека закривените интерфејси имаат разлики во притисокот. Објаснува зошто малите меури имаат поголем внатрешен притисок од големите – што е клучно за разбирање на физиологијата на белите дробови и стабилноста на емулзиите.

Молекуларна теорија на површинскиот напон

Холандскиот физичар ван дер Валс го објаснил површинскиот напон користејќи меѓумолекуларни сили. Неговата работа за молекуларното привлекување му ја донела Нобеловата награда во 1910 година и ги поставила темелите за разбирање на капиларноста, адхезијата и критичната точка.

Монослоеви и површинска хемија

Лангмјур ги проучувал молекуларните филмови на површините на водата, создавајќи го полето на површинската хемија. Неговата работа за сурфактантите, адсорпцијата и молекуларната ориентација му ја донела Нобеловата награда во 1932 година. Филмовите Лангмјур-Блоџет се именувани по него.

Површинскиот напон го одредува натопувањето, ширењето и адхезијата:

• Формулација на боја: Прилагодете го γ на 25-35 mN/m за оптимално ширење на подлоги
• Инк-џет печатење: Мастилото мора да има γ < од подлогата за натопување (типично 25-40 mN/m)
• Корона третман: Ја зголемува површинската енергија на полимерот од 30 → 50+ mN/m за адхезија
• Прашкасти премази: Нискиот површински напон помага во израмнувањето и развојот на сјај
• Премази против графити: Нискиот γ (15-20 mN/m) спречува адхезија на бојата
• Контрола на квалитет: Тензиометар со прстен на Ду Нуи за конзистентност од серија до серија

Детергентите работат со намалување на површинскиот напон:

• Чиста вода: γ = 72.8 mN/m (не продира добро во ткаенини)
• Вода + сапун: γ = 25-30 mN/m (продира, натопува, отстранува масло)
• Критична Мицеларна Концентрација (КМК): γ нагло опаѓа до КМК, потоа се стабилизира
• Средства за натопување: Индустриските средства за чистење го намалуваат γ на <30 mN/m
• Течност за миење садови: Формулирана на γ ≈ 27-30 mN/m за отстранување на маснотии
• Прскалки за пестициди: Додадете сурфактанти за да се намали γ за подобра покриеност на листовите

Интерфацијалниот напон помеѓу нафтата и водата влијае на екстракцијата:

• Интерфацијален напон нафта-вода: Типично 20-50 mN/m
• Подобрено искористување на нафтата (EOR): Инјектирајте сурфактанти за да се намали γ на <0.01 mN/m
• Низок γ → капките нафта се емулгираат → течат низ порозна карпа → зголемено искористување
• Карактеризација на сурова нафта: Содржината на ароматични соединенија влијае на површинскиот напон
• Проток во цевководи: Понискиот γ ја намалува стабилноста на емулзијата, помага во раздвојувањето
• Методот на висечка капка го мери γ на температура/притисок на резервоарот

Површинскиот напон е клучен за животните процеси:

• Белодробен сурфактант: Го намалува алвеоларниот γ од 70 на 25 mN/m, спречувајќи колапс
• Предвремено родени бебиња: Синдром на респираторен дистрес поради недоволен сурфактант
• Клеточни мембрани: γ на липидниот двослој ≈ 0.1-2 mN/m (многу низок за флексибилност)
• Крвна плазма: γ ≈ 50-60 mN/m, зголемен при болести (дијабетес, атеросклероза)
• Солзен филм: Повеќеслојна структура со липиден слој што го намалува испарувањето
• Дишење на инсекти: Трахеалниот систем се потпира на површинскиот напон за да спречи влегување на вода

Водните пајаци (Gerridae) го искористуваат високиот површински напон на водата (72.8 mN/m) за да издржат 15 пати од својата телесна тежина. Нивните нозе се покриени со восочни влакна кои се суперхидрофобни (контактен агол >150°). Секоја нога создава вдлабнатина на површината на водата, а површинскиот напон обезбедува сила нагоре. Ако додадете сапун (намалувајќи го γ на 30 mN/m), тие веднаш тонат!

Површинскиот напон дејствува за да ја минимизира површината за даден волумен. Сферата има минимална површина за кој било волумен (изопериметриска нееднаквост). Сапунските меури го демонстрираат ова прекрасно: воздухот внатре турка нанадвор, површинскиот напон влече навнатре, а рамнотежата создава совршена сфера. Несферичните меури (како кубните во жичени рамки) имаат поголема енергија и се нестабилни.

Белите дробови на новороденчињата содржат белодробен сурфактант (фосфолипиди + протеини) што го намалува алвеоларниот површински напон од 70 на 25 mN/m. Без него, алвеолите колабираат при издишување (ателектаза). Предвремено родените бебиња немаат доволно сурфактант, што предизвикува Синдром на респираторен дистрес (RDS). Пред терапијата со синтетички сурфактант (1990-тите), RDS беше водечка причина за неонатална смрт. Сега, стапките на преживување надминуваат 95%.

Истурете вино во чаша и гледајте: се формираат капки на страните, се искачуваат нагоре и паѓаат надолу – 'солзите на виното'. Ова е Марангониевиот ефект: алкохолот испарува побрзо од водата, создавајќи градиенти на површинскиот напон (γ варира просторно). Течноста тече од региони со низок γ кон региони со висок γ, влечејќи го виното нагоре. Кога капките ќе станат доволно тешки, гравитацијата победува и тие паѓаат. Марангониевите текови се клучни во заварувањето, премачкувањето и растот на кристали.

