Поверхневий натяг визначає здатність рідини протистояти силі тяжкості. Наприклад, вода на поверхні столу утворює краплі, оскільки молекули води притягуються одна до одної, що протидіє силі тяжіння. Саме завдяки поверхневому натягу більш важкі предмети, наприклад, комахи, можуть утримуватися на поверхні води. Поверхневий натяг вимірюється силою (Н), поділеної на одиницю довжини (м), чи кількості енергії на одиницю площі. Сила, з якою взаємодіють молекули води (когезійна сила), викликає натяг, у результаті утворюються краплі води (чи інших рідин). Поверхневий натяг можна виміряти за допомогою декількох простих предметів, які є практично в кожному будинку, та калькулятора.

Кроки

За допомогою коромисла

Запишіть рівняння поверхневого натягу.У цьому експерименті рівняння визначення поверхневого натягу виглядає так: F = 2Sd, де F- сила в Ньютонах (Н), S- поверхневий натяг у ньютонах на метр (Н/м), d- Довжина голки, що використовується в експерименті. Виразимо з цього рівняння поверхневий натяг: S = F/2d.

• Сила буде розрахована наприкінці експерименту.
• Перш ніж приступити до експерименту, за допомогою лінійки виміряйте довжину голки за метри.

1. Сконструюйте невеликий коромисло.В даному експерименті для визначення поверхневого натягу використовуються коромисло та невелика голка, яка плаває на поверхні води. Необхідно уважно поставитися до спорудження коромисла, оскільки від цього залежить точність результату. Можна використовувати різні матеріали, головне зробити горизонтальну поперечину з чогось жорсткого: дерева, пластмаси або щільного картону.

   • Визначте центр стрижня (наприклад, соломинки або пластмасової лінійки), який ви збираєтеся використовувати як перекладина, і просвердліть або проткніть отвір; це буде точка опори поперечини, на якій та вільно обертатиметься. Якщо ви використовуєте пластмасову соломинку, просто проткніть її шпилькою або цвяхом.
   • Просвердліть або проткніть отвори на кінцях поперечини так, щоб вони розташовувалися на однаковій відстані від центру. Протягніть через отвори нитки, на яких ви підвісите чашку для вантажу та голку.
   • При необхідності підіпріть коромисло книгами або іншими досить твердими предметами, щоб поперечина залишалася в горизонтальному положенні. Необхідно, щоб поперечина вільно оберталася навколо встромленого в її середину цвяха або стрижня.

2. Візьміть шматок алюмінієвої фольги і поверніть її у формі коробочки або блюдця.Зовсім не обов'язково, щоб це блюдце мало правильну квадратну або круглу форму. Ви заповните його водою або іншим вантажем, тому подбайте про те, щоб воно витримало вагу.

   • Підвісьте коробочку або блюдце з фольги до кінця перекладини. Виконайте по краях блюдця невеликі отвори і просмикніть через них нитку, так щоб блюдце висіло на перекладині.

3. Підвісьте до іншого кінця перекладини голку або скріпку, так щоб вона була горизонтально.Прив'яжіть горизонтально голку або скріпку до нитки, що звисає з іншого кінця перекладини. Щоб експеримент вдався, необхідно розташувати голку або скріпку горизонтально.

4. Розмістіть на перекладині щось, наприклад пластилін, щоб врівноважити ємність із алюмінієвої фольги. Перш ніж приступити до експерименту, необхідно домогтися, щоб поперечина була горизонтальна. Блюдце з фольги важче за голку, тому на його боці поперечина опуститься вниз. Прикріпіть до протилежної сторони поперечини достатню кількість пластиліну, щоб вона була горизонтально.

   • Це називається балансуванням.

5. Помістіть голку, що звисає на нитці, або скріпку в ємність з водою.На цьому кроці будуть потрібні додаткові зусилля, щоб розташувати голку на поверхні води. Простежте, щоб голка не поринула у воду. Наповніть ємність водою (або іншою рідиною з невідомим поверхневим натягом) і поставте її під голкою, що висить, так щоб голка розташувалася прямо на поверхні рідини.

   • Простежте при цьому, щоб мотузка, що утримує голку, залишалася на місці і була достатньо натягнута.

