Napięcie powierzchniowe

Fs = s l [N/m ] W = s DS [J/m2 ] Napięcie powierzchniowe jest wynikiem pojawienia się nieskompensowanej siły na granicy faz, n.p. woda-powietrze. Fs = s l [N/m ] W = s DS [J/m2 ] siła ta dąży do minimalizacji powierzchni rozciągniętej błony co oznacza, że swobodna powierzchnia cieczy ma powierzchnie kulistą.

Zjawisko napięcia powierzchniowego Nieskompensowane oddziaływania cząsteczek na powierzchni cieczy prowadzą do powstania siły wypadkowej działającej do wnętrza cieczy. Ze względu na małą ściśliwość cząsteczki na powierzchni tworzą więc pewien rodzaj błony którą opisujemy jako napięcie powierzchniowe. Siła ta jest skierowana równolegle do powierzchni cieczy.

Zwilżanie na granicy faz występują oddziaływania pomiędzy wodą a naczyniem. Siły przylegania (adhezji) większe od sił spójności (kohezji) woda zwilża materiał. Woda rozpływa się po powierzchni materiału. Woda tworzy krople na powierzchni

dG/dS = k (Tk - T) Napięcie powierzchniowe opis termodynamiczny Granica faz lub ośrodków jest miejscem gdzie następuje gwałtowna zmiana parametrów termodynamicznych i jest ona dwuwymiarowa. Związek który zwiększa napięcie powierzchniowe zwiększa entalpię swobodna powierzchni co powoduje, że związek ten nie będzie gromadził się przy powierzchni Natomiast związki, które obniżają napięcie powierzchniowe będą przesuwać się do powierzchni, przykładem są detergenty. Izoterma adsorpcji Gibbsa dG/ dS = -1 / RT ds / (d ln c) G entalpia swobodna S powierzchnia s napięcie powierzchniowe, N/m c stężenie związku dG/dS = k (Tk - T) zależność od temperatury

Dodanie pewnych substancji do wody może zmienić jej napięcie powierzchniowe. Związki jonowe nieznacznie zwiększają a np. alkohol zmniejsza to napięcie.

Dlaczego małe krople cieczy samorzutnie łączą się w duże? Do opisu zmiany entalpii swobodnej podczas łączenia się kropli należy dodać wyraz wyraz zawierający zależność od powierzchni dG = -SdT + Vdp + sdA + mwdnw Widać, że energia zależy od powierzchni a więc ciecz będzie dążyć do minimalizacji energii poprzez zmniejszenie powierzchni. Kombinacja dwóch mniejszych kul w jedna dużą zmniejsza całą powierzchnię a więc i całkowitą entalpię swobodną. W życiu codziennym efekty te są niezauważalne. Problem podczas stosowania małych objętości kropli rzędu 10-6 l

Menisk – oddziaływanie pomiędzy cząsteczkami faz prowadzi do powstawania menisku czyli zakrzywienia powierzchni wody na granicy jej zetknięcia z ciałem stałym

Zjawisko kapilarne Wysokość na jaką wzniesie się ciecz Zależy od ciężaru cieczy, którą napięcie Powierzchniowe może utrzymać. Siła w naczyniu o przekroju kołowym

Prawo Laplacea Im większy promień naczynia tym większe napięcie ścianek jest wymagane do utrzymania ciśnienia wewnętrznego cieczy Dla danego promienia naczynia i ciśnienia wewnętrznego cieczy naczynie o kształcie sferyczne będzie miało ciśnienie o połowę mniejsze niż w naczyniu o kształcie cylindrycznym.

Prawo Pascala wymaga aby ciśnienie w całym balonie we wszystkich miejscach było w równowadze z napięciem ścian.

Przykłady napięcia powierzchniowego w naturze

Zjawiska kapilarne w naturze

Zgodnie z prawem Laplacea jeżeli dwie krople mają takie samo napięcie powierzchniowe To ta o mniejszym promieniu będzie miała większe ciśnienie. Obecność surfactanta redukuje napięcie powierzchniowe. Ciśnienia w obydwu kroplach są takie same. Większe ciśnienie w mniejszej kropli

Ciśnienie potrzebne do napełnienia jest określone przez napięcie powierzchniowe i promień alweoli, struktury przypominającej balon. Podczas wdechu promień alweoli zwiększa się z 0.05 mm do 0.1 mm. Tkanka otaczająca alweole posiada napięcie powierzchniowe około 50 mN/m co oznacza, że wymagane ciśnienie dla r = 0.05 mm wynosi 15 mmHg a dla r = 0.1 mm wynosi 7.5 mmHg Surfaktant otaczający alweole zmniejsza napięcie powierzchniowe około 15 razy co pozwala, że różnica ok. 1 mmHg, taka jest wartość rzeczywista, wystarcza aby napełnić alweole.