Sila, ki deluje vzdolž črte na površini tekočine

Meri se v newtonih na meter (N/m) ali dinah na centimeter (dyn/cm). Če si predstavljate okvir s premično stranico v stiku s tekočim filmom, je površinska napetost sila, ki vleče to stranico, deljena z njeno dolžino. To je mehanska definicija.

Formula: γ = F/L, kjer je F = sila, L = dolžina roba

Primer: Voda pri 20°C = 72.8 mN/m pomeni 0.0728 N sile na meter roba

Energija, potrebna za ustvarjanje nove površine

Meri se v džulih na kvadratni meter (J/m²) ali ergih na kvadratni centimeter (erg/cm²). Ustvarjanje nove površine zahteva delo proti medmolekularnim silam. Numerično je enaka površinski napetosti, vendar predstavlja energetsko perspektivo namesto perspektive sile.

Formula: γ = E/A, kjer je E = energija, A = povečanje površine

Primer: Voda pri 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (ista številka, dvojna razlaga)

Medmolekularne sile določajo obnašanje površine

Kohezija: privlačnost med enakimi molekulami (tekočina-tekočina). Adhezija: privlačnost med različnimi molekulami (tekočina-trdno telo). Visoka kohezija → visoka površinska napetost → kapljice se združujejo. Visoka adhezija → tekočina se razširi (močenje). Ravnotežje določa kontaktni kot in kapilarno delovanje.

Kontaktni kot θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (Youngova enačba)

Primer: Voda na steklu ima nizek θ (adhezija > kohezije) → se razširi. Živo srebro na steklu ima visok θ (kohezija >> adhezije) → se združuje v kapljice.

Prvi kvantitativni poskusi s površinsko napetostjo

Nemški fizik Segner je preučeval plavajoče igle in opazil, da se vodne površine obnašajo kot napete membrane. Izračunal je sile, vendar mu je manjkala molekularna teorija za razlago pojava.

Youngova enačba za kontaktni kot

Britanski polimat Young je izpeljal razmerje med površinsko napetostjo, kontaktnim kotom in močenjem: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Ta temeljna enačba se še danes uporablja v znanosti o materialih in mikrofluidiki.

Young-Laplaceova enačba za tlak

Laplace je izpeljal ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂), s čimer je pokazal, da imajo ukrivljene mejne ploskve tlačne razlike. To pojasnjuje, zakaj imajo majhni mehurčki višji notranji tlak kot veliki – kar je ključno za razumevanje fiziologije pljuč in stabilnosti emulzij.

Molekularna teorija površinske napetosti

Nizozemski fizik van der Waals je pojasnil površinsko napetost z uporabo medmolekularnih sil. Njegovo delo o molekularni privlačnosti mu je prineslo Nobelovo nagrado leta 1910 in postavilo temelje za razumevanje kapilarnosti, adhezije in kritične točke.

Monoplasti in površinska kemija

Langmuir je preučeval molekularne filme na vodnih površinah in tako ustvaril področje površinske kemije. Njegovo delo o površinsko aktivnih snoveh, adsorpciji in molekularni orientaciji mu je prineslo Nobelovo nagrado leta 1932. Po njem so poimenovani Langmuir-Blodgettovi filmi.

Površinska napetost določa močenje, razširjanje in adhezijo:

• Formulacija barv: Prilagodite γ na 25-35 mN/m za optimalno razširjanje na podlagah
• Brizgalni tisk: Črnilo mora imeti γ < podlage za močenje (običajno 25-40 mN/m)
• Koronska obdelava: Poveča površinsko energijo polimera s 30 → 50+ mN/m za adhezijo
• Prašni premazi: Nizka površinska napetost pomaga pri izravnavi in razvoju sijaja
• Premazi proti grafitom: Nizek γ (15-20 mN/m) preprečuje adhezijo barve
• Nadzor kakovosti: Tenzimeter z du Noüyevim obročem za doslednost med serijami

Detergenti delujejo tako, da zmanjšajo površinsko napetost:

• Čista voda: γ = 72.8 mN/m (slabo prodira v tkanine)
• Voda + milo: γ = 25-30 mN/m (prodira, moči, odstranjuje olje)
• Kritična micelarna koncentracija (CMC): γ strmo pade do CMC, nato se ustali
• Sredstva za močenje: Industrijska čistila zmanjšajo γ na <30 mN/m
• Detergent za posodo: Formuliran za γ ≈ 27-30 mN/m za odstranjevanje maščobe
• Škropilnice za pesticide: Dodajte površinsko aktivne snovi za zmanjšanje γ za boljšo pokritost listov

