20-5 Povrchové napätie

20-5 Povrchové napätie

Všetci sme už videli kvapky rosy a kvapky dažďa, a skoro každý už videl rozliatu ortuť, ktorá sa sama od seba zoskupila do kvapiek. V každej kvapaline je prítomná „snaha“, aby sa sformovala do tvaru gule, čo oponuje gravitačným silám, ktorá núti kvapalinu, aby s svoj tvar prispôsobila dnu nádoby, v ktorej sa nachádza. Pohár môžeme naplniť vodou až po okraj, dokonca aj viac – vtedy hladina vody je vyššie, než okraj pohára, hladina vody sa mierne vydúva nad okraj pohára.

Tieto javy sú rôznymi príkladmi prejavov povrchového napätia, ktoré vieme vysvetliť v súvislosti s molekulami – ak sa nad tým zamyslíme, na každú molekulu pôsobia susedné molekuly príťažlivými silami. Skúmajme túto situáciu z  pohľadu potenciálnej energie. Ako vždy, aj v tomto prípade sa najprv musíme dohodnúť, že aký stav budeme považovať za stav s nulovou potenciálnou energiou. Vhodné je, ak za stav s nulovou potenciálnou energiou budeme považovať, keď molekula je už mimo kvapalinu. Predstavme si, že s nekonečne jemnú pinzetu vnoríme do kvapky, chytíme v kvapke jednu molekulu, a teraz ju vytiahneme von. Túto molekulu v kvapke obklopujú zo všetkých strán iné (rovnaké) molekuly. Aby sme ňou vedeli pohnúť, musíme konať prácu voči silám, ktoré pôsobia na zachytenú molekulu. Nakoľko po vyslobodení molekuly z kvapky dostávame v konečnom stave molekulu s nulovou energiou – k čomu sme ale museli vykonať prácu – molekula vo vnútri kvapky musela mať zjavne zápornú energiu.

Zopakujme celý proces s molekulou, ktorá je na pvrchu kvapky. Táto molekula nie je zo všetkých strán obklopená molekulami kvapaliny, sú len pod ňou. Preto musíme vykonať menej práce, aby sme ju „vyslobodili“, inými slovami, jej energia „nie je tak záporná“, ako energia molekuly vo vnútri kvapky.

Vidíme teda, že molekula na povrchu kvapky – ktorej energia nie je tak záporná – má väčšiu energiu, než molekula vo vnútrajšku kvapky. (Ak niekto dlží 20 EUR, je na tom lepšie, než ten, kto dlží 50 EUR.) Videli sme už v mnohých prípadoch, že ak fyzikálne systému môžu, potom prechádzajú do stavu s čo najmenšou energiou. (Jedná sa o prirodzený dôsledok ekvipartičného teorému a druhej vety termodynamickej, my však do takých podrobností nepôjdeme.) Lopta sa skotúľa dole z kopca, teplý nápoj vychladne a tak ďalej. A aby počet molekúl na povrchu kvapaliny, a tým aj jej celková energia, sa znížila, malé množstvo kvapaliny (odolávajúc gravitačným silám) sformuje svoj povrch na tak malý, aký sa len dá. z geometrie je známe, že pomedzi telies s rovnakým objemom má najmenší povrch guľa, preto kvapalina, ako sa len dá, sformuje sa do tvaru gule.