6. Зважте на невеликих вагах кілька шпильок або невелику кількість відміряних крапель води.Ви додаватимете в алюмінієве блюдце на коромислі по одній шпильці або краплі води. При цьому необхідно знати точну вагу, при якій голка відірветься від поверхні води.

   • Порахуйте кількість шпильок або крапель води та зважте їх.
   • Визначте вагу однієї шпильки чи краплі води. Для цього поділіть загальну вагу на кількість шпильок або крапель.
   • Припустимо, 30 шпильок важать 15 грамів, тоді 15/30 = 0,5, тобто одна шпилька важить 0,5 г.

7. Додайте шпильки або краплі води по одній у блюдце з алюмінієвої фольги доти, доки голка не відірветься від поверхні води. Поступово додайте по одній шпильці або краплі води. Уважно спостерігайте голку, щоб не пропустити момент, коли після чергового збільшення вантажу вона відірветься від води. Як тільки голка відірветься від поверхні рідини, перестаньте додавати шпильки або краплі води.

   • Порахуйте кількість шпильок або крапель води, при якому голка на протилежному кінці поперечини відірвалася від поверхні води.
   • Запишіть результат.
   • Повторіть досвід кілька (5 або 6) разів, щоб отримати більш точні результати.
   • Порахуйте середнє значення одержаних результатів. Для цього складіть кількість шпильок або крапель у всіх експериментах і поділіть суму на кількість експериментів.

8. Переведіть кількість шпильок у силу.І тому слід помножити кількість грамів на 0,00981 Н/г. Щоб розрахувати поверхневе натягування, необхідно знати силу, яка знадобилася для відриву голки від поверхні води. Оскільки ви порахували вагу шпильок на попередньому кроці, щоб визначити силу, достатньо помножити цю вагу на 0,00981 Н/г.

   • Помножте кількість поміщених у блюдце шпильок на вагу однієї шпильки. Наприклад, якщо ви поклали 5 шпильок вагою по 0,5 грама, їх загальна вага становитиме 0,5 г/шпилька = 5 x 0,5 = 2,5 грама.
   • Помножте кількість грамів на множник 0,00981 Н/г: 2,5 х 0,00981 = 0,025 Н.

9. Підставте отримані значення рівняння і знайдіть шукану величину.За допомогою отриманих під час експерименту результатів можна визначити поверхневий натяг. Просто підставте знайдені величини та обчисліть результат.

   • Припустимо, що у наведеному вище прикладі довжина голки становить 0,025 метра. Підставляємо значення рівняння і отримуємо: S = F/2d = 0,025 Н/(2 x 0,025) = 0,05 Н/м. Таким чином, поверхневий натяг рідини дорівнює 0,05 Н/м.

ВИЗНАЧЕННЯ

Коефіцієнт поверхневого натягу- це фізична величина, чисельно рівна силі поверхневого натягу, яка діє на лінію розриву одиничної довжини. Це так званий динамічний зміст коефіцієнта поверхневого натягу. Позначається коефіцієнт поверхневого натягу буквою. Тоді динамічне визначення коефіцієнта поверхневого натягу запишемо як формули:

де - модуль сили поверхневого натягу, яка діє на лінію розриву поверхні. Вона спрямована щодо до поверхні розділу двох фаз у напрямку скорочення площі поверхні і нормально по відношенню біля лінії розриву. - Довжина лінії розриву поверхні.

Є інше визначення коефіцієнта поверхневого натягу – енергетичне. Воно виходить з того, що якщо площа поверхні рідини збільшується, деяка кількість молекул з її об'єму піднімається на шар поверхні. З цією метою зовнішні сили виконують роботу проти сил зчеплення молекул. Розмір цієї роботи буде пропорційна зміні площі поверхні рідини ():

де коефіцієнтом пропорційності є коефіцієнт поверхневого натягу.

