Puwersa na kumikilos sa isang linya sa ibabaw ng likido

Sinusukat sa newtons per meter (N/m) o dynes per centimeter (dyn/cm). Kung iisipin mo ang isang frame na may isang movable side na nakadikit sa isang liquid film, ang surface tension ay ang puwersang humihila sa gilid na iyon na hinati sa haba nito. Ito ang mekanikal na kahulugan.

Formula: γ = F/L kung saan F = puwersa, L = haba ng gilid

Halimbawa: Tubig @ 20°C = 72.8 mN/m ay nangangahulugang 0.0728 N ng puwersa bawat metro ng gilid

Enerhiya na kinakailangan upang lumikha ng bagong surface area

Sinusukat sa joules per square meter (J/m²) o ergs per square centimeter (erg/cm²). Ang paglikha ng bagong surface area ay nangangailangan ng trabaho laban sa mga intermolecular force. Numerikal na magkapareho sa surface tension ngunit kumakatawan sa pananaw ng enerhiya sa halip na pananaw ng puwersa.

Formula: γ = E/A kung saan E = enerhiya, A = pagtaas ng surface area

Halimbawa: Tubig @ 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (parehong numero, dalawahang interpretasyon)

Ang mga intermolecular force ang tumutukoy sa pag-uugali ng ibabaw

Cohesion: atraksyon sa pagitan ng magkakatulad na molekula (likido-likido). Adhesion: atraksyon sa pagitan ng hindi magkakatulad na molekula (likido-solido). Mataas na cohesion → mataas na surface tension → bumibilog ang mga patak. Mataas na adhesion → kumakalat ang likido (wetting). Ang balanse ang tumutukoy sa contact angle at capillary action.

Contact angle θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (Young's equation)

Halimbawa: Ang tubig sa salamin ay may mababang θ (adhesion > cohesion) → kumakalat. Ang mercury sa salamin ay may mataas na θ (cohesion >> adhesion) → bumibilog.

Unang quantitative na mga eksperimento sa surface tension

Pinag-aralan ng Alemang pisiko na si Segner ang mga lumulutang na karayom at napansin na ang mga ibabaw ng tubig ay kumikilos na parang mga naka-stretch na membrane. Kinakalkula niya ang mga puwersa ngunit kulang sa teoryang molekular upang ipaliwanag ang penomenon.

Young's equation para sa contact angle

Inilahad ng British polymath na si Young ang ugnayan sa pagitan ng surface tension, contact angle, at wetting: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Ang pangunahing equation na ito ay ginagamit pa rin ngayon sa materials science at microfluidics.

Young-Laplace equation para sa presyon

Inilahad ni Laplace ang ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) na nagpapakita na ang mga kurbadong interface ay may mga pagkakaiba sa presyon. Ipinaliliwanag nito kung bakit ang maliliit na bula ay may mas mataas na panloob na presyon kaysa sa malalaki—kritikal para sa pag-unawa sa pisyolohiya ng baga at katatagan ng emulsion.

Teoryang molekular ng surface tension

Ipinaliwanag ng Dutch na pisiko na si van der Waals ang surface tension gamit ang mga intermolecular force. Ang kanyang trabaho sa molecular attraction ay nagpanalo sa kanya ng 1910 Nobel Prize at naglatag ng pundasyon para sa pag-unawa sa capillarity, adhesion, at ang critical point.

Mga monolayer at surface chemistry

Pinag-aralan ni Langmuir ang mga molecular film sa ibabaw ng tubig, na lumikha ng larangan ng surface chemistry. Ang kanyang trabaho sa mga surfactant, adsorption, at molecular orientation ay nagpanalo sa kanya ng 1932 Nobel Prize. Ang mga Langmuir-Blodgett film ay ipinangalan sa kanya.

