Поверхневий натяг рідини

У рідинах середня відстань між молекулами набагато менша, ніж в газах. Тому сили взаємодії між молекулами в рідинах відіграють суттєву роль. У поверхневому шарі рідини має місце некомпенсованість міжмолекулярних сил: на молекули в цьому шарі з боку внутрішніх молекул діє сила притяжіння, спрямована на об'єм рідини. Тому, згідно з моделлю Ван-дер-Ваальса, поверхневий шар рідини створює значний внутрішній тиск, спрямований в середину об'єму по нормалі до поверхні.

Енергія всіх молекул рідини складається з кінетичної енергії механічного руху та потенціальної енергії взаємодії між молекулами. В стані теплової рівноваги кінетична енергія всіх молекул в середньому однакова. Дещо інша справа з потенціальною енергією. У разі переходу молекул із внутрішніх шарів на поверхню вони повинні виконати роботу проти некомпенсованих сил. Ця робота витрачається на збільшення потенціальної енергії молекул, котрі перейшли в поверхневий шар. Отже, молекули на поверхні рідини мають більшу потенціальну енергію, ніж молекули всередині об'єму.

У стані стійкої рівноваги система прагне до мінімального запасу потенціальної енергії, а за незмінної температури та об'єму – вільної енергії. Тому тіло в стані рідини, на яке не діють зовнішні сили, прагне набрати такої форми, щоб площа його поверхні була мінімальною. Для рідин ця умова відповідає мінімуму відношення площі поверхні тіла до його об'єму. З математики відомо, що такі тіла мають сферичну форму, наприклад, краплини дощу, краплини суспензованої рідини.

Прагнення рідини зменшити розміри вільної поверхні свідчить про те, що в поверхневому шарі, як у розтягнутій пружній плівці, діють сили натягу. Розглянемо такий дослід. Горизонтальний дротяний каркас ABCD і поділяючу його на дві однакові частини перетинку повністю затягнемо плівкою мильної води (рис. 9.1).

Сили, які діють на перетинку з боку лівої та правої частин плівки, взаємно компенсуються, і перетинка нерухома (рис 9.1, а). Якщо праву частину плівки відділити від перетинки (рис 9.1, б), то під дією лівої частини плівки перетинка почне рухатись вліво. Для компенсації дії плівки до перетинки необхідно прикласти силу . Досліди показують, що ця сила пропорційна довжині перетинки:

(9.7)

Коефіцієнт пропорційності називають коефіцієнтом поверхневого натягу рідини. Мильна плівка має дві вільні поверхні, на кожну з яких припадає сила:

(9.8)

Із формули (9.8) знаходимо, що коефіцієнт поверхневого натягу рідини кількісно дорівнює силі, що діє на одиницю довжини контуру, який обмежує поверхню рідини. Ця сила зумовлена взаємним притяжінням між молекулами в поверхневому шарі. Вона має напрямок по дотичній до поверхні рідини і перпендикулярний до контуру.

Коефіцієнт поверхневого натягу рідини залежить від хімічної природи речовини, температури та властивостей середовища, з яким контактує речовина.

Знайдемо формулу для обчислення поверхневої енергії. При переміщенні межі плівки ab (рис 9.1, б) на відстань , зовнішня сила виконує роботу:

(9.9)

Тут – зміна площі вільної поверхні рідини. Повна робота зовнішніх сил у разі зміни площі поверхні плівки від до буде дорівнювати:

(9.10)

У разі ізотермної зміни площі і:

(9.11)

Ця робота витрачається на зміну поверхневої енергії рідини , яку позначимо як :

(9.12)

На підставі формул (9.11) та (9.12) знаходимо, що енергія поверхневого натягу рідини:

(9.13)

Таким чином, коефіцієнт поверхневого натягу кількісно дорівнює вільній енергії поверхневого шару, площа якого дорівнює одиниці.