Поверхневий натяг води

Відмінною особливістю рідини є наявність у неї вільної поверхні. Молекули, розташовані на цій поверхні, знаходяться в особливих умовах порівняно з молекулами іншої маси рідини.

Розглянемо молекулу А, розташовану всередині деякого великого об’єму рідини. Ця молекула взаємодіє з оточуючими її молекулами, що потрапляють у так звану сферу молекулярної дії, радіус якої порядку 10-7 см. Оскільки молекули в рідині розташовані з рівномірною щільністю, то рівнодіюча всіх сил, що діють на розглянуту молекулу, дорівнює нулю.

Інакше йде справа з молекулою В, розташованої в поверхневому шарі рідини. На відміну від молекул в глибині рідини, молекули поверхневого шару не оточені молекулами тієї ж рідини з усіх боків. Частина сусідів поверхневих молекул є частинками другого середовища, з якою рідина межує. Число частинок в одиниці об’єму цього другого середовища та їх природа можуть відрізнятися від аналогічних властивостей рідини.

Тому і молекулярні взаємодії між прикордонними молекулами і молекулами другого середовища в загальному випадку можуть відрізнятися від сил взаємодії всередині самої рідини.

З цієї причини рівнодіюча всіх сил, що діють на молекулу поверхневого шару, не дорівнює нулю. Залежно від природи межуюючих середовищ на поверхневу молекулу В діятиме деяка рівнодіюча сила, спрямована або вглиб рідини, або в бік обсягу межуючої з нею середовища.

У тому випадку, коли рідина межує зі своїм власним пором, рівнодіюча сила, що діє на молекулу В, спрямована всередину рідини, оскільки число молекул в одиниці об’єму рідини в багато разів більше, ніж їх число в межуючій з нею парі.

Наявність рівнодіючої сили, яка прагне втягнути молекулу всередину рідини, призводить до того, що молекула, яка потрапляє в поверхневий шар, повинна зробити роботу проти цієї сили. Досконала при цьому робота визначає додатковий запас потенційної енергії молекул поверхневого шару. Очевидно, що чим більше вільна поверхня рідини, тим більше число її молекул мають надлишкову потенційну енергію.

Добре відомо, що будь-яка система в природі прагне до мінімуму потенційної енергії. Отже, в поверхневому шарі рідини повинна діяти сила, яка прагне скоротити її вільну поверхню. Ця сила і є сила поверхневого натягу.

Для кількісної характеристики сил поверхневого натягу виділимо мислення на поверхні рідини відрізок довжиною l = 1 см. Оскільки рідина прагне скоротити свою поверхню до цього відрізка, точніше, до молекул, розташованих на цьому відрізку, будуть докладені сили, що лежать в площині поверхневого шару і спрямовані перпендикулярно заданої відрізку.

Рівнодіюча цих сил, прикладена до одиниці довжини контуру, що обмежує поверхню рідини, позначається через σ і називається коефіцієнтом поверхневого натягу. Поверхневий натяг залежить не тільки від властивостей самої рідини, але і від властивостей того середовища, з якою вона межує. У довідниках зазвичай наводиться значення коефіцієнта поверхневого натягу на межі рідини з повітрям і її парою.

Можна ввести і інше, енергетичне визначення коефіцієнта поверхневого натягу. Розглянемо який-небудь процес, в ході якого поверхня рідини зростає під дією зовнішніх сил, наприклад, витікання рідини з вузькою трубочки.

Рідина витікає з трубочки по краплях. Безпосередньо перед відривом крапелька висить на шиї, яка має майже циліндричну форму. Сила тяжіння, що діє на крапельку, врівноважується при цьому силою поверхневого натягу.

Якби процес збільшення площі поверхні шийки протікав адіабатично, то досконала над рідиною робота на підставі першого початку термодинаміки дорівнювала би зміні внутрішньої енергії рідини.