Ang surface tension ang tumutukoy sa wetting, spreading, at adhesion:

• Pormulasyon ng pintura: Ayusin ang γ sa 25-35 mN/m para sa pinakamainam na pagkalat sa mga substrate
• Ink-jet printing: Ang tinta ay dapat may γ < substrate para sa wetting (karaniwang 25-40 mN/m)
• Corona treatment: Pinapataas ang surface energy ng polymer mula 30 → 50+ mN/m para sa adhesion
• Powder coatings: Ang mababang surface tension ay tumutulong sa leveling at gloss development
• Anti-graffiti coatings: Ang mababang γ (15-20 mN/m) ay pumipigil sa adhesion ng pintura
• Quality control: Du Noüy ring tensiometer para sa batch-to-batch consistency

Ang mga detergent ay gumagana sa pamamagitan ng pagbabawas ng surface tension:

• Purong tubig: γ = 72.8 mN/m (hindi gaanong tumatagos sa tela)
• Tubig + sabon: γ = 25-30 mN/m (tumatagos, nagbabasa, nag-aalis ng langis)
• Critical Micelle Concentration (CMC): Ang γ ay biglang bumababa hanggang sa CMC, pagkatapos ay nagiging patag
• Wetting agents: Ang mga pang-industriyang panlinis ay binabawasan ang γ sa <30 mN/m
• Dishwashing liquid: Binuo sa γ ≈ 27-30 mN/m para sa pag-aalis ng grasa
• Pesticide sprayers: Magdagdag ng mga surfactant upang bawasan ang γ para sa mas mahusay na sakop sa dahon

Ang interfacial tension sa pagitan ng langis at tubig ay nakakaapekto sa pagkuha:

• Oil-water interfacial tension: Karaniwan 20-50 mN/m
• Enhanced oil recovery (EOR): Mag-iniksyon ng mga surfactant upang bawasan ang γ sa <0.01 mN/m
• Mababang γ → nag-e-emulsify ang mga patak ng langis → dumadaloy sa porous na bato → mas mataas na recovery
• Karakterisasyon ng krudo: Ang nilalaman ng aromatic ay nakakaapekto sa surface tension
• Daloy sa pipeline: Ang mas mababang γ ay binabawasan ang katatagan ng emulsion, tumutulong sa paghihiwalay
• Pendant drop method sumusukat ng γ sa temperatura/presyon ng reservoir

Ang surface tension ay kritikal para sa mga proseso ng buhay:

• Lung surfactant: Binabawasan ang alveolar γ mula 70 hanggang 25 mN/m, pinipigilan ang pagbagsak
• Mga premature na sanggol: Respiratory distress syndrome dahil sa kakulangan ng surfactant
• Cell membranes: Lipid bilayer γ ≈ 0.1-2 mN/m (napakababa para sa flexibility)
• Blood plasma: γ ≈ 50-60 mN/m, tumataas sa sakit (diabetes, atherosclerosis)
• Tear film: Multi-layer na istraktura na may lipid layer na binabawasan ang evaporation
• Respirasyon ng insekto: Ang sistema ng tracheal ay umaasa sa surface tension upang maiwasan ang pagpasok ng tubig

Sinasamantala ng mga water strider (Gerridae) ang mataas na surface tension ng tubig (72.8 mN/m) upang suportahan ang 15× ng kanilang timbang. Ang kanilang mga binti ay nababalutan ng mga buhok na may waks na superhydrophobic (contact angle >150°). Ang bawat binti ay lumilikha ng isang dimple sa ibabaw ng tubig, at ang surface tension ay nagbibigay ng pataas na puwersa. Kung magdadagdag ka ng sabon (binabawasan ang γ sa 30 mN/m), agad silang lulubog!

Ang surface tension ay kumikilos upang paliitin ang surface area para sa isang partikular na volume. Ang sphere ay may pinakamaliit na surface area para sa anumang volume (isoperimetric inequality). Maganda itong ipinapakita ng mga bula ng sabon: ang hangin sa loob ay tumutulak palabas, ang surface tension ay humihila papasok, at ang ekwilibriyo ay lumilikha ng isang perpektong sphere. Ang mga hindi-spherical na bula (tulad ng mga cubic sa mga wire frame) ay may mas mataas na enerhiya at hindi matatag.

