Daya yang bertindak di sepanjang garisan pada permukaan cecair

Diukur dalam newton per meter (N/m) atau dyne per sentimeter (dyn/cm). Jika anda bayangkan bingkai dengan sisi boleh gerak yang bersentuhan dengan filem cecair, ketegangan permukaan ialah daya yang menarik sisi itu dibahagikan dengan panjangnya. Ini adalah definisi mekanikal.

Formula: γ = F/L di mana F = daya, L = panjang tepi

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

Tenaga yang diperlukan untuk mencipta luas permukaan baru

Diukur dalam joule per meter persegi (J/m²) atau erg per sentimeter persegi (erg/cm²). Mencipta luas permukaan baru memerlukan kerja menentang daya antara molekul. Secara angka ia sama dengan ketegangan permukaan tetapi mewakili perspektif tenaga dan bukannya perspektif daya.

Formula: γ = E/A di mana E = tenaga, A = peningkatan luas permukaan

Contoh: Air @ 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (nombor yang sama, tafsiran dwi)

Daya antara molekul menentukan kelakuan permukaan

Lekitan: tarikan antara molekul yang sama (cecair-cecair). Lekatan: tarikan antara molekul yang berbeza (cecair-pepejal). Lekitan tinggi → ketegangan permukaan tinggi → titisan membentuk manik. Lekatan tinggi → cecair merebak (pembasahan). Keseimbangan menentukan sudut sentuhan dan tindakan kapilari.

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

Contoh: Air di atas kaca mempunyai θ yang rendah (lekatan > lekitan) → merebak. Raksa di atas kaca mempunyai θ yang tinggi (lekitan >> lekatan) → membentuk manik.

Eksperimen kuantitatif pertama mengenai ketegangan permukaan

Fizikawan Jerman Segner mengkaji jarum terapung dan memerhatikan bahawa permukaan air berkelakuan seperti membran yang diregangkan. Beliau mengira daya tetapi tidak mempunyai teori molekul untuk menjelaskan fenomena tersebut.

Persamaan Young untuk sudut sentuhan

Polimat British Young menerbitkan hubungan antara ketegangan permukaan, sudut sentuhan, dan pembasahan: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Persamaan asas ini masih digunakan hari ini dalam sains bahan dan mikrofluidik.

Persamaan Young-Laplace untuk tekanan

Laplace menerbitkan ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂), menunjukkan bahawa antara muka melengkung mempunyai perbezaan tekanan. Ia menjelaskan mengapa gelembung kecil mempunyai tekanan dalaman yang lebih tinggi daripada yang besar—penting untuk memahami fisiologi paru-paru dan kestabilan emulsi.

Teori molekul ketegangan permukaan

Fizikawan Belanda van der Waals menjelaskan ketegangan permukaan menggunakan daya antara molekul. Kerja beliau mengenai tarikan molekul memenangi Hadiah Nobel 1910 dan meletakkan asas untuk memahami kapilariti, lekatan, dan titik genting.

Monolapisan dan kimia permukaan

Langmuir mengkaji filem molekul di permukaan air, mewujudkan bidang kimia permukaan. Kerja beliau mengenai surfaktan, penjerapan, dan orientasi molekul memenangi Hadiah Nobel 1932. Filem Langmuir-Blodgett dinamakan sempena beliau.

Ketegangan permukaan menentukan pembasahan, penyebaran, dan lekatan:

• Formulasi cat: Laraskan γ kepada 25-35 mN/m untuk penyebaran optimum pada substrat
• Percetakan ink-jet: Dakwat mesti mempunyai γ < substrat untuk pembasahan (biasanya 25-40 mN/m)
• Rawatan korona: Meningkatkan tenaga permukaan polimer dari 30 → 50+ mN/m untuk lekatan
• Salutan serbuk: Ketegangan permukaan yang rendah membantu meratakan dan membangunkan kilauan
• Salutan anti-grafiti: γ yang rendah (15-20 mN/m) menghalang lekatan cat
• Kawalan kualiti: Tensiometer cincin du Noüy untuk konsistensi dari batch ke batch

Detergen berfungsi dengan mengurangkan ketegangan permukaan:

• Air tulen: γ = 72.8 mN/m (tidak menembusi fabrik dengan baik)
• Air + sabun: γ = 25-30 mN/m (menembusi, membasahi, menanggalkan minyak)
• Kepekatan Misel Kritikal (CMC): γ menurun secara mendadak sehingga CMC, kemudian mendatar
• Agen pembasah: Pembersih industri mengurangkan γ kepada <30 mN/m
• Cecair pencuci pinggan: Diformulasikan kepada γ ≈ 27-30 mN/m untuk menanggalkan gris
• Penyembur racun perosak: Tambah surfaktan untuk mengurangkan γ untuk liputan daun yang lebih baik

Ketegangan antara muka antara minyak dan air mempengaruhi pengekstrakan:

