Povrchové napětí

Povrchové napětí je fyzikální veličina popisující sílu na jednotku délky rozhraní nebo energii potřebnou k vytvoření jednotkové plochy povrchu. Tabulky níže uvádějí orientační hodnoty pro kapaliny, většinou na rozhraní kapalina–vzduch při 20 °C.

Povrchové napětí (značka σ, případně γ) způsobuje, že se povrch kapaliny chová podobně jako napnutá pružná blána a snaží se zmenšit svou plochu. Vzniká nerovnováhou molekulárních sil na rozhraní: molekuly u povrchu jsou více přitahovány dovnitř kapaliny než ven. Díky tomu drží kapky pohromadě, vodní hmyz se může pohybovat po hladině a v úzkých trubičkách vzniká kapilární jev.

Jednotkou povrchového napětí je newton na metr, odborně zapisovaný jako N·m⁻¹. V praxi se u kapalin používá hlavně mN·m⁻¹. Voda má při 20 °C na rozhraní se vzduchem povrchové napětí přibližně 72,75 mN·m⁻¹, zatímco etanol pouze přibližně 22,55 mN·m⁻¹.

Vzorec povrchového napětí

Povrchové napětí lze vyjádřit jako poměr povrchové síly F a délky okraje l, na který tato síla působí:

σ = F / l

Ve vztahu je σ povrchové napětí v N·m⁻¹, F síla v newtonech a l délka v metrech. U měření na tenké kapalinové bláně je nutné dát pozor na geometrii: blána má obvykle dva povrchy, a proto se v některých úlohách uvažuje dvojnásobná účinná délka.

Rovnocenně lze povrchové napětí chápat jako povrchovou energii:

σ = W / A

kde W je práce potřebná k vytvoření nové plochy povrchu A. Proto je jednotka N·m⁻¹ ekvivalentní jednotce J·m⁻².

Jak tabulku používat

Hodnoty v tabulkách berte jako orientační. Povrchové napětí závisí na teplotě, čistotě kapaliny a na tom, s jakým prostředím kapalina tvoří rozhraní. U běžných kapalin se často uvádí rozhraní kapalina–vzduch při 20 °C. Nečistoty, saponáty, alkohol nebo jiné povrchově aktivní látky mohou hodnotu výrazně snížit.

Při praktickém výkladu je užitečné rozlišit tři blízké pojmy: povrchové napětí kapaliny, smáčení povrchu a kontaktní úhel. Společně určují, zda kapalina vytvoří kapky, rozteče se po povrchu, nebo vystoupí v kapiláře. Proto voda v čisté skleněné trubičce stoupá, zatímco rtuť může v kapiláře klesat.

Zdroje: Surface Tension, Engineering ToolBox; [19]

Povrchové napětí vody

S rostoucí teplotou povrchové napětí vody klesá. Hodnoty v tabulce se vztahují ke kapalné vodě; řádky pod 0 °C odpovídají podchlazené kapalné vodě, nikoli běžnému ledu.

Graf: závislost povrchového napětí vody na teplotě

Zdroje: Revised Release on Surface Tension of Ordinary Water Substance, IAPWS; Surface Tension, Wolfram Research

V praxi

Povrchové napětí je dobře pozorovatelné v každodenním životě. Voda vytváří kapky, dešťové kapky drží zaoblený tvar a vodní bruslařky se pohybují po hladině díky tomu, že jejich nohy hladinu neprotrhnou. Přidání saponátu nebo alkoholu povrchové napětí sníží; proto mycí prostředky pomáhají rozbíjet vodní filmy a odvádět mastnotu i nečistoty.

Rozdílné povrchové napětí v různých místech kapaliny může vyvolat proudění po povrchu. Tento jev se nazývá Marangoniho efekt. Lze jej pozorovat například při kapce alkoholu na vodní hladině nebo u tenkých filmů kapalin.

Srovnání nejčastěji hledaných kapalin:

• Voda při 20 °C: 72,75 mN·m⁻¹ – vysoká hodnota způsobená vodíkovými vazbami.
• Glycerol při 20 °C: 62,50 mN·m⁻¹ – viskózní kapalina s relativně vysokým povrchovým napětím.
• Etanol (líh) při 20 °C: 22,55 mN·m⁻¹ – přibližně třikrát nižší než voda; alkohol proto snižuje povrchové napětí vodných roztoků.
• Aceton při 20 °C: 23,30 mN·m⁻¹ – srovnatelný s lihem, typické rozpouštědlo s nízkým povrchovým napětím.
• Rtuť při 20 °C: přibližně 476 mN·m⁻¹ – mimořádně vysoká hodnota, proto rtuť vytváří výrazné kapky a v kapilárách se chová jinak než voda.

Povrchové napětí kapalin nezaměňujte s povrchovou energií pevných látek. U pevných povrchů se častěji používá energie na jednotku plochy v J·m⁻² a prakticky se projevuje například smáčivostí, přilnavostí nebo kvalitou lepení a lakování.

Časté otázky

Jaká je jednotka povrchového napětí?

Jednotkou povrchového napětí je newton na metr, tedy N·m⁻¹. V praxi se pro kapaliny obvykle používá mN·m⁻¹, kde 1 N·m⁻¹ = 1000 mN·m⁻¹. Fyzikálně je N·m⁻¹ ekvivalentní J·m⁻², protože povrchové napětí lze chápat také jako energii potřebnou k rozšíření povrchu o jednotkovou plochu.

Jaký je vzorec pro povrchové napětí?

Základní vztah je σ = F / l, kde F je síla působící podél rozhraní a l délka okraje, na který tato síla působí. U tenkých blan se dvěma povrchy se podle geometrie měření může uvažovat dvojnásobná účinná délka. Ekvivalentně platí σ = W / A, tedy práce na jednotku nové plochy.

Jaké je povrchové napětí vody?

Voda má při 20 °C na rozhraní se vzduchem povrchové napětí přibližně 72,75 mN·m⁻¹ (0,07275 N·m⁻¹). S teplotou klesá: při 0 °C je to přibližně 75,60 mN·m⁻¹, při 100 °C asi 58,90 mN·m⁻¹.

Jaké je povrchové napětí lihu?

Etanol (líh) má při 20 °C povrchové napětí přibližně 22,55 mN·m⁻¹ – tedy asi třikrát nižší než voda. Přidání alkoholu do vody proto výrazně snižuje povrchové napětí směsi. Metanol je velmi podobný: přibližně 22,70 mN·m⁻¹.

Co je povrchové napětí a jak vzniká?

Povrchové napětí je veličina popisující sílu na jednotku délky rozhraní nebo energii na jednotku plochy povrchu. Vzniká nerovnováhou molekulárních sil na rozhraní kapaliny: molekuly na povrchu jsou více přitahovány dovnitř kapaliny. Projevy jsou kapky, kapilarita, smáčení a schopnost drobného hmyzu pohybovat se po hladině.

Jak se povrchové napětí vody mění s teplotou?

S rostoucí teplotou povrchové napětí vody klesá. Přehled: 0 °C = 75,60 mN·m⁻¹, 20 °C = 72,75 mN·m⁻¹, 50 °C = 67,91 mN·m⁻¹, 100 °C = 58,90 mN·m⁻¹. Hodnoty pod 0 °C v tabulce se vztahují k podchlazené kapalné vodě.

Související převody a tabulky

• Dynamická viskozita kapalin
• Hustota vody
• Teplota varu vody
• Viskozita vody
• Jednotky SI