Зміна внутрішньої енергії рідини складається з двох складових, одна з яких ΔUПов пов’язана зі зміною внутрішньої енергії поверхневого шару, інша – ΔUОб зі зміною об’ємної складової внутрішньої енергії.

Відомо, що збільшення поверхні рідини супроводжується її охолодженням (потенційна енергія молекул поверхневого шару збільшується за рахунок кінетичної енергії молекул, що знаходяться всередині рідини).

Зрозуміло тому, що, для того щоб виключити вплив об’ємної складової внутрішньої енергії, процес збільшення поверхні шийки повинен протікати в ізотермічних умовах. Для виконання цієї умови до системи повинна бути підведена деяка кількість теплоти Q. Підведення кількість теплоти Q виключає зміну об’ємної складової внутрішньої енергії, а досконала робота А визначає зміну внутрішньої енергії поверхневого шару рідини.

Величину А називають вільною енергією поверхні, так як при скороченні поверхні рідини вона, подібно потенційної енергії, переходить в інші форми енергії або витрачається на роботу з переміщення рідини.

Отже, на підставі співвідношення коефіцієнт поверхневого натягу можна визначити як роботу, яку потрібно здійснити при ізотермічному збільшенні поверхневого шару рідини на одиницю площі. Або інакше ця величина дорівнює вільній енергії одиниці площі поверхневого шару рідини.

Експериментальне визначення величини σ показує, що поверхневий натяг залежить від:

    Природи рідини; Її температури; Присутності в її складі поверхнево-активних речовин і властивостей середовища, з якою вона межує.

Однак поверхневий натяг ніяк не залежить від того, велика поверхня рідини або мала, чи піддавалася до цього поверхня рідини розтягування чи ні. Це означає, що робота, яка витрачається на те, щоб молекула потрапила в поверхневий шар, не залежить від площі цього шару.

У зв’язку з цим варто зауважити, що поверхневий шар рідини не можна уподібнювати тонкої пружної плівці, наприклад, гумової. При розтягуванні гумової плівки в міру збільшення її поверхні розтягуються сила стає все більше і більше. І, отже, робота по збільшенню цієї поверхні також зростає. При збільшенні поверхні рідини, як було зазначено вище, такого ефекту не спостерігається.

Зауважимо ще, що, виходячи з двох можливих підходів до визначення коефіцієнта поверхневого натягу, можна зробити висновок, що ця величина в системі СІ вимірюється або в Н/м, або в Дж/м2 (у системі СГС – відповідно в дн/см або ерг/см2).

Найбільше значення сили поверхневого натягу виявляють у розплавлених металах, найменше – у рідкого водню і, особливо, у рідкого гелію. Встановлено, що для різних рідин коефіцієнт поверхневого натягу може приймати значення в інтервалі від одиниці до двох тисяч.

Експериментальні дослідження показують, що коефіцієнт поверхневого натягу рідини залежить від температури.

Надійно встановлено, що з підвищенням температури коефіцієнт поверхневого натягу зменшується. Про це свідчать результати дослідів, проведених з рідинами поблизу критичної температури, коли бачуть різницю між рідиною і її насиченою парою, зникає чітка межа розділу середовищ, а значення коефіцієнта поверхневого натягу рідини прагне до нуля.

Добре відомо, що зниження поверхневого натягу досягається введенням в рідину поверхнево-активних речовин, що зменшують її вільну поверхневу енергію (мило, жирні кислоти). Це обумовлено тим, що сили взаємодії між молекулами домішки і розчинника зазвичай не рівні силам взаємодії між молекулами чистого розчинника. Якщо перші з згаданих сил менше, ніж другі, то такі речовини називаються поверхнево-активними.

Так як молекули домішки притягуються молекулами розчинника слабкіше, ніж молекули самого розчинника, то молекули розчинника з поверхневого шару втягуються всередину рідини. У результаті цього в поверхневому шарі збільшується концентрація молекул домішки, внаслідок чого і зменшується поверхневий натяг. Поверхневий шар виявляється збідненим молекулами розчинника і збагаченим молекулами домішки. Це явище носить назву адсорбції. Їм пояснюється стійкість:

    Рідких плівок; Піни і т. д.

