Forca që vepron përgjatë një vije në sipërfaqen e lëngut

Maten në njuton për metër (N/m) ose dinë për centimetër (dyn/cm). Nëse imagjinoni një kornizë me një anë të lëvizshme në kontakt me një film lëngu, tensioni sipërfaqësor është forca që tërheq atë anë pjestuar me gjatësinë e saj. Ky është përkufizimi mekanik.

Formula: γ = F/L ku F = forca, L = gjatësia e skajit

Shembull: Uji @ 20°C = 72.8 mN/m do të thotë 0.0728 N forcë për metër skaji

Energjia e nevojshme për të krijuar sipërfaqe të re

Maten në xhaul për metër katror (J/m²) ose erg për centimetër katror (erg/cm²). Krijimi i një sipërfaqeje të re kërkon punë kundër forcave ndërmolekulare. Numerikisht identike me tensionin sipërfaqësor por përfaqëson perspektivën e energjisë në vend të perspektivës së forcës.

Formula: γ = E/A ku E = energjia, A = rritja e sipërfaqes

Shembull: Uji @ 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (i njëjti numër, interpretim i dyfishtë)

Forcat ndërmolekulare përcaktojnë sjelljen e sipërfaqes

Kohezioni: tërheqja midis molekulave të ngjashme (lëng-lëng). Adezioni: tërheqja midis molekulave të ndryshme (lëng-trup i ngurtë). Kohezion i lartë → tension i lartë sipërfaqësor → pikat formojnë rruaza. Adezion i lartë → lëngu përhapet (lagështimi). Ekuilibri përcakton këndin e kontaktit dhe veprimin kapilar.

Këndi i kontaktit θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (ekuacioni i Young-ut)

Shembull: Uji mbi xham ka një θ të ulët (adezioni > kohezionit) → përhapet. Mërkuri mbi xham ka një θ të lartë (kohezioni >> adezionit) → formon rruaza.

Eksperimentet e para sasiore mbi tensionin sipërfaqësor

Fizikani gjerman Segner studioi gjilpërat lundruese dhe vëzhgoi se sipërfaqet e ujit sillen si membrana të tendosura. Ai llogariti forcat por i mungonte një teori molekulare për të shpjeguar fenomenin.

Ekuacioni i Young-ut për këndin e kontaktit

Polimati britanik Young nxori lidhjen midis tensionit sipërfaqësor, këndit të kontaktit dhe lagështimit: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Ky ekuacion themelor përdoret ende sot në shkencën e materialeve dhe mikrofluidikë.

Ekuacioni i Young-Laplace për presionin

Laplace nxori ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂), duke treguar se ndërfaqet e lakuara kanë diferenca presioni. Shpjegon pse flluskat e vogla kanë presion të brendshëm më të lartë se ato të mëdha—kritike për të kuptuar fiziologjinë e mushkërive dhe stabilitetin e emulsioneve.

Teoria molekulare e tensionit sipërfaqësor

Fizikani holandez van der Waals shpjegoi tensionin sipërfaqësor duke përdorur forcat ndërmolekulare. Puna e tij mbi tërheqjen molekulare i dha atij Çmimin Nobel në 1910 dhe hodhi themelet për të kuptuar kapilaritetin, adezionin dhe pikën kritike.

Monoshtresat dhe kimia e sipërfaqeve

Langmuir studioi filmat molekularë në sipërfaqet e ujit, duke krijuar fushën e kimisë së sipërfaqeve. Puna e tij mbi surfaktantët, adsorbimin dhe orientimin molekular i dha atij Çmimin Nobel në 1932. Filmat Langmuir-Blodgett janë emëruar pas tij.

