Фізика 10 клас (Остапенко Т.М.)

БУДОВА РІДИН

Перш ніж говорити про фізичні явища властиві рідинам пригадаємо основні особливості будови рідин. Як відомо рідини мають певний об'єм, але не мають форми, вони набувають форми тієї посудини, в якій знаходяться.

На відміну від газів відстані між молекулами у рідині значно менші і порівняні з розмірами самих молекул, тому нехтувати міжмолекулярною взаємодією в рідинах не можна так, як це ми робили при вивченні газів.

На відміну від твердих тіл, де молекули знаходяться у «фіксованих» положеннях і не можуть переміщуватись у тіла, виконуючи лише коливальні рухи навколо положення рівноваги, молекули рідини рухаються більш вільно і можуть змінювати своє місцезнаходження в рідині, долаючи значні шляхи, подібно до молекул газу. Молекули всередині рідини протягом деякого часу може виконувати коливальний рух, не віддаляючись від своїх найближчих сусідів, що нагадує коливальний рух молекул у твердому тілі. Однак час від часу молекули рідини можуть відриватись з свого оточення і переміщуватись у інше місце, потрапляючи в нове оточення, в якому знов виконують коливальні рухи.

Отже, рух молекул всередині рідини є певним проміжним рухом між коливальним рухом молекул у твердому тілі та вільного хаотичного руху молекул у газі.

З підвищенням температури зростає і кінетична енергія теплового руху молекул рідини та збільшуються проміжки між молекулами. При цьому молекули рідини починають вільно переміщуватись всередині об'єму даної рідини.

При зниженні температури рідини, кінетична енергія молекул зменшується, а також зменшуються проміжки між молекулами, зростає потенціальна енергія міжмолекулярної взаємодії. При цьому молекулам важко вирватись із свого оточення і вони виконують переважно коливальні рухи подібно до молекул твердого тіла.

ПОВЕРХНЕВИЙ НАТЯГ

Молекула всередині рідини оточена іншими молекулами з усіх боків (рис 1 а). Молекула, як знаходиться на границі, наприклад, з газом (рис 1 б) оточена своїми сусідками лише з однієї сторони. Сили електричного притягання, які діють на молекулу біля  поверхні, зі сторони сусідок в рідині значно більші ніж зі сторони її сусідок у газі. Це обумовлене тим, що щільність розташування молекул у рідині в сотні і тисячі раз більша ніж у газі. В зв'язку з цим на молекулу, яка розташована біля поверхні рідини дія сил на скомпенсована. Рівнодійна цих сил напрямлена в середину рідини.

Отже, для того щоб перемістити молекулу з внутрішніх шарів рідини до її поверхні потрібно виконати роботу проти вказаної рівнодійної сили. Тому, кожна молекула, яка знаходиться біля поверхні рідини, володіє деяким надлишком потенціальної енергії в порівнянні з молекулами, які знаходяться всередині рідини. Чим більша поверхня рідини тим більша кількість молекул володіє цією «надлишковою» потенціальною енергією. Відповідно при збільшенні площі поверхні деякої маси рідини (наприклад, при розділенні її на краплини) площа поверхні рідини, а отже, і її внутрішня енергія збільшується. В цьому випадку внутрішня енергія тіла пропорційна розмірам поверхні, і тому її називають поверхневою енергією.

У різних речовин поверхнева енергія різна. Для того щоб порівняти поверхневі властивості різних речовин ввели фізичну величину, яка характеризує поверхневу енергію, що припадає на одиницю площі вільної поверхні рідини. Цю фізичну величину назвали коефіцієнтом поверхневого натягу. Отже,

Коефіцієнт поверхневого натягу - це фізична величина, що чисельно дорівнює поверхневій енергії рідини, що припадає на одиницю площі її вільної поверхні.

Позначають коефіцієнт поверхневого натягу  

де, W - поверхнева енергія рідини;

      S - площа вільної поверхні рідини.

