Fizyczny opis zjawiska napięcia powierzchniowego
Napięcie powierzchniowe jako wielkość fizyczną można zdefiniować jako energię przypadająca na jednostkę powierzchni, co jest równe pracy potrzebnej do powiększenia powierzchni o tę jednostkę.
σ - napięcie powierzchniowe
ΔW – praca potrzebna do utworzenia powierzchni ΔS
ΔS – pole powierzchni
Napięcie powierzchniowe jako zjawisko fizyczne definiuje się jako siłę styczną do powierzchni cieczy, działającą na jednostkę obrzeża powierzchni cieczy.
F – siła napięcia powierzchniowego działająca równolegle do powierzchni cieczy
l – długość odcinka na którym działa siła
Siły napięcia powierzchniowego utrzymują opadły liść na powierzchni wody. Fot. pixabay.com
Wartość napięcia powierzchniowego zależy także od rodzaju cieczy i otaczającego środowiska.
Dla wody w temperaturze t = 20oC wynosi:
Kształt kropel deszczu jest wynikiem współdziałania sił napięcia powierzchniowego, grawitacji i sił aerodynamicznych. Fot. pixabay.com
- metoda kapilarna – oparta na pomiarze wysokości wzniesienia kapilarnego w dwóch rurkach o różnej średnicy lub pomiarze ciśnienia powstającego w rurce kapilarnej;
- metoda maksymalnego ciśnienia w kroplach lub pęcherzykach – polega na pomiarze maksymalnej wartości ciśnienia podczas wtłaczania powietrza do cieczy lub podczas tworzenia się kropli na rurce;
- metoda stalagmometryczna – określenie wielkości i ciężaru kropli, jakie musi osiągnąć, by oderwać się od rurki;
- metoda wiszącej kropli – pomiar kształtu kropli zwisającej z rurki;
- metoda tensjometryczna – pomiar wielkości siły, jakiej trzeba użyć do oderwania pierścienia lub ramki wyciąganych z cieczy.
Efekty związane ze zjawiskiem napięcia powierzchniowego
Siły napięcia powierzchniowego mają wpływ na kształt swobodnej powierzchni cieczy – czyli powierzchni cieczy niestykającej się ze ściankami naczynia, w którym się znajduje. Z oddziaływaniem napięcia powierzchniowego związany jest kulisty kształt kropel wody, powstawanie menisku, tworzenie się piany oraz zjawiska kapilarne. W większości przypadków obserwowane efekt jest wynikiem współdziałania także innych sił.
Menisk, czyli zjawisko zakrzywienia powierzchni swobodnej cieczy występujące na granicy dwóch faz (np. cieczy i ciała stałego lub dwóch niemieszających się cieczy) jest spowodowanie współdziałaniem sił napięcia powierzchniowego, sił przylegania (adhezji) oraz grawitacji. Menisk wypukły, w którym powierzchnia cieczy w pobliżu ścianek zakrzywia się w dół, powstaje, gdy siły oddziaływania między cząsteczkami i ściankami naczynia są mniejsze od sił oddziaływań między cząsteczkami cieczy. Menisk wklęsły, o powierzchni cieczy w pobliżu ścianek naczynia zakrzywionej do góry, występuje gdy siły oddziaływania między cząsteczkami i ściankami naczynia są większe od siły wzajemnych oddziaływań cząsteczek cieczy.
Menisk wklęsły. By PRHaney [CC BY-SA 3.0 ], from Wikimedia Commons
- menisk wody wklęsły w rurce szklanej (woda dobrze zwilża ścianki naczynia) – słup cieczy jest podnoszony na znaczną wysokość;
- menisk rtęci jest wypukły w rurce szklanej (rtęć nie zwilża ścianek naczynia) – słup wody jest obniżany.
Współdziałanie tych sił odpowiedzialne jest również za kształt wiszącej kropli wody, kształt kropli oleju na powierzchni wody oraz kształt cienkich błon w bańkach mydlanych. Siły napięcia powierzchniowego, grawitacji i sił aerodynamicznych nadają także kształt kroplom padającego deszczu.
Innym przykładem oddziaływania sił napięcia powierzchniowego jest utrudnione zanurzanie się w cieczach ciał odpornych na zwilżanie tą cieczą lub utrudnione odrywanie się od powierzchni cieczy ciał podatnych na zwilżanie tą cieczą. Ma to znaczenie zwłaszcza w przypadku niewielkich obiektów lub organizmów żywych, które dzięki napięciu powierzchniowemu mogą unosić się lub poruszać się po powierzchni cieczy. Przykładem owada poruszającego się po powierzchni wody jest nartnik duży (Gerris lacustris).
Nartnik – owad poruszający się po powierzchni wody dzięki zjawisku napięcia powierzchniowego. James Lindsey at Ecology of Commanster [CC BY-SA 2.5 or CC BY-SA 3.0 ], via Wikimedia Commons
Bibliografia
- Maria Fiałkowska, Krzysztof Fiałkowski, Barbara Sagnowska; “Fizyka”; Wydawnictwo ZamKor, Kraków 2002;
- Igor W. Sawieliew; “Wykłady z fizyki, tom 1. Mechanika, fizyka cząsteczkowa”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2013;
- Grażyna Łabno; “Ekologia. Słownik encyklopedyczny”; Wydawnictwo Europa, Warszawa 2006;
- Zdzisława Otałęga (red. nacz.); “Encyklopedia biologiczna T. VII”; Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków 1999;
- promil
