Поверхностное натяжение. Капиллярные явления.
Поверхность жидкости,взаимодействующей с другой средой,например с собственным паром или с твердым телом,находится в особых условиях.
Эти условия возникают вследствие того,что молекулы пограничного слоя жидкости,в отличие от молекул,находящихся внутри ее,окружены молекулами той же жидкости не со всех сторон. Частично они взаимодействуют с молекулами второй среды,с которой эта жидкость соприкасается. Вторая среда может отличаться своей природой,а также плотностью частиц. Это приводит к возникновению различных взаимодействий молекул в пограничном слое, а значит к их неуравновешенному состоянию. Динамическое положение молекулы внутри жидкости и в пограничном слое показано на рис.7. При этом возникает равнодействующая сила, направленная либо в сторону объема жидкости, либо в сторону второй среды. Иными словами в пограничном слое возникает"пленка".
Перемещение молекул из поверхностного слоя в глубь жидкости сопровождается совершением работы (внутри жидкости молекулы находятся в равновесии и их перемещение не требует затрат энергии извне). Ясно,что молекулы поверхностного слоя имеют избыточную потенциальную энергию, значение которой зависит от площади поверхности жидкости. Тогда любое изменение площади поверхности dS сопровождается изменением потенциальной энергииdU и совершением работыdA:
dA = -dU= -dS .
В качестве коэффициента пропорциональности в приведенном выражении рассматриваается параметр,получивший название коэффициента поверхностного натяжения .
Сила поверхностного натяжения является касательной к поверхности пленки, действует перпендикулярно к тому отрезку, в точках которого она приложена и пропорциональна длине линии, ограничивающей поверхность жидкости:
F = l .
C учетом данного выражения коэффициент поверхностного натяжения может определяется выражением
=dF/dl
Молекулы пограничного слоя имеют избыточное значение потенциальной энергии, поэтому их число стремится к некоторому минимальному значению. Отсюда, при отсутствии внешних силовых полей, капля любой жидкости принимает форму шара, фигуры, объем которой имеет минимальную площадь поверхности.
Коэффициент поверхностного натяжения зависит от физической природы контактирующих сред их состояния.
Существование поверхностного натяжения приводит к искривлению поверхности жидкости в области взаимодействия различных сред, что приводит к возникновению в этой области избыточного давления (давления Лапласа). Это давление принято считать положительным под выпуклой поверхностью и отрицательным под вогнутой поверхностью. В общем случае давление Лапласа определяется следующим уравнением:
где R1 иR2- радиусы кривизны поверхности во взаимно перпендикулярных плоскостях.
Особый интерес представляют явления, получившие название капиллярных. При опускании капиллярной трубки в жидкость наблюдается поднятие или опускание жидкости в ней, в зависимости от выпуклости или вогнутости мениска. Высота поднятия (опускания) жидкости в капилляре ( рис.8) определяется следующим уравнением:
где r- радиус капилляра;- плотность жидкости;- краевой угол.
Капиллярные явления можно наблюдать не только в трубках, но и в узких щелях. Если опустить в воду две стеклянные пластины так, чтобы между ними образовалась узкая щель, то вода между пластинами поднимется, и тем выше, чем ближе они будут расположены.
R
r
Рис.8.