З означення коефіцієнту поверхневого натягу слідує, що в СІ він вимірюється в Дж/м².

A=Fs (1)

В результаті виконання цієї роботи поверхневий шар збільшить свою площу на S=2ls.  Двійка в останньому виразі записана тому що поверхневий шар стягує плівку з обох сторін від перемички. Збільшення площі призведе до збільшення поверхневої енергії на

W=2ls (2)

Оскільки робота виконана силою F витрачається на збільшення поверхневої енергії, то формули (1) та (2) можна прирівняти, тобто:

2ls= Fs   звідки   F=2l (3)

Останній вираз свідчить про те, що поверхневий шар, прагнучи зменшитись, діє на одиницю довжини вільної поверхні з силою  . Це дає можливість дати інше означення коефіцієнту поверхневого натягу.

Коефіцієнт поверхневого натягу - це фізична величина, що чисельно рівна силі, що діє збоку поверхневого шару на одиницю довжини контуру, що обмежує цей шар.

де F - сила, що діє збоку поверхневого шару на вільну поверхню контуру довжиною l.

Тому  в СІ коефіцієнт поверхневого натягу можна вимірювати ще в  Н/м.

Використовуючи це означення, можна легко визначити коефіцієнт поверхневого натягу рідини за допомогою наступного приладу (рис 3). Прилад складається з динамометра, з ціною поділки не більше одного міліньютона та прикріпленої до гачка динамометра дротини відомої довжини. Дротину занурюють у досліджувану рідину і з допомогою динамометра повільно, без рвучких рухів, починають виймати з рідини. Покази динамометра будуть поступово збільшуватись, оскільки виймаючи дротину з води ми будемо збільшувати площу поверхні рідини.

В зв'язку з цим на дротину діятимуть зі сторони поверхневого шару рідини сили, які прагнутимуть зменшити площу вільної поверхні рідини і будуть направлені всередину рідини. Покази динамометра будуть максимальними в момент, коли на дротину вгору буде діяти сила пружності, яка буде удвічі більша за силу поверхневого натягу рідини (оскільки плівка покриває дротину з обох сторін).

Знаючи цю силу і довжину дротини, використовуючи формулу (3) можна обчислити коефіцієнт поверхневого натягу рідини.

Даний спосіб дає можливість зробити досить грубу оцінку коефіцієнту поверхневого натягу рідини, але в той же час є досить простим для виконання. Слід відмітити, що існують і інші, більш точні способи визначення коефіцієнту поверхневого натягу рідини.

Значення коефіцієнтів поверхневого натягу для різних рідин занесені до спеціальних таблиць. Якщо подивитись на цю таблицю та порівняти коефіцієнти поверхневого натягу різних рідин, можна помітити, що він досить малий у рідин, які легко випаровуються і навпаки досить великий у рідких металів.

Визначимо від чого залежить коефіцієнт поверхневого натягу рідин:

Øвід температури, при збільшенні температури коефіцієнт поверхневого натягу рідини зменшується.

Øвід наявності  домішок у рідині. Наприклад, якщо вилити у воду мильний розчин, поверхневий натяг рідини збільшиться. Це відбувається тому що домішки створюють на поверхні рідини додатковий поверхневий шар, змінюючи поверхневу енергію рідини. Той факт, що на поверхні води утворюється, наприклад, мильна плівка, а відповідно молекули води переміщуються вглиб, означає, що сили, які втягують молекули води вглиб рідини, більші за сили, які втягують вглиб рідини молекули мильної плівки. Звідси слідує, що робота по витягуванню на поверхню молекул води більша, тобто поверхневий натяг чистої води більше ніж мильного розчину.

ØНе залежить від площі поверхні рідини. Тобто коефіцієнт поверхневого натягу не залежить від того, яку площу займає поверхня рідини: якщо ми наллємо деякий об'єм води у пляшку з вузьким горлечком, а потім переллємо її у широке блюдце, то коефіцієнт поверхневого натягу рідини від цього ніяк не зміниться.