Ang mga baga ng bagong panganak ay naglalaman ng pulmonary surfactant (phospholipids + proteins) na nagpapababa ng alveolar surface tension mula 70 hanggang 25 mN/m. Kung wala ito, bumabagsak ang alveoli sa paghinga palabas (atelectasis). Ang mga premature na sanggol ay kulang sa sapat na surfactant, na nagdudulot ng Respiratory Distress Syndrome (RDS). Bago ang synthetic surfactant therapy (1990s), ang RDS ay isang nangungunang sanhi ng pagkamatay ng mga bagong panganak. Ngayon, ang survival rates ay lumampas sa 95%.

Ibuhos ang alak sa isang baso at panoorin: ang mga patak ay nabubuo sa mga gilid, umaakyat pataas, at bumabagsak pabalik—ang 'mga luha ng alak.' Ito ang Marangoni effect: ang alkohol ay mas mabilis na sumisingaw kaysa sa tubig, na lumilikha ng mga surface tension gradient (ang γ ay nag-iiba-iba sa espasyo). Ang likido ay dumadaloy mula sa mababang-γ patungo sa mataas-γ na mga rehiyon, hinihila ang alak pataas. Kapag ang mga patak ay sapat na mabigat, nananalo ang gravity at sila ay nahuhulog. Ang mga daloy ng Marangoni ay kritikal sa welding, coating, at paglago ng kristal.

Ang mga molekula ng sabon ay amphiphilic: hydrophobic na buntot (ayaw sa tubig) + hydrophilic na ulo (gusto ang tubig). Sa solusyon, ang mga buntot ay nakausli sa ibabaw ng tubig, ginugulo ang hydrogen bonding at binabawasan ang γ mula 72 hanggang 25-30 mN/m. Sa Critical Micelle Concentration (CMC), ang mga molekula ay bumubuo ng mga spherical micelle na may mga buntot sa loob (ikinukulong ang langis) at mga ulo sa labas. Ito ang dahilan kung bakit ang sabon ay nag-aalis ng grasa: ang langis ay natutunaw sa loob ng mga micelle at nahuhugasan.

Maghulog ng isang kristal ng camphor sa tubig at ito ay humaharurot sa ibabaw na parang isang maliit na bangka. Ang camphor ay natutunaw nang hindi pantay, na lumilikha ng isang surface tension gradient (mas mataas na γ sa likod, mas mababa sa harap). Hinihila ng ibabaw ang kristal patungo sa mga rehiyon na may mataas na γ—isang surface tension motor! Ito ay ipinakita ng pisiko na si C.V. Boys noong 1890. Ang mga modernong kimiko ay gumagamit ng katulad na Marangoni propulsion para sa mga microrobot at mga sasakyan sa paghahatid ng gamot.

Ito ay isang pangunahing ugnayan sa thermodynamic, hindi isang pagkakataon. Dimensionally: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² at [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Mayroon silang magkaparehong mga batayang dimensyon! Sa pisikal: ang paglikha ng 1 m² ng bagong ibabaw ay nangangailangan ng trabaho = puwersa × distansya = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Kaya ang γ na sinusukat bilang puwersa/haba ay katumbas ng γ na sinusukat bilang enerhiya/area. Tubig @ 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (parehong numero, dalawahang interpretasyon).

Cohesion: atraksyon sa pagitan ng magkakatulad na molekula (tubig-tubig). Adhesion: atraksyon sa pagitan ng hindi magkakatulad na molekula (tubig-salamin). Mataas na cohesion → mataas na surface tension → bumibilog ang mga patak (mercury sa salamin). Mataas na adhesion kumpara sa cohesion → kumakalat ang likido (tubig sa malinis na salamin). Ang balanse ay tumutukoy sa contact angle θ sa pamamagitan ng Young's equation: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Nagaganap ang wetting kapag θ < 90°; beading kapag θ > 90°. Ang mga superhydrophobic na ibabaw (dahon ng lotus) ay may θ > 150°.

