11.2. Поверхностное натяжение

В предыдущем параграфе мы выяснили, что поверхностный слой жидкости обладает до­полнительной энергией. Эта энергия, приходящаяся на единицу поверхности жидкости, называется поверхностным натяжени­ем и обычно обозначается буквой σ. Сказанное означает, что для увеличения поверхности жидкости на S единиц, без каких-либо других изменений состояния жидкости, в частности без измене­ния ее температуры, надо совершить работу, равную σS.

Возьмем плоскую проволочную рамку, одна из сторон кото­рой, представляющая собой перемычку длины l, может переме­щаться, оставаясь параллельной самой себе (рис. 11.2.). Окунем рамку в раствор мыла в воде. В результате она окажется затя­нутой тонкой пленкой жидкости, ограниченной с обеих сторон поверхностным слоем. Вследствие стремления поверхностных слоев сократиться пленка будет перемещать перемычку. Чтобы предотвратить перемещение перемычки, к ней нужно приложить силу, которая уравновесит силу F', действующую на перемыч­ку со стороны пленки. Увеличивая силу F на ничтожно малую величину, переместим очень медленно перемычку в направлении силы F на расстояние b. При этом сила F совершит работу, равную Fb. В результате совершения этой работы поверхностный слой жидкости увеличится на 2lb (поверхностный слой имеется с обеих сторон пленки), что приведет к приращению поверхност­ной энергии на 2lbσ.

Приравняв приращение поверхностной энергии работе, со­вершенной силой Р, получим соотношение

2lbσ = Fb, откуда F =2lσ. (78)

Полученное выражение означает, что поверхностный слой, стремясь сократиться, действует на единицу длины своей грани­цы с силой, равной σ. Это позволяет дать другое определение поверхностного натяжения как силы, действующей со стороны поверхностного слоя на единицу длины контура, ограничива­ющего этот слой. В СИ поверхностное натяжение выражается в ньютонах на метр (Н/м). Отметим, что 1 Н/м = 1 Дж/ .

Рис. 11.2. Рамка, затянутая мыльной пленкой.

Таблица 4.

Жидкость	Температура, °С	Поверхностное натяжение, Н/м
Вода (чистая)	20	0,0725
Раствор мыла в воде	20	0,040
Спирт	20	0,022
Эфир	25	0,017
Ртуть	20	0,470
Золото (расплавленное)	1300	1,102
Жидкий водород	-253	0,0021
Жидкий гелий	-269	0,00012

Обратим внимание на то, что у легко испаряющихся жидко­стей (эфира, спирта) поверхностное натяжение, а следовательно, и молекулярные силы меньше, чем у жидкостей нелетучих (на­пример, у ртути). Очень мало поверхностное натяжение у жид­кого водорода и, особенно у жидкого гелия. У жидких метал­лов поверхностное натяжение, наоборот, очень велико. Различие в поверхностном натяжении жидкостей объясняется различием в силах сцепления их молекул.

Измерения показывают, что поверхностное натяжение жидко­стей зависит только от природы жидкости и от ее температуры. Оно никак не зависит от того, велика поверхность жидкости или мала, подвергалась эта поверхность предварительно растягива­нию или нет. Другими словами, работа по вытягиванию каждой новой молекулы на поверхность никак не зависит от того, каковы размеры этой поверхности. Это показывает, что поверхностный слой жидкости нельзя уподоблять тонкой упругой пленке, напри­мер резиновой пленке. При растягивании резиновой пленки по мере увеличения ее поверхности растягивающая сила становится все больше и больше, и, следовательно, работа, затрачиваемая на увеличение этой поверхности на единицу площади, тоже увеличивается. При увеличении поверхности жидкости ничего подобного не наблюдается.