Strona główna Fizyka Zapytaj fizyka Pytania: Świat cząsteczek Napięcie powierzchniowe

Napięcie powierzchniowe

Pytający: Rafał

Pytanie: Co to jest napięcie powierzchniowe wody i jaka
jest jego rola?

Odpowiada: Jan Gaj

Odpowiedź jakościowa   Napięcie powierzchniowe jest zjawiskiem, które powoduje, że powierzchnia cieczy zachowuje się jak napięta błonka. Dzięki napięciu powierzchniowemu małe owady mogą biegać po powierzchni wody nie zanurzając się, małe przedmioty o gęstości większej od gęstości wody (szpilka, żyletka) mogą pływać po jej powierzchni, a pająk topik może zbierać pod wodą powietrze w dzwonie zrobionym z pajęczyny. Napięcie powierzchniowe powoduje, że ciecze  przyjmują kształt kropli, a także, że poziom cieczy w wąskiej rurce szklanej albo w wąskiej szczelinie między szybkami podnosi się powyżej poziomu wody w naczyniu, do którego zanurzamy rurkę lub szybki.

Opis ilościowy   Napięcie powierzchniowe powoduje, że na brzegu powierzchni działa siła F proporcjonalna do długości l tego brzegu:  F = s l. Współczynnik proporcjonalności w tym wzorze nosi nazwę współczynnika napięcia powierzchniowego. Jego wartość dla czystej wody wynosi 0,07 N/m. Siła F jest skierowana od brzegu w stronę powierzchni cieczy (stycznie do niej), a zatem dąży do zmniejszenia pola powierzchni. Wynika stąd, że wytworzenie powierzchni swobodnej S wymaga wykonania pracy L = s S. 

Mechanizm mikroskopowy powstawania napięcia powierzchniowego jest związany z oddziaływaniem między cząsteczkami, z których ciecz się składa. Umieszczenie cząsteczki na powierzchni wymaga oderwania od niej niektórych sąsiadujących z nią cząsteczek. Aby je oderwać, trzeba wykonać określoną pracę. Wobec tego, aby utworzyć swobodną powierzchnię cieczy trzeba wykonać pracę proporcjonalną do liczby cząsteczek znajdujących się na powierzchni, a zatem do pola S tej powierzchni.

Dla ambitnych   Do interpretacji zjawiska napięcia powierzchniowego można wykorzystać analizę wymiarową. W świetle powyższych uwag jakościowych należy szukać związku między współczynnikiem napięcia powierzchniowego (praca na jednostkę powierzchni) a ciepłem parowania wyrażonym na jednostkę objętości (energia na jednostkę objętości). Iloraz tych wielkości ma wymiar długości i można go interpretować jako grubość warstwy cząsteczek na powierzchni. A więc dwie makroskopowe wielkości dostarczają nam informacji o rozmiarach cząsteczek! Zachęcam do stosownych obliczeń liczbowych. Ciepło parowania na jednostkę objętości łatwo obliczyć jako iloczyn gęstości [kg/m3] i zwykłego ciepła parowania [J/kg].

Uwaga: Jak wiadomo, analiza wymiarowa nie uwzględnia wpływu wielkości bezwymiarowych. Taką wielkością jest w naszym przypadku ułamek całkowitej liczby sąsiadek cząsteczki, które trzeba od niej oderwać aby umieścić ją na powierzchni.

Więcej na ten temat można znaleźć w artykule z Wiedzy i Życia dostępnym pod adresem http://archiwum.wiz.pl/2001/01074600.asp