18.03.2020

Тема: Властивості рідин. Поверхневий натяг рідини

Рідина – агрегатний стан речовини, проміжний між газоподібним і
твердим. Рентгеноструктурний аналіз рідин також підтвердив, що характер
розташування частинок рідини проміжний між газом і твердим тілом. У
рідинах спостерігається ближній порядок в розташуванні частинок, тобто
їх впорядковане розташування на відстанях, порівнянних з міжатомними, і
взагалі, дуже малі відстані між частинками. Для частинок рідини
характерна велика рухливість. Ці чинники обумовлюють те, що рідини
(подібно до твердих тіл) мають малу стисливість і легко (на відміну від

твердих тіл) змінюють форму.

Оскільки молекули рідини розміщуються впритул одна до одної, то
густина рідини набагато більша за густину газів (відстань між молекулами
газу в сотні разів перевищує розміри самих молекул).
Кожна молекула рідини протягом деякого часу коливається біля
певного положення рівноваги, після чого стрибком переходить в нове
положення, віддалене від початкового на відстань порядку міжатомного.
Таким чином, молекули рідини поволі переміщкються по всій масі рідини і
дифузія відбувається набагато повільніше, ніж в газах. З підвищенням
температури рідини інтенсивність коливального руху різко збільшується,
зростає рухливість молекул, що, в свою чергу, є причиною зменшення

в'язкості рідини.

Рідинам властивий поверхневий натяг. Він обумовлений тим, що
молекули поверхневого шару відчувають дещо іншу силу міжмолекулярої
взаємодії, ніж молекули, які знаходяться всередині об'єму рідини.

Насправді, молекула всередині рідини з усіх боків рівномірно оточена

іншими молекулами, тому діючі на неї сили в середньому компенсуються.

Таким чином, результуюча сила, що діє на молекулу всередині рідини з
боку інших молекул, дорівню нулю. Густина газоподібного середовища
значно менша за густину рідини, тому молекула в приповерхневому шарі

менше притягується в бік молекул газу і більше – в бік молекул рідини.

Отже рівнодіюча сил, прикладених до кожної молекули поверхневого
шару, нулю не дорівнює і направлена всередину. Молекули поверхневого
шару рідини під дією результуючої сили втягуються всередину рідини, і
число молекул, що знаходяться на поверхні, зменшується до тих пір, поки
вільна поверхня рідини не виявиться мінімально можливою.
Під дією поверхневого натягу рідина (за відсутності інших сил)
приймає форму кулі (при заданому об'ємі це геометричне тіло має
найменшу площу поверхні). Спостерігаючи найдрібніші крапельки,
зважені в повітрі, можемо побачити, що вони дійсно мають форму куль,
але дещо неідеальних через дію сил земного тяжіння. В умовах
невагомості крапля будь-якої рідини (незалежно від її розмірів) має
сферичну форму, що доведено в ході експериментів при космічних

польотах.

Сумарна енергія частинок рідини складається з енергії їх хаотичного
(теплового) руху і потенційної енергії, обумовленої силами
міжмолекулярної взаємодії. Для переміщення молекули з глибини рідини в
поверхневий шар треба витратити роботу. Ця робота здійснюється за
рахунок кінетичної енергії молекул і йде на збільшення їх потенційної
енергії. Тому молекули поверхневого шару рідини мають більшу

потенційну енергію, ніж молекули всередині рідини. Ця додаткова енергія,

яку мають молекули в поверхневому шарі рідини, названа поверхневою
енергією, пропорційна площі шару dS:

dP = αdS,

де α – коефіцієнт поверхневого натягу.

Розглянемо поверхню рідини , обмежену замкненим контуром.
Під дією сил поверхневого натягу (направлених по дотичній до поверхні
рідини і перпендикулярно до ділянцки контура, на який вони діють, – сили
зображені стрілками) поверхня рідини скоротилася і даний контур
скоротився до положення, відміченого на рисунку пунктиром. Сили, які
діють з боку виділеної ділянки на ділянки, що граничать з нею, виконують
роботу
dA = fdldx,
де f – сила поверхневого натягу (на одиницю довжини контура), що діє на
одиницю довжини контура поверхні рідини.
З рис. 6.4 видно, що dldx = dS, зміні площі контура, тобто
dA = fdS.
Ця робота здійснюється за рахунок зменшення поверхневої енергії,
тобто
dA = dP .
З порівняння двох останніх рівнянь одержуємо
f =a
тобто коефіцієнт поверхневого натягу дорівнює силі поверхневого натягу
на одиницю довжини контура, що обмежує поверхню.

Поверхневий натяг залежить від домішок, наявних в рідині.
Наприклад, наявність у воді найменшої кількості поверхнево-активних
речовин (спирт, нафта, тощо) зменшує її коефіцієнт поверхневого натягу.
Найбільш відомою поверхнево-активною речовиною по відношенню до
води є мило. Деякі речовини (цукор, сіль), навпаки,
збільшують коефіцієнт поверхневого натягу. Це пояснюється тим, що їх
молекули взаємодіють з молекулами рідини сильніше, ніж молекули
рідини між собою. Наприклад, якщо посолити мильний розчин, то у
поверхневий шар рідини виштовхується молекул мила більше, ніж у
прісній воді. У миловареній техніці мило «висолюється» цим способом з
розчину