Поверхностное натяжение. Капиллярные явления

Условия, в которых находятся молекулы жидкости в объеме и непосредственно у границ раздела жидкости с газом или твердыми стенками, отличаются. Система сил оказывается неравномерной, и появляется равнодействующая, направленная внутрь или наружу объема.

Система, находящаяся в равновесии, занимает то из возможных для нее положений, которое соответствует минимуму энергии. Эти силы направлены по касательной и называются силами поверхностного натяжения. Коэффициент поверхностного натяжения можно выразить:

,

где – сила поверхностного натяжения,

– длина линии, ограничивающая поверхность раздела.

Сила поверхностного натяжения оказывает на жидкость дополнительное давление, нормальное к её поверхности, и может быть определена по формуле:

,

где – коэффициент поверхностного натяжения,

– радиус трубки, в которой находится жидкость.

Размерность – СИ [Н/м], сГс – [дин/см]. Для системы вода–воздух при t= 20º С =0,073 Н/м, ртуть–воздух – =0,48 Н/м.

Силы молекулярного взаимодействия между жидкостью и твердыми стенками создают искривление свободной поверхности вблизи стенок (вогнутое или выпуклое, смачиваемое или несмачиваемое).

В результате этого уровень в капиллярах повышается или понижается. Высота капиллярного подъема (опускания) жидкости:

,

где – радиус трубки,

– краевой угол.

При малых радиусах подъем может быть значительным. Например, для воды высота капиллярного подъема: = 29,8/ , а для ртути – опускание = 10,15/ , где диаметр принимается в мм.

Благодаря действию поверхностного натяжения объем жидкости, на который не действуют никакие другие силы, принимают сферическую форму. С этим свойством связана способность жидкости образовывать капли (рис. 3).

П олное смачивание

Частичное

Частичное несмачивание

Полное несмачивание

Рисунок 3 – Форма капли

Давление насыщенных паров. Давлением насыщенных паров (p_н.п), или упругостью паров, называют давление, при котором пары жидкости находятся в равновесии с жидкостью и число молекул, переходящих из жидкости в пар, равно числу молекул, совершающих обратный переход. Оно в значительной степени зависит от температуры и, как правило, увеличивается с ее повышением.

Давление насыщенных паров можно определить как давление, соответствующее точке кипения жидкости при данной температуре.

Растворимость газов в жидкостях происходит при всех условиях, но различна для разных жидкостей и изменяется с увеличением давления. Она характеризуется количеством растворенного газа в единице объема жидкости.

Относительный объем газа, растворенного в жидкости до ее полного насыщения, можно считать по закону Генри прямо пропорциональным давлению, т. е.:

Wг/Wж = kр₂/р₁

где Wг – объем растворенного газа при нормальных условиях,

Wж – объем жидкости, k – коэффициент растворимости,

р₂ и р₁ – конечное и начальное давление газа.

При понижении давления в жидкости происходит выделение растворенного газа, причем более интенсивно, чем растворение. Это отрицательно сказывается на работе гидросистем.