Virsmas spraigums

Virsmas spraigums ir šķidruma virsmas īpašība. Virsmas spraigumu izraisa kohēzija — divu kontaktā esošu ķīmiski vienādu cietvielu vai šķidrumu saskarvirsmu saistīšanās, ko rada starpmolekulārie spēki. Tā kā šķidruma molekulas uz virsmas nav pilnībā ieskautas ar līdzīgām molekulām, tās ir vairāk piesaistītas blakusesošajām molekulām uz šķidruma virsmas.

Pēc absolūto vienību definīcijas, virsmas spraigums ir ņūtonos (N) izteikts spēks, ar kādu cenšas sarauties vienu metru (m) platas virsmas strēmele, un SI sistēmā to izsaka N/m. Piemēram, ūdenim virsmas spraigums ir liels, jo tam raksturīgā ūdeņraža saite starp molekulām uz fāžu robežvirsmām izpaužas spēcīgi. Daži piemēri: etanols — 0,022 N/m; ūdens — 0,073 N/m; dzīvsudrabs — 0,472 N/m. Par virsmas spraigumu ir atbildīgi starpmolekulārie spēki. Šķidruma iekšienē katra molekula ar vienādu spēku tiek vilkta visos virzienos. Molekulām uz šķidruma virsmas šāda pievilkšanās nav iespējama, jo tās nav pilnībā ieskautas ar līdzīgām molekulām. Rezultātā pievilkšanās pie „kaimiņu” molekulām uz šķidruma virsmas ir daudz izteiktāka. Vistiešākais virsmas spraiguma piemērs ir ūdens piliens. Virsmas spraiguma iedarbībā ūdens molekulas pievelkas viena otrai, veidojot tādu kā „virsējo kārtu”. Rezultātā ūdens piliens parasti ieņem sfērisku formu.

Runājot par šo parādību, to der apskatīt arī no šķidruma virsmas enerģijas viedokļa. Molekulām, kas ir kontaktā ar blakusesošajām molekulām, ir mazāks enerģijas līmenis nekā tām, kurām nav šāda kontakta vai tas ir nepilnīgs. Šķidruma iekšienē visām molekulām ir tik daudz blakusesošo molekulu, cik tas ir iespējams, bet uz virsmas esošajām šis kontakts ir nepilnīgs. Attiecīgi tām ir augstāks enerģijas līmenis. Šķidrumam, lai tas samazinātu šo enerģiju, vajag samazināt virsmas molekulu skaitu, tas ir, samazināt virsmas platību.

Pēc ar Laplasa teorijas, sfērai šajā gadījumā ir visefektīvākā forma. Uz noteiktu vielas tilpumu proporcionāli virsmas platība ir vismazākā, salīdzinot ar citām ģeometriskām formām. Izteikti šo parādību var novērot, ūdenim pilot no krāna. Ja sākumā pilošā ūdens forma ir neizteikta (gareniska), tad, ūdenim pilot, tas ātri ieņem sfērisku formu.

Virsmas samazināšanās rezultātā virsma ieņem vistaisnāko formu, kādu tā var ieņemt. Matemātiski tas tiek pierādīts ar Eilera—Lagranža vienādojumu. Jebkurš nelīdzenums šķidruma virsmā palielina tās platību, tādējādi palielinot arī virsmas enerģiju. Rezultātā virsma centīsies iztaisnot katru nelīdzenumu, tāpat kā stumjot bumbu kalnā, tā spiedīs atpakaļ, cenšoties samazināt tās gravitācijas potenciālo enerģiju.

Šķidruma virsmas enerģija nosaka arī tā spēju slapināt cietvielas. Slapināšana — šķidruma spēja slapināt cietas vielas ķermeņus. Piemēram, ja ūdens lāsi izlej uz pulētas galda virsmas, tad ūdens izplūst un plānā slānītī piekļaujas virsmai — galds kļūst slapjš. Ūdens slapina daudzas cietas vielas: stiklu, galda laku u.c. Slapināšana ir raksturīga arī citiem šķidrumiem. Šie šķidrumi slapina daudzu, bet ne visu cietu vielu virsmas. Tā, piemēram, uz parafīna virsmas ūdens pilītes neizplūst, jo parafīnu ūdens neslapina. Ir arī šķidrumi, kuri izturas savādāk nekā ūdens. Tāds ir, piemēram, dzīvsudrabs. Tas, izliets uz kāda ķermeņa virsmas, savelkas lodītēs, attiecīgo virsmu neslapina.

Šādas parādības skaidrojamas ar molekulu pievilkšanās spēkiem. Ja pievilkšanās spēki starp šķidruma molekulām ir lielāki nekā starp šķidruma un cietās vielas molekulām, tad slapināšana izpaudīsies vājāk. Tomēr, ja pievilkšanās spēki šķidrumā nav tik izteikti, cietais materiāls tiks slapināts izteiktāk. Tātad slapināšana ir atkarīga gan no šķidruma, gan cietās virsmas.

Virsmas spraiguma dotās priekšrocības tiek izmantotas arī daudz kur dabā. Piemēram, virsmas spraigumu un slapināšanas īpašības izmanto daudzi kukaiņi, lai pārvietotos pa ūdens virsmu. Kā jebkuru peldošu objektu, kukaini balsta virsmas spraiguma spēks, kurš darbojas vienādi no visām pusēm. Lai pārvietotos kādā virzienā, kāpurs noliecas uz vienu pusi, tādā veidā izraisot spraigumu spēku atšķirības priekšpusē un pakaļpusē, kas arī ļauj kāpuram kustēties noteiktā virzienā. Savukārt sīkie matiņi vai īpašs, ūdeni atgrūžošs, materiāls uz to kājām ļauj tiem stabili turēties virs ūdens un nesaslapināties.