Свойства жидкостей Поверхностное натяжение

Как уже указывалось ранее, молекулы жидкости (и газа) при­тягиваются друг к другу (только на очень малых расстояниях начинают преобладать силы отталкивания). Молекула, находя­щаяся в глубине объема жидкости, равномерно окружена дру­гими молекулами со всех сторон (молекула I на рис. 1) и сумма всех действующих на нее сил притяжения F₁ равна нулю. Моле­кулы тонкого поверхностного слоя (II на рис. 1) имеют соседей лишь с внутренней стороны. Поэтому на них действует некото­рая ненулевая сила F_II, направленная внутрь объема жидкости. Таким образом, молекулы поверхностного слоя, стремясь уйти внутрь объема, создают в жидкости дополнительное давление, называемое молекулярным или внутренним давлением.

Жидкость стремится, насколько возможно, сократить свою поверхность (например, в невесомости жидкость принимает форму шара как тела с наименьшей плошадыо поверхности при заданном объеме). Поверхностный слой ведет себя как тонкая растянутая упругая пленка, поэтому говорят о явлении поверх­ностного натяжения. Такая "пленка", будучи натянута на не­кий контур, действует на каждую точку этого контура с силой, касательной поверхности жидкости и направленной внутрь кон­тура.

Сумма сил притяжения F, действующих на контур, ограничи­вающий честь поверхности жидкости, называется силой поверх­ностного натяжения. Она пропорциональна длине контура l:

где а — коэффициент поверхностного натяжения. Из (1) следует а = F/l, то есть

коэффициент поверхностного натяжения равен отношению си­лы поверхностного натяжения, действующей на контур, к длине этого контура

Измеряется коэффициент а в Н/м и может быть равен 0.01 / 0.54 Н/м. С ростом температуры а уменьшается из-за увели­чения средних расстояний между молекулами. При комнатной температуре для этилового спирта а равно 0.025, для воды — 0.073, для ртути — 0.54 Н/м.

Чтобы найти работу силы поверхностного натяжения, поста­вим следующий эксперимент (см. рис. 2). Пусть мыльная плен­ка натянута на прямоугольную проволочную рамку ABCD, при­чем сторона CD длины l может свободно скользить по сторонам ВС и AD как по направляющим. При сдвиге CD по направле­нию к АВ на расстояние ∆х сила поверхностного натяжения F совершит работу:

где ∆S = 2l * ∆х — уменьшение площади поверхности пленки; оно вдвое больше уменьшения площади самой пленки l * ∆х, так

совершена за счет уменьшения потенциальной энергии поверх­ности жидкости.

Та часть потенциальной энергии поверхности жидкости, кото­рая может перейти в работу при изотермическом сокращении поверхности, называется свободной энергией поверхности жид­кости.

Изменение свободной энергии ∆W должно быть равно совер­шенной работе ∆А. А так как, согласно (2), ∆W = ∆А = а * ∆S,

то:

Свободная энергия поверхности жидкости равна произведению коэффициента поверхностного натяжения на площадь этой по­верхности:

Из (3) находим: а = W/S, что дает другое определение ко­эффициента поверхностного натяжения:

коэффициент поверхностного натяжения равен отношению сво­бодной энергии поверхности жидкости к площади ее поверхно­сти,

а значит а можно измерять в Дж/м², что, впрочем, равно Н/м.

Поверхностное натяжение играет большую роль в природе. Некоторые насекомые и личинки используют поверхностную пленку водоема для передвижения. Мокрые песчинки слипают­ся в комок, так как площадь обволакивающей комок водяной пленки меньше суммы площадей водяных оболочек отдельных песчинок. А пена на воде и мыльные пузыри всем хорошо из­вестны. На величину коэффициента поверхностного натяжения сильно влияет наличие в жидкости примесей, так как молекулы примеси взаимодействуют друг с другом и с молекулами жид­кости иначе, чем сами жидкостные молекулы. Вещество, умень­шающее а растворителя, называется поверхностно-активным. Для воды таковыми являются, например, нефть, спирт, мыло и другие.

Молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам поверхностно-активного вещества и поэтому покидают поверхность раствора, на которую вытесняются мо­лекулы примеси. Так, поверхность раствора мыла в воде состо­ит в основном из молекул мыла.