Medfazna napetost med nafto in vodo vpliva na ekstrakcijo:

• Medfazna napetost nafta-voda: Običajno 20-50 mN/m
• Izboljšano pridobivanje nafte (EOR): Vbrizgajte površinsko aktivne snovi, da zmanjšate γ na <0.01 mN/m
• Nizek γ → kapljice nafte se emulgirajo → tečejo skozi porozno kamnino → povečano pridobivanje
• Karakterizacija surove nafte: Vsebnost aromatov vpliva na površinsko napetost
• Pretok v cevovodih: Nižji γ zmanjša stabilnost emulzije, pomaga pri ločevanju
• Metoda viseče kapljice meri γ pri temperaturi/tlaku v rezervoarju

Površinska napetost je ključna za življenjske procese:

• Pljučni surfaktant: Zmanjša alveolarno γ s 70 na 25 mN/m, preprečuje kolaps
• Nedonošenčki: Sindrom dihalne stiske zaradi pomanjkanja surfaktanta
• Celične membrane: γ lipidnega dvosloja ≈ 0.1-2 mN/m (zelo nizka za prožnost)
• Krvna plazma: γ ≈ 50-60 mN/m, povišana pri boleznih (diabetes, ateroskleroza)
• Solzni film: Večplastna struktura z lipidno plastjo, ki zmanjšuje izhlapevanje
• Dihanje žuželk: Trahealni sistem se zanaša na površinsko napetost, da prepreči vstop vode

Vodni drsalci (Gerridae) izkoriščajo visoko površinsko napetost vode (72.8 mN/m), da nosijo 15-kratnik svoje telesne teže. Njihove noge so prekrite z voščenimi dlačicami, ki so superhidrofobne (kontaktni kot >150°). Vsaka noga ustvari vdolbino na vodni površini, površinska napetost pa zagotavlja silo navzgor. Če dodate milo (zmanjšate γ na 30 mN/m), se takoj potopijo!

Površinska napetost deluje tako, da minimizira površino za določen volumen. Krogla ima najmanjšo površino za kateri koli volumen (izoperimetrična neenakost). Milni mehurčki to lepo prikazujejo: zrak v notranjosti potiska navzven, površinska napetost vleče navznoter, ravnotežje pa ustvari popolno kroglo. Ne-sferični mehurčki (kot so kubični v žičnih okvirjih) imajo višjo energijo in so nestabilni.

Pljuča novorojenčkov vsebujejo pljučni surfaktant (fosfolipidi + proteini), ki zmanjša alveolarno površinsko napetost s 70 na 25 mN/m. Brez njega alveoli med izdihom kolabirajo (atelektaza). Nedonošenčkom primanjkuje zadostnega surfaktanta, kar povzroča sindrom dihalne stiske (RDS). Pred terapijo s sintetičnim surfaktantom (1990-a) je bil RDS vodilni vzrok neonatalne smrti. Zdaj stopnje preživetja presegajo 95%.

Nalijte vino v kozarec in opazujte: na stenah se oblikujejo kapljice, se dvigajo navzgor in padajo nazaj dol – 'vinske solze'. To je Marangonijev učinek: alkohol izhlapeva hitreje kot voda, kar ustvarja gradiente površinske napetosti (γ se prostorsko spreminja). Tekočina teče iz območij z nizkim γ v območja z visokim γ, kar vleče vino navzgor. Ko kapljice postanejo dovolj težke, gravitacija zmaga in padejo. Marangonijevi tokovi so ključni pri varjenju, premazovanju in rasti kristalov.

Molekule mila so amfifilne: hidrofobni rep (sovraži vodo) + hidrofilna glava (ljubi vodo). V raztopini repi štrlijo iz vodne površine, motijo vodikove vezi in zmanjšajo γ s 72 na 25-30 mN/m. Pri kritični micelarni koncentraciji (CMC) molekule tvorijo sferične micele z repi znotraj (ujamejo olje) in glavami zunaj. Zato milo odstranjuje maščobo: olje se raztopi v micelah in se spere.

Spustite kristal kamforja na vodo in drvel bo po površini kot majhen čolniček. Kamfor se raztaplja asimetrično, kar ustvarja gradient površinske napetosti (višji γ zadaj, nižji spredaj). Površina vleče kristal proti območjem z visokim γ – motor na površinsko napetost! To je leta 1890 prikazal fizik C.V. Boys. Sodobni kemiki uporabljajo podoben Marangonijev pogon za mikrorobote in vozila za dostavo zdravil.