• Ketegangan antara muka minyak-air: Lazimnya 20-50 mN/m
• Pemulihan Minyak Dipertingkat (EOR): Suntik surfaktan untuk mengurangkan γ kepada <0.01 mN/m
• γ yang rendah → titisan minyak teremulsi → mengalir melalui batuan berliang → pemulihan meningkat
• Pencirian minyak mentah: Kandungan aromatik mempengaruhi ketegangan permukaan
• Aliran paip: γ yang lebih rendah mengurangkan kestabilan emulsi, membantu pemisahan
• Kaedah titisan loket mengukur γ pada suhu/tekanan takungan

Ketegangan permukaan adalah penting untuk proses kehidupan:

• Surfaktan paru-paru: Mengurangkan γ alveolar dari 70 kepada 25 mN/m, menghalang keruntuhan
• Bayi pramatang: Sindrom kesukaran pernafasan akibat surfaktan yang tidak mencukupi
• Membran sel: γ dwilapisan lipid ≈ 0.1-2 mN/m (sangat rendah untuk fleksibiliti)
• Plasma darah: γ ≈ 50-60 mN/m, meningkat dalam penyakit (diabetes, aterosklerosis)
• Filem air mata: Struktur berbilang lapisan dengan lapisan lipid yang mengurangkan penyejatan
• Pernafasan serangga: Sistem trakea bergantung pada ketegangan permukaan untuk menghalang kemasukan air

Serangga air (Gerridae) mengeksploitasi ketegangan permukaan air yang tinggi (72.8 mN/m) untuk menyokong 15 kali ganda berat badan mereka. Kaki mereka disaluti dengan rambut berlilin yang superhidrofobik (sudut sentuhan >150°). Setiap kaki mencipta lekuk di permukaan air, dan ketegangan permukaan memberikan daya ke atas. Jika anda menambah sabun (mengurangkan γ kepada 30 mN/m), mereka akan tenggelam serta-merta!

Ketegangan permukaan bertindak untuk meminimumkan luas permukaan bagi isipadu tertentu. Sfera mempunyai luas permukaan minimum bagi sebarang isipadu (ketaksamaan isoperimetrik). Buih sabun menunjukkan ini dengan indah: udara di dalam menolak ke luar, ketegangan permukaan menarik ke dalam, dan keseimbangan mencipta sfera yang sempurna. Buih bukan sfera (seperti yang berbentuk kubus dalam bingkai dawai) mempunyai tenaga yang lebih tinggi dan tidak stabil.

Paru-paru bayi baru lahir mengandungi surfaktan pulmonari (fosfolipid + protein) yang mengurangkan ketegangan permukaan alveolar dari 70 kepada 25 mN/m. Tanpanya, alveoli akan runtuh semasa menghembus nafas (atelektasis). Bayi pramatang kekurangan surfaktan yang mencukupi, menyebabkan Sindrom Kesukaran Pernafasan (RDS). Sebelum terapi surfaktan sintetik (1990-an), RDS adalah punca utama kematian neonatal. Kini, kadar kelangsungan hidup melebihi 95%.

Tuangkan wain ke dalam gelas dan perhatikan: titisan terbentuk di sisi, naik ke atas, dan jatuh semula—'air mata wain.' Ini adalah kesan Marangoni: alkohol menyejat lebih cepat daripada air, mewujudkan kecerunan ketegangan permukaan (γ berbeza secara spatial). Cecair mengalir dari kawasan γ rendah ke kawasan γ tinggi, menarik wain ke atas. Apabila titisan menjadi cukup berat, graviti menang dan ia jatuh. Aliran Marangoni adalah penting dalam kimpalan, salutan, dan pertumbuhan kristal.

Molekul sabun adalah amfifilik: ekor hidrofobik (benci air) + kepala hidrofilik (suka air). Dalam larutan, ekor menonjol keluar dari permukaan air, mengganggu ikatan hidrogen dan mengurangkan γ dari 72 kepada 25-30 mN/m. Pada Kepekatan Misel Kritikal (CMC), molekul membentuk misel sfera dengan ekor di dalam (memerangkap minyak) dan kepala di luar. Inilah sebabnya sabun menanggalkan gris: minyak dilarutkan di dalam misel dan dicuci bersih.

Jatuhkan kristal kamfor ke atas air dan ia akan meluncur di permukaan seperti bot kecil. Kamfor larut secara tidak simetri, mewujudkan kecerunan ketegangan permukaan (γ lebih tinggi di belakang, lebih rendah di hadapan). Permukaan menarik kristal ke arah kawasan γ tinggi—sebuah motor ketegangan permukaan! Ini telah ditunjukkan oleh ahli fizik C.V. Boys pada tahun 1890. Ahli kimia moden menggunakan pendorongan Marangoni yang serupa untuk mikrorobot dan kenderaan penghantaran ubat.