Тоді коефіцієнт поверхневого натягу можна визначити як фізичну величину, що дорівнює роботі, яка необхідна для збільшення площі поверхні рідини при ізотермічному процесі не одиницю:

Коефіцієнт поверхневого натягу - це позитивна фізична величина (title="Rendered by QuickLaTeX.com)" height="12" width="45" style="vertical-align: 0px;">).!}

Молекули поверхневого шару рідини мають надмірну, порівняно з молекулами внутрішніх шарів, потенційну енергію. Потенційну енергію поверхневого шару можна визначити як:

де S - площа поверхні рідини.

Властивості коефіцієнта поверхневого натягу

Для чистих рідин зі збільшенням температури коефіцієнт поверхневого натягу зменшується.

Розмір коефіцієнта пов'язані з силами міжмолекулярного взаємодії. Він може набувати різних значень. У летких (добре випаровуються) рідин менше, ніж у нелетких.

Коефіцієнт поверхневого натягу води залежить від концентрації домішок у ній. Так, при додаванні у воду біологічно активних речовин (паста, мило) поверхневий натяг води зменшується.

Коефіцієнт поверхневого натягу можна знайти за допомогою капілярів. Для цього капіляр опускають у посудину з водою та вимірюють висоту підйому рідини (h). При цьому коефіцієнт знаходять, застосовуючи формулу:

де щільність рідини, радіус капіляра, крайовий кут, прискорення вільного падіння.

Загалом кажучи, поверхневий натяг існує на межі твердих, рідких та газоподібних тіл. Але частіше розглядають поверхневий натяг на кордоні газ – рідина.

Коефіцієнт поверхневого натягу входить у відому формулу Лапласа, яка визначає додатковий тиск (), який викликає кривизна поверхні рідини:

де - радіуси кривизни двох взаємно перпендикулярних перерізів поверхні рідини.

Одиниці виміру

Основною одиницею вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу у системі СІ є:

Н/м = Дж/м2

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання	Яка різниця рівнів рідини у двох сполучених капілярах при повному незмочуванні, якщо внутрішні діаметри капілярів рівні і ?
Рішення	Висоту підняття рідини в капілярі можна обчислити, застосовуючи формулу: За умовою завдання ми маємо повне незмочування, отже крайовий кут вважаємо рівним . Тоді висота, яку підніметься рідина у першому капілярі дорівнює: у другому капілярі: Різниця рівнів рідини в капілярах виходить рівною:
Відповідь

Основна частина.

Для розуміння основних властивостей та закономірностей рідкого стану речовини необхідно розглянути такі аспекти:

Будова рідини. Рух молекул рідини.

Рідина – це щось таке, що може текти.

У розташування частинок рідини спостерігається так званий ближній порядок. Це означає, що стосовно будь-якої частки розташування найближчих до неї сусідів є впорядкованим.

Однак у міру віддалення від даної частинки розташування по відношенню до неї інших частинок стає все менш упорядкованим, і досить швидко порядок розташування частинок зовсім зникає.

Молекули рідини рухаються набагато вільніше, ніж молекули твердого тіла, хоч і не так вільно, як молекули газу.

Кожна молекула рідини протягом деякого часу рухається туди, то сюди, не віддаляючись, проте від своїх сусідів. Але іноді молекула рідини виривається зі свого оточення і переходить в інше місце, потрапляючи в нове оточення, де знову протягом деякого часу здійснює рухи, подібні до коливання. Значні заслуги у створенні низки проблем теорії рідкого стану належить радянському вченому Я. І. Френкелю.

Відповідно до Френкелю, тепловий рух у рідинах має наступний характер. Кожна молекула протягом деякого часу коливається у певного положення рівноваги. Іноді молекула змінює місце рівноваги, стрибком переміщаючись на нове становище, віддаленого від попереднього відстань порядку розмірів самих молекул. Тобто, молекули лише повільно переміщуються всередині рідини, перебуваючи частину часу біля певних місць. Таким чином, рух молекул рідини є чимось на кшталт суміші рухів у твердому тілі та в газі: коливальний рух на одному місці змінюється вільним переходом з одного місця в інше.

Тиск у рідині

Повсякденний досвід вчить нас, що рідини діють з відомими силами на поверхню твердих тіл, що стикаються з ними. Ці сили називаються силами тиску рідини.

