Теоретичні відомості. Молекули рідини розташовані так близько одна від одної, що сили притягання між ними мають значну величину (в межах певної віддалі - радіуса сфери

Молекули рідини розташовані так близько одна від одної, що сили притягання між ними мають значну величину (в межах певної віддалі - радіуса сфери молекулярної дії, - що має порядок декількох ефективних діаметрів молекули).

Рис. 5

Рівнодійна всіх сил притягання, що діють з боку сусідніх молекул на якусь певну молекулу рідини на глибині, більшій за , в середньому дорівнює нулю (рис. 5). Якщо віддаль менша за , рівнодійна всіх сил притягання не дорівнює нулю і напрямлена всередину рідини.

Перехід молекули з глибини рідини в поверхневий шар (ПШ) пов’язаний із необхідністю здійснення роботи проти сил, що діють у ПШ. Ця робота здійснюється молекулою за рахунок запасу її кінетичної енергії () і йде на збільшення потенціальної енергії молекули (). Отже, молекула в ПШ мають додаткову . ПШ загалом має додаткову енергію, яка входить складовою частиною у внутрішню енергію рідини.

Оскільки положенню рівноваги відповідає , то рідина за межами дії зовнішніх сил набуватиме форми кулі - тіла з мінімальною поверхнею за даного об'єму, що і спостерігається під час польоту в космічних кораблях - супутниках. Звичайно ж ми маємо справу з рідинами в полі сил земного тяжіння. У цьому разі рідина набуває форми, що відповідає мінімуму сумарної енергії - енергії в полі сил тяжіння і поверхневої енергії.

Виділимо уявно частину поверхні рідини, обмежену замкнутим контуром. Тенденція цієї ділянки до скорочення призведе до того, що контур діє на межуючі з ним ділянки з силами, розподіленими вздовж контуру (за третім законом Ньютона зовнішні ділянки ПШ діють на розглядувану частину поверхні з силами такої ж величини, але протилежного напрямку). Ці сили називаються силами поверхневого натягу. Направлена сила поверхневого натягу вздовж поверхні рідини, перпендикулярно до ділянки контура, на яку вона діє. Сила поверхневого натягу (), що припадає на одиницю довжини () контура, називається коефіцієнтом поверхневого натягу ()

,

розмірність якого – Н/м в , або дн/см - в СГС-системі. Величина залежить від природи рідини та від температури. Коефіцієнт поверхневого натяту також чисельно дорівнює питомій анергії поверхневого пару , або відношенню роботи ізотермічного утворення поверхні до площі цієї поверхні .

Під час викривлення поверхні виникає додатковий тиск під поверхнею рідини, який вираховується за формулою Лапласа ():

.

де - коефіцієнт поверхневого натягу, вираз визначає кривизну поверхні в даній точці, та радіуси кривизни в точці 0 перетинів та (рис. 3). Для сфери тоді:

. (1)

Рис.6

Рідини щодо твердих тіл поділяються на змочуючі і незмочувані. Якщо сила взаємодії між молекулами рідини менша, ніж між молекулами стінки й молекулами рідини, то рівнодійна буде направлена в бік стінки, (рис. 7(а)). Поверхня рідини за рівноваги встановлюється перпендикулярно силі, рідина піднята біля стінки й спостерігається змочування. Якщо сила взаємодії молекул рідини між собою більша, ніж сила взаємодії між молекулами стінки і молекулами рідини, то рівнодійна сила направлена всередину рідини. Поверхня рідини біля стінки опущена. Це відповідає незмочуванню твердого тіла рідиною (рис.7(б)).

Якщо рідина змочує капіляр, рівень її в капілярі буде вищим, ніж у посудині, під час незмочування нижче. Це пояснюється тим, що капілярні трубки мають невеликий радіус, а отже меніск рідини в капілярі має велику кривизну, а внаслідок чого виникає великий додатковий тиск.

Практично визначити коефіцієнт поверхневого натягу рідини можна методом компенсації тисків поверхневого шару рідини.

Рис. 7.

Для капілярної трубки кругового перерізу додатковий тиск зумовлений кривизною поверхневого шару рідини за повного змочування, визначається за формулою Лапласа.

, (2)

де - коефіцієнт поверхневого натягу, - внутрішній радіус капілярної трубки, що збігається з радіусом кривизни поверхні рідини. Якщо тепер тим чи іншим способом збільшити тиск над викривленою поверхнею рідини в капілярі, то можна досягнути того, що рівні рідини в широкій посудині й в капілярі зрівнюються. Припустимо, що при цьому тиск повітря в капілярі збільшиться на деяку величину . Зрозуміло, що в тому разі:

. (3)

Таким чином, вимірявши дотатковий тиск , можна обчислити коефіцієнт поверхневого натягу.

Установка складається з рідинного манометра, один кінець якого зa допомогою трубки сполучений одночасно з капіляром 1 та з широкою скляною трубкою 2 (рис. 8).

Рис.8.

Капіляр 1 опускається в посудину 5 із досліджуваною рідиною, а широка трубка 2 - в посудину 6 з водою. Обидві посудини поміщують на столиках, висоти яких можна змінювати. Піднімаючи посудину 6 з водою, доводять рівень досліджуваної рідини у капілярній трубці 1 до рівня цієї рідини в посудині 5. Під час цього зміниться тиск в установці, що можна визначити за різницею рівнів у манометрі. Якщо різниця рівнів дорівнює , то тиск:

. (4)

Тут - густина рідини, залитої в манометр 4.

Підставивши значення у формулу (3), одержимо:

. (5)

Звідси

. (6)