To je temeljna termodinamična povezava, ne naključje. Dimenzijsko: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² in [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Imata enake osnovne dimenzije! Fizikalno: ustvarjanje 1 m² nove površine zahteva delo = sila × razdalja = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Torej je γ, izmerjen kot sila/dolžina, enak γ, izmerjenemu kot energija/površina. Voda pri 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (ista številka, dvojna razlaga).

Kohezija: privlačnost med enakimi molekulami (voda-voda). Adhezija: privlačnost med različnimi molekulami (voda-steklo). Visoka kohezija → visoka površinska napetost → kapljice se združujejo (živo srebro na steklu). Visoka adhezija v primerjavi s kohezijo → tekočina se razširi (voda na čistem steklu). Ravnotežje določa kontaktni kot θ preko Youngove enačbe: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Močenje se zgodi, ko je θ < 90°; združevanje v kapljice, ko je θ > 90°. Superhidrofobne površine (lotosov list) imajo θ > 150°.

Molekule mila so amfifilne: hidrofobni rep + hidrofilna glava. Na meji med vodo in zrakom so repi usmerjeni navzven (izogibajo se vodi), glave pa navznoter (privlači jih voda). To moti vodikove vezi med vodnimi molekulami na površini, kar zmanjša površinsko napetost s 72.8 na 25-30 mN/m. Nižji γ omogoča vodi, da zmoči tkanine in prodre v maščobo. Pri kritični micelarni koncentraciji (CMC, običajno 0.1-1%) molekule tvorijo micele, ki raztapljajo olje.

Višja temperatura daje molekulam več kinetične energije, kar slabi medmolekularne privlačnosti (vodikove vezi, van der Waalsove sile). Površinske molekule imajo manjši neto notranji vlek → nižja površinska napetost. Za vodo: γ se zmanjša za ~0.15 mN/m na °C. Pri kritični temperaturi (374°C za vodo, 647 K) razlika med tekočino in plinom izgine, in γ → 0. Eötvösovo pravilo to kvantificira: γ·V^(2/3) = k(T_c - T), kjer je V = molski volumen, T_c = kritična temperatura.

Štiri glavne metode: (1) du Noüyev obroč: Platinasti obroč se vleče s površine, meri se sila (najpogostejša, ±0.1 mN/m). (2) Wilhelmyjeva ploščica: Tanka ploščica visi in se dotika površine, sila se meri neprekinjeno (najvišja natančnost, ±0.01 mN/m). (3) Viseča kapljica: Oblika kapljice se analizira optično z uporabo Young-Laplaceove enačbe (deluje pri visokih T/P). (4) Kapilarni dvig: Tekočina se dviga v ozki cevki, meri se višina: γ = ρghr/(2cosθ), kjer je ρ = gostota, h = višina, r = polmer, θ = kontaktni kot.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) opisuje tlačno razliko preko ukrivljene mejne ploskve. R₁ in R₂ sta glavna polmera ukrivljenosti. Za sfero (mehurček, kapljica): ΔP = 2γ/R. Majhni mehurčki imajo višji notranji tlak kot veliki. Primer: 1 mm vodna kapljica ima ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). To pojasnjuje, zakaj se majhni mehurčki v peni krčijo (plin difundira iz manjših v večje) in zakaj pljučni alveoli potrebujejo surfaktant (zmanjša γ, da ne kolabirajo).

Živo srebro: Močna kohezija (kovinske vezi, γ = 486 mN/m) >> šibka adhezija na steklo → kontaktni kot θ ≈ 140° → se združuje v kapljice. Voda: Zmerna kohezija (vodikove vezi, γ = 72.8 mN/m) < močna adhezija na steklo (vodikove vezi s površinskimi -OH skupinami) → θ ≈ 0-20° → se razširi. Youngova enačba: cos θ = (γ_trdno-para - γ_trdno-tekočina)/γ_tekočina-para. Ko je adhezija > kohezije, je cos θ > 0, zato je θ < 90° (močenje).

Ne. Površinska napetost je vedno pozitivna – predstavlja energetski strošek za ustvarjanje nove površine. Negativna γ bi pomenila, da bi se površine spontano širile, kar bi kršilo termodinamiko (entropija se povečuje, vendar je prostorninska faza stabilnejša). Vendar pa je lahko medfazna napetost med dvema tekočinama zelo nizka (blizu nič): pri izboljšanem pridobivanju nafte površinsko aktivne snovi zmanjšajo γ olje-voda na <0.01 mN/m, kar povzroči spontano emulgiranje. Na kritični točki je γ = 0 natančno (razlika med tekočino in plinom izgine).