Прикриваючи пальцем отвір відкритого водопровідного крана, ми відчуваємо силу тиску рідини на палець. Біль у вухах, який відчуває плавець, що пірнув на велику глибину, викликаний силами тиску води на барабанну перетинку вуха. Термометри для вимірювання температури на глибині моря повинні бути дуже міцними, щоб тиск води не міг роздавити їх.

Тиск у рідині обумовлений зміною її обсягу – стиском. По відношенню до зміни обсягу рідини мають пружність. Сили пружності в рідині – це сили тиску. Таким чином, якщо рідина діє з силами тиску на тіло, що стикається з нею, це означає, що вона стиснута. Так як при стисканні щільність речовини зростає то можна сказати, що рідини мають пружність по відношенню до зміни щільності.

Тиск рідини перпендикулярно будь-якої поверхні, поміщеної в рідину. Тиск у рідині на глибині h дорівнює сумі тиску на поверхні та величини, пропорційній глибині:

Завдяки тому, що рідини можуть передавати статичний тиск, практично не менше своєї щільності можуть використовуватися в пристроях, що дають виграш в силі: гідравлічному пресі.

Закон Архімеда

На поверхню твердого тіла, зануреного у рідину, діють сили тиску. Так як тиск збільшується з глибиною занурення, то сили тиску, що діють на нижню частину рідини і спрямовані вгору, більше, ніж сили, що діють на його верхню частину і спрямовані вниз, і ми можемо очікувати, що рівнодіюча сил тиску буде спрямована вгору. Рівнодіюча сила тиску на тіло, занурене в рідину, називається підтримуючою силою рідини.

Якщо тіло, занурене в рідину, надати самому собі, то воно потоне, залишиться в рівновазі або спливе на поверхню рідини в залежності від того, чи підтримуюча сила, ніж сила тяжіння, що діє на тіло, дорівнює їй або більше її.

Закон Архімеда полягає в тому, що на тіло, що знаходиться в рідині, діє спрямована вгору сила, що виштовхує, дорівнює вазі витісненої рідини. На тіло, занурене в рідину, діє сила, що виштовхує (називається силою Архімеда)

де ρ - густина рідини (газу), - прискорення вільного падіння, а V- Об'єм зануреного тіла (або частина об'єму тіла, що знаходиться нижче поверхні).

Якщо тіло, занурене в рідину, підвішене до шальки терезів, то ваги показують різницю між вагою тіла в повітрі і вагою витісненої рідини. Тому закону Архімеда надають іноді таке формулювання: тіло, занурене в рідину, втрачає у своїй вазі стільки, скільки важить витіснена ним рідина.

Цікаво відзначити такий експериментальний факт, що, перебуваючи всередині іншої рідини більшої питомої ваги, рідина за законом Архімеда втрачає свою вагу і приймає свою природну, кулясту форму.

Випаровування

У поверхневому шарі та поблизу поверхні рідини діють сили, які забезпечують існування поверхні та не дозволяють молекулам залишати об'єм рідини. Завдяки тепловому руху деяка частина молекул має досить великі швидкості, щоб подолати сили, що утримують молекули рідини, і залишити рідину. Це називається випаром. Воно спостерігається за будь-якої температури, але його інтенсивність зростає зі збільшенням температури.

Якщо молекули, що залишили рідину, видаляються з простору поблизу поверхні рідини, то, зрештою, вся рідина випарується. Якщо ж молекули, що залишили рідину, не видаляються, то вони утворюють пару. Молекули пари, що потрапили в область поблизу поверхні рідини, силами тяжіння втягуються рідину. Цей процес називається конденсацією.

Таким чином, у разі невидалення молекул швидкість випаровування зменшується з часом. При подальшому збільшенні щільності пари досягається така ситуація, коли число молекул, що залишають рідину за деякий час, дорівнюватиме кількості молекул, що повертаються в рідину за той же час. Настає стан динамічної рівноваги. Пара в стані динамічної рівноваги з рідиною називається насиченою.

З підвищенням температури щільність та тиск насиченої пари збільшуються. Чим вище температура, тим більше молекул рідини володіє енергією, достатньою для випаровування, і тим більшою повинна бути щільність пари, щоб конденсація могла зрівнятися з випаровуванням.

