Урок № 54

 Поверхневий натяг рідини. Змочування. Капілярні явища.  Розв'язування задач

Словник:

Сила поверхневого натягу – це сила, що діє вздовж поверхні рідини, перпендикулярно до лінії, яка обмежує поверхню, і спрямована в бік її скорочення.

Вивчення нового матеріалу

Всі ви, напевно, милувалися маленькими краплями роси, які на листках рослин набувають форми майже правильних кульок.
Таку ж форму мають краплі води на жирній поверхні, пролита на стіл ртуть тощо. Ці явища здаються дуже дивними, адже ми звикли, що рідина набуває форму посудини, в якій вона знаходиться, і власної форми не має. Не менш дивовижною є мильна бульбашка. Крім того рідина поводить себе цікаво, коли в неї занурити тканину або серветку.

Таким чином, нам потрібно сьогодні з’ясувати поверхневі властивості рідини і зв’язані з ними явища змочування і капілярності.

Отже, сьогодні у нас заняття з теми «Поверхневий натяг рідини. Змочування. Капілярні явища»

1.   Поверхневий натяг рідини

З’ясуємо, чим відрізняються молекули на поверхні рідини і всередині.

    Молекули на поверхні рідини перебувають в інших умовах, ніж молекули всередині рідини. На кожну молекулу всередині рідини діють сили притягання з боку сусідніх молекул, які оточують їх з усіх боків. Результуюча цих сил дорівнює нулю. Над поверхнею рідини знаходиться пара, густина якої в багато разів менша за густину рідини, і взаємодією молекул пари з молекулами рідини можна знехтувати. Молекули на поверхні притягують лише ті молекули, які лежать нижче. Тому рівнодійні сили притягання, які діють на молекули поверхневого шару, не дорівнюють нулю. Під дією цих сил молекули поверхневого шару втягуються всередину. На поверхні залишається така кількість молекул, за якої площа поверхні виявляється мінімальною за даного об’єму рідини. Ось чому рідина під дією молекулярних сил набуває сферичної форми, у якої поверхня мінімальна.

Скорочення поверхні рідини під впливом притягання її молекул всередину призводить до того, що ніби вздовж її поверхні діє сила, що викликає її скорочення. Цю силу називають силою поверхневого натягу.

Сила поверхневого натягу – це сила, що діє вздовж поверхні рідини, перпендикулярно до лінії, яка обмежує поверхню, і спрямована в бік її скорочення.                 

F – сила поверхневого натягу

σ – коефіцієнт поверхневого натягу; 

2.     Явища змочування і незмочування

Явища змочування і незмочування є результатом дії молекулярних сил. Розглянемо деякі приклади і досліди.

Вода, потрапивши на покритий жиром чи парафіном папір, утворює сферичні краплі, а на чистому склі розпливається тонким шаром. Ртуть на склі не розпливається як вода, а збирається в окремі краплі, на цинковій, мідній чи залізній поверхнях вона розпливається тонким шаром. Отже, різні рідини поводять себе по-різному на одній і тій самій твердій поверхні; і в той же час, поведінка однієї і тієї самої рідини залежить від того, з яким твердим тілом вона стикається.

Про рідину, яка розпливається тонкою плівкою по твердому тілу, кажуть, що вона  змочує дане тверде тіло. Про рідину, яка не розпливається, а, навпаки, стягується в краплю, кажуть, що вона не змочує це тіло.

Чим же пояснюються явища змочування і незмочування? Чому одна й та сама рідина змочує поверхні одних твердих тіл і не змочує поверхні інших? Для пояснення цих явищ слід враховувати не лише сили притягання молекул рідини одна до одної, які приводять до стягування її в краплю, а й сили притягання між молекулами рідини і молекулами твердого тіла (поверхні). Якщо ці сили більші за сили притягання між молекулами самої рідини, то рідина розпливається по поверхні твердого тіла. Якщо ж переважають сили притягання між молекулами самої рідини, то вона стягується в краплю.

   У деяких випадках є необхідність в тому, щоб поверхня твердого тіла, наприклад водонепроникної тканини, не змочувалась водою. Це досягається тим, що тканину просочують речовиною, молекули якої взаємодіють з молекулами води слабше, ніж молекули води одна з одною.

І навпаки, коли потрібно, щоб тканина добре змочувалася водою, треба її покрити речовиною (милом, пральним порошком), молекули якої взаємодіють з тканиною сильніше, ніж молекули води одна з одною. Ось чому без мила не можна відмити засмальцьовані поверхні, жирні руки тощо.

Явище змочування має велике практичне значення під час склеювання, паяння, фарбування тіл, змащення тертьових поверхонь тощо. Особливо широко застосовується воно у флотаційних процесах (збагачення руд цінною породою). В основу цих процесів покладені явища зміни сили поверхневого натягу рідини різними домішками і неоднакове змочування нею різних твердих тіл.

Явище змочування доводиться враховувати і під час конструювання космічних апаратів. Справа в тому, що у стані невагомості змочувальна рідина розпливається по стінках посудини, у якій вона знаходиться, а незмочувальна збирається великою краплею всередині посудини. Тому матеріал стінок і форму паливних баків доводиться вибирати так, щоб паливо утримувалось біля отворів, через які відбувається його перекачування до двигунів.

