Je možné vyjít z vody suchý? Ano, je třeba se potřít látkou, která vodu „odpuzuje“. Příkladem takové látky je např. parafín. Říkáme, že voda parafín nesmáčí. Dalším příkladem je rtuť, která se takto chová téměř ke všem pevným látkám. Voda se však nechová ke všem látkám stejně: kapka se na skle rozteče do tenké vrstvičky, ale na parafínu si zachová tvar koule. Stejně tak voda nepronikne peřím vodních ptáků a ti mohou snadno plavat po vodní hladině nebo se i potápět. Ptáci se utopí, když je zasáhne ropná skvrna na hladině.
Podle obrázku si můžeme představit rozhraní tří prostředí – vzduch, voda a olej. V bodě M působí tři povrchová napětí vždy na rozhraní dvou prostředí. Tato napětí odpovídají příslušným silám, jejichž rovnováha závisí nejen na velikosti, ale také na směrech. Síly můžeme poskládat tzv. Neumannovým trojúhelníkem.
Síly působící na rozhraní tří prostředí.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Jestliže síla F13 je větší než součet sil F12 a F23, pak se kapka ve vodě rozteče do šířky a vytvoří tenký filtr. Jestliže je síla F13 menší než součet sil F12 a F23, pak kapka zaujme kulový tvar. Podobně se chová rozhraní voda, vzduch a stěna nádoby. Mluvíme pak o smáčení nebo nesmáčení stěny.
Smáčení a nesmáčení stěny.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Tvar povrchu kapaliny je vždy kolmý k výslednici všech sil, které na molekuly kapaliny působí. Je tedy určen výslednicí přitažlivých sil, které působí jednak mezi částicemi kapaliny navzájem (síly soudržnosti), jednak mezi částicemi kapaliny a částicemi stěny nádoby (síly přilnavosti). Pokud jsou síly soudržnosti malé ve srovnání se silami přilnavosti, odpovídá zakřivení povrchu kapaliny a tvar je dutý. Převládají–li síly soudržnosti nad silami přilnavosti, je povrch kapaliny vypuklý.
Aby mohly kachny plavat na vodě, mají na svých pírkách vrstvičku tuku. Voda se nedostane do malých mezer mezi horní vrstvu pírek. Aby se tam dostala, musel by se mnohonásobně zvětšit povrch vodních kapiček. Tomu však brání povrchové napětí, které je relativně velké. Mezi pírky, která se nachází ve spodnějších vrstvách, zůstává mnoho vzduchu a ten pomáhá kachny nadnášet. Na obdobném principu fungují membrány typu Goretex. Obsahují v sobě mnoho mikroskopických dírek, které snadno propouštějí vzduch. Aby jimi mohla projít voda, musela by se rozprášit na malé kapičky. Tomu však brání povrchové napětí, membrána je tím pro kapalnou vodu prakticky neprostupná a turista oblečený do goretexové bundy v dešti nepromokne.
Zdroj: www.freedigitalphotos.net. Free picture.
Zakřivení volného povrchu kapaliny také pozorujeme v úzkých trubicích s kapalinou. Poprvé stejné jevy pozoroval a publikoval Giovanni Alfonso Borelli v knize De motionibus naturalibus a gravitace pendetibus, Reggio v roce 1970. Později ho následoval James Jurin, Alexis Clairaut, Pierre Laplace, Thomas Young, Karl Gauss, Franz Neumann, William Thomson apod. Je–li průměr těchto trubic velmi malý (řádově mm), nazýváme tyto trubice kapiláry (z lat. capillus – vlas). V kapiláře zčásti zasunuté do kapaliny v široké nádobě buď vystoupí kapalina nad úroveň hladiny v nádobě – kapilární elevace (vytvářejí ve styku s kapilárou dutý povrch), nebo klesne pod tuto úroveň – kapilární deprese (vytvářejí vypuklý povrch). Oba jevy nazýváme souhrnně kapilarita. Kapalina s nízkým povrchovým napětím v úzké kapiláře stoupá, a proto porézní materiály, jako je houba či hedvábný papír, nasávají vodu. Pokud je kapilára umístěna do kapaliny s vysokým povrchovým napětím, jako je rtuť, hladina kapaliny v kapiláře klesne.
