Явления на границе раздела газа, жидкости и твердого тела
Опыт показывает, что поверхность жидкости стремится принять такую форму, чтобы иметь минимальную площадь. Это явление связано с воздействием на поверхность жидкости механических сил, стремящихся уменьшить площадь этой поверхности. Указанные силы называются силами поверхностного натяжения.
Рассмотрим явления, возникающие на границе раздела жидкости и газа. Пусть имеется пленка жидкости (например, мыльная пленка), натянутая на рамку с одной подвижной перемычкой (см. рис. 3.1).
Рис. 3.1. Рамка с жидкой пленкой.
За счет сил поверхностного натяжения
пленка будет стремиться уменьшить свою
площадь. Для того, чтобы воспрепятствовать
этому, к перемычке необходимо приложить
силу
,
величина которой, как показывает опыт,
не зависит от площади пленки, а
пропорциональна длине перемычки
:
|
(3.1) |
.
Коэффициент пропорциональности
называется
поверхностным
натяжением (коэффициентом
поверхностного натяжения).
Двойка в формуле (3.1)
означает, что пленка жидкости имеет две
поверхности и если её толщина много
больше межмолекулярного расстояния,
то происходит независимое воздействие
двух поверхностей пленки на перемычку.
Очевидно, что сила
равна
силе поверхностного натяжения и поэтому
из формулы (7.8)
следует, что величина
силы поверхностного натяжения численно
равна произведению поверхностного
натяжения
на
длину линии контакта пленки и перемычки
.
Эта сила направлена по касательной к
поверхности пленки.
При медленном перемещении перемычки
на величину
,
площадь поверхности пленки увеличивается
на величину
|
(3.2) |
.Требование медленности перемещения перемычки позволяет считать рассматриваемый процесс изотермическим и квазистатическим (обратимым).
С учетом выражения (3.2)
элементарная работа
,
которую необходимо совершить против
сил поверхностного натяжения, определяется
по формуле
|
(3.3) |
.
Соответственно работа
,
совершаемая силами поверхностного
натяжения примет вид
|
(3.4) |
.Из формулы (3.3) следует, что поверхностное натяжение численно равно работе, которую необходимо затратить при обратимом изотермическом процессе для увеличения площади поверхности жидкости на единицу. Указанная работа затрачивается на приращение энергии поверхности жидкости – свободной поверхностной энергии. Следовательно, поверхностное натяжение численно равно удельной (на единицу площади) свободной поверхностной энергии.
Выясним, чем обусловлено свойство сокращения поверхности жидкости. На рис. 3.2 изображены три молекулы и сферы их действия. Молекулярные силы, действующие на молекулу 1 со стороны молекул, находящихся в сфере молекулярного действия, взаимно уравновешиваются. В иных условиях оказывается молекула 2 на поверхности жидкости. Над ней имеется пар жидкости, действием молекул которого можно пренебречь. При таком условии молекулярные силы, действующие на молекулу 2, оказываются неуравновешенными, их равнодействующая R направлена в глубь жидкости перпендикулярно к её поверхности. В таком состоянии находятся все молекулы поверхностного слоя толщиной в радиус сферы молекулярного действия (приблизительно слой в 1-2 молекулы).
Рис. 3.2. Действие молекулярных сил.
Чтобы молекула 3 оказалась в поверхностном слое жидкости, над ней надо совершить работу против сил, втягивающих её в глубь жидкости. Эта работа совершается за счёт кинетической энергии окружающих её молекул; в результате работы увеличивается потенциальная энергия поверхностного слоя жидкости.
Оказавшись в поверхностном слое, молекула станет обладать большей потенциальной энергией, чем молекулы, расположенные в глубине жидкости. Таким избыточным запасом потенциальной энергии обладают все молекулы поверхностного слоя жидкости. Эта энергия прямо пропорциональна величине поверхности жидкости.
Состояние равновесия жидкости, в отсутствие сил гравитационного притяжения и других внешних сил, имеет место при минимальной площади поверхности, соответствующей заданному объему жидкости. Этим объясняется то, что в невесомости капля жидкости принимает шарообразную форму. Мыльный пузырь имеет почти сферическую форму вследствие малости своего веса.