Τι είναι η επιφανειακή τάση και με ποιόν τρόπο γίνεται η μέτρησή της.

Η επιφανειακή τάση δεν διδάσκεται κάπου στα σχολεία ώστε να είναι μια γνωστή έννοια και επιπλέον η εξήγηση του φαινομένου παρουσιάζει δυσκολία. Όμως είναι ιδιότητα της ύλης που τη συναντούμε στην καθημερινότητά μας και έχει μεγάλη σημασία για την ανάπτυξη και παραγωγή προϊόντων σε πολλές βιομηχανίες.  Τα τριχοειδή φαινόμενα, το ότι τα έντομα περπατούν στην επιφάνεια του νερού, το ότι οι σταγόνες είναι σφαιρικές είναι αποτέλεσμα επιφανειακής τάσης (Δείτε ένα πείραμα για την επιφανειακή τάση εδώ).

Μετά από χρόνια δουλειάς με επιφανειοδραστικές ουσίες δεν τη μέτρησα ποτέ και δεν συνάντησα κάποιο εργαστήριο βιομηχανίας που να τη μετρά. Έτσι δεν πιστεύω ότι θα χρειαστεί να τη μετρήσετε σε κάποιο εργαστήριο στην Ελλάδα εκτός των ερευνητικών. Η γνώση όμως του φαινομένου είναι πολύ σημαντική για την επιλογή των ουσιών και για να κατανοείτε τη συμπεριφορά τους. Παρακάτω σας γράφω πολλά για να κατανοήσετε κάπως την επιφανειακή τάση, αλλά αν σας φαίνονται δύσκολα, στη σχετική ερώτηση πιστοποίησης, μπορείτε να περιορίσετε την απάντησή σας στα μαύρα γράμματα.

Ερώτηση 75Α. Τι είναι η επιφανειακή τάση και με ποιόν τρόπο γίνεται η μέτρησή της.

Επιφανειακή τάση (υγρού-αερίου) είναι η τάση των υγρών να μειώσουν την επιφάνειά τους. Είναι ένα φυσικό φαινόμενο που οφείλεται στις δυνάμεις συνοχής μεταξύ των μορίων του υγρού, όπου τα εσωτερικά μόρια έλκουν αυτά της επιφάνειας. Ως αποτέλεσμα των δυνάμεων αυτών, τα μόρια της επιφάνειας συνωστίζονται ώστε τελικά η επιφάνεια του υγρού να είναι η μικρότερη δυνατή.

Για να αυξηθεί η επιφάνεια του υγρού θα πρέπει να μεταφερθούν μόρια από το εσωτερικό στην επιφάνεια. Αυτό απαιτεί δαπάνη έργου. Ο λόγος του έργου που απαιτείται για την αύξηση της επιφάνειας του υγρού, προς τη μεταβολή της επιφάνειας, είναι το μέτρο της επιφανειακής τάσης που μπορεί να αναφέρεται και ως συντελεστής επιφανειακής τάσης γ=w/dA (τύπος 1).

Αν υποθέσουμε ότι στο πλαίσιο (βλέπε σχήμα) που έχει ένα υμένιο από το υγρό (γκρι περιοχή) προσπαθήσω να αυξήσω την επιφάνεια του με τη μετακίνηση της μιας πλευράς του πλαισίου κατά dx, τότε το έργο που απαιτείται για αύξηση της επιφάνειας του υγρού κατά dx, είναι w=F • dx και αν αντικαταστήσουμε στον τύπο 1 το w,  θα ισχύει γ=F • dx/dA (τύπος 2).

Η επιφάνεια του υγρού στο πλαίσιο του σχήματος έχει δύο όψεις, και η μεταβολή της επιφάνειας του υγρού κατά την μετακίνηση της πλευράς L για μήκος dx, θα δίνεται από την σχέση dA=2dx • L. Αν αντικαταστήσω το dA στο τύπο 2 θα ισχύει γ=F• dx/(2L • dx). Μετά την απλοποίηση του dx θα ισχύει γ=F/2L

Ο συντελεστής επιφανειακής τάσης γ υπολογίζεται από τη δύναμη που ασκείται στη μια πλευρά μιας επιφάνειας υγρού με στόχο την αύξησή της επιφάνειας, προς το μήκος της πλευράς (L) όπου ασκείται η δύναμη αυτή F.

γ= F/2L                                           

Για τη μέτρηση της επιφανειακή τάσης εφαρμόζεται η μέθοδος του δακτυλίου Du Nouy, του πλακιδίου Wilhelmy και άλλες. Στις δύο αυτές μεθόδους ο δακτύλιος ή το πλακίδιο τοποθετείται με συγκεκριμένο τρόπο στην επιφάνεια του υγρού. Η δύναμη που απαιτείται για την αποκόλληση του δακτυλίου ή πλακιδίου από την επιφάνεια του υγρού, μετριέται με συνδεδεμένο μικροζυγό και υπολογίζεται η επιφανειακή τάση σε N/m ή dyn/cm. Επίσης η επιφανειακή τάση εκφράζεται και σε J/m².