Молекулите на сапунот се амфифилни: хидрофобна опашка (мрази вода) + хидрофилна глава (сака вода). Во раствор, опашките излегуваат од површината на водата, нарушувајќи ги водородните врски и намалувајќи го γ од 72 на 25-30 mN/m. На Критичната Мицеларна Концентрација (КМК), молекулите формираат сферични мицели со опашките внатре (заробувајќи масло) и главите надвор. Затоа сапунот ја отстранува маснотијата: маслото се раствора внатре во мицелите и се измива.

Фрлете кристал од камфор на вода и тој ќе се движи по површината како мало чамче. Камфорот се раствора асиметрично, создавајќи градиент на површинскиот напон (повисок γ позади, понизок напред). Површината го влече кристалот кон региони со висок γ – мотор на површински напон! Ова го демонстрирал физичарот Ч.В. Бојс во 1890 година. Современите хемичари користат слична Марангониева погонска сила за микророботи и возила за испорака на лекови.

Ова е фундаментална термодинамичка врска, а не случајност. Димензионално: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² и [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Тие имаат идентични основни димензии! Физички: создавањето на 1 m² нова површина бара работа = сила × растојание = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Значи, γ измерено како сила/должина е еднакво на γ измерено како енергија/површина. Вода на 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (ист број, двојна интерпретација).

Кохезија: привлекување помеѓу слични молекули (вода-вода). Адхезија: привлекување помеѓу различни молекули (вода-стакло). Висока кохезија → висок површински напон → капките се собираат (жива на стакло). Висока адхезија во однос на кохезијата → течноста се шири (вода на чисто стакло). Балансот го одредува контактниот агол θ преку Јанговата равенка: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Натопувањето се случува кога θ < 90°; собирањето во капки кога θ > 90°. Суперхидрофобните површини (лотосов лист) имаат θ > 150°.

Молекулите на сапунот се амфифилни: хидрофобна опашка + хидрофилна глава. На интерфејсот вода-воздух, опашките се ориентираат нанадвор (избегнувајќи вода), а главите навнатре (привлечени од водата). Ова ги нарушува водородните врски помеѓу молекулите на водата на површината, намалувајќи го површинскиот напон од 72.8 на 25-30 mN/m. Понискиот γ и овозможува на водата да ги натопи ткаенините и да навлезе во маснотијата. На Критичната Мицеларна Концентрација (КМК, типично 0.1-1%), молекулите формираат мицели кои го раствораат маслото.

Повисоката температура им дава на молекулите повеќе кинетичка енергија, ослабувајќи ги меѓумолекуларните привлекувања (водородни врски, ван дер Валсови сили). Површинските молекули имаат помало нето внатрешно привлекување → понизок површински напон. За водата: γ се намалува за ~0.15 mN/m по °C. На критичната температура (374°C за вода, 647 K), разликата помеѓу течност и гас исчезнува и γ → 0. Правилото на Етвеш го квантифицира ова: γ·V^(2/3) = k(T_c - T) каде V = моларен волумен, T_c = критична температура.

Четири главни методи: (1) Прстен на Ду Нуи: Платински прстен се влече од површината, се мери силата (најчесто, ±0.1 mN/m). (2) Плоча на Вилхелми: Тенка плоча виси допирајќи ја површината, силата се мери континуирано (највисока прецизност, ±0.01 mN/m). (3) Висечка капка: Обликот на капката се анализира оптички со помош на Јанг-Лапласовата равенка (работи на високи T/P). (4) Капиларно искачување: Течноста се искачува во тесна цевка, се мери висината: γ = ρghr/(2cosθ) каде ρ = густина, h = висина, r = радиус, θ = контактен агол.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) ја опишува разликата во притисокот низ закривен интерфејс. R₁ и R₂ се главните радиуси на закривеност. За сфера (меур, капка): ΔP = 2γ/R. Малите меури имаат поголем внатрешен притисок од големите. Пример: капка вода од 1 mm има ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Ова објаснува зошто малите меури во пената се смалуваат (гасот дифундира од мали кон големи) и зошто на белодробните алвеоли им е потребен сурфактант (го намалува γ за да не колабираат).

Жива: Силна кохезија (метални врски, γ = 486 mN/m) >> слаба адхезија на стакло → контактен агол θ ≈ 140° → се собира во капки. Вода: Умерена кохезија (водородни врски, γ = 72.8 mN/m) < силна адхезија на стакло (водородни врски со површинските -OH групи) → θ ≈ 0-20° → се шири. Јангова равенка: cos θ = (γ_цврсто-пареа - γ_цврсто-течност)/γ_течност-пареа. Кога адхезијата > кохезијата, cos θ > 0, па θ < 90° (натопување).

Не. Површинскиот напон е секогаш позитивен – тој го претставува енергетскиот трошок за создавање нова површина. Негативен γ би значел дека површините спонтано би се ширеле, нарушувајќи ја термодинамиката (ентропијата се зголемува, но масовната фаза е постабилна). Сепак, интерфацијалниот напон помеѓу две течности може да биде многу низок (блиску до нула): во подобреното искористување на нафтата, сурфактантите го намалуваат γ нафта-вода на <0.01 mN/m, предизвикувајќи спонтана емулзификација. На критичната точка, γ = 0 точно (разликата помеѓу течност и гас исчезнува).