Tensioni sipërfaqësor përcakton lagështimin, përhapjen dhe adezionin:

• Formulimi i bojës: Rregulloni γ në 25-35 mN/m për përhapje optimale në substrate
• Printimi me bojë: Boja duhet të ketë γ < substratit për lagështim (tipikisht 25-40 mN/m)
• Trajtimi me koronë: Rrit energjinë sipërfaqësore të polimerit nga 30 → 50+ mN/m për adezion
• Veshjet me pluhur: Tensioni i ulët sipërfaqësor ndihmon në nivelimin dhe zhvillimin e shkëlqimit
• Veshjet anti-grafiti: γ i ulët (15-20 mN/m) parandalon adezionin e bojës
• Kontrolli i cilësisë: Tensiometër me unazë du Noüy për konsistencë nga partia në parti

Detergjentët funksionojnë duke ulur tensionin sipërfaqësor:

• Ujë i pastër: γ = 72.8 mN/m (nuk depërton mirë në pëlhura)
• Ujë + sapun: γ = 25-30 mN/m (depërton, lag, heq vajin)
• Koncentrimi Kritik i Micelave (CMC): γ bie ndjeshëm deri në CMC, pastaj stabilizohet
• Agjentët lagështues: Pastruesit industrialë ulin γ në <30 mN/m
• Lëngu i enëve: Formuluar në γ ≈ 27-30 mN/m për heqjen e yndyrës
• Spërkatësit e pesticideve: Shtoni surfaktantë për të ulur γ për mbulim më të mirë të gjetheve

Tensioni ndërfaqësor midis naftës dhe ujit ndikon në nxjerrjen:

• Tensioni ndërfaqësor naftë-ujë: Tipikisht 20-50 mN/m
• Rimëkëmbja e përmirësuar e naftës (EOR): Injektoni surfaktantë për të ulur γ në <0.01 mN/m
• γ i ulët → pikat e naftës emulsifikohen → rrjedhin nëpër shkëmb poroz → rimëkëmbje e rritur
• Karakterizimi i naftës së papërpunuar: Përmbajtja aromatike ndikon në tensionin sipërfaqësor
• Rrjedha në tubacione: γ më i ulët ul stabilitetin e emulsionit, ndihmon në ndarjen
• Metoda e pikës së varur mat γ në temperaturën/presionin e rezervuarit

Tensioni sipërfaqësor është kritik për proceset jetësore:

• Surfaktanti pulmonar: Ul γ alveolare nga 70 në 25 mN/m, duke parandaluar kolapsin
• Foshnjat e parakohshme: Sindroma e distresit respirator për shkak të surfaktantit të pamjaftueshëm
• Membranat qelizore: γ i dyshtresës lipidike ≈ 0.1-2 mN/m (shumë i ulët për fleksibilitet)
• Plazma e gjakut: γ ≈ 50-60 mN/m, rritet në sëmundje (diabeti, ateroskleroza)
• Filmi i lotit: Strukturë shumë-shtresore me një shtresë lipidike që ul avullimin
• Frymëmarrja e insekteve: Sistemi trakeal mbështetet në tensionin sipërfaqësor për të parandaluar hyrjen e ujit

Gerridët (Gerridae) shfrytëzojnë tensionin e lartë sipërfaqësor të ujit (72.8 mN/m) për të mbajtur 15 herë peshën e tyre trupore. Këmbët e tyre janë të veshura me qime dylli që janë superhidrofobike (këndi i kontaktit >150°). Çdo këmbë krijon një gropëz në sipërfaqen e ujit, dhe tensioni sipërfaqësor siguron forcën ngritëse. Nëse shtoni sapun (duke ulur γ në 30 mN/m), ata fundosen menjëherë!

Tensioni sipërfaqësor vepron për të minimizuar sipërfaqen për një vëllim të caktuar. Sfera ka sipërfaqen minimale për çdo vëllim (pabarazia izoperimetrike). Flluskat e sapunit e demonstrojnë këtë bukur: ajri brenda shtyn jashtë, tensioni sipërfaqësor tërheq brenda, dhe ekuilibri krijon një sferë perfekte. Flluskat jo-sferike (si ato kubike në korniza teli) kanë energji më të lartë dhe janë të paqëndrueshme.

