§ 34. Рідини. Властивості поверхні рідин

Явище поверхневого натягу. 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 М₁, 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.

Мал. 161. Сили міжмолекулярної взаємодії молекул 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_н.

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).

Мал. 162. Комаха-водомірка на поверхні води

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 М₁ (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 ~ ΔS. І оскільки зміна енергії визначається роботою, ΔΕ = A, то A ~ ΔS.

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.

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.

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.

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.

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.