Поверхневий натяг. Капілярні явища. Явища змочування і капілярності у природі і техніці

 

Найбільш характерною властивістю рідини, що відрізняє її від газу, є те, що на межі з газом рідина утворює вільну поверхню

Поверхневий натяг — фізичне явище, суть якого в прагненні рідини скоротити площу своєї поверхні при незмінному об'ємі.

Чому це відбувається?. Рівнодіюча молекулярних сил, що діють на молекули, рідини, що знаходяться усередині, рівна нулю. Рівнодійна ж сил притягання, що діє на молекули, які знаходяться на поверхні розділу, напрямлена вниз (всередину рідини), тобто молекули поверхні мають так звану надлишкову поверхневу енергію. На поверхні утворюється дефіцит молекул, через що відстань між молекулами набагато більша від норми, тому поверхневий шар рідини розтягнутий і між молекулами на поверхні діють сили притягання або сили поверхневого натягу. Мінімальну поверхню серед тіл певного об'єму має куля. Тому за відсутності (або дуже малої) дії сил рідина набуває форми кулі.

Рис. 7.1.

Як і всі системи рідина прагне зайняти положення з мінімальною потенційною енергією, тобто зменшити площу вільної поверхні. Це виявляється, наприклад, в тому, що крапля рідини в стані невагомості приймає форму кулі, оскільки куля має мінімальну площу поверхні при заданому значенні об'єму

 

Прагнення рідини скоротити площу вільної поверхні приводить до виникнення сил поверхневого натягнення, що діють на межу вільної поверхні перпендикулярно до неї, направлених по дотичній до поверхні.

Сила поверхневого натягу – сила, що діє вздовж поверхні рідини перпендикулярно до лінії, яка обмежує цю поверхню, і яка намагається скоротити її до мінімуму.

Коефіцієнт поверхневого натягу — кількісна характеристика поверхневого натягу рідини. Коефіцієнт поверхневого натягу чисельно дорівнює силі поверхневого натягу F, що діє на одиницю довжини межі вільної поверхні рідини l:

 

 

[ ] = Н/м.

 

Цей коефіцієнт, визначений для всіх рідин і занесений до таблиць, не залежить від довжини контуру, а визначається фізичними властивостями рідини, її станом. З ростом температури коефіцієнт поверхневого натягу лінійно зменшується, а за критичної температури дорівнює нулю.

На значення коефіцієнта також впливає наявність у рідині домішок. Речовини, невеликі кількості яких значно зменшують, називають поверхнево-активними речовинами.

Поверхнево-активні речовини входять до складу всіх мийних засобів. Для води поверхнево-активними речовинами є етиловий спирт, ефір, мило, різні пральні порошки. У процесі прання білизни значення зменшується як через нагрівання рідини, так і внаслідок введення мийних засобів.

Змочування – явище, що виникає внаслідок взаємодії молекул рідини з молекулами твердих тіл і яке призводить до викривлення поверхні рідини у поверхні твердого тіла.

Якщо молекули рідини притягуються один до одного слабкіше, ніж до молекул твердої речовини, то говорять, що рідину змочує ця речовина. Наприклад, вода змочує скло і не змочує парафін, ртуть змочує мідь, цинк і не змочує скло.

Рис. 7.5

Змочування можна характеризувати краєвим кутом – кутом між плоскою поверхнею твердого тіла і площиною, дотичною до поверхні рідини, що проходить через крапку, лежачу на межі вільної поверхні (мал. 7.5). Якщо рідину змочує тверда речовина, то краєвий кут гострий, якщо не змочує – тупий.

Зазвичай мірою змочування служить косинус краєвого кута, який позитивний у разі, коли рідину змочує тверда речовина, і негативний, коли не змочує. При повному змочуванні, cos = 1, в цьому випадку рідина розтікається по всій поверхні твердого тіла. При повному незмочуванні cos = –1, крапля рідини на горизонтальній поверхні в цьому випадку повинна мати форму кулі.

Явище змочування, а також поверхневе натягнення є причиною виникнення капілярних явищ.

Капілярні явища - це підйом або опускання рідини в вузьких трубках - капілярах.

Капіляр це трубка з вузьким каналом, діаметром менше 1 мм.

Якщо рідина змочує капіляр, то вона піднімається усередині нього вище за рівень вільної поверхні, якщо не змочує, то опускається нижче за рівень (мал. 7.6).

Рис. 7.6.

Висоту підйому рідини по капіляру:

Тіла, що мають велику кількість капілярів, активно вбирають в себе воду і інші рідини. Необхідно тільки, щоб рідини змочували поверхню тіла.

Саме тому рушник вбирає в себе воду при витирання рук.

У будівництві враховують можливість підняття вологи по капілярних порах будівельних матеріалів. Для захисту фундаменту і стін від дії ґрунтових вод та вологи застосовують гідроізоляційні матеріали: толь, смоли тощо.