§ 8-1. Паверхневае нацяжэнне
Вадкасці цякучыя, і таму іх форма вызначаецца формай адведзенай ім пасудзіны. Аднак у стане бязважкасці любы аб'ём свабоднай вадкасці прымае сферычную форму. Чаму?
Паверхневая энергія. Разгледзім з'явы, якія адбываюцца на мяжы падзелу вадкасці з паветрам або яе парай.
У паверхневым слоі вадкасці выяўляецца нескампенсаванасць малекулярных сіл прыцяжэння. На самай справе, любая малекула ўнутры вадкасці з усіх бакоў акружаная суседнімі (аднолькавымі) малекуламі, дзеянне якіх узаемна кампенсуецца (гл. мал. 54). Таму тут малекулярныя сілы прыцяжэння ўраўнаважваюцца і рэзультуючая гэтых сіл роўная нулю. Паколькі канцэнтрацыя малекул ў паветры (пары) значна меншая, чым у вадкасці, то рэзультуючая сіл прыцяжэння кожнай малекулы паверхневага слоя малекуламі газу меншая за рэзультуючую сіл яе прыцяжэння малекуламі вадкасці. Такім чынам, рэзультуючая сіл прыцяжэння, якія дзейнічаюць на малекулы паверхневага слоя, накіравана ўнутр вадкасці. Пад дзеяннем гэтых сіл частка малекул паверхневага слоя ўцягваецца ўнутр, колькасць малекул на паверхні памяншаецца, і плошча паверхні вадкасці скарачаецца да пэўнай велічыні.
Таўшчыня паверхневага слоя, у якім праяўляецца нескампенсаванасць сіл малекулярнага прыцяжэння, прыблізна роўная радыусу сферы малекулярнага дзеяння (1 нм). Пад дзеяннем сіл міжмалекулярнага прыцяжэння і з прычыны цякучасці вадкасці на яе паверхні застаецца такая колькасць малекул, пры якой плошча паверхні мінімальная для дадзенага аб'ёму свабоднай вадкасці, гэта значыць, што яна знаходзіцца толькі пад уздзеяннем сілы цяжару. Працэс скарачэння плошчы паверхні на гэтым спыняецца, паверхня вадкасці застаецца нязменнай. У гэтым стане сілы прыцяжэння малекул паверхневага слоя, накіраваныя ўнутр вадкасці, у сярэднім ураўнаважваюцца сіламі адштурхвання, якія ўзніклі пры збліжэнні малекул паверхневага слоя з малекуламі ўнутры вадкасці, выкліканым яе сцісканнем.
Калі малекула перамесціцца з паверхні ўнутр вадкасці, сілы міжмалекулярнага прыцяжэння выканаюць дадатную работу. Наадварот, каб перанесці малекулу, размешчаную ўсярэдзіне вадкасці, на паверхню (павялічыць плошчу паверхні вадкасці), знешнія сілы павінны выканаць дадатную работу δAзнеш, прапарцыянальную змяненню плошчы паверхні ΔS. Паверхневы слой складаецца з такіх самых малекул, як і ўся вадкасць. Адрозненне заключаецца толькі ў тым, што малекулы паверхневага слоя маюць залішнюю патэнцыяльную энергію ў параўнанні з малекуламі, якія знаходзяцца ўнутры вадкасці. Гэтую энергію называюць паверхневай энергіяй Епав.
Паверхневая энергія прапарцыянальная плошчы свабоднай паверхні вадкасці:
(8.1.1)
дзе σ — каэфіцыент прапарцыянальнасці, які называюць каэфіцыентам паверхневага нацяжэння або, коратка, паверхневым нацяжэннем.
Паверхневае нацяжэнне — фізічная велічыня, роўная рабоце знешніх сіл па павелічэнні плошчы паверхні вадкасці на адзінку плошчы пры захаванні аб’ёму і тэмпературы вадкасці нязменнымі:
(8.1.2)
Паколькі патэнцыяльная энергія цела (сістэмы цел) у стане ўстойлівай раўнавагі мінімальная, то наяўнасць паверхневай энергіі Епав у вадкасці абумоўлівае яе імкненне да скарачэння плошчы S сваёй паверхні.
Чаму валасінкі пэндзліка для малявання фарбамі зліпаюцца пасля таго, як яго вынялі з вады?
Мінімальную плошчу паверхні пры дадзеным аб’ёме маюць шарападобныя целы. Напрыклад, кроплі вады пры судотыку зліваюцца ў адну, форма якой адрозніваецца ад сферычнай з прычыны ўздзеяння сілы цяжару і сілы рэакцыі апоры. Чым меншы радыус кроплі, тым большую ролю адыгрывае паверхневая энергія ў параўнанні з патэнцыяльнай энергіяй кроплі ў гравітацыйным полі Зямлі і тым бліжэйшая форма кропель вадкасці на апоры да сферычнай. Таму маленькія кропелькі расы на лісці раслін прымаюць амаль шарападобную форму (мал. 54.1).
Дакажыце, што пры зліцці некалькіх кропель вады ў адну пры нязменнай тэмпературы выдзяляецца энергія.
Падказка. Палічыўшы форму кропель сферычнай, параўнайце паверхневую энергію ўсіх дробных кропель з паверхневай энергіяй кроплі, атрыманай пры іх зліцці. Улічыце, што аб'ём шара , а плошча яго паверхні
.
У тым, што вадкасць імкнецца набыць форму, пры якой плошча яе паверхні на мяжы з газам будзе мінімальная, можна пераканацца з дапамогай доследу. Апусцім кальцо з дроту з прывязанай да яго ніткай у мыльны раствор. Контур кальца, вынятага з раствору, зацягнуты мыльнай плёнкой, а нітка ў ёй размяшчаецца выпадковым чынам (мал. 54.2, а). Калі пракалоць плёнку з аднаго боку ніткі, то астатняя частка плёнкі скароціцца так, што плошча яе паверхні стане мінімальнай пры зададзенай даўжыні ніткі (мал. 54.2, б). Значыць, на нітку з боку плёнкі дзейнічаюць сілы, якія ўтрымліваюць яе ў нацягнутым стане і тым самым імкнуцца скараціць свабодную паверхню вадкасці.