3. Капілярні явища

Змочування чи незмочування рідиною стінок посудини впливає на форму вільної поверхні рідини в посудині. Якщо рідину налито в широку посудину, то форма її поверхні визначається силою тяжіння, яка, природно, забезпечує плоску і горизонтальну поверхню. Однак біля самих стінок посудини поверхня рідини все ж викривляється: рідина, що змочує стінки, біля країв посудини піднімається (рідина прилипає до стінки), утворюючи так званий увігнутий меніск. Незмочувальна рідина опускається біля стінок посудини (рідина відходить від стінок), утворюючи опуклий меніск.

   Утворення меніска рідиною у вузьких трубках приводить до несподіваних явищ. Опустимо в рідину, наприклад у воду, дуже вузьку скляну трубку, яку називають капілярною (від латинського слова «капілларіс» — волосяний). Здається, що однорідна рідина і в широкій посудині, і в трубці має встановитися на одному рівні. Однак дослід показує, що коли трубка дуже вузька, то вода, яка змочує стінки трубки, піднімається в ній на певну висоту над її рівнем у широкій посудині. Якщо аналогічний дослід провести з рідиною, яка не змочує стінок трубки, то виявиться, що рівень рідини в капілярі буде нижчим на h, ніж у широкій посудині. Ці явища називаються капілярними.

Як же пояснити капілярні явища? Можна припустити, що вони пов'язані з тим, який меніск утворює рідина в капілярі — увігнутий чи опуклий. А це, як ми знаємо, залежить від того, змочує рідина тверде тіло (меніск увігнутий) чи не змочує (меніск опуклий).

  Розглянемо випадок, коли рідина в капілярі утворює увігнутий меніск, наприклад у скляній трубці, опущеній у воду.

 Якщо рідина добре змочує тверде тіло, то меніск має форму, близьку до півсфери. В цьому випадку з боку рідини на лінію її зіткнення з твердим тілом, довжина якої 2πr, діє напрямлена вниз сила поверхневого натягу, модуль якої дорівнює

Ми бачимо, що висота підіймання рідини в капілярі тим більша, чим менший радіус капіляра г. Крім того, висота підіймання залежить від властивостей самої рідини — її поверхневого натягу

Рідина, яка не змочує стінки капіляра, опускається на відстань h, яка визначається за тією самою формулою.

 Явище капілярності надзвичайно поширене в природі, техніці та побуті і відіграє важливу роль у різноманітних процесах. Так, надходження поживних речовин з ґрунту в рослини (в стебла і листя) відбувається значною мірою завдяки капілярності. Тканини рослин пронизані величезною кількістю вузьких каналів, якими розчини солей від коренів поширюються по всій рослині.

Підняття вологи з глибоких шарів ґрунту також зумовлюється капілярністю, що необхідно враховувати в сільському господарстві. Капілярами ґрунту волога піднімається на поверхню і випаровується (мал.а). Для збереження вологи капіляри, що утворилися в ґрунті, слід руйнувати; це досягається оранкою і боронуванням (мал.б). Але іноді потрібно, навпаки, посилити надходження вологи до поверхні землі, до коренів рослин. У цьому випадку ґрунт коткують, збільшуючи кількість капілярних каналів (мал.в).

У будівельній практиці доводиться враховувати можливість підняття вологи капілярними порами будівельних матеріалів. Наприклад, цегла і бетон мають широко розгалужену систему капілярів, якими вода може піднятися на значну висоту, спричиняючи відволожування стін будинку. Щоб захистити фундамент і стіни від впливу ґрунтових вод і вологості, вдаються до гідроізоляції: обмазують кладку гарячим бітумом, заливають її гідрофобним цементом, прокладають між фундаментом і стінами шар толю, смоли або іншої речовини, яка перешкоджає проникненню вологи.

  Дуже часто доводиться стикатися з капілярними явищами в побуті. Застосування рушників, салфеток, гігроскопічної вати, марлі, промокального паперу тощо можливе завдяки наявності в них капілярів.

Запитання для перевірки

1. Чим різняться стани молекул на поверхні і всередині рідини?

2. Чому вільна поверхня рідини скорочується?

3. Що таке поверхневий натяг?

4. За яких умов рідина змочує тверде тіло? Не змочує тверде тіло?

5. Чи можна змащувати тертьові поверхні машин рідкими мастильними матеріалами, які не змочують ці поверхні? Чому?

6. Чому водоплавні птахи виходять сухими з води?

7. Як пояснити змочування (незмочування) рідиною поверхні твердого тіла? Наведіть приклади явищ змочування і незмочування.

8. Чому змочувальна рідина піднімається в капілярі, а незмочувальна — опускається?

9. Від чого залежить висота підняття (опускання) рідини в капілярі?

10. Чи зміниться висота підняття рідини в капілярі, якщо його нахилити?

11. Весною землю орють і боронують. Поясніть, чому це сприяє збереженню вологи в ґрунті.

Розвязування задач

1. Під час вимірювання поверхневого натягу спирт піднявся у капілярній трубці, діаметр каналу якої 0,15 мм, на висоту 7,6 см. Чому дорівнює поверхневий натяг спирту за результатами досліду? Густина спирту р = 0,8*10³ кг/м³.
2. У стеблі пшениці вода капілярами піднімається на висоту 1 м.Визначте середній діаметр капілярів.