Napięcie powierzchniowe i siły przylegania

Napięcie powierzchniowe – zjawisko fizyczne występujące na styku powierzchni cieczy z ciałem stałym, gazowym lub inną cieczą, dzięki któremu powierzchnia ta zachowuje się jak sprężysta błona. Napięciem powierzchniowym nazywa się również wielkość fizyczną ujmującą to zjawisko ilościowo: jest to energia przypadająca na jednostkę powierzchni, lub praca potrzebna do rozciągnięcia powierzchni o tę jednostkę.
Przyczyną istnienia napięcia powierzchniowego są siły przyciągania pomiędzy molekułami cieczy. Napięcie powierzchniowe na granicy dwóch faz termodynamicznych (np. dwóch niemieszających się ze sobą cieczy) nazywane jest również napięciem międzyfazowym. 

Przykładem jest woda z pieprzem, gdzie na palcu został podany płyn do mycia naczyń.

Wysokie napięcie powierzchniowe na granicy faz Wody i Płynu do mycia naczyń oznacza, że siły spójności (kohezji) wewnątrz faz Wody-Wody i Płynu do mycia naczyń-Płynu do mycia naczyń są większe niż siły przylegania (adhezji) na granicy faz Wody - Płynu do mycia naczyń.

 

 

Obserwowalne efekty

Siły napięcia powierzchniowego wpływają na kształt swobodnej (niestykającej się ze ściankami naczynia) powierzchni cieczy, przy czym na ogół współistnieją przy tym z innymi siłami.

Współistnienie sił napięcia powierzchniowego, grawitacji i sił aerodynamicznych nadaje kształt spadającym w powietrzu kroplom deszczu. Pod nieobecność dodatkowych sił (np. w warunkach nieważkości), nieruchoma kropla cieczy (niezależnie od wielkości) przybrałaby kształt kuli, gdyż spośród wszystkich możliwych brył charakteryzuje się on najmniejszym możliwym stosunkiem powierzchni bocznej do objętości.

Innym efektem napięcia powierzchniowego jest utrudnione zanurzanie w cieczy ciał niepodatnych na zwilżanie tą cieczą lub utrudnione odrywanie się od powierzchni cieczy ciał przez tę ciecz zwilżanych. Znaczenie tych efektów jest niewielkie w przypadku dużych obiektów, ponieważ ich ciężar, proporcjonalny do trzeciej potęgi rozmiarów, jest znacznie większy od sił napięcia powierzchniowego, proporcjonalnych wprost do rozmiaru ciała. Jednak niewielkie przedmioty mogą dzięki napięciu powierzchniowemu utrzymywać się na powierzchni cieczy, mimo, iż utonęłyby po zanurzeniu.

Przykładowo, nartniki utrzymują się dzięki napięciu powierzchniowemu na powierzchni cieczy, i dzięki temu mogą poruszać się znacznie szybciej (z mniejszymi oporami), niż gdyby były zanurzone.

Miarą napięcia powierzchniowego jest praca, jaką trzeba wykonać, by utworzyć jednostkową powierzchnię cieczy, co można wyrazić wzorem:

(jednostką w SI J/m²).

gdzie:

γ (używa się też oznaczenia σ) – napięcie powierzchniowe,

ΔW – praca potrzebna do utworzenia powierzchni ΔS,

ΔS – pole powierzchni.

Siły przylegania - siły oddziaływania między cząsteczkami cieczy i cząsteczkami naczynia.
Powierzchnia swobodna cieczy znajdującej się w naczyniu może przyjmować kształt wklęsły lub wypukły. Zjawisko to nazywamy meniskiem.

Siła przylegania z przykładem menisku wypukłego i wklęsłego

Fp - siła przylegania

Źródło: wikipedia.pl, encyklopedia pwn