Mushkëritë e të porsalindurve përmbajnë surfaktant pulmonar (fosfolipide + proteina) që ul tensionin sipërfaqësor alveolar nga 70 në 25 mN/m. Pa të, alveolat shemben gjatë nxjerrjes së frymës (atelektaza). Foshnjat e parakohshme nuk kanë surfaktant të mjaftueshëm, duke shkaktuar Sindromën e Distresit Respirator (RDS). Para terapisë me surfaktant sintetik (vitet 1990), RDS ishte një shkak kryesor i vdekjeve neonatale. Tani, normat e mbijetesës kalojnë 95%.

Hidhni verë në një gotë dhe shikoni: pika formohen në anët, ngjiten lart, dhe bien poshtë—'lotët e verës'. Ky është efekti Marangoni: alkooli avullon më shpejt se uji, duke krijuar gradiente të tensionit sipërfaqësor (γ ndryshon hapësinorisht). Lëngu rrjedh nga rajonet me γ të ulët në ato me γ të lartë, duke tërhequr verën lart. Kur pikat bëhen mjaft të rënda, graviteti fiton dhe ato bien. Rrjedhat Marangoni janë kritike në saldim, veshje dhe rritjen e kristaleve.

Molekulat e sapunit janë amfifilike: bisht hidrofobik (urren ujin) + kokë hidrofilike (dashuron ujin). Në tretësirë, bishtat dalin jashtë sipërfaqes së ujit, duke prishur lidhjet hidrogjenore dhe duke ulur γ nga 72 në 25-30 mN/m. Në Koncentrimin Kritik të Micelave (CMC), molekulat formojnë micela sferike me bishtat brenda (duke bllokuar vajin) dhe kokat jashtë. Kjo është arsyeja pse sapuni heq yndyrën: vaji tretet brenda micelave dhe shpëlahet.

Hidhni një kristal kamfori në ujë dhe ai do të lëvizë nëpër sipërfaqe si një varkë e vogël. Kamfori tretet në mënyrë asimetrike, duke krijuar një gradient të tensionit sipërfaqësor (γ më i lartë prapa, më i ulët përpara). Sipërfaqja tërheq kristalin drejt rajoneve me γ të lartë—një motor me tension sipërfaqësor! Kjo u demonstrua nga fizikani C.V. Boys në 1890. Kimistët modernë përdorin shtytje të ngjashme Marangoni për mikrorobotë dhe mjete për dërgimin e ilaçeve.

Kjo është një marrëdhënie themelore termodinamike, jo një rastësi. Dimensionalisht: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² dhe [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Ata kanë dimensione bazë identike! Fizikisht: krijimi i 1 m² sipërfaqeje të re kërkon punë = forcë × distancë = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Pra γ i matur si forcë/gjatësi është i barabartë me γ të matur si energji/sipërfaqe. Uji @ 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (i njëjti numër, interpretim i dyfishtë).

Kohezioni: tërheqja midis molekulave të ngjashme (ujë-ujë). Adezioni: tërheqja midis molekulave të ndryshme (ujë-xham). Kohezion i lartë → tension i lartë sipërfaqësor → pikat formojnë rruaza (mërkuri mbi xham). Adezion i lartë në krahasim me kohezionin → lëngu përhapet (ujë mbi xham të pastër). Ekuilibri përcakton këndin e kontaktit θ përmes ekuacionit të Young-ut: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Lagështimi ndodh kur θ < 90°; formimi i rruazave kur θ > 90°. Sipërfaqet superhidrofobike (gjethe lotusi) kanë θ > 150°.

