Површински напон течности

Примери:

Ако у сапуницу потопимо жицу савијену у затворен прстен, направиће се опна од сапунице.
Течност се прскањем и распршивањем распада на капљице. Што су капљице мање, облик је сличнији лопти.

Познато је да неки инсекти могу да се крећу по површини воде и да игла може да се постави да лежи на површини воде. При томе се површина воде испод игле и испод ногу инсеката мало удуби. Ове и сличне појаве показују да се површина течности понаша другачије од осталих слојева испод ње. Површина воде се понаша као еластична мембрана.

Између молекула течности делују силе које држе молекуле на сталном узајамном растојању. Молекули течности који се налазе на површини и молекули који се налазе у дубљим слојевима нису у истом положају. Посматраћемо један молекул који се налази унутар неке течности и један молекул који се налази на њеној површини. Посматраћемо и силе којима околни молекули те течности делују на изабрана два молекула.

Молекул који се налази у унутарашњости течности је са свих страна окружен другим молекулима, па се њихова привлачења поништавају (резултанта је једнака нули).

Молекул који се налази на површини је само делимично окружен молекулима течности. Резултујућа сила у овом случају није једнака нули, а усмерена је ка унутрашњости течности. Због тога ће сви молекули који се налазе на површини течности бити привлачени ка унутрашњости. Слична резултујућа сила делује и на молекуле који се налазе у површинском слоју течности. Посматра се површински слој течности чија је дебљина мања од од полупречника сфере дејства молекула ( $r_{0} \approx 1nm$ ). У овом случају је већи број молекула у полулопти испод посматраног молекула него у полулопти изнад, па је реултујућа сила различита од нуле и усмерена ка унутрашњости течности.

Слободна површина течности тежи да се смањи, због чега подсећа на затегнуту мембрану. Ова појава у површинском слоју течности назива се површински напон.

Површински напон је појава да течност тежи најмањој могућој слободној површини.

Сила која се јавља у површинском слоју течности и која тежи да смањи ту површину назива се сила површинског напона.

Последица је да молекули површине течности јако теже да се међусобно приближе, а то значи да течност тежи да смањи своју слободну површину. Дакле: површински напон је тежња течности да смањи своју слободну површину.

Чињеница да течности у малој количини има облик капљице, може да се сведе на површински напон, јер је лопта онај облик тела који при одређеној запремини има најмању површину. Површински напон има везе са силама које делују на скупљању делића течности.

Постојање површинског напона може се експериментално доказати помоћу правоугаоног рама од жице, чија је једна страница покретна. Када се ова рам потопи у сапуницу, на њему се образује танка опна. Услед површинског напона, покретна страница ће се померати ка наспрамној страници рама, по дејством силе $F_{pn}$ , која се назива сила површинског напона. Да би се зауставило померање покретне странице на покретну страницу можемо да делујемо неком спољашњом силом ( $F_{sp}$ ). Ако покретна страница престане да се помера, то значи да је спољашња сила једнака сили површинског напона.

Површина опне се може повећати ако се на покретну страницу делује спољашњом силом ( $F_{sp}$ ). При лаганом померању та сила има исти интензитет као и сила површинског напона.

Померањем покретне странице врши се рад. Извршени рад је сразмеран промени површине:

$A=\gamma \triangle S$

$\gamma$ – коефицијент површинског напона.

Колики ће овај рад бити зависи од врсте течности, а величина која описује природу течности је коефицијент површинског напона g. Коефицијент површинског напона дате течности је бројно једнак оном раду који треба извршити да би дошло до јединичног повећања површине те течности

$\gamma =\frac{A}{\triangle S}$

Померањем покретне странице спољашња сила изврши рад:

$A=F_{sp}x$

пошто је $F_{sp}=F_{pn}$

$A=F_{pn}x$

пошто је $A=\gamma \triangle S$ , добија се:

$F_{pn}x=\gamma \triangle S$

Дебљина рама је много пута већа од дебљине површинског слоја течности. Због тога површински слој течности постоји са обе стране опне

па је укупна промена површине:

$\triangle S =2xl$

$F_{pn}x=\gamma 2xl$

$F_{pn}=2 \gamma l$

Ово је укупна сила којом обе површине опне делују на покретну страницу рама, тако да свака површина опне делује силом

$F_{pn}=\gamma l$

Сила површинског напона:

интензитет – једнак је производу константе површинског напона и дужине граничне линије слободне површине течности.
делује нормално на граничну линију у свакој тачки (да би се растегнута опна држала у равнотежи, мора се нормално на њену ивицу деловати силом, која је тангенцијална на површину течности.)
делује на сваком делу затворене или отворене линије у површинском слоју

Коефицијент површинског напона:

$\gamma =\frac{F_{pn}}{l}$

бројно једнака интензитету силе површинског напона која делује на јединицу дужине граничне линије слободне површине течности.

Мерна јединица:

$[\gamma] =\frac{N}{m}$

Пошто јачина међумолекулских сила зависи од врсте молекула и њиховог узајамног положаја, може се закључити да коефицијент површинског напона зависи од врсте супстанце и њене температуре (температура расте – коефицијент површинског напона опада).

Када се говори о површинском напону мора да се води рачуна и о средини (материјалу) са којом се граничи течност, јер ће број и врста молекула који се налазе изнад граничне површине утицати на вредност коефицијента површинског напона. Ако није посебно наглашено, вредности површинског напона се односе на чисте течности у додиру са ваздухом.

ДОДАТАК:

Посматрајмо стварање каљица при истицању течности из вертикалних цеви. Површински напон не дозвољава де се течност нагло излије из цеви. Када течност истиче, површинска опна капљице се сужава. Сужење се затим прекида и кап се одваја. Доњи део течности даје основну кап, а из суженог дела добија се једна додатна капљица.

Када је отвор врло мали и притисак течности недовољан, може да се деси да се кап не одвоји. Тако површински напон спречава да течност прође кроз површине са малим отворима, на пример, кроз површину кишобрана или платно шатора.

Вискозност у течности

Капиларност

Физика

Површински напон течности

Садржај

Часописи