Адсорбція є процесом, який супроводжується зниженням вільної енергії поверхневого шару рідини. Дійсно, як показує експеримент, коефіцієнт поверхневого натягу чистої води при кімнатній температурі дорівнює 0,0725 Дж/м2, тоді як розчин мила у воді при тих же умовах характеризується коефіцієнтом поверхневого натягу, рівним 0,040 Дж/м2.
Існування сил поверхневого натягу експериментально переконливо доводиться на підставі численних дослідів з мильними плівками.

Якщо дротяний каркас з натягнутою на нього ниткою помістити в мильний розчин, то нитка придбає ту форму, яку вона випадково прийняла при утворенні плівки. Якщо обережно за допомогою голки зруйнувати мильну плівку по одну сторону від нитки, то мильна плівка по інший бік негайно зменшить свою поверхню і натягне нитку. Саме прагненням плівки скоротитися до найменших можливих розмірів пояснюється сферична форма мильних бульбашок.

При спостереженні різних явищ природи і в повсякденному житті постійно доводиться стикатися з проявом сил поверхневого натягу. Добре відомо, що втілення дитячих фантазій при будівництві казкових палаців можливо тільки тоді, коли пісок буде досить вологим.

Сухі піщинки не пристають один до одного і з них нічого побудувати не можна. Сили поверхневого натягу дуже наочно проявляються і під час купання. Коли людина занурюється з головою в воду, його волосся розходяться у всі сторони. Але варто тільки висунути голову з води, волосся відразу ж ляжуть на голові злиплими шарами, оскільки в цьому випадку поверхню води має меншу площу, ніж при роздільному розташуванні волосся. Аналогічний ефект спостерігається при використанні художньої кисті.

Наявність сил поверхневого натягу проявляється в сферичній формі дрібних крапельок роси, краплях води, що розбігаються по розпеченій плиті, і дрібних краплях води на курній дорозі. У всіх цих випадках взаємодія між молекулами рідини більше, ніж між молекулами рідини і молекулами тіла, на поверхні якого рідина перебуває.

Варто відзначити, що зі збільшенням розмірів крапельок крім сил поверхневого натягу, що визначають форму крапельок, починають позначатися і сили тяжіння. Це означає, що при малих R повинні переважати поверхневі ефекти, а при великих R на перший план виходять об’ємні ефекти. Маса тіла, а, отже, і сила тяжіння пропорційна обсягу тіла, тому, починаючи з деякого значення R, сила тяжіння спотворює сферичну форму краплі, яка при малих R відображала переважний вплив сил поверхневого натягу.

Добре відомий класичний дослід Плато, опис якого наводиться нижче. У посудину, що містить розчин спирту у воді, вливають деяку кількість маслинової олії, яка в розчині спирту не розчиняється.

Під дією сили тяжіння олія прагне розлитися по поверхні розчину у вигляді тонкої плівки. Така поведінка олії цілком закономірна, оскільки відповідає мінімальній потенційній енергії в полі сили тяжіння.

Якщо далі за допомогою піпетки збільшити концентрацію спирту в розчині, то можна отримати розчин, щільність якого дорівнює щільності олії. При цьому сила тяжіння, що діє на олію, виявляється рівною діє на нього силі Архімеда. Таким чином, вдається виключити дію сили тяжіння.

При цьому умови силами, що визначають поведінку рідини (олії), стають сили поверхневого натягу. В результаті дії цих сил замість плівки, що розтікається по поверхні розчину, олія збирається в краплю, що має правильну сферичну форму.

Дуже ефектні картини в поведінці рідини спостерігають космонавти під час польотів. У стані невагомості сили поверхневого натягу проявляються в чистому вигляді, тому крапельки води в космічному кораблі приймають форму кулі.


1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (1 votes, average: 5.00 out of 5)

Поверхневий натяг води