Кипіння

Коли при нагріванні рідини досягається температура, при якій тиск насиченої пари дорівнює зовнішньому тиску, встановлюється рівновага між рідиною та її насиченою парою. При повідомленні рідини додаткової кількості теплоти відбувається негайне перетворення відповідної маси рідини на пару. Цей процес називається кипінням.

Кипіння - це інтенсивне випаровування рідини, що відбувається не тільки з поверхні, але і в усьому її обсязі, утворюються бульбашок пари. Щоб перейти з рідини в пару, молекули повинні придбати енергію, необхідну для подолання сил тяжіння, що утримують їх у рідині. Наприклад, для випаровування 1 г води при температурі 100° С і тиску, що відповідає атмосферному тиску на рівні моря, потрібно витратити 2258 Дж, з яких 1880 йдуть на відділення молекул від рідини, а решта - на роботу зі збільшення об'єму, займаного системою, проти сил атмосферного тиску (1 г водяної пари при 100 ° С і нормальному тиску займає об'єм 1,673 см 3 тоді як 1 г води за тих же умовах - лише 1,04 см 3).

Температурою кипіння є та температура, при якій тиск насиченої пари стає рівним зовнішньому тиску. При збільшенні тиску температура кипіння збільшується, а при зменшенні зменшується.

Через зміну тиску в рідині з висотою її стовпа, кипіння на різних рівнях рідини відбувається, строго кажучи, при різній температурі. Певну температуру має лише насичена пара над поверхнею окропу. Його температура визначається лише зовнішнім тиском. Саме ця температура має на увазі, коли говорять про температуру кипіння.

Температури кипіння різних рідин сильно відрізняються, між собою і це знаходить широке застосування в техніці, наприклад при розгонці нафтопродуктів.

Кількість тепла, яке необхідно підвести, для того щоб ізотермічно перетворити на пару певну кількість рідини, при зовнішньому тиску, що дорівнює тиску її насичених пар, називається прихованою теплотою пароутворення. Зазвичай цю величину співвідносять одного граму, або одному молю. Кількість теплоти, необхідне для ізотермічного випаровування моля рідини називається молярною прихованою теплотою пароутворення. Якщо цю величину поділити на молекулярну вагу, то вийде питома прихована теплота пароутворення.

Поверхневий натяг рідини

Властивість рідини скорочувати свою поверхню до мінімуму називається поверхневим натягом. Поверхневий натяг – явище молекулярного тиску рідина, викликане притягненням молекул поверхневого шару до молекул всередині рідини. На поверхні рідини молекули зазнають дії сил, які не є симетричними. На молекулу, що знаходиться всередині рідини, з боку сусідів у середньому рівномірно з усіх боків діє сила тяжіння, зчеплення. Якщо поверхню рідини збільшувати, молекули рухатимуться проти дії утримувальних сил. Таким чином, сила, що прагне скоротити поверхню рідини, діє в протилежному напрямку зовнішньої розтягує поверхню силі. Ця сила називається силою поверхневого натягу та обчислюється за формулою:

Коефіцієнт поверхневого натягу()

Довжина межі поверхні рідини

Звернемо увагу, що у рідин, що легко випаровуються (ефіру, спирту) поверхневий натяг менше, ніж у рідин нелетких (у ртуті). Дуже мало поверхневе натяг у рідкого водню і, особливо, рідкого гелію. У рідких металів поверхневий натяг, навпаки, дуже великий. Відмінність у поверхневому натягу рідин пояснюється різницею в силах зчеплення в різних молекул.

Вимірювання поверхневого натягу рідини показують, що поверхневе натяг залежить не тільки від природи рідини, але і від його температури: з підвищенням температури відмінність у щільності рідини зменшуються, у зв'язку з цим зменшується і коефіцієнт поверхневого натягу - .

Завдяки поверхневому натягу, будь-який об'єм рідини прагне зменшити площу поверхні, зменшуючи таким чином і потенційну енергію. Поверхневе натяг - одна з пружних сил, відповідальних за рух брижів на воді. У опуклостях поверхневе тяжіння та поверхневе натяг тягнуть частинки води вниз, прагнучи зробити поверхню знову гладкою.

