Сили поверхневого натягу

Краплина роси на листку має майже сферичну форму

Монета, що лежить на воді в силу поверхневого натягу

Поверхневий натяг має подвійний фізичний зміст - енергетичний (термодинамічний) і силовий (механічний).

Енергетичне (термодинамічне) визначення: поверхневий натяг - це питома робота збільшення поверхні при її розтягуванні за умови сталості температури.

Силове (механічне) визначення: поверхневий натяг - це сила, що діє на одиницю довжини лінії, яка обмежує поверхню рідини.

Сила поверхневого натягу спрямована по дотичній до поверхні рідини, перпендикулярно до ділянки контура, на який вона діє і пропорційна довжині цієї ділянки. Коефіцієнт пропорційності γ - сила, яка припадає на одиницю довжини контуру - називається коефіцієнтом поверхневого натягу. Він вимірюється в (ньютонах на метр) Н/м.Але більш правильно дати визначення поверхневого натягу, як енергії (Дж) на розрив одиниці поверхні (м ).

Для зменшення сил поверхневого натягу використовуються поверхнево-активні речовини.

Тиск під викривленою поверхнею

Поверхневий натяг призводить до появи додаткового тиску під викривленою поверхнею рідини. Цей тиск визначається рівнянням Юнга-Лапласа

$\Delta P = \sigma \left(\frac{1}{R_x} + \frac{1}{R_y} \right)$,

де $R_x$ і $R_y$ — два локальні радіуси кривизни поверхні, $\sigma$ — коефіцієнт поверхневого натягу.

Термодинаміка

Робота, необхідна для збільшення поверхні рідини:

$\ dA \ = \ \sigma dS$

Зміна вільної енергії дорівнює роботі, виконаній над тілом при ізотермічному процесі. Звідти при постійних температурі та тиску, маємо

$\sigma = \left( \frac{\partial F}{\partial S} \right)_{T,P}$

де $\ F$ є вільною енергію, а $\ S$ є площею поверхні.

Вільна енергія визначається з рівняння $\ F \ = \ H \ - \ TE$, де $\ H$ це — ентальпія та $\ E$ це — ентропія. З цього ми можемо отримати значення частинної похідної ентропії по температурі:

$\left( \frac{\partial S}{\partial T} \right)_{S,P}=-E^{S}$

Бачимо, що поверхнева енергія (на відміну від вільної поверхневої енергії) залежить не лише від коефіцієнту поверхневого натягу, а також від його похідної за температурою. Це видно у рівнянні:

$H^S\ =\ \sigma - T \left( \frac {\partial \sigma}{\partial T} \right)_P$

Таблиця сили поверхневого натягу для різних рідин

Дані наведені у дин/см = 10^-3 Н/м (при температурі 20 °C)

• Азотна кислота 70% 59,4
• Анілін 42,9
• Ацетон 23,7
• Бензол 29,0
• Вода 72,86
• Гліцерин 59,4
• Нафта 26
• Ртуть 465
• Сірчана кислота 85% 57,4
• Етиловий спирт 22,8
• Оцтова кислота 27,8
• Етиловий ефір 16,9

Дивіться також

• Змочуваність
• Сили притягання і відштовхування

Література

• Світлий Ю. Г., Білецький В. С.. Гідравлічний транспорт (монографія). — Донецьк: Східний видавничий дім, Донецьке відділення НТШ, «Редакція гірничої енциклопедії», 2009. — 436 с. ISBN 978-966-317-038-1

Посилання

• Методи вимірювання поверхневого натягу

• Відео про фізичну природу поверхневого натягу