Найхарактернішою властивістю рідини, є те, що на межі з газом рідина утворює вільну поверхню. З’ясуємо, чим відрізняються дії молекулярних сил всередині рідини та на 'її поверхні.

На кожну молекулу рідини діють сили притягання сусідніх молекул (мал. 161). Ці сили для молекули М , що містяться всередині рідини, взаємно скомпенсовані, тобто середнє значення рівнодійної сил притягання близьке до нуля. Випадкові зміни величини і напрямку цієї рівнодійної змушують молекулу здійснювати лише хаотичний рух всередині рідини.

Рівнодійна ж сил притягання F, що діє на молекули, які містяться на поверхні рідини, відмінна від нуля, адже над поверхнею рідини її молекул значно менше, ніж усередині. Таким чином, рівнодійна сил притягання, що діють на молекули, які розміщенні в поверхневому шарі товщиною, яка дорівнює радіусу міжмолекулярної взаємодії, напрямлена вниз (усередину рідини). Унаслідок цього молекули поверхневого шару чинять молекулярний тиск на рідину, стягуючи її поверхню до мінімуму. Це явище називають явищем поверхневого натягу. Рівнодійну сил притягання, які діють між молекулами на поверхні рідини, називають силою поверхневого натягу F_n.

Завдяки явищу поверхневого натягу вільна поверхня води поводить себе як пружна плівка, на ній можуть утримуватися легкі (навіть металеві) предмети й рухатися комахи-водомірки (мал. 162).

Явище поверхневого натягу з позицій молекулярно-кінетичної теорії пояснюється таким чином. Оскільки молекули рідини, розміщені в її поверхневому шарі, втягуються всередину рідини, їх потенціальна енергія більша, ніж у молекул всередині рідини. До такого висновку можна дійти, врахувавши, що потенціальна енергія взаємодії молекул від’ємна (див. § 21) і що молекули в поверхневому шарі рідини взаємодіють з меншою кількістю молекул, ніж усередині. За рахунок цієї додаткової потенціальної енергії молекул поверхневого шару може бути виконана робота, пов’язана зі зменшенням вільної поверхні рідини. Або, навпаки, для того, щоб вивести молекулу М_х (мал. 161) із середини рідини на її поверхню, треба подолати протидію

молекулярних сил, тобто виконати роботу, яка потрібна для збільшення повної енергії молекул поверхневого шару рідини. Неважко зрозуміти, що при цьому зміна повної енергії молекул поверхневого шару рідини прямо пропорційна зміні площі вільної поверхні рідини: ΔΕ ~ AS. І оскільки зміна енергії визначається роботою,

Робота молекулярних сил залежить від роду рідини й умов над поверхнею рідини. Тому, переходячи до знака рівності, введемо коефіцієнт пропорційності σ, що описує ці залежності. Його називають коефіцієнтом поверхневого натягу.

Коефіцієнт поверхневого натягу, σ — це фізична величина, яка описує залежність роботи молекулярних сил під час зміни площі вільної поверхні рідини від роду рідини й зовнішніх умов і вимірюється роботою молекулярних сил, необхідною для зменшення площі вільної поверхні

рідини на одиницю:

Одиниця коефіцієнта поверхневого натягу в СІ — джоуль на метр у квадраті:

Цей коефіцієнт визначено для багатьох однорідних рідин і занесено до таблиць. З підвищенням температури коефіцієнт σ зменшується через збільшення середньої відстані між молекулами на поверхні рідини. За критичної температури Т_кр поверхневий натяг зникає, оскільки немає різниці між рідиною та її парою.

Коефіцієнт поверхневого натягу може бути виражений і через силу поверхневого натягу та довжину межі вільної поверхні:

Силою поверхневого натягу називають силу, яка діє вздовж поверхні рідини перпендикулярно до лінії, що обмежує цю поверхню, і прагне скоротити площу вільної поверхні до мінімуму.

З формули

видно, що одиницею коефіцієнта поверхневого

натягу може бути ньютон на метр:

Вивчаючи основи механіки, ми дізналися, що будь-яка механічна система у вільному стані намагається зайняти таке положення, у якому її потенціальна енергія мінімальна. Така ж закономірність спостерігається і в молекулярній фізиці. Під дією сил поверхневого натягу поверхневий шар рідини намагається скоротити площу своєї поверхні до мінімального для даного об’єму рідини розміру. Рідина, що перебуває у вільному стані й не взаємодіє з опорою чи посудиною (наприклад, у стані невагомості) набуває форму кулі, бо куляста форма має мінімальну площу поверхні для заданого об’єму.