Ang mga molekula ng sabon ay amphiphilic: hydrophobic na buntot + hydrophilic na ulo. Sa interface ng tubig-hangin, ang mga buntot ay nakatuon palabas (iniiwasan ang tubig), ang mga ulo ay nakatuon papasok (naaakit sa tubig). Ginugulo nito ang hydrogen bonding sa pagitan ng mga molekula ng tubig sa ibabaw, binabawasan ang surface tension mula 72.8 hanggang 25-30 mN/m. Ang mas mababang γ ay nagpapahintulot sa tubig na basain ang mga tela at tumagos sa grasa. Sa Critical Micelle Concentration (CMC, karaniwang 0.1-1%), ang mga molekula ay bumubuo ng mga micelle na nagso-solubilize ng langis.

Ang mas mataas na temperatura ay nagbibigay sa mga molekula ng mas maraming kinetic energy, na nagpapahina sa mga intermolecular attraction (hydrogen bonds, van der Waals forces). Ang mga molekula sa ibabaw ay may mas kaunting net na paghila papasok → mas mababang surface tension. Para sa tubig: ang γ ay bumababa ng ~0.15 mN/m bawat °C. Sa kritikal na temperatura (374°C para sa tubig, 647 K), ang pagkakaiba ng likido-gas ay nawawala at γ → 0. Ang Eötvös rule ay nag-quantify nito: γ·V^(2/3) = k(T_c - T) kung saan ang V = molar volume, T_c = kritikal na temperatura.

Apat na pangunahing pamamaraan: (1) Du Noüy ring: Platinum ring na hinihila mula sa ibabaw, sinusukat ang puwersa (pinakakaraniwan, ±0.1 mN/m). (2) Wilhelmy plate: Manipis na plato na nakasabit na dumidikit sa ibabaw, patuloy na sinusukat ang puwersa (pinakamataas na katumpakan, ±0.01 mN/m). (3) Pendant drop: Ang hugis ng patak ay sinusuri nang optikal gamit ang Young-Laplace equation (gumagana sa mataas na T/P). (4) Capillary rise: Ang likido ay umaakyat sa makitid na tubo, sinusukat ang taas: γ = ρghr/(2cosθ) kung saan ρ = density, h = taas, r = radius, θ = contact angle.

Ang ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) ay naglalarawan ng pagkakaiba ng presyon sa isang kurbadong interface. Ang R₁, R₂ ay mga pangunahing radii ng curvature. Para sa isang sphere (bula, patak): ΔP = 2γ/R. Ang maliliit na bula ay may mas mataas na panloob na presyon kaysa sa malalaki. Halimbawa: ang 1 mm na patak ng tubig ay may ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Ipinaliliwanag nito kung bakit ang maliliit na bula sa foam ay lumiliit (ang gas ay nagdi-diffuse mula sa maliit patungo sa malaki) at kung bakit kailangan ng mga lung alveoli ng surfactant (binabawasan ang γ upang hindi sila bumagsak).

Mercury: Malakas na cohesion (metallic bonding, γ = 486 mN/m) >> mahinang adhesion sa salamin → contact angle θ ≈ 140° → bumibilog. Tubig: Katamtamang cohesion (hydrogen bonding, γ = 72.8 mN/m) < malakas na adhesion sa salamin (hydrogen bonds sa mga -OH group sa ibabaw) → θ ≈ 0-20° → kumakalat. Young's equation: cos θ = (γ_solid-vapor - γ_solid-liquid)/γ_liquid-vapor. Kapag adhesion > cohesion, cos θ > 0, kaya θ < 90° (wetting).

Hindi. Ang surface tension ay laging positibo—ito ay kumakatawan sa gastos sa enerhiya upang lumikha ng bagong surface area. Ang negatibong γ ay nangangahulugan na ang mga ibabaw ay kusang lalawak, na lumalabag sa thermodynamics (tataas ang entropy, ngunit ang bulk phase ay mas matatag). Gayunpaman, ang interfacial tension sa pagitan ng dalawang likido ay maaaring napakababa (malapit sa zero): sa enhanced oil recovery, binabawasan ng mga surfactant ang oil-water γ sa <0.01 mN/m, na nagiging sanhi ng kusang emulsification. Sa kritikal na punto, γ = 0 eksakto (nawawala ang pagkakaiba ng likido-gas).