Рідинні плівки

Всі знають, як легко отримати піну з мильної води. Піна – це безліч бульбашок повітря, обмежених найтоншою плівкою з рідини. З рідини, що утворює піну, легко можна отримати окрему плівку.

Ці плівки дуже цікаві. Вони можуть бути дуже тонкі: в більш тонких частинах їх товщина не перевищує стотисячної частини міліметра. Незважаючи на свою тонкість, вони інколи дуже стійкі. Мильну плівку можна розтягувати та деформувати, крізь мильну плівку може протікати струмінь води, не руйнуючи її.

Чим пояснити стійкість плівок? Неодмінною умовою утворення плівки є додавання до чистої рідини речовин, що розчиняються в ній, причому таких, які сильно знижують поверхневий натяг

У природі та техніці ми зазвичай зустрічаємося не з окремими плівками, а із зібранням плівок – піною. Часто можна бачити в струмках, там, де невеликі струмки падають у спокійну воду, рясна освіта піни. У цьому випадку здатність води пінитися пов'язана з наявністю у воді особливої ​​органічної речовини, що виділяється з коріння рослин. У будівельній техніці використовують матеріали, що мають комірчасту структуру, на зразок піни. Такі матеріали дешеві, легкі, погано проводять теплоту та звуки та досить міцні. Для їх виготовлення додають розчини, з яких утворюються будматеріали, речовини, що сприяють піноутворенню.

Змочування

Невеликі крапельки ртуті, поміщені на скляну пластинку, набувають кулястої форми. Це результат дії молекулярних сил, які прагнуть зменшити поверхню рідини. Ртуть, поміщена поверхню твердого тіла, який завжди утворює круглі краплі. Вона розтікається по цинковій пластинці, причому загальна поверхня крапельки, безперечно, збільшиться.

Крапля аніліну має кулясту форму теж лише тоді, коли вона не стосується стінки скляної судини. Варто їй торкнутися стіни, як вона відразу прилипає до скла, розтягуючись по ньому і набуваючи великої загальної поверхні.

Це тим, що у разі зіткнення з твердим тілом сили зчеплення молекул рідини з молекулами твердого тіла починають відігравати істотну роль. Поведінка рідини залежатиме від того, що більше: зчеплення між молекулами рідини або зчеплення молекули рідини з молекулою твердого тіла. У разі ртуті та скла сили зчеплення між молекулами ртуті та скла малі порівняно з силами зчеплення між молекулами ртуті, і ртуть збирається у краплю.

Така рідина називається не змочуєтверде тіло. У разі ртуті і цинку сили зчеплення між молекулами рідини і твердого тіла перевищують сили зчеплення, що діють між молекулами рідини, і рідина розтікається по твердому тілу. У цьому випадку рідина називається змочуєтверде тіло.

Звідси випливає, що, говорячи про поверхню рідини, треба мати на увазі не тільки поверхню, де рідина межує з повітрям, але також і поверхню, що межує з іншими рідинами і твердим тілом.

Залежно від того, чи рідина змочує стінки судини або не змочує, форма поверхні рідини біля місця зіткнення з твердою стінкою і газом має той чи інший вигляд. У разі незмочування форма поверхні рідини біля краю кругла, опукла. У разі змочування рідина біля краю набуває увігнутої форми.

Капілярні явища

У житті ми часто маємо справу з тілами, пронизаними безліччю дрібних каналів (папір, пряжа, шкіра, різні будівельні матеріали, ґрунт, дерево). Приходячи в дотик із водою або іншими рідинами, такі тіла часто вбирають їх у себе. На цьому заснована дія рушника при витиранні рук, дія гніт у гасовій лампі і т. д. Подібні явища можна також спостерігати у вузьких скляних трубочках. Вузькі трубочки називаються капілярними чи волосними.

При зануренні такої трубочки одним кінцем у широку посудину в широку посудину відбувається наступне: якщо рідина змочує стінки трубки, то вона підніметься над рівнем рідини в посудині і тим вище, чим вже трубка; якщо рідина не змочує стінки, навпаки рівень рідини в трубці встановлюється нижче, ніж у широкому посудині. Зміна висоти рівня рідини у вузьких трубках або зазорах отримала назву капілярності.У широкому значенні під капілярними явищами розуміють усі явища, що зумовлені існуванням поверхневого натягу.

