Поверхневий натяг - студопедія
Найцікавішою особливістю рідин є наявність вільної поверхні. Рідини, так само як і тверді тіла, мають великий обсяг-ної пружністю, тобто пручаються зміни свого об'єму, але, як і гази, не володіють пружністю форми. Рідина, на відміну від газів, не заповнює весь об'єм посудини, в який вона налита. Поверхня рідини, дотичної з іншим середовищем, наприклад з її власним парою, з якою-небудь іншою рідиною або з твердим тілом (зокрема, зі стінками посудини, в якому вона міститься), знаходиться в особливих умовах у порівнянні з рештою маси рідини.
Виникають ці особливі умови тому, що молекули прикордонного шару рідини, на відміну від молекул в її глибині, оточені молекулами тієї ж рідини не з усіх боків. Частина «сусідів» поверхневих молекул - це частинки другого середовища, з якою рідину межує. Вона, це середовище, може відрізнятися від рідини як природою, так і щільністю частинок. Маючи ж різних сусідів, молекули поверхневого шару і взаємодіють з ними по-різному. Тому сили, що діють на кожну молекулу в цьому шарі, виявляються нестійкими: існує деяка рівнодіюча сила, спрямована або в бік об'єму рідини, або в сторону обсягу межує з нею середовища. Внаслідок цього, переміщення молекули з поверхневого шару в глиб рідини або в глиб середовища, з якою вона межує, супроводжується вчиненням роботи (всередині рідини молекули, з усіх боків оточені точно такими ж частками, знаходяться в рівновазі, і їх переміщення витребує витрати роботи). Величина і знак цієї роботи залежать від співвідношення між силами взаємодії молекул поверхневого шару зі «своїми» ж молекулами і з молекулами другого середовища.
У разі, якщо рідина межує зі своїм власним паром (насиченим), тобто в разі, коли ми маємо справу з однією речовиною, сила, яку відчувають молекулами поверхневого шару, спрямована всередину рідини. Це пояснюється тим, що щільність молекул в рідині багато більше, ніж в насиченому парі над рідиною (далеко від критичної температури), і тому сила тяжіння, відчуваємо молекулою поверхневого шару з боку молекул рідини, більше, ніж з боку молекул пара.
На молекулу рідини діють сили тяжіння з боку оточуючих молекул, розташованих від неї на відстані близько 10 -9 м (радіус молекулярного дії). Ці сили мають значну величину, але швидко зменшуються з відстанню, так що з деякої відстані ними можна знехтувати. На молекулу M1. розташовану всередині рідини (рис. 2), діють сили з боку таких же молекул, і рівнодіюча цих сил близька до нуля.
Для молекул M2 равнодействующие сил відмінні від нуля і спрямовані всередину рідини, перпендикулярно до її поверхні. Таким чином, всі молекули рідини, що знаходяться в поверхневому шарі, втягуються всередину рідини. Але простір всередині рідини зайнято іншими молекулами, тому поверхневий шар створює тиск на рідину (молекулярне тиск). Молекулярне тиск досить велике - близько десяти тисяч атмосфер. Цим пояснюється практично мала стисливість рідин: зовнішній тиск величиною навіть в кілька сот атмосфер є лише невеликою добавкою до внутрішнього тиску.
Щоб перемістити молекулу M3. розташовану безпосередньо під поверхневим шаром, на поверхню, необхідно зробити роботу проти сил молекулярного тиску. Отже, молекули поверхневого шару рідини володіють додатковою потенційної енергією в порівнянні з молекулами всередині рідини. Цю енергію називають поверхневою енергією.
Так як будь-яка система, надана сама собі, прагне зайняти таке положення, в якому її потенційна енергія найменша, то рідина виявляє прагнення до скорочення вільної поверхні. Поверхневий шар рідини поводиться подібно розтягнутої гумової плівці, тобто весь час прагне скоротити площу своєї поверхні до мінімальних розмірів, можливих при даному обсязі. Наприклад, крапля рідини в стані невагомості має сферичну форму.
Властивість поверхні рідини скорочуватися можна витлумачити як існування сил, що прагнуть скоротити цю поверхню. Молекула M1 (рис. 3), розташована на поверхні рідини, взаємодіє не тільки з молекулами, що знаходяться всередині рідини, але і з молекулами, що знаходяться на поверхні рідини, розташованими в межах сфери молекулярного дії. Для молекули M1 рівнодіюча молекулярних сил, спрямованих уздовж вільної поверхні рідини, дорівнює нулю, а для молекули M2. розташованої біля кордону поверхні рідини, і спрямована по нормалі до кордонів вільної поверхні і по дотичній до самої поверхні рідини.
