Поверхневий натяг рідин. Сила поверхневого натягу

Будь-яка хімічна однорідна речовина може бути за одних умов у газоподібному стані, а за інших - у рідкому. Водночас за своїми властивостями гази і рідини суттєво відрізняються. Рідини, як і гази, не мають певної форми і набувають форми тієї посудини, в якій знаходяться, але газ не має власного об'єму V і займає будь-який наданий йому об'єм. Об'єм рідини - сталий. Газ відносно легко стискається, а рідини майже нестисливі. Можливість вільного переміщення молекул рідини одна відносно одної обумовлює їх плинність.

Найбільш характерною властивістю рідини, що відрізняє її від газу, є те, що на межі з газом рідина утворює вільну поверхню. На кожну молекулу рідини діють сили притягання сусідніх молекул. Ці сили для молекул, що знаходяться всередині рідини, взаємно скомпенсовані (рис.3.3.7). Рівнодійна ж сил притягання, що діє на молекули, які знаходяться на поверхні розділу, напрямлена вниз (всередину рідини), тобто молекули поверхні мають так звану надлишкову поверхневу енергію. На поверхні утворюється дефіцит молекул, через що відстань між молекулами набагато більша від норми, тому поверхневий шар рідини розтягнутий і між молекулами на поверхні діють сили притягання або сили поверхневого натягу. Мінімальну поверхню серед тіл певного об'єму має куля. Тому за відсутності (або дуже малої) дії сил рідина набуває форми кулі. Підтвердженням цього є дослід Плато з руху краплини аніліну в посудині з рідиною, густина якої дорівнює густині аніліну.

Нехай l - довжина лінії, вздовж якої обмежена поверхня розділу.

Коефіцієнт поверхневого натягу дорівнює відношенню сили поверхневого натягу F_пов до довжини лінії l, що обмежує поверхню розділу і вздовж якої вона діє по дотичній в кожній точці, перпендикулярно до будь-якого елемента лінії розділу середовищ:

У СІ [σ] = Н/м.

Ми розглянули поверхневий натяг з погляду сил, що діють між молекулами поверхневого шару рідини. Але можливою є і енергетична характеристика поверхневого шару рідини. Якщо під дією сил поверхневого натягу зменшується площа поверхневого шару рідини, енергія цього шару теж зменшується. При цьому сили поверхневого натягу виконують роботу, що дорівнює за модулем і протилежна за знаком зміні енергії поверхневого шару ∆E:

A = -∆ E = - σ∆S, (3) де ∆S - зміна площі поверхневого шару рідини; σ - коефіцієнт поверхневого натягу. З рівності (3) знаходимо:

Отже, коефіцієнт поверхневого натягу рідини чисельно дорівнює роботі ізотермічного утворення одиниці поверхні рідини за її незмінного об'єму. За цих умов у СІ [σ] = Дж/м².

Цей коефіцієнт, визначений для всіх рідин і занесений до таблиць, не залежить від довжини контуру, а визначається фізичними властивостями рідини, її станом. Унаслідок підвищення температури коефіцієнт s зменшується. За критичної для певної рідини температури її поверхневий натяг дорівнює нулю. На значення коефіцієнта також впливає наявність у рідині домішок. Речовини, невеликі кількості яких значно зменшують s, називають поверхнево-активними речовинами. Поверхнево-активні речовини входять до складу всіх мийних засобів.

Змочування.

Для води поверхнево-активними речовинами є етиловий спирт, ефір, мило, різні пральні порошки. У процесі прання білизни значення σ зменшується як через нагрівання рідини, так і внаслідок введення мийних засобів. Якщо рідина межує з її парою, то взаємодії між молекулами слабкіші і їх можна не враховувати. Коли поверхневий шар рідини межує з твердим тілом, то взаємодію молекул рідини і твердого тіла слід враховувати. У повсякденному житті можна спостерігати, що крапля води розпливається по чистій поверхні скла (рис. 3.3.8, а), але не розпливається по забрудненій жиром поверхні і має при цьому форму майже правильної кулі (рис. 3.3.8, б). У першому випадку говорять, що вода змочує поверхню, у другому - не змочує.

Якщо взаємодія молекул рідини менша, ніж їх взаємодія з молекулами контактного твердого тіла, то маємо випадок змочування і навпаки, коли ця взаємодія більша - незмочування.

Інтенсивність змочування характеризується кутом змочування Ө, який утворюється між дотичною до поверхні рідини і поверхнею твердого тіла. Відлік кута виконують у бік рідини (рис.3.3.9, а, б). Якщо - поверхня тіла змочувана, а якщо - незмочувана.