Висота підняття рідини в капілярних трубках залежить від радіусу каналу в трубці, поверхневого натягу та щільності рідини. Між рідиною в капілярі та в широкій посудині встановлюється така різниця рівнів h, щоб гідростатичний тиск rgh врівноважував капілярний тиск:

де s - поверхневий натяг рідини

R – радіус капіляра.

Висота підняття рідини в капілярі пропорційна її поверхневому натягу і обернено пропорційна радіусу каналу капіляра та щільності рідини (закон Жюрена)

Кап, кап... Ось чергова крапля зібралася на носику крана, набрякла і зірвалася вниз. Подібна картина знайома будь-кому. Або теплий літній дощик поливає землю, що скучала по волозі, - і знову краплі. А чому саме краплі? У чому причина? Все дуже просто: причиною цього є поверхневий натяг води.

Це одна із властивостей води або, якщо говорити загалом, усіх рідин. Як відомо, газ заповнює весь об'єм, у який потрапляє, а от рідина цього зробити не може. Молекули, що знаходяться всередині об'єму води, оточені такими самими молекулами з усіх боків. А ось ті, що знаходяться на поверхні, на межі рідини і газу, зазнають впливу не з усіх боків, а лише з боку тих молекул, які розташовані всередині об'єму, з боку газу на них впливу немає.

При цьому на поверхні рідини діятиме сила, спрямована вздовж неї перпендикулярно до того ділянки поверхні, на який вона діє. Внаслідок дії цієї сили і виникає поверхневий натяг води. Зовнішнім його проявом буде утворення подібності невидимої, пружної плівки на межі розділу. Внаслідок впливу поверхневого натягу крапля води набуде форми сфери як тіла, що має найменшу площу при заданому обсязі.

Тепер можна визначити, що поверхневе натяг - це робота зі зміни поверхні рідини. З іншого боку, його можна визначити як енергію, необхідну для розриву одиниці поверхні. Поверхневий натяг можливий на межі рідини та газу. Воно визначається силою, що діє між молекулами, і значить відповідальною за леткість (випаровуваність). Чим менша величина поверхневого натягу, тим більше леткої буде рідина.

Можна визначити, чому одно Формула щодо його обчислення включає у собі площа поверхні і Як згадувалося раніше, коефіцієнт залежить від форми і величини поверхні, а визначається силою міжмолекулярного взаємодії, тобто. тип рідини. Для різних рідин його величина буде різною.

Поверхневий натяг води можна змінювати. Це досягається нагріванням, додаванням біологічно активних речовин - таких як мило, порошок, паста. Його величина залежить від рівня чистоти води. Чим чистіша вода, тим величина поверхневого натягу більша, і вона за своїм значенням поступається тільки ртуті.

Цікавий ефект спостерігається, коли рідина стикається і з твердою речовиною, і газом. Якщо ми нанесемо краплю води на поверхню парафіну, то вона набуде форми кульки. Це викликано тим, що сили, що діють між парафіном і краплею, менші, ніж взаємодія між собою внаслідок чого і з'являється кулька. Коли сили, що діють між поверхнею і краплею, будуть більшими, ніж сили міжмолекулярної взаємодії, вода рівномірно розтечеться по поверхні. Це називається змочуванням.

Ефект змочуваності певною мірою може характеризувати ступінь чистоти поверхні. На чистій поверхні крапля розтікається рівномірно, а якщо поверхня забруднена або покрита речовиною, що не змочується водою, то остання збирається в кульки.

Як приклад використання поверхневого натягу в промисловості можна навести вилив сферичних деталей, наприклад, дроби для рушниць. Краплі розплавленого металу просто застигають на льоту, приймаючи кулясту форму.

Поверхневий натяг води, як і будь-якої іншої рідини, є одним із важливих її параметрів. Воно визначає деякі характеристики рідини - такі, як леткість (випаровування) та змочуваність. Його значення залежить лише від параметрів міжмолекулярної взаємодії.