Рівнодіюча сил, що діють на всі молекули, що знаходяться на кордоні вільної поверхні, і є сила поверхневого натягу. В цілому вона діє так, що прагне скоротити поверхню рідини.
Таким чином, поверхневий шар рідини являє собою як би еластичну розтягнуту плівку, що охоплює всю рідину і прагне зібрати її в одну «краплю». Така модель (еластична розтягнута плівка) дозволяє визначати напрямок сил поверхневого натягу. Наприклад, якщо плівка під дією зовнішніх сил розтягується, то сила поверхневого натягу буде спрямована уздовж поверхні рідини проти розтягування. Однак цей стан істотно відрізняється від натягу пружної гумової плівки. Пружна плівка розтягується за рахунок збільшення відстані між частинками, при цьому сила натягу зростає, при розтягуванні же рідкої плівки відстань між частинками не змінюється, а збільшення поверхні досягається в результаті переходу молекул з товщі рідини в поверхневий шар. Тому при збільшенні поверхні рідини сила поверхневого натягу не змінюється (вона не залежить від площі поверхні).
Виділимо подумки частина поверхні рідини, обмежену замкнутим контуром. Тенденція цієї ділянки до скорочення призводить до того, що він діє на які межують з ним ділянки з силами, розподіленими по всьому контуру. Ці сили називаються силами поверхневого натягу. Направлена сила поверхневого натягу по дотичній до поверхні рідини перпендикулярно до ділянки контуру, на який вона діє (рис. 4).
Звідси випливає, що, переміщаючись з поверхневого шару всередину рідини, молекула здійснює позитивну роботу. Навпаки, перехід молекул з об'єму рідини до поверхні супроводжується негативною роботою, т. Е. Вимагає витрати зовнішньої роботи.
Однак крім внутрішніх сил взаємодії між частинками, з-за яких і виникають сили поверхневого натягу, на рідину зазвичай діють ще й зовнішні сили. Це, по-перше, сила тяжіння і, по-друге, сили взаємодії частинок рідини з частинками твердих стінок посудини, в якому вона міститься. Тому дійсна форма, яку приймає рідина, визначається співвідношенням цих трьох сил.
Розглянемо спочатку роль сили тяжіння. Це сила об'ємна, діюча на весь обсяг рідини. Так як зі зміною маси рідини її обсяг змінюється швидше, ніж її поверхню, то при досить великій масі роль поверхневих сил дуже мала в порівнянні з силами об'ємними; поверхнева енергія в цьому випадку майже не грає ролі і форма рідини визначається головним чином потенційною енергією, обумовленої силою тяжіння. Під дією сили тяжіння рідина прагне розлитися і прийняти форму тонкого шару - це відповідає мінімальній потенційної енергії в поле сил тяжіння.
Але якщо тим чи іншим шляхом виключити або істотно зменшити дію сили тяжіння, то визначальними виявляться вже сили поверхневого натягу, навіть якщо вони малі. У таких випадках рідина набуває форми кулі.
Т.ч. поверхневий натяг має подвійний фізичний зміст - енергетичний (термодинамічний) і силовий (механічний). Енергетичне (термодинамічне) визначення: поверхневий натяг - це питома робота збільшення поверхні при її розтягуванні за умови сталості температури. Силове (механічне) визначення: поверхневий натяг - це сила, що діє на одиницю довжини лінії, яка обмежує поверхню рідини.
Сила поверхневого натягу спрямована по дотичній до поверхні рідини, перпендикулярно до ділянки контуру, на який вона діє і пропорційна довжині цієї ділянки.
Саме явище поверхностногонатяженія можна коротко визначити як прагнення рідини скоротити свою вільну поверхню.
Прояви поверхневого натягу:
· В невагомості крапля приймає сферичну форму (сфера має найменшу площу поверхні серед всіх тіл однакового обсягу).
· Струмінь води «злипається» в циліндр.
· Маленькі об'єкти з щільністю, більшої щільності рідини, здатні «плавати» на поверхні рідини, так як сила тяжіння менше сили, що перешкоджає збільшенню площі рідини.
· Деякі комахи (наприклад, водоміри) здатні пересуватися по воді, утримуючись на її поверхні за рахунок сил поверхневого натягу.
· На поверхнях, іменованих несмачіваемих, вода (або інша рідина) збирається в краплі.