Найхарактернішою властивістю рідини, є те, що на межі з газом рідина утворює вільну поверхню. З’ясуємо, чим відрізняються дії молекулярних сил всередині рідини та на 'її поверхні.
Сили міжмолекулярної взаємодії молекул рідини
На кожну молекулу рідини діють сили притягання сусідніх молекул. Ці сили для молекули М , що містяться всередині рідини, взаємно скомпенсовані, тобто середнє значення рівнодійної сил притягання близьке до нуля. Випадкові зміни величини і напрямку цієї рівнодійної змушують молекулу здійснювати лише хаотичний рух всередині рідини.
Рівнодійна ж сил притягання F, що діє на молекули, які містяться на поверхні рідини, відмінна від нуля, адже над поверхнею рідини її молекул значно менше, ніж усередині. Таким чином, рівнодійна сил притягання, що діють на молекули, які розміщенні в поверхневому шарі товщиною, яка дорівнює радіусу міжмолекулярної взаємодії, напрямлена вниз (усередину рідини).
Унаслідок цього молекули поверхневого шару чинять молекулярний тиск на рідину, стягуючи її поверхню до мінімуму. Це явище називають явищем поверхневого натягу. Рівнодійну сил притягання, які діють між молекулами на поверхні рідини, називають силою поверхневого натягу Fn.
Явище поверхневого натягу з позицій молекулярно-кінетичної теорії пояснюється таким чином. Оскільки молекули рідини, розміщені в її поверхневому шарі, втягуються всередину рідини, їх потенціальна енергія більша, ніж у молекул всередині рідини. До такого висновку можна дійти, врахувавши, що потенціальна енергія взаємодії молекул від’ємна і що молекули в поверхневому шарі рідини взаємодіють з меншою кількістю молекул, ніж усередині. За рахунок цієї додаткової потенціальної енергії молекул поверхневого шару може бути виконана робота, пов’язана зі зменшенням вільної поверхні рідини. Або, навпаки, для того, щоб вивести молекулу Мх із середини рідини на її поверхню, треба подолати протидію молекулярних сил, тобто виконати роботу, яка потрібна для збільшення повної енергії молекул поверхневого шару рідини. Неважко зрозуміти, що при цьому зміна повної енергії молекул поверхневого шару рідини прямо пропорційна зміні площі вільної поверхні рідини: ΔΕ ~ AS.
Робота молекулярних сил залежить від роду рідини й умов над поверхнею рідини. Тому, переходячи до знака рівності, введемо коефіцієнт пропорційності σ, що описує ці залежності. Його називають коефіцієнтом поверхневого натягу.
Коефіцієнт поверхневого натягу, σ — це фізична величина, яка описує залежність роботи молекулярних сил під час зміни площі вільної поверхні рідини від роду рідини й зовнішніх умов і вимірюється роботою молекулярних сил, необхідною для зменшення площі вільної поверхні рідини на одиницю.
Цей коефіцієнт визначено для багатьох однорідних рідин і занесено до таблиць. З підвищенням температури коефіцієнт σ зменшується через збільшення середньої відстані між молекулами на поверхні рідини. За критичної температури Ткр поверхневий натяг зникає, оскільки немає різниці між рідиною та її парою.
Коефіцієнт поверхневого натягу може бути виражений і через силу поверхневого натягу та довжину межі вільної поверхні.
Силою поверхневого натягу називають силу, яка діє вздовж поверхні рідини перпендикулярно до лінії, що обмежує цю поверхню, і прагне скоротити площу вільної поверхні до мінімуму.
Розглянемо явища, що виникають на межі дотику поверхонь рідини і твердого тіла. У повсякденному житті можна спостерігати, що крапля води може розпливатись (наприклад, по чистій поверхні скла), але може і не розпливатись і мати при цьому форму майже правильної кулі (наприклад, краплі роси). У першому випадку кажуть, що вода змочує поверхню, у другому — не змочує.
Явище змочування
Незмочування
Як саме поводитиме себе рідина на поверхні твердого тіла, залежить від сил взаємодії молекул рідини з молекулами твердого тіла. Якщо взаємодія молекул рідини між собою менша, ніж їх взаємодія з молекулами контактного твердого тіла, то маємо випадок змочування, а коли ця взаємодія більша, — незмочування. Характеристикою явища змочування є крайовий кут Θ.
Крайовий кут: а – гострий для змочувальних рідин; б – тупий для незмочувальних
Крайовий кут (кут змочування) це кут, утворений плоскою поверхнею твердого тіла та площиною, дотичною до поверхні рідини, яка межує з твердим тілом.
Значення косинуса крайового кута (cos θ) визначає ступінь змочування: для змочувальних рідин cos θ додатний, для незмочувальних — від’ємний, а для ідеально змочуваних поверхонь cos θ = 0
Явище змочування відіграє важливу роль у побуті й техніці. Якби вода не змочувала тіло людини, то марним було б купання. Добре змочування потрібне під час фарбування і прання, паяння, збагачення руд цінних порід і в інших технічних процесах.
Підняття змочувальної рідини (а) й опускання незмочувальної (б)
Оскільки крайовий кут утворюється і за вертикального положення твердої поверхні, це приводить до підняття змочувальної рідини або опускання незмочувальної біля країв посудини.
Особливо чітко це явище спостерігається у вузьких трубках (капілярах), де викривляється вся вільна поверхня. Явища підняття (опускання) рідини в капілярах називаються капілярними.
Кривиза меніска зумовлює пояяву додаткового тиску ±Δр (знак «+» – для опуклого меніска, знак «-» – для увігнутого).
Змочувальна рідина у капілярі піднімається по стінці, утворюється увігнута поверхня рідини (увігнутий меніск) (мал. а). Незмочувальна рідина опускається в капілярі, утворюючи опуклий меніск (мал. б). Оскільки площа поверхні меніска більша, ніж площа внутрішнього перерізу капіляра, то молекулярні сили прагнуть випрямити викривлену поверхню рідини, і цим створюється додатковий тиск Δρ, який для змочування (увігнутий меніск) напрямлений від рідини (мал. а), а для незмочування (опуклий меніск) — усередину рідини (мал. б). Величину цього тиску визначив французький учений П’єр Симон де Лаплас, тому його часто називають лапласівським тиском.
Якщо поверхня сферична, то додатковий тиск визначається за формулою:
Для тонкостінної порожньої сфери (бульбашки), що має дві поверхні — зовнішню і внутрішню, лапласівський тиск дорівнює
Висота підняття рідини в капілярній трубці прямо пропорційна поверхневому натягу і обернено пропорційна радіусу трубки і густині рідини. Глибина опускання рівня рідини визначається тією самою формулою.
Капілярні явища мають велике значення в природі й техніці. Завдяки цим явищам відбувається проникнення вологи з ґрунту в стебла й листя рослин. Саме в капілярах відбуваються основні процеси, пов’язані з диханням і живленням організмів. У тілі кожної людини приблизно 160 · 109 капілярів, загальна довжина яких сягає 60 - 80 тис. км.
У будівництві враховують можливість підняття вологи по капілярних порах будівельних матеріалів. Для захисту фундаменту і стін від дії ґрунтових вод і вологи застосовують гідроізоляційні матеріали — толь, смоли тощо.
Завдяки капілярному підняттю вдається фарбувати тканини. Часто капілярні явища використовують і в побуті. Висушувальна дія рушників, серветок, гігроскопічної вати, марлі, промокального паперу ґрунтується на капілярних явищах.