Kapilární elevace (vlevo) a deprese.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Změny výšky hladiny v kapiláře jsou spojeny s existencí kapilárního tlaku, který vzniká díky zakřivení povrchu. Těsně pod dutým povrchem je vnitřní tlak menší než těsně pod rovinným povrchem kapaliny v okolí kapiláry, a to o kapilární tlak. Proto kapalina vystoupí v kapiláře do takové výšky, aby hydrostatický tlak odpovídající tomuto sloupci kapaliny vyrovnal rozdíl vnitřních tlaků. U kapilární deprese je tomu opačně. Těsně pod vypuklým povrchem v kapiláře je vnitřní tlak větší než těsně pod rovinným povrchem kapaliny v okolí kapiláry, a to o kapilární tlak. Proto kapalina klesne v kapiláře o takovou výšku, aby byl kapilární tlak kompenzován. Pro volný povrch kapaliny kulového tvaru je kapilární tlak pk dán vztahem
kde r je poloměr kapiláry a σ povrchové napětí kapaliny. V případě kapilární elevace vystoupí kapalina do takové výšky h, aby hydrostatický tlak odpovídající sloupci kapaliny výšky h byl stejný jako kapilární tlak. Má–li kapalina hustotu ρ, pak uvedenou podmínku zapíšeme ve tvaru
Odtud výška při kapilární elevaci
Při daném poloměru kapiláry je výška h tím větší, čím větší je povrchové napětí kapaliny. Obdobné úvahy platí i pro kapilární depresi. Vztah pro výpočet výšky při kapilární elevaci umožňuje experimentálně určit povrchové napětí kapaliny pomocí kapiláry.
Kapilární jevy mají velký význam v praxi. Cukr, papír, cihly, dřevo dobře vsakují kapaliny – drobné póry uvnitř těchto látek tvoří kapiláry a díky elevaci dochází ke vzlínání kapaliny. Podobně v půdě se kapilárami dostává voda z hloubky do povrchových vrstev půdy, ve kterých jsou kořeny rostlin. Společně s dalšími živinami vystupuje tenkými kapilárami, které vytvářejí rostlinné buňky, do jednotlivých částí rostlin.
Petrolej má jednu špatnou vlastnost: po naplnění petrolejky, i přes dokonalé otření, se může stát, že za chvíli bude opět špinavá od petroleje. Důvodem je dobrá smáčivost petroleje a skla. Je–li hořák špatně přišroubovaný, vzlíná petrolej až na vnější povrch nádržky. Tuto schopnost petroleje můžeme i využít. Používá se při kontrole těsnosti zařízení či ke zjištění, zda nějaký kovový výrobek nemá neviditelné trhliny či póry. Takovou součást (třeba výkovek) ponoříme na chvíli do petroleje, pak pečlivě otřeme jeho povrch, natřeme např. bílým vápnem. Po uschnutí vápna vidíme, jak se na povrchu výkovku objevují mokré skvrny od petroleje, který vzlíná z trhlin a tím prozradí, kde jaké trhliny jsou a jak velké.
Podobně jako petrolej, vzlíná velmi dobře také nafta. To je nepříjemné např. na lodích, které naftu přepravují. Nejsou–li na takových lodích nějaká vhodná zařízení proti tomuto účelu, je zcela nemožné dopravovat jimi jiné zboží než zase naftu, protože tato kapalina vzlíná neznatelnými skulinami z nádrží a proniká opravdu všude a zanechává téměř neodstranitelný zápach.
Je zajímavé se zamyslet nad tím, jak je možné, že svíčky stále hoří a také nad tím, proč má knot stálý přísun parafínu. Když odhoří část roztaveného parafínu v horním konci knotu, rozhraní mezi parafínem a vzduchem se prohne dovnitř mezi vlákna knotu. Tím se poněkud zvětší povrch rozhraní parafín - vzduch. Povrchové napětí parafínu se tomuto zvětšení snaží zabránit a výsledkem je nasátí dalšího parafínu ze spodních částí knotu a tím přísun paliva a udržení plamene.