Поверхнево-активні речовини. На значення коефіцієнта σ також впливає наявність домішок у самій рідині. Речовини, які послаблюють поверхневий натяг рідин, називають поверхнево-активними. Найвідомі-шими поверхнево-активними речовинами для води є мило та миючі засоби. Зокрема, мило зменшує коефіцієнт поверхневого натягу води з 72 · 10^-3 до

У процесі прання білизни значення σ зменшується як через

нагрівання рідини, так і завдяки додаванню мийних засобів, це сприяє легшому проникненню розчину в тканину. З молекулярної точки зору вплив поверхнево-активних речовин пояснюється тим, що сили притягання між молекулами самої рідини більші за сили притягання між молекулами поверхнево-активної речовини. Тому молекули рідини, розміщенні в поверхневому шарі, з більшою силою втягуються всередину рідини, ніж молекули домішок. Унаслідок цього молекули рідини переходять з поверхневого шару в глибину, а молекули поверхнево-активної речовини витісняються на поверхню.

ЗНАЮ, вмію, розумію

1. Які властивості має поверхневий шар рідини? Що таке сила поверхневого натягу?

2. Від чого залежить коефіцієнт поверхневого натягу? У яких одиницях вимірюється коефіцієнт поверхневого натягу в СІ?

3. Як зміниться сила поверхневого натягу води після розчинення в ній мила?

Експериментуємо

Покладіть на поверхню води сірник і доторкніться до води шматком мила з одного боку поблизу сірника. Поясніть явище, що спостерігається при цьому. Визначте силу, яка приводить сірник у рух, якщо довжина сірника 4 см.

Приклади розв'язування задач

Задача 1. Тонке алюмінієве кільце радіусом 7,8 см лежить на поверхні мильного розчину. З яким зусиллям можна відірвати кільце від розчину? Температуру розчину вважати кімнатною. Маса кільця 4 г.

Розв’язання:

Сили, що діють на кільце, показано на малюнку 163.

Оскільки кільце дотикається до мильного розчину і із зовнішнього, і з внутрішнього боку, то сила поверхневого натягу

Сила, яку необхідно прикласти, щоб відірвати кільце, дорівнює

Після підстановки даних отримуємо: F = 0,11 Н. Відповідь: 0,11 Н.

Задача 2. Яку роботу необхідно виконати, щоб розділити сферичну краплину радіусом R на дві однакові краплини?

Розв’язання:

Для розділення краплини необхідно виконати роботу для збільшення площі поверхні ΔS, оскільки площа поверхні великої краплини S менша, ніж сума площ отриманих краплин 2S₀;

ВПРАВА 30

1. Яку роботу треба виконати, щоб надути мильну бульбашку радіусом 4 см? Коефіцієнт поверхневого натягу мильного розчину дорівнює

2. З крапельниці накапали однакові маси води, спочатку холодної за температури 8 °С, а потім гарячої — за температури 80 °С. Як і в скільки разів змінився коефіцієнт поверхневого натягу води, якщо в першому випадку утворилося 40, а в другому — 48 крапель? Вважайте, що густина холодної та гарячої води однакова.

3. Кільце, внутрішній діаметр якого 25 мм, а зовнішній — 26 мм, підвішене горизонтально до пружини й дотикається до поверхні рідини. Жорсткість пружини —

Під час опускання поверхні рідини, кільце відривається від неї в момент, коли видовження пружини становить 5,3 мм. Визначте поверхневий натяг рідини.

4. Дві мильні бульбашки радіусами 2 та 3 см зливаються в одну. Визначте енергію, що виділяється в цьому процесі, якщо коефіцієнт поверхневого натягу

5. Крапля ртуті масою m = 1 г розбивається на n = 100 однакових крапель. Визначте, наскільки зростає при цьому енергія поверхневого шару ртуті. Коефіцієнт поверхневого натягу ртуті

 

 

Це матеріал з підручника Фізика і астрономія за 10 клас Засєкіна (профільний рівень)