Molekulat e sapunit janë amfifilike: bisht hidrofobik + kokë hidrofilike. Në ndërfaqen ujë-ajër, bishtat orientohen jashtë (duke shmangur ujin), dhe kokat brenda (të tërhequra nga uji). Kjo prish lidhjet hidrogjenore midis molekulave të ujit në sipërfaqe, duke ulur tensionin sipërfaqësor nga 72.8 në 25-30 mN/m. γ më i ulët lejon ujin të lagë pëlhurat dhe të depërtojë në yndyrë. Në Koncentrimin Kritik të Micelave (CMC, tipikisht 0.1-1%), molekulat formojnë micela që tretën vajin.

Temperatura më e lartë u jep molekulave më shumë energji kinetike, duke dobësuar tërheqjet ndërmolekulare (lidhjet hidrogjenore, forcat van der Waals). Molekulat e sipërfaqes kanë më pak tërheqje neto të brendshme → tension më i ulët sipërfaqësor. Për ujin: γ ulet ~0.15 mN/m për °C. Në temperaturën kritike (374°C për ujin, 647 K), dallimi lëng-gaz zhduket dhe γ → 0. Rregulli i Eötvös e kuantifikon këtë: γ·V^(2/3) = k(T_c - T) ku V = vëllimi molar, T_c = temperatura kritike.

Katër metoda kryesore: (1) Unaza e du Noüy: Një unazë platini tërhiqet nga sipërfaqja, matet forca (më e zakonshmja, ±0.1 mN/m). (2) Pllaka e Wilhelmy: Një pllakë e hollë e varur që prek sipërfaqen, forca matet vazhdimisht (saktësia më e lartë, ±0.01 mN/m). (3) Pika e varur: Forma e pikës analizohet optikisht duke përdorur ekuacionin e Young-Laplace (funksionon në T/P të larta). (4) Ngjitja kapilare: Lëngu ngjitet në një tub të ngushtë, matet lartësia: γ = ρghr/(2cosθ) ku ρ = dendësia, h = lartësia, r = rrezja, θ = këndi i kontaktit.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) përshkruan diferencën e presionit përgjatë një ndërfaqeje të lakuar. R₁ dhe R₂ janë rrezet kryesore të lakimit. Për një sferë (flluskë, pikë): ΔP = 2γ/R. Flluskat e vogla kanë presion të brendshëm më të lartë se ato të mëdha. Shembull: një pikë uji 1 mm ka ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Kjo shpjegon pse flluskat e vogla në shkumë tkurren (gazi difuzon nga të voglat te të mëdhat) dhe pse alveolat e mushkërive kanë nevojë për surfaktant (ul γ kështu që ato nuk shemben).

Mërkuri: Kohezion i fortë (lidhjet metalike, γ = 486 mN/m) >> adezion i dobët ndaj xhamit → këndi i kontaktit θ ≈ 140° → formon rruaza. Uji: Kohezion i moderuar (lidhjet hidrogjenore, γ = 72.8 mN/m) < adezion i fortë ndaj xhamit (lidhjet hidrogjenore me grupet -OH të sipërfaqes) → θ ≈ 0-20° → përhapet. Ekuacioni i Young-ut: cos θ = (γ_trup i ngurtë-avull - γ_trup i ngurtë-lëng)/γ_lëng-avull. Kur adezioni > kohezionit, cos θ > 0, kështu që θ < 90° (lagështim).

Jo. Tensioni sipërfaqësor është gjithmonë pozitiv—ai përfaqëson koston energjetike për të krijuar sipërfaqe të re. Një γ negativ do të thoshte se sipërfaqet do të zgjeroheshin spontanisht, duke shkelur termodinamikën (entropia rritet, por faza e masës është më e qëndrueshme). Megjithatë, tensioni ndërfaqësor midis dy lëngjeve mund të jetë shumë i ulët (afër zeros): në rimëkëmbjen e përmirësuar të naftës, surfaktantët ulin γ naftë-ujë në <0.01 mN/m, duke shkaktuar emulsifikim spontan. Në pikën kritike, γ = 0 saktësisht (dallimi lëng-gaz zhduket).