Napięcie powierzchniowe

  Między cząsteczkami cieczy istnieją siły przyciągające, zwane siłami spójności, dzięki którym ciecze zachowują stałą objętość. Siły te działające na cząsteczki wewnątrz cieczy się równoważą, natomiast na cząsteczki leżące na powierzchni działa siła wypadkowa do środka cieczy. Cząsteczki znajdujące się przy powierzchni cieczy otoczone są innymi cząsteczkami tylko z jednej strony, wskutek czego są wciągane do wnętrza cieczy. Ta dodatkowa siła nosi nazwę napięcia powierzchniowego. Jest ono zależne od rodzaju substancji oraz od innych czynników.

Dowodem na istnienie sił napięcia powierzchniowego jest tworzenie się na powierzchni wody błony powierzchniowej, która utrzymuje lekkie przedmioty.

Błonka ugina się pod ciężarem pływającego spinacza, ale nie przerywa się, jest dość mocna.

Ta niezwykła właściwość wody sprawia, ze małe owady np. nartniki potrafią “chodzić” po powierzchni wody wykorzystując siły napięcia powierzchniowego wody i nie muszą nawet poruszać własnymi odnóżami.

Błony powierzchniowe dążą do tworzenia minimalnych powierzchni

Aby wydobyć cząsteczkę z głębi cieczy na jej powierzchnię, należy działać na nią siłą przeciwną do siły wypadkowej, więc należy przy tym wykonać pracę. Wykonana praca jest równa zmianie energii potencjalnej cząsteczki. Oznacza to, że cząsteczki przy powierzchni cieczy mają większą energię niż cząsteczki znajdujące się w głębi cieczy. Zgodnie z ogólnym prawem przyrody każdy układ cząsteczek dąży do znalezienia się w stanie o minimalnej energii. Osiąga to przybierając taki kształt, dla którego przy określonej objętości powierzchnia jest jak najmniejsza. Z geometrii wiadomo, że taki kształt ma kula. Dlatego krople deszczu mają kształt kulisty i w stanie nieważkości każda ciecz przyjmuje kształt kuli.

Bańki mydlane

Napięcie powierzchniowe odpowiedzialne jest również za tworzenie się kulistych baniek mydlanych. Pozostaje pytaniem, dlaczego dla wytworzenia długich baniek dodaje się mydła, które zmniejsza napięcie powierzchniowe cieczy. Pozornie, wydaje się, że zmniejszając napięcie powierzchniowe zmniejszamy siły, które trzymają bańkę razem. W rzeczywistości, dopiero po zmniejszeniu napięcia powierzchniowego, woda daje się rozciągać w długie warstwy - bez mydła siły spójności są zbyt silne.

Bańki powstające na skomplikowanych ramkach, jak na przykład sześcian, przyjmują specyficzne kształty, minimalizujące wielkość powierzchni.

Zmniejszenie napięcia powierzchniowego wpływa na efekty prania i czyszczenia

Napięcie powierzchniowe wody można zmienić, zmieniając temperaturę wody lub dodając do wody różne związki chemiczne zwane detergentami. Pranie polega na zanurzeniu ubrania w wodzie i doprowadzeniu do rozpuszczenia się w niej brudów z tkaniny. Aby to nastąpiło woda musi tkaninę zwilżyć. To oznacza, że siły spójności między cząsteczkami wody powinny być mniejsze niż siły przylegania między cząsteczkami tkaniny a cząsteczkami wody. Podwyższenie temperatury wody i dodanie detergentów zwiększa zwilżanie i skuteczność prania.

Podobny efekt obserwujemy podczas sprzątania powierzchni. W związku z napięciem powierzchniowym (zdjęcie górne) woda nie może łatwo przenikać do małych przestrzeni, takich jak tekstylia czy pory powierzchni lub zadrapania. Jeśli do wody dodany zostanie środek powierzchniowo czynny (zdjęcie dolne), siły kohezji zostają zredukowane i woda może przenikać w głąb porów i włókien.

Napięcie powierzchniowe odpowiedzialne jest za zjawiska występowania sił kapilarnych, powodujących “wędrówkę” cieczy w cienkich, kapilarnych rurkach (np. naczynia włosowate roślin) wbrew sile ciążenia, co ma ogromne znaczenie m.in. w przyrodzie ożywionej.