Якщо межа розділу вертикальна, поверхня рідини (меніск) у разі змочування має увігнуту форму (рис. 3.3.9, а). Поверхня рідини за вертикального розміщення тіла внаслідок незмочування має опуклу форму (рис. 3.3.9, б).

Явища змочування і незмочування відіграють важливе значення в побуті і техніці, якби вода не змочувала тіло людини, то марним було б купання. Добре змочування потрібне під час фарбування і прання, паяння, збагачення руд цінних порід та інших технічних процесів.

Капілярні явища.

Явище змочування і незмочування виявляється у піднятті і спусканні рідини в тонких трубках (капілярах). Розглянемо капілярні явища.

Опустимо в рідину густиною ρ капіляр радіусом r 1 мм (рис. 3.3.10).

Нехай рідина змочує стінки капіляра вздовж поверхні розділу "рідина - стінки - пара". По дотичній в кожній її точці будуть діяти сили поверхневого натягу. Рівнодійна цих сил напрямлена вгору і буде піднімати рідину в капілярі. У широких трубках таке явище не спостерігається через мале значення рівнодійної сил поверхневого натягу, які через великий радіус кривизни поверхні напрямлені переважно в площині поверхні рідини. Підняття рідини в капілярі припиниться тоді, коли сила тяжіння піднятого стовпа рідини зрівноважить силу поверхневого натягу: F_пов = F_тяж. (4)

Сила поверхневого натягу F_пов = 2πrσ. Сила тяжіння F_т = mg. Оскільки m = ρV = ρπr² h, рівність (4) набуде вигляду: 2πrσ =ρπ r²hg. (5)

Із рівності (5) знаходимо висоту підняття рідини для циліндричного капіляра:

де h - висота підняття рідини в циліндричному капілярі; σ - коефіцієнт поверхневого натягу рідини; ρ - густина рідини; r - радіус капіляра; g - прискорення вільного падіння.

Якщо рідина не змочує капіляр, то в цьому разі рівень рідини в ньому буде нижчим від рівня рідини в посудині. Різниця цих рівнів, яку також позначають через h, має таку саму залежність від σ, ρ і r, як і у разі змочування.

Капілярні явища мають велике значення в природі і техніці. Завдяки цим явищам відбувається проникнення вологи з ґрунту в стебла і листя рослин. Саме в капілярах відбуваються основні процеси, пов'язані з диханням і живленням організмів. У тілі дорослої людини приблизно 160·10⁹ капілярів, загальна довжина яких сягає 60 - 80 тис. км.

У будівництві враховують можливість підняття вологи по капілярних порах будівельних матеріалів. Для захисту фундаменту і стін від дії ґрунтових вод та вологи застосовують гідроізоляційні матеріали: толь, смоли тощо.

Завдяки капілярному підняттю вдається фарбувати тканини.

Часто капілярні явища використовують і в побуті. Застосування рушників, серветок, гігроскопічної вати, марлі, промокального паперу можливе завдяки наявності в них капілярів.

Запитання для самоперевірки

1. Які властивості має поверхневий шар рідини?

2. Що називають поверхневим натягом?

3. Виконавши рисунок, установіть фізичний зміст поверхневого натягу як величини, пов'язаної з енергією поверхневого шару рідини.

4. Наведіть приклади дії сил поверхневого натягу.

5. Що називають коефіцієнтом поверхневого натягу? Від чого він залежить? У яких одиницях виміряється коефіцієнт поверхневого натягу в СІ?

6. Що являє собою сила поверхневого натягу? Яка формула виражає зміст цього поняття?

7. Як зміниться сила поверхневого натягу води у разі розчинення в ній мила?

8. Якої форми набувають краплі рідини в умовах невагомості? Чому?

9. Виконавши пояснювальний рисунок, розкрийте фізичну сутність явищ змочування і незмочування.

10. Чому жирові плями на одязі не вдається змити водою?

11. Що називають меніском?

12. Що таке крайовий кут? Яким є його значення у разі змочування? Незмочування?

13. Що називають капілярністю?

14. Обґрунтуйте, у якому випадку рідина в капілярі піднімається, а в якому опускається.

15. Чому фундамент цегляних будинків покривають гарячим бітумом чи обкладають толем?

16. Виведіть формулу, за якою визначають висоту піднімання чи опускання рідини в капілярі.

17. Наведіть приклади врахування і використання капілярних систем у повсякденному житті.

Поиск по сайту: