Теоретичні відомості. У рідинах середні відстані між молекулами значно менші, ніж у газах, тому сили взаємодії між молекулами грають у рідинах суттєву роль

У рідинах середні відстані між молекулами значно менші, ніж у газах, тому сили взаємодії між молекулами грають у рідинах суттєву роль. Молекула, що знаходиться всередині рідини, взаємодіє з оточуючими її молекулами. Оскільки сили взаємодії симетричні, то рівнодіюча всіх сил, що діють на цю молекулу, в середньому дорівнює нулю. Молекули ж, що знаходяться на поверхні рідини, зазнають більшої дії з боку молекул рідини, ніж з боку молекул пару та газу, над поверхнею рідини. Тому у поверхневому шарі рідини виникає надмірний молекулярний тиск, що спрямований по нормалі в середину рідини.

Перехід молекул з глибини рідини у поверхневий шар супроводжується роботою проти сил молекулярного притягання. Робота, яка затрачена на утворення поверхні рідини, призводить до збільшення потенційної енергії молекул поверхневого шару. Отже поверхневий шар рідини має зайву вільну енергію.

Як відомо, рівноважний стан − це стан із мінімумом вільної енергії, тому поверхня рідини прагне зменшитися. Це прагнення зменшити поверхню здійснюється силами притягання між молекулами, які діють на поверхні рідини (ці сили називаються силами поверхневого натягу). Рідина поводиться так, як наче вона містилася б в пружній розтягнутій плівці, що прагне до стиснення. Наприклад, за відсутності зовнішніх сил рідина приймає форму кулі − форму тіла, яке за деякого об’єму має мінімальну поверхню. Поверхневий шар складається з тих самих молекул, що й ця рідина. Взаємодія між молекулами має в поверхневому шарі такий самий характер, що і всередині рідини.

Припустимо, що є прямокутна рамка з рухомою перекладиною, яка затягнута плівкою рідини (рис.14.1).

Плівка являє собою плаский об’єкт рідини, обмежений із двох сторін поверхневим шаром. Внаслідок прагнення поверхневого шару до скорочення з боку плівки буде діяти на перекладину сила

, (14.1)

де l – довжина перекладини; α – сила поверхневого натягу, що приходиться на одиницю довжини контуру (цю величину називають коефіцієнтом поверхневого натягу).

Щоб перекладина знаходилася в рівновазі, до неї треба прикласти зовнішню силу F, яка дорівнює силі натягу плівки, тобто

. (14.2)

Припустимо, що перекладина переміститься у напрямку дії сили F на величину dx. Цей процес супроводжується здійсненням рідиною над перекладиною роботи

, (14.3)

де dS – приріст поверхні поверхневого шару. Припустимо, що дослід здійснюється за ізотермічних умов, тобто T= const. При цьому процесі робота дорівнює зменшенню вільної енергії, тому

. (14.4)