Ini adalah hubungan termodinamik asas, bukan kebetulan. Dari segi dimensi: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² dan [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Mereka mempunyai dimensi asas yang sama! Secara fizikal: mencipta 1 m² permukaan baru memerlukan kerja = daya × jarak = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Jadi γ yang diukur sebagai daya/panjang adalah sama dengan γ yang diukur sebagai tenaga/luas. Air @ 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (nombor yang sama, tafsiran dwi).

Lekitan: tarikan antara molekul yang sama (air-air). Lekatan: tarikan antara molekul yang berbeza (air-kaca). Lekitan tinggi → ketegangan permukaan tinggi → titisan membentuk manik (raksa di atas kaca). Lekatan tinggi berbanding lekitan → cecair merebak (air di atas kaca bersih). Keseimbangan menentukan sudut sentuhan θ melalui persamaan Young: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Pembasahan berlaku apabila θ < 90°; pembentukan manik apabila θ > 90°. Permukaan superhidrofobik (daun teratai) mempunyai θ > 150°.

Molekul sabun adalah amfifilik: ekor hidrofobik + kepala hidrofilik. Di antara muka air-udara, ekor menghala ke luar (mengelakkan air), dan kepala menghala ke dalam (tertarik kepada air). Ini mengganggu ikatan hidrogen antara molekul air di permukaan, mengurangkan ketegangan permukaan dari 72.8 kepada 25-30 mN/m. γ yang lebih rendah membolehkan air membasahi fabrik dan menembusi gris. Pada Kepekatan Misel Kritikal (CMC, biasanya 0.1-1%), molekul membentuk misel yang melarutkan minyak.

Suhu yang lebih tinggi memberikan molekul lebih banyak tenaga kinetik, melemahkan tarikan antara molekul (ikatan hidrogen, daya van der Waals). Molekul permukaan mempunyai tarikan bersih ke dalam yang lebih sedikit → ketegangan permukaan yang lebih rendah. Untuk air: γ berkurangan ~0.15 mN/m setiap °C. Pada suhu genting (374°C untuk air, 647 K), perbezaan cecair-gas hilang dan γ → 0. Peraturan Eötvös mengkuantifikasikannya: γ·V^(2/3) = k(T_c - T) di mana V = isipadu molar, T_c = suhu genting.

Empat kaedah utama: (1) Cincin du Noüy: Cincin platinum ditarik dari permukaan, daya diukur (paling biasa, ±0.1 mN/m). (2) Plat Wilhelmy: Plat nipis digantung menyentuh permukaan, daya diukur secara berterusan (ketepatan tertinggi, ±0.01 mN/m). (3) Titisan loket: Bentuk titisan dianalisis secara optik menggunakan persamaan Young-Laplace (berfungsi pada T/P tinggi). (4) Kenaikan kapilari: Cecair naik dalam tiub sempit, ketinggian diukur: γ = ρghr/(2cosθ) di mana ρ = ketumpatan, h = ketinggian, r = jejari, θ = sudut sentuhan.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) menerangkan perbezaan tekanan merentasi antara muka melengkung. R₁ dan R₂ ialah jejari kelengkungan utama. Untuk sfera (gelembung, titisan): ΔP = 2γ/R. Gelembung kecil mempunyai tekanan dalaman yang lebih tinggi daripada yang besar. Contoh: titisan air 1 mm mempunyai ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Ini menjelaskan mengapa gelembung kecil dalam buih mengecut (gas meresap dari kecil ke besar) dan mengapa alveoli paru-paru memerlukan surfaktan (mengurangkan γ supaya ia tidak runtuh).

Raksa: Lekitan kuat (ikatan logam, γ = 486 mN/m) >> lekatan lemah kepada kaca → sudut sentuhan θ ≈ 140° → membentuk manik. Air: Lekitan sederhana (ikatan hidrogen, γ = 72.8 mN/m) < lekatan kuat kepada kaca (ikatan hidrogen dengan kumpulan -OH permukaan) → θ ≈ 0-20° → merebak. Persamaan Young: cos θ = (γ_pepejal-wap - γ_pepejal-cecair)/γ_cecair-wap. Apabila lekatan > lekitan, cos θ > 0, jadi θ < 90° (pembasahan).

Tidak. Ketegangan permukaan sentiasa positif—ia mewakili kos tenaga untuk mencipta luas permukaan baru. γ negatif bermakna permukaan akan mengembang secara spontan, melanggar termodinamik (entropi meningkat, tetapi fasa pukal lebih stabil). Walau bagaimanapun, ketegangan antara muka antara dua cecair boleh menjadi sangat rendah (hampir sifar): dalam pemulihan minyak dipertingkat, surfaktan mengurangkan γ minyak-air kepada <0.01 mN/m, menyebabkan pengemulsian spontan. Pada titik genting, γ = 0 dengan tepat (perbezaan cecair-gas hilang).