Чому мильні бульки круглі, а водомірки не тонуть? Все це наслідки того самого фізичного явища, без якого вода не була б водою.
Поняття та характеристики поверхневого натягу
З явищем поверхневого натягу рідини ми стикаємося щодня:
- краплі води прагнуть прийняти форму, близьку до кулястої (а в невагомості вони зовсім кулясті);
- струм води з-під крана прагне циліндричної форми;
- шпилька не тоне на поверхні води у склянці;
- багато комах можуть ковзати по поверхні води.
Сили поверхневого натягу діють вздовж поверхні рідини, прагнучи скоротити її площу. Начебто рідина поміщена в пружну плівку, яка прагне стиснути свій вміст.
Потенційна енергія взаємного тяжіння молекул рідини приблизно дорівнює їх кінетичній енергії. Це дозволяє речовині зберігати об’єм (але не форму), і цей об’єм обмежується поверхнею рідини.
На молекулу рідини, що знаходиться всередині, діють сили тяжіння з боку інших молекул і вони врівноважують одна одну. А на ту молекулу, що знаходиться на поверхні, діють сили тяжіння не лише з боку інших молекул рідини, а й газу (зовнішнього середовища). Ці другі значно менші за перші, тому рівнодіюча сила тяжіння спрямована всередину рідини, що сприяє утриманню молекули на поверхні.
Поверхневий натяг — це величина, яка показує прагнення рідини скоротити свою вільну поверхню, тобто зменшити надлишок своєї потенційної енергії на межі розділу з газоподібною фазою.
Чим більша площа поверхні рідини, тим більше молекул, які мають надмірну потенційну енергію, і тим більша поверхнева енергія. Цей факт можна записати у вигляді наступного співвідношення:
| Поверхнева енергія рідини W = σS W – поверхнева енергія рідини [Дж] S – площа вільної поверхні [м 2] σ — коефіцієнт поверхневого натягу [Н/м] |
Звідси ми можемо вивести формулу коефіцієнта поверхневого натягу.
Коефіцієнт поверхневого натягу – це фізична величина, яка характеризує цю рідину і чисельно дорівнює відношенню поверхневої енергії до площі вільної поверхні рідини.
| Коефіцієнт поверхневого натягу σ = W/S W — поверхнева енергія рідини [Дж] S — площа вільної поверхні [м2] σ – коефіцієнт поверхневого натягу [Н/м] |
Коефіцієнт поверхневого натягу рідини залежить:
- від природи рідини;
- температура рідини;
- властивостей газу, що межує з цією рідиною;
- наявності поверхнево-активних речовин (наприклад, мило або пральний порошок), які зменшують поверхневий натяг.
Коефіцієнт поверхневого натягу не залежить від площі вільної поверхні рідини, хоча може бути розрахований за її допомогою.
Якщо на рідину не діють інші сили або їхня дія мала, рідина буде прагнути набувати форми сфери, як краплі води або мильна бульбашка. Так само веде себе вода у невагомості. Рідина веде себе так, ніби по дотичній до її поверхні діють сили, що стягують цю поверхню. Ці сили називаються силами поверхневого натягу.
| Сила поверхневого натягу F = σl F — сила поверхневого натягу [Н] l — довжина контуру, що обмежує поверхню рідини [м] σ — коефіцієнт поверхневого натягу [Н/м] |
У хімічній промисловості у воду часто додають спеціальні реагенти-змочувачі, що не дають їй збиратися в краплі на будь-якій поверхні. Наприклад, їх додають у рідкі засоби для посудомийних машин. Потрапляючи в поверхневий шар води, молекули таких реагентів помітно послаблюють сили поверхневого натягу, вода не збирається в краплі і не залишає на поверхні плям після висихання.
Поверхневий натяг деяких рідин на межі з повітрям
|
Речовина |
Температура, °C | Поверхневий натяг, 10−3 Н/м |
|
Хлорид натрію (водний розчин) |
20 |
82,55 |
|
Хлорид натрію |
801 |
115 td> |
|
Гліцерин |
30 |
64,7 |
|
Олово |
400 |
518 |
|
Азотна кислота 70% |
20 |
59,4 |
|
Анілін | 20 |
42,9 |
|
Ацетон |
20 |
23,7 |
|
Бензол |
20 |
29,0 |
|
Вода |
20 |
72,86 |
|
Гліцерин |
20 |
59,4 |
|
Нафта |
20 |
26 |
|
Ртуть |
20 |
486,5 |
|
Сірчана кислота 85% |
20 |
57,4 |
|
Спирт етиловий |
20 |
22,8 |
|
Оцтова кислота |
20 | 27,8 |
|
Етиловий ефір |
20 |
16,9 |
|
Розчин мила |
20 | 43 |
Приклад вирішення задачі
Тонке алюмінієве кільце радіусом 7,8 см стикається з мильним розчином. Яким зусиллям можна відірвати кільце розчину? Температуру розчину вважати за кімнатну. Маса кільця 7 г. Коефіцієнт поверхневого натягу мильного розчину при кімнатній температурі дорівнює 4×10-2 Н/м.
Рішення
Виконаємо малюнок:
На кільце діють сила тяжіння, сила поверхневого натягу та зовнішня сила, з якої відривають кільце від розчину.
Оскільки кільце стикається з розчином і зовнішньою та внутрішньою сторонами, то сила поверхневого натягу подвоюється:
Fs = 2σl
Контур, що обмежує поверхню рідини, має форму кола. Отже, його довжина дорівнюватиме:
l = 2πR
Підставляємо у формулу сили поверхневого натягу:
Fs = 4σπR
Умова відриву кільця від поверхні розчину має вигляд другого закону Ньютона для інерційних систем відліку:
F = mg + Fs
Підставляємо силу поверхневого натягу:
F = mg + 4σπR
І обчислюємо:
F = 0,007 × 10 + 4 × 4 × 10-2 × 3,14 × 7,8 × 10-2 = 0,11 Н
Відповідь: Для того, щоб відірвати кільце від розчину, необхідно докласти сили в 0,11 Н.
Важливість поверхневого натягу
Вище ми вже показали, що поверхневе натяг зустрічається у повсякденному житті досить часто. Але насправді воно трапляється ще частіше!
У деяких галузях промисловості поверхневе натяг використовують як простий показник забруднення продуктів. Оскільки воно визначається на молекулярному рівні, будь-яка зміна компонентів речовини може призвести до зміни цього показника. Тобто якщо ми знаємо, яким має бути поверхневе натягнення абсолютно чистої речовини, то за відхиленням від цієї норми ми можемо встановити рівень його забруднення.
Не лише людина, а й представники живої природи використовують фізичні явища у своїх цілях. Наприклад, за рахунок поверхневого натягу комахи водомірки можуть переміщатися по водній гладі, не промочивши лапки. Кінцівки водомірки відштовхують воду і захоплюють повітря, що дозволяє комахам продавлювати поверхню води, не порушуючи її.
За рахунок поверхневого натягу виникає таке цікаве явище, як ламінарна течія. Це впорядкований режим перебігу в’язкої рідини чи газу, у якому сусідні шари рідини не перемішуються. Виглядає ламінарний струмінь так, ніби вода застигла.
І це ще не все: поверхневе натяг дозволяє предметам плавати, завдяки йому виживають та розвиваються екосистеми, і навіть склад води стабільний лише за рахунок цього явища. Без нього вода постійно була б на межі двох агрегатних станів: випаровувалась і знову конденсувалася, оскільки молекули легко вискакували б з її поверхні.