У § 7.1 були розглянуті досліди, що свідчать про прагнення поверхні рідини до скорочення. Це скорочення викликається силою поверхневого натягу.

Силу, яка діє вздовж поверхні рідини перпендикулярно до лінії, що обмежує цю поверхню, і прагне скоротити її до мінімуму, називають силою поверхневого натягу.

Вимірювання сили поверхневого натягу

Щоб виміряти силу поверхневого натягу, зробимо такий досвід. Візьмемо прямокутну дротяну рамку, одна сторона якої АВдовжиною l може переміщатися з малим тертям у вертикальній площині. Зануривши рамку в посудину з мильним розчином, отримаємо на ній мильну плівку (рис. 7.11 а). Як тільки ми витягнемо рамку з мильного розчину, тяганина АВвідразу ж почне рухатися. Мильна плівка скорочуватиме свою поверхню. Отже, на тяганину АВдіє сила, спрямована перпендикулярно дроту у бік плівки. Це сила поверхневого натягу.

Щоб перешкодити дротику рухатися, треба до нього прикласти деяку силу. Для створення цієї сили можна прикріпити до дроту м'яку пружину, закріплену на підставі штатива (див. рис. 7.11, о). Сила пружності пружини разом із силою тяжіння, що діє на тяганину, у сумі складуть результуючу силу Для рівноваги тяганини необхідно, щоб виконувалася рівність
, де - сила поверхневого натягу, що діє на зволікання з боку однієї з поверхонь плівки (рис. 7.11, б).

Звідси
.

Чому залежить сила поверхневого натягу?

Якщо тяганину перемістити вниз на відстань h, то зовнішня сила F 1 = 2 F зробить роботу

(7.4.1)

Відповідно до закону збереження енергії ця робота дорівнює зміні енергії (у разі поверхневої) плівки. Початкова поверхнева енергія мильної плівки площею S 1 дорівнює Uп 1 = = 2σS 1 , оскільки плівка має дві поверхні однакової площі. Кінцева поверхнева енергія

де S 2 - площа плівки після переміщення тяганини на відстань h. Отже,

(7.4.2)

Прирівнюючи праві частини виразів (7.4.1) та (7.4.2), отримаємо:

Звідси сила поверхневого натягу, що діє на межу поверхневого шару завдовжки l, дорівнює:

(7.4.3)

Направлена ​​сила поверхневого натягу по дотичній до поверхні перпендикулярно межі поверхневого шару (перпендикулярно дроту АВу разі, див. рис. 7.11 а).

Вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу

Існує багато способів вимірювання поверхневого натягу рідин. Наприклад, поверхневий натяг можна визначити, користуючись установкою, зображеною на малюнку 7.11. Ми розглянемо інший спосіб, що не претендує на велику точність результату вимірювань.

Прикріпимо до чутливого динамометра мідну тяганину, вигнуту так, як показано на малюнку 7.12, a. Підставимо під тяганину посудину з водою так, щоб тяганина торкнулося поверхні води (рис. 7.12, б)і "прилипла" до неї. Будемо тепер повільно опускати посудину з водою (або, що те саме, піднімати динамометр з дротиком). Ми побачимо, що разом з дротиком піднімається водяна плівка, що обволікає її, а показання динамометра при цьому поступово збільшується. Воно досягає максимального значення в момент розриву водяної плівки та «відриву» тяганини від води. Якщо з показань динамометра в момент відриву тяганини відняти її вагу, то вийде сила F, рівна подвоєній силі поверхневого натягу (у водяної плівки дві поверхні):

де l - Довжина тяганини.

При довжині тяганини 1 = 5 см та температурі 20 °С сила виявляється рівною 7,3 · 10 -3 Н. Тоді

Результати вимірювань поверхневих натягу деяких рідин наведені в таблиці 4.

Таблиця 4

З таблиці 4 видно, що у легковипарних рідин (ефіру, спирту) поверхневий натяг менше, ніж у нелетких рідин, наприклад, у ртуті. Дуже мало поверхневий натяг у рідкого водню і особливо рідкого гелію. У рідких металів поверхневий натяг, навпаки, дуже великий.

Відмінність у поверхневому натягу рідин пояснюється відмінністю міжмолекулярного взаємодії.