Фізика. Рівень стандарту. 10 клас. Головко

§ 29. Рідини. Поверхневий натяг рідин

• Рідини і гази
• Сила поверхневого натягу

РІДИНИ І ГАЗИ. Ви вже знаєте, що будь-яка хімічно однорідна речовина може бути за одних умов у газоподібному стані, а за інших — у рідкому. Водночас за своїми властивостями гази і рідини істотно відрізняються. Рідини, як і гази, не мають певної форми і набувають форми тієї посудини, в якій знаходяться, але газ не має власного об’єму і займає будь-який наданий йому об’єм. Об’єм рідини — постійний. Газ на відміну від рідин відносно легко стискається. Можливість молекул рідини здійснювати перескоки зумовлює її текучість. Найхарактернішою відмінністю рідини є те, що на межі з газом рідина утворює вільну поверхню (мал. 29.1). Усі сили, що діють на молекули всередині рідини, взаємно скомпенсовані. Рівнодійна ж сил притягання, що діє на молекули, які перебувають на поверхні розділу, напрямлена усередину рідини. Отже молекули поверхневого шару, товщина якого дорівнює радіусу дії молекулярних сил, чинять тиск на рідину, стягуючи її поверхню до мінімуму. Це явище називається явищем поверхневого натягу. Завдяки поверхневому натягу води на її поверхні можуть утримуватися легкі (навіть металеві) предмети і рухатися комахи-водомірки (мал. 29.2).

Мал. 29.1. Сили міжмолекулярної взаємодії молекул рідини

Мал. 29.2 а) металева скріпка на поверхні води; б) комаха-водомірка

СИЛА ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ. Між молекулами на поверхні діють сили притягання, рівнодійна яких спрямовані перпендикулярно до поверхні рідини в її середину.

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

Під дією сил поверхневого натягу верхній шар рідини намагається скоротити площу своєї поверхні до мінімальних розмірів, можливих при певному об’ємі рідини. Мінімальну поверхню серед тіл певного об’єму має куля. Тому маленькі краплинки води близькі за формою до кулі (мал. 29.3).

Мал. 29.3. Маленькі краплинки води мають майже сферичну форму

Коефіцієнт поверхневого натягу σ дорівнює відношенню сили поверхневого натягу F_н до довжини лінії l, що обмежує поверхню розділу:

У СІ коефіцієнт поверхневого натягу виражають у ньютонах на метр [σ] = Н/м. Але існує визначення поверхневого натягу, як енергії (Дж) на розрив одиниці поверхні (м).

Сила поверхневого натягу залежить від природи речовини, характеристикою якої є коефіцієнт поверхневого натягу. Коефіцієнт поверхневого натягу, визначений для багатьох однорідних рідин і занесений до таблиць (табл. 29.1).

Таблиця 29.1

Коефіцієнт поверхневого натягу рідин про 20 °С

Речовина	σ, мН/м	Речовина	σ, мН/м
Вода	73	Молоко	46
Гас	24	Нафта	30
Бензин	21	Ртуть	510
Мильний розчин	40	Спирт	22

Коефіцієнт поверхневого натягу не залежить від довжини контуру, а визначається фізичними властивостями рідини, її станом. Унаслідок підвищення температури коефіцієнт σ зменшується через збільшення середньої відстані між молекулами на поверхні рідини. За критичної для певної рідини температури її поверхневий натяг дорівнює нулю. На значення коефіцієнта σ також впливає наявність у рідині домішок. Зокрема, мило зменшує коефіцієнт поверхневого натягу води з 72 • 10^-3 до 45 • 10^-3 Н/м. У процесі прання білизни значення σ зменшується як через нагрівання рідини, так і внаслідок введення мийних засобів, що сприяє легшому проникненню розчин у тканину. Бензин і різні спирти застосовують під час хімічного чищення одягу.

Під впливом рівнодійної сили притягання молекули поверхневого шару втягуються всередину рідини, її вільна поверхня скорочується, а отже, сила поверхневого натягу виконує роботу. Таким чином, верхній шар має енергію, що є сумарною потенціальною енергією молекул поверхневого шару рідини. Її називають поверхневою енергією й обчислюють за формулою:

W = σS,

тоді робота сили поверхневого натягу:

А = ΔW = σΔS,

де σ — коефіцієнт поверхневого натягу; S — площа вільної поверхні рідини.

Головне в цьому параграфі

Силою поверхневого натягу називають таку силу, яка діє вздовж поверхні рідини перпендикулярно до лінії, що її обмежує, намагаючись скоротити цю поверхню до мінімуму.

Характеристикою верхнього шару рідин є коефіцієнт поверхневого натягу, який дорівнює відношенню сили натягу F_н 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:

Коефіцієнт поверхневого натягу рідини залежить від природи середовищ, які межують, і температури.

Поверхнева енергія дорівнює: W = σS, а робота сили поверхневого натягу — А = ΔW = σΔS.

Запитання для самоперевірки

• 1. Які властивості має поверхневий шар рідини? Що таке сила поверхневого натягу?
• 2. Що називають коефіцієнтом поверхневого натягу? Від чого він залежить? У яких одиницях вимірюється коефіцієнт поверхневого натягу в СІ?
• 3. Як зміниться сила поверхневого натягу води в разі розчинення в ній мила?
• 4. Якої форми набувають краплі рідини в умовах невагомості? Чому?

Вправа до § 29

1(п). Коефіцієнт поверхневого натягу води зі зниженням температури:

• А Не змінюється.
• Б Зменшується.
• В Збільшується.
• Г Спочатку збільшується, а потім зменшується.

2(п). Порівняйте масу крапель холодної та гарячої води, що падають із крана, відкритого в однаковому положенні:

• А Краплі мають однакову масу.
• Б Краплі холодної мають більшу масу.
• В Краплі гарячої води мають більшу масу.
• Г Маса крапель не залежить від температури води.

3(с). Чому краплина жиру, що плаває на поверхні супу, має круглу форму?

4(с). Якщо на поверхню води покласти нитку і з одного боку торкнутися шматочком мила, нитка почне рухатися. Поясніть це явище.

5(д). Сірник масою 0,09 г лежить на поверхні води. З яким прискоренням він почне рухатися, якщо з одного боку торкнутися поверхні води милом. Довжина сірника — 4 см.

6(д). З метою визначення коефіцієнта поверхневого натягу води учениця використала піпетку діаметром вихідного отвору 2 мм. Маса 40 крапель виявилася рівною 1,9 г. Яке значення коефіцієнта поверхневого натягу одержала учениця?

7(д). Яку роботу слід виконати, щоб розбити краплю ртуті діаметром 4 мм на 8 однакових крапель діаметром 2 мм кожна?

8(в). Підвішену на нитках дротяну прямокутну рамку зі сторонами 5 см і 10 см занурили у воду. Маса рамки становить 4 г. Яку силу необхідно прикласти, щоб піднімаючи рамку горизонтально, відірвати її від поверхні води.

9(в). Дерев’яний кубик, довжина ребра якого 2 см, плаває на поверхні води. Густина дерева становить 500 кг/м³, води — 1000 кг/м³. Визначте глибину занурення кубика. Коефіцієнт поверхневого натягу води — 73 мН/м.