Поверхневий натяг рідин - студопедія

Важливою властивістю рідин, що відрізняють їх від газів і зближують їх з твердими тілами, є існування так званого поверхневого натягу. Механізм цього явища наступний. Сили взаємодії молекул швидко зменшуються з відстанню, тому можна вважати, що кожна молекула взаємодіє тільки з тими, які лежать всередині сфери радіуса, рівного радіусу дії міжмолекулярних сил з центром в даній молекулі. Усередині рідини кожна молекула більш-менш рівномірно оточена сусідніми молекулами, сили, що діють на неї з боку цих молекул, взаємно компенсуються, так що рівнодіюча всіх сил, що діють на молекулу, дорівнює нулю. Інша працювати з молекулами на поверхні рідини. Концентрація молекул в парі над рідиною набагато менше, ніж в об'ємі рідини. Тут сили, що діють на молекулу з боку її оточення, взаємно врівноважують один одного, виникає результуюча сила, спрямована всередину рідини, яка прагне втягнути молекулу всередину рідини. Зовнішнє прояв цих сил полягає в прагненні рідини скоротити свою поверхню. Ці сили і є силами поверхневого натягу.

Для того щоб молекула перемістилася з глибини рідини в поверхневий шар (товщина шару, приблизно дорівнює діаметру молекули), вона повинна зробити роботу проти сил, що діють в поверхневому шарі. Тому в поверхневому шарі молекули володіють додатковою потенційною енергією. Знайдемо її.

Нехай z є число найближчих сусідніх молекул, якими оточена кожна молекула всередині рідини (при щільній упаковці молекул z = 12). З кривої залежності енергії взаємодії молекул від відстані між ними (рис. 5.2, а) видно, що ця енергія для молекул рідини при відстані дорівнює - u0. де u0 - глибина потенційної ями. Взаємодіючи з кожним з найближчих сусідів, молекула всередині рідини буде мати енергію Молекула на поверхні має вдвічі менше сусідів, ніж усередині рідини. Тому її енергія буде дорівнює Тоді шуканий надлишок потенційної енергії молекули на поверхні в порівнянні з її енергією в обсязі складе Якщо число молекул, що припадають на одиницю площі поверхні рідини дорівнює а вся площа поверхні рідини - S. то для надлишкової потенційної енергії молекул на поверхні рідини будемо мати Цей надлишок енергії всіх молекул рідини, що знаходяться в поверхневому шарі, в порівнянні з їх енергією всередині іншого об'єму рідини, називають поверхневою енергією. Ввівши позначення і для зазначеної поверхневої енергії будемо мати Uпов = # 963; S. коефіцієнт пропорційності # 963; залежить від природи рідини і від властивостей середовища, з якою стикається дана рідина. Його називають коефіцієнтом поверхневого натягу. Енергія Uпов входить як складова частина у внутрішню енергію рідини і в її вільну енергію F. тому її називають вільної поверхневою енергією, Fпов. Робота зовнішніх сил # 948; A '. витрачена на збільшення поверхні на dS при ізотермічному процесі, очевидно, дорівнює приросту вільної поверхневої енергії:

На підставі цього співвідношення можна дати наступне визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини # 963 ;. коефіцієнт поверхневого натягу рідини чисельно дорівнює роботі, яку необхідно зробити для збільшення площі її поверхні на одиницю.

При постійній температурі термодинамічна система прагне до стану з мінімальним значенням вільної енергії. Цей мінімум вільної енергії буде досягатися при мінімальній поверхні рідини. Отже, при постійній температурі рідина прагне до такого стану, при якому її поверхню мінімальна.

Переходячи до лінійним величинам, висловимо коефіцієнт поверхневого натягу через величину сили поверхневого натягу. На рис. 7.6 показана рамка з натягнутою на неї плівкою рідини; одна сторона (АВ) цієї рамки рухома. Так як системі енергетично вигідно скоротити поверхню, що проявляється в дії сил поверхневого натягу, то для утримання рухомого боку рамки до неї треба докласти певну силу f. яка повинна дорівнювати за величиною і протилежна за напрямком силам поверхневого натягу рідини, також є дійсними на цю сторону рамки. Якщо під дією сили f межа АВ плівки зміститься на величину dx. то буде витрачена робота

гдеl - довжина рухомий боку АВ. dS = ldx. З іншого боку, ця робота визначається формулою (7.4). тоді отримаємо

Отже, коефіцієнт поверхневого натягу чисельно дорівнює силі поверхневого натягу, що діє на одиницю довжини контуру, що обмежує поверхню рідини.

Поверхневий натяг зменшується з ростом температури, так як зменшується різниця в щільності рідини і навколишнього її насиченої пари. У критичній точці, коли щільності рідини і пара однакові, поверхневий натяг дорівнює нулю.

У стані стійкої рівноваги вільна рідина має мінімальне значення вільної поверхневої енергії і тому приймає таку форму, при якій її поверхня мінімальна. З усіх можливих форм поверхонь, що обмежують даний обсяг, сфера має мінімальну поверхню. Саме тому дрібні краплі і бульбашки мають сферичну форму. Той факт, що в земних умовах рідина приймає форму судини, в який вона налита і вільна поверхня перпендикулярна напрямку сили тяжіння, обумовлене сукупним дією цієї сили тяжіння і сили поверхневого натягу. Рідина прагне прийняти таку форму, при кото

рій її центр мас буде мати найнижча положення, а потенційна енергія рідини як цілого - мінімальне значення.

Якщо рідина межує з іншим газом, або рідиною, або твердим тілом, то поверхневий натяг змінюється. Тверді тіла мають поверхневий натяг з тих же причин, що і рідини.