2. Поверхнева енергія

Зазвичай стверджують, що рідина не має власної форми, але подивіться на крихітні крапельки туману: усі вони мають сферич­ну форму. А в стані невагомості сферичної є поверхня рідини до­сить великого об'єму. Спостерігаючи за відривом краплі води від кінця піпетки: здається, що краплю деякий час утримує пружна плівка, яка, врешті-решт, рветься.

Спостерігаючи за жуком-водоміркою на поверхні води, бачимо, що ніби якась плівка утримує його на поверхні води. Виявляється, що цю «чарівну плівку» на поверхні води утворюють молекули самої рідини. Молекули, що потрапили на поверхню рідини, знаходяться в інших умовах порівняно з молекулами, які знаходяться всереди­ні рідини. Насправді, молекула в верхньому шарі рідини взаємодіє з меншою кількістю «сусідів», ніж молекула вглибині рідини.

Таким чином, щоб перемістити молекулу з глибини рідини на поверхню, потрібно розірвати певне число міжмолекулярних зв'язків, тобто виконати певну роботу. Таким чином, «витягуван­ня» кожної молекули на поверхню рідини призводить до збільшен­ня потенційної енергії взаємодії молекул рідини. Іншими слова­ми — до збільшення внутрішньої енергії рідини. Отже,

частина внутрішньої енергії рідини (поверхнева енергія) прямо пропорційна площі вільної поверхні рідини (кількості моле­кул у верхньому шарі):

.

Коефіцієнт пропорційності називають поверхневим натягом рі­дини. Поверхневий натяг характеризує «фортеця» міжмолекуляр­них зв'язків. Одиниця цієї величини:

.

3. Сила поверхневого натягу

Яким же чином наявність плівки, про яку йшла мова рані­ше, пов'язана з існуванням поверхневої енергії? Справа в тому, що будь-яка система прагне зменшити свою потенційну енергію до мінімальної. Внаслідок міжмолекулярної взаємодії рідина на­магатиметься зменшити до мінімуму площу своєї поверхні. Але саме так і поводить себе пружна плівка.

Визначимо силу, яку може утворювати наша плівка. Перш за все, ця сила діє по краях плівки, паралельно до її поверхні й пер­пендикулярно до лінії, що обмежує цю плівку.

Силу, яка діє з боку рідини на контур, що обмежує її поверхню, намагаючись зменшити площу поверхні рідини, називають си­лою поверхневого натягу.

Візьмемо П-подібну жорстку рамку 1 з поперечиною 2, яка може вільно переміщуватися по рамці (див.рис.). Помістивши цю систему в мильний розчин, отримаємо мильну плівку. Якщо розмістити площину рамки горизонтально, то сила поверхневого натягу F_пов буде переміщати поперечину праворуч. Перемістивши поперечину на відстань ∆х, сила викопає роботу А = F_пов∙∆х.

Оскільки ця робота здійснена за рахунок зменшення поверх­невої енергії, (мильна плівка має дві по­верхні). Отже, у розглянутому випадку . Так як загальна довжина поверхні рідини , отримуємо .

Саме завдяки цій силі і з'являється поверхневий натяг рідини.

4. Змочування і незмочування

Роса або дощова вода по-різному веде себе на листі різних дерев. Yа одних вода розтікається тонким шаром, на інших — збирається в краплі. Така ж відмінність в поведінці води на чистому та жир­ному склі. Іншими словами, у деяких випадках рідина намагаєть­ся збільшити площу контакту з поверхнею твердого тіла (рис. а), а в інших — зменшити цю площу (рис. б).

Це явище пояснюється різницею в силах зчеплення між моле­кулами рідини та твердого тіла.

Якщо сили зчеплення частинок рідини і твердого тіла більші за сили зчеплення частинок рідини, рідину називають змо­чуючою тверде тіло. Якщо сили зчеплення частинок рідини і твердого тіла менші за сили зчеплення частинок рідини — не змочуючою це тіло.

Явище змочування використовують при склеюванні, спаюван­ні, фарбуванні тіл, змащуванні деталей, що труться. Широко за­стосовується воно у флотаційних процесах (збагаченні руд цінною породою). Явище змочування необхідно враховувати під час кон­струювання космічних апаратів, тому що в стані невагомості змо­чуюча рідина розтікається по стінках посудини, у якій знаходить­ся, а незмочуюча збирається великою краплею всередині посудини.