U prirodi i svakodnevnom životu često se susrećemo sa pojavama koje su posledica međumolekulskih sila. Dve važne pojave koje se javljaju kod tečnosti su kohezija i adhezija.
Kohezija
Kohezija je pojava međusobnog privlačenja molekula iste supstance. Sile koje ostvaruju ovo privlačenje nazivaju se kohezionim silama.
Primer:
U atmosferi, usled isparavanja, nastaju sićušne kapljice vode. Zahvaljujući maloj masi u odnosu na površinu, one se lako prenose strujanjem vazduha i „prkose“ gravitaciji. Međutim, međumolekulske sile ih privlače i spajaju u veće kapljice. Kada kapljice postanu dovoljno velike, njihova masa raste brže od površine, pa više ne mogu da se suprotstave gravitaciji i padaju na zemlju kao kiša.
Adhezija
Adhezija je pojava privlačenja između molekula različitih supstanci. Sile koje ostvaruju ovo privlačenje nazivaju se adhezionim silama.
Primer:
Kada u staklenu čašu sipamo vodu, primetićemo da se površina vode uz zidove čaše blago podiže. Zašto? Zato što molekuli vode privlače molekule stakla. Ove sile privlačenja između vode i stakla su adhezione sile.
Meniskus
Na granici između tečnosti i čvrstog tela (npr. stakla) javlja se zakrivljenje površine tečnosti, koje nazivamo meniskus.
- Ako su adhezione sile jače od kohezionih, meniskus je konkavan (kao kod vode u staklu).
- Ako su kohezionе sile jače od adhezionih, meniskus je konveksan (kao kod žive u staklu).
Odnos sila i površinski napon
Površinski napon je posledica kohezionih sila i teži da smanji slobodnu površinu tečnosti. Kada se tečnost penje uz zidove čaše (zbog adhezije), površinski napon se tome suprotstavlja. Ravnoteža između ovih sila određuje oblik meniskusa.
Vinske suze – zanimljiv primer
Kod vina u čaši primećujemo kapljice koje klize niz zidove – tzv. „vinske suze“.
Zašto nastaju?
- Vino je smeša vode i alkohola. Kohezija vode je veća od kohezije alkohola.
- Adhezija prema staklu je veća od kohezije u smeši, pa vino počinje da se penje uz zidove čaše.
- Alkohol isparava brže od vode, pa sloj na zidovima postaje bogatiji vodom → kohezija raste → privlači još molekula iz čaše.
- Površinski napon je manji u smeši nego kod čiste vode, pa se tečnost penje više.
- Na kraju, voda na zidovima formira kapljice koje pod dejstvom gravitacije klize nazad u čašu.
Matematički opis površinskog napona
Površinski napon $\sigma$ definiše se kao sila po jedinici dužine ivice površine tečnosti:
$ \sigma = \frac{F}{l} $
gde je:
- $F$ – sila koja deluje na ivicu površine (u njutnima),
- $l$ – dužina ivice (u metrima).
Površinski napon zavisi od temperature i vrste tečnosti. Za vodu na 20°C iznosi približno:
$ \sigma_{voda} \approx 0.072 \, \text{N/m} $
Kapilarna pojava
Ako tanku cev (kapilar) uronimo u tečnost, ona će se podići ili spustiti u cevi. Visina podizanja (ili spuštanja) zavisi od odnosa kohezionih i adhezionih sila. Za konkavni meniskus (voda u staklu), tečnost se podiže. Za konveksni meniskus (živa u staklu), tečnost se spušta.
Visina podizanja u kapilaru može se izračunati formulom:
$ h = \frac{2 \sigma \cos \theta}{\rho g r} $
gde je:
- $h$ – visina podizanja tečnosti,
- $\sigma$ – površinski napon,
- $\theta$ – kontaktni ugao između tečnosti i zida,
- $\rho$ – gustina tečnosti,
- $g$ – ubrzanje zemljine teže,
- $r$ – poluprečnik kapilara.