Několik poznámek o povrchovém napětí Zdeněk Bochníček Přírodovědecká fakulta MU Poznámka č. 1: Výklad pojmu „povrchové napětí“ Klasický učebnicový výklad Síly mezimolekulárního působení image003 Výslednice sil nemůže směřovat dovnitř kapaliny (2. Newtonův zákon) Jsou to jen přitažlivé síly Proč se omezit jen na přitažlivé síly? Pro vysvětlení existence síly v rovině povrchu se použijí energetické úvahy. „K posunutí molekuly z vnitřku kapaliny do její povrchové vrstvy je nutno vykonat práci k překonání této (přitažlivé) síly.“ Fyzika pro gymnázia, Molekulová fyzika a termika „Proto molekuly v povrchové vrstvě mají větší potenciální energii, než by měly, kdyby se nacházely uvnitř kapaliny.“ Alternativní výklad vzniku povrchového napětí Mezimolekulární (meziatomární) interakce Potenciální energie chemické vazby Vazebná energie vazebna energie Chemie pro gymnázia 1, str. 35 • energie uvolněná při vytvoření vazby • energie nutná k přerušení vazby (disociační energie) Každé vytvoření vazby = snížení potenciální energie Fyzikální systém spontánně směřuje do minima potenciální energie Proč padá těleso k zemi? (a) působí tíhová síla (b) v menší výšce má menší potenciální energii Každé vytvoření vazby = snížení potenciální energie Povrchová vrstva kapaliny S existencí povrchu je spojená existence „energie navíc“. Povrchová energie Snaha zmenšit potenciální energii = snaha zmenšit povrch Pokus s rámečkem a příčkou Jakým směrem musí působit mýdlová blána na příčku? Takovým! Poznámka č. 2: Povrchové napětí nejsou jen kapiláry a bubliny Kde při předchozím výkladu bylo nezbytné, že mluvíme o kapalinách? Nikde! Povrchové napětí (povrchová energie) je i na površích (rozhraních) pevných látek. Jinak bychom nevysvětlili ani kapilární elevaci! Povrchové napětí (energie) má mnoho různorodých důsledků. 1) Nukleace nové fáze • počátek tuhnutí • počátek varu vznik zárodku = • vznik objemu nové fáze • vznik rozhraní dvou fází Celková změna energie (správněji Gibbsova energie) tzv. homogenní nukleace Příklady: • přehřátá voda • přechlazená voda Heterogenní nukleace nečistoty nebo poškození povrchu snižují výšku bariéry Příklady • varný kamínek • vznik bublinky na stěnách sklenic se sycenými nápoji • londýnská mlha • zahřívací polštářky • mlžná komora http://nahrivaci-polstarky.cz/images/products/01b.jpg fabia sterace 2) Depozice tenkých vrstev růst vrstva po vrstvě ostrůvkovitý růst Volmerův- Weberův Frank-van der Merweův File:Phospholipids aqueous solution structures.svg C6_Membrane_3 3) Fosfolipidy povrchové napětí rozhraní je malé povrchové napětí rozhraní je velké 4) Sání vody do vysokého stromu kapilární elevace http://www.steveshamesphotos.com/images/Sequoia07.jpg Hydrostatický tlak uvnitř kmene Záporný tlak kapaliny? Co se stane s kapalinou, když snížíme tlak? začne vřít! wpe1.jpg (16466 bytes) var = „roztržení“ kapaliny pokud zabráníme vzniku varu, kapalina snese i záporný tlak (kohezní síly). video Poznámka č. 3: Plavání lehkých předmětů na vodní hladině http://stribrujari.hustej.net/image/200612021956_pn3.jpg http://jerzyfoto.wu.cz/stranky/fotky//bruslarka_obecna_(gerris_lacustris).jpg Mince plave díky povrchovému napětí Nepochybně Síla povrchového napětí je maximální Stará 10 haléřová mince má průměr 15,5 mm a hmotnost 0,6 g Vztlaková síla: Tíhová síla: To nestačí! Musí působit ještě jiná síla. Archimédův vztlak Celková síla je tedy Jiný pohled Povrchová vrstva tvoří stěnu „lodičky“ Minci lze ponořit ještě hlouběji maximální ponoření Síla povrchového napětí je nulová Experiment s 50Kč mincí Exp usporadani Ponor měřen mikrometrem Síla měřena digitálními vahami Nutná korekce na konečný rozměr nádoby. ponor 1 ponor 2 ponor 3 ponor 4 Experiment ponor 1 red ponor 3 red ponor 4 red Děkuji za pozornost.