2. Свободная поверхностная энергия и поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение является следствием существования внутреннего давления — силы, втягивающей поверхностные молекулы внутрь жидкости и направленной перпендикулярно к поверхности.

Причину возникновения внутреннего давления наглядно демонстрирует следующая схема действия межмолекулярных сил внутри жидкости и на ее поверхности:

Молекула, находящаяся в объеме жидкости, испытывает притяжение всеми окружающими ее молекулами, расположенными на расстоянии 10" см, называемом радиусом сферы действия межмолекулярных сил. Вследствие симметричности расположения частиц, силы межмолекулярного взаимодействия внутри фазы скомпенсированы, их равнодействующая F равна нулю (рис. 1). Поэтому для перемещения молекул внутри жидкости не требуется совершать работу против межмолекулярных сил.

Для молекул, находящихся вблизи поверхности раздела фаз, равнодействующая межмолекулярных сил не равна нулю и становится тем больше, чем ближе они расположены к этой поверхности (рис. 1). Это вызвано тем, что часть сферы действия молекулярных сил находится в другой фазе (например, в воздухе или газе). Интенсивность межмолекулярного взаимодействия в газе меньше, чем в жидкости (за счет

12

большего расстояния между молекулами) и равнодействующая этих сил направлена внутрь жидкости (рис. 1). Так возникает внутреннее давление, которое втягивает молекулы, расположенные на поверхности, внутрь. Внутреннее давление жидкостей бывает очень большим (10⁸ Па). Так, для этанола (С₂Н₅ОН) оно равно 2900 атм., для бензола (С₆Н₆) — 3800 атм., для воды (Н₂0) — 14800 атм. Очевидно, что внутреннее давление жидкости тем больше, чем выше ее полярность, т.е. чем больше в ней силы межмолекулярного взаимодействия.

Таким образом, расположенные на поверхности жидкости молекулы образуют слой, который называется поверхностным слоем. Он выполняет роль упругой пленки, стремящейся сократить поверхность жидкости до минимума. Вследствие этого взаимодействия молекул поверхностного слоя возникает сила, приложенная к контуру, ограничивающему поверхность раздела фаз, направленная к ней по касательной и обуславливающая сокращение поверхности. Это сила, действующая на единицу длины контура поверхности, называется силой поверхностного натяжения {а).

С другой стороны, исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что для увеличения поверхности жидкости нужно затратить работу против сил внутреннего давления. В обратимом изотермическом процессе работа, необходимая для создания единицы поверхности, равна удельной свободной энергии поверхности. Согласно второму закону термодинамики величину энергии Гиббса можно рассчитать по формуле:

(1)

если — удельная энергия Гиббса.

Отсюда получаем наиболее общее и четкое по физическому смыслу определение поверхностного натяжения это максимальнаяизотермическая работа образования единицы поверхности. Единицы измерения поверхностного натяжения в системе СИ: ■

Так как поверхностное натяжение измеряется на границе раздела двух фаз, то его обозначают где А и В — граничащие фазы. Если вторая

среда—воздух, газ или пар, то она обычно не обозначается. Например, поверхностное натяжение бензола, измеренное относительно воздуха записывают

Поверхностное натяжение различных жидкостей неодинаково и зависит от температуры, полярности молекул, способности образовывать водородные связи и т.д. Чем сильнее межмолекулярные связи в данном теле, тем больше его поверхностное натяжение на границе с газовой фазой. Отсюда следует, что поверхностное натяжение меньше у неполярных жидкостей, имеющих слабые межмолекулярные связи, и больше у полярных жидкостей. Т.е., величина поверхностного натяжения может служить мерой интенсивности

13

сил взаимодействия между молекулами вещества. Для подтверждения влияния отмеченных факторов на поверхностное натяжение, а также для того, чтобы Вы прониклись важностью изучаемых явлений для существования жизни на Земле, проанализируем данные таблицы 1.

Таблица 1. Поверхностное натяжение (удельная поверхностная энергия) некоторых веществ на границе с воздухом при 298 К

Из таблицы видно, что с увеличением полярности молекул и способности образовывать водородные связи наблюдается выраженная тенденция к повышению поверхностного натяжения, которое препятствует испарению молекул и существенно повышает температуру кипения жидкостей. В противном случае вода с наименьшей молекулярной массой имела бы температуру кипения ниже 35 °С. Это привело бы к моментальному испарению морей, рек и океанов. Плотность атмосферы настолько бы возросла, что солнечные лучи не смогли бы пробиться к поверхности земли, все живое погибло, и не смогло бы зародится вновь.

Зависимость поверхностного натяжения от температуры С повышением температуры поверхностное натяжение уменьшается, т.к. среднее расстояние между молекулами увеличивается, а следовательно,

уменьшаются силы межмолекулярного взаимодействия. Исследования

Д..И..Менделеева показали, что при критическойтемпературе оно становится равным нулю. Хотелось бы Вам напомнить, что критическая температура Т_кр — это температура, выше которой вещество не может находиться в жидком состоянии. Зависимость поверхностного натяжения от температуры представлена

на рис. 2. Математическое выражение этой зависимости имеет следующий вид:

(2)

где — коэффициент пропорциональности, Т_кр и Т – критическая температура и температура опыта соответственно, — поверхностное натяжение при стандартной температуре, — поверхностное натяжение при температуре опыта, — поправка (6 °).

14