Розділ 5. Поверхневий натяг. Капілярні явища

У рідкому стані речовини сили міжмолекулярної взаємодії молекул значно більші, ніж у газі, і забезпечують утримування молекул в об’ємі рідини, а середня енергія хаотичного теплового руху молекул є меншою від модуля потенціальної енергії їхньої взаємодії. Саме тому рідина, на відміну від газу, має поверхню, яка обмежує її об’єм.

Молекули приповерхневого шару рідини мають надлишкову потенціальну енергію, яку називають поверхневою енергією F. Це неважко довести, якщо розглянути дві молекули: одну в об’ємі рідини, а іншу – біля поверхні (рис. 5.1).

На кожну молекулу з боку сусідніх молекул, які містяться в сфері молекулярної дії, діють сили притягання. Рівнодійна сил, які діють на молекулу А, дорівнює нулю, тоді як рівнодійна сил, що діють на молекулу В, відмінна від нуля і напрямлена всередину рідини. Це зумовлено тим, що частина сфери молекулярної дії молекули В лежить поза межами рідини (заштрихована ділянка) і заповнена газом. Отже, кількість молекул у верхній частині сфери є меншою, ніж у нижній, що й зумовлює виникнення нескомпенсованої сили f і внутрішнього молекулярного тиску всередині рідини. Очевидно, що для збільшення вільної поверхні рідини частина молекул повинна перейти з об’єму в приповерхневий шар. Під час переходу молекули з об’єму в приповерхневий шар товщиною радіуса молекулярної дії r потрібно затратити певну роботу δА, тоді

δА= σdS, (5.1)

де σ – коефіцієнт пропорційності, який називають коефіцієнтом поверхневого натягу.

Виконана робота витрачається на збільшення потенціальної енергії молекул приповерхневого шару рідини, або поверхневої енергії, отже,

dF= – δА = σdS. (5.2)

Із (5.2) випливає фізичний зміст коефіцієнта поверхневого натягу σ. Це фізична величина, що дорівнює поверхневій енергії одиниці площі вільної поверхні рідини.

Відомо, що в рівноважному стані система має мінімальну енергію, отже, рідина у стані рівноваги повинна мати мінімальну площу вільної поверхні. Сили, які формують цю поверхню і перешкоджають її збільшенню, називають силами поверхневого натягу. Сили поверхневого натягу напрямлені вздовж дотичної до поверхні рідини. Величина сили поверхневого натягу прямопропорційна до довжини контуру, який обмежує вільну поверхню:

F = σl, (5.3)

де σ – коефіцієнт поверхневого натягу рідини.

Сили поверхневого натягу виникають унаслідок взаємодії молекул рідини як між собою, так і з молекулами середовища, з яким вона межує. Розглянемо краплину рідини на поверхні твердого тіла (рис. 5.2).

Як бачимо, рідина 1 межує з двома середовищами: твердим тілом (2) і парою рідини (3). У точці А на елемент довжини межі dl (розміщений перпендикулярно до площини рисунка) діятимуть три сили поверхневого натягу df₁₂, df₁₃ і df₂₃. Умову рівноваги запишемо у вигляді

df₂₃=df₁₂+df₁₃cosq, (5.4)

де θ – крайовий кут.