ความตึงผิว (Surface tension)

รูปที่ 1 แสดงปรากฏการณ์ของความตึงผิวที่พบเห็นในชีวิตประจำวัน ลักษณะของความตึงผิวแบบต่าง ๆ

รูปที่ 2 ตัวจิงโจ้น้ำ วิ่งบนผิวน้ำ

ความตึงผิว คือ แรงต่อความยาวของผิวสัมผัส (ความพยายามในการยึดผิวของของเหลว)

แรงดึงผิวของของเหลว คือ  แรงที่เกิดขึ้นบริเวณที่ผิวของของเหลวสัมผัสกับของเหลวอื่นหรือกับผิวของแข็งโดยมีพลังงานเพียงพอต่อการยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล  ซึ่งมีขนาดสัมพันธ์กับแรงยึดติดและแรงเชื่อมแน่นทำให้เกิดเป็นลักษณะคล้ายๆ  กับแผ่นบางๆ ที่สามารถต้านแรงดึงได้เล็กน้อย มีทิศขนานกับผิวของเหลวและตั้งฉากกับเส้นขอบที่ของเหลวสัมผัส เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นความตึงผิวของเหลวจะมีค่าลดลง

รูปที่ 3 แสดงโมเลกุลใต้พื้นผิวของของเหลว จะมีแรงกระทำระหว่างกันในทุกทิศทาง ขณะที่โมเลกุลที่พื้นผิว จะมีแรงกระทำจากด้านล่างเท่านั้น ซึ่งจะทำให้มีแรงตึงผิวเข้าสู่ศูนย์กลาง

  ในของไหลทุกชนิดจะมีคุณสมบัติของแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล  2  ชนิด  คือ
1. แรงยึดติด (Cohesive Forces)  คือแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของของเหลวชนิดเดียวกันแรงนี้สามารถรับความเค้นดึง  (tensile stress)   ได้เล็กน้อย

2. แรงเชื่อมแน่น (Adhesive  force) คือแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของของเหลวกับสารชนิดอื่น  เช่น  น้ำกับแก้ว  ปรอทกับแก้ว  เป็นต้น
 

รูปที่ 4 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความตึงผิวและแรงดึงผิว

ปรากฏการณ์ของความตึงผิว

1.  การเกิดหยดของเหลว  ( droplet )   เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นกับของเหลวที่มีขนาดเล็กและอยู่อย่างอิสระ  เช่น  เม็ดของของเหลวในบรรยากาศ  หรือเม็ดของของเหลวที่เกิดจากหัวฉีดที่ฉีดของเหลวออกมาเป็นฝอยหรือละอองเล็กๆ  หรือเม็ดของของเหลวที่เกาะตามใบไม้  ซึ่งอิทธิพลของแรงตึงผิวจะพยายามปรับรูปร่างให้เม็ดของของเหลวมีลักษณะเป็นรูปทรงกลม  ทำให้แรงดันในหยดของเหลวมากขึ้น  เพื่อให้เกิดแรงต้านแรงตึงผิว  เป็นผลให้หยดของเหลวคงสภาพอยู่ได้อย่างสมดุลถ้าพิจารณาหยดของเหลวทรงกลมที่มีรัศมี  r  และความดันภายในหยดของเหลว  P  โดย
 

รูปที่ 5 หยดปรอท: หยดเล็ก ๆ จะมีรูปร่างเป็นทรงกลม ขณะที่หยดที่ใหญ่กว่าจะเป็นทรงกลมแบน เนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก

รูปที่ 6 หยดน้ำ พอลิเมอร์ซิลิโคน (silicone polymer) ที่เคลือบบนแก้ว/กระจก จะลด Adhesive forces ระหว่างโมเลกุลของน้ำกับพื้นผิวทำให้น้ำไม่เกาะติดบนพื้นผิวของแก้ว/กระจก
 

2.  คาพิลลาริตี้ ( capillarity ) คือปรากฏการณ์ที่ของไหลที่สัมผัสกับวัตถุแล้วมีลักษณะสูงขึ้นหรือต่ำลง  เนื่องมาจากอิทธิพลของแรงยึดติดและแรงเชื่อมแน่น  เช่น  บริเวณที่น้ำสัมผัสกับผิวแก้ว จะมีระดับน้ำสูงขึ้นเล็กน้อย เพราะแรงยึดติดระหว่างโมเลกุลของน้ำกับโมเลกุลของแก้วมีมากกว่าแรงเชื่อมแน่นระหว่างโมเลกุลของน้ำ  แต่ถ้าเป็นบริเวณที่ปรอทสัมผัสกับผิวแก้ว  ระดับปรอทจะต่ำลงเล็กน้อย  เนื่องจากเชื่อมแน่นระหว่างโมเลกุลของปรอทมีมากกว่าแรงยึดติดระหว่างโมเลกุลของปรอทกับโมเลกุลของแก้ว

รูปที่ 7 แสดง ผิวสัมผัสระหว่างน้ำกับแก้ว และปรอทกับแก้ว

เมื่อนำหลอดแก้วขนาดเล็กที่มีรัศมี r จุ่มลงในของไหลที่มีแรงยึดติดมากกว่าแรงเชื่อมแน่น  จะเห็นของไหลสูงขึ้นเป็นระยะ  h  โดยของเหลวมีแรงดึงผิว  F ทำมุม  θ  กับแนวดิ่ง

รูปที่ 8 แสดงความสัมพันธ์ของความสูงและความตึงผิว