2. Поверхностное натяжение.

Итак, силы поверхностного натяжения представляют собой те компоненты молекулярных притяжений, которое направлены вдоль поверхности жидкости и стремятся, как бы разорвать частицу. Благодаря наличию этих сил поверхность жидкости подобна растянутой пленке, стремящейся сократить свою площадь до возможно малых размеров.

Существование сил, направленных вдоль поверхности, подтверждается экспериментально.

Возьмем, например, проволочную петлю с мыльной пленкой и положим на пленку нить, как показано на рис.3а. Силы поверхностного натяжения, действующие на нить с обеих сторон одинаковы и нить находится в равновесии. Если же пленку ниже нити прорвать, силы поверхностного натяжения со стороны верхней пленки натянут нить (рис. 3б).

Для количественной оценки сил поверхностного натяжения выделим на поверхности жидкости произвольный замкнутый контур длиной l. Силы поверхностного натяжения, как уже говорилось, стремятся растянуть поверхность жидкости, заключенную внутри контура. Они направлены перпендикулярно к линии контура по касательной к поверхности жидкости

(рис. 4.)

Сила поверхностного натяжения равномерно распределена по линии контура и пропорциональна его длине.

F =  (1)

Коэффициент пропорциональности называетсяКОЭФФИЦИЕНТОМ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ.

 =, (2)

Из формулы (2) следует, что коэффициентом поверхностного натяжения называется физическая величина, измеряемая отношением силы поверхностного натяжения к длине контура. Измеряется в Ньютонах на метр (Н/м).

Силы, создающие натяжение поверхностного слоя, отличаются от обычных упругих сил. При растяжении пленки упругие силы растут. Силы же поверхностного натяжения остаются постоянными при увеличении поверхности жидкости. Поверхность жидкости увеличивается за счет появляющихся в ней новых молекул, ранее бывших в глубинных слоях.

При переходе молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой, должна совершаться работа против действующих в поверхностном слое сил. Это работа совершается молекулой за счет запаса ее кинетической энергии и идет на увеличение ее потенциальной энергии. Чем больше поверхность жидкости, тем большей дополнительной энергией обладают молекулы поверхностного слоя. Эта энергия называется ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭНЕРГИЕЙ. Равновесное положение системы соответствует минимуму потенциальной энергий, поэтому жидкость, представленная самой себе, должна стремиться принять форму шара. В обычном случае, когда жидкость подвержена действию сил земного тяготения, она принимает форму, соответствующую минимуму суммарной энергии - поверхностной энергии и энергии в поле сил тяготения.

Наличие энергии поверхностного слоя дает возможность другой интерпретации физического смысла коэффициента поверхностного натяжения. Предположим, что прямоугольная рамка с подвижной нижней перекладиной затянута пленкой жидкости (рис. 5).

Такая пленка ограничена с двух сторон поверхностным слоем и, стремясь сократиться, действует на нижнюю перекладину с силой F = 2. Чтобы удержать перекладину в равновесии, надо приложить к ней внешнюю силу F₁=F=2. Предположим, что действием силы F₁ перекладина медленно перемещается в направлении действия силы на расстояние dx . При этом сила совершит работу

dA=-F dx=- 2dx=- dS , (3)

где dS- приращение площади поверхностного слоя. Знак - появляется в связи с тем, что перемещение перекладины направлено противоположно силе. Так как для образования новой поверхности некоторые частицы из объема должны перейти на поверхность и совершить работу против сил молекулярного давления, то энергия поверхностного слоя возрастет на величину, равную:

dE=-dA=dS (4)

Поверхностная энергия Е представляет собой ту часть внутренней энергии, которая может быть превращена в работу. В термодинамике эту часть энергии называют СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИЕЙ.

Из равенства (4) следует, что (5)

откуда получаем новое определение коэффициента натяжения: коэффициент поверхностного натяжения есть физическая величина, измеряемая отношением изменения свободной энергии поверхности пленки к изменению площади этой поверхности. Согласно такому определению  измеряется в Джоулях на квадратный метр (Дж/м²).

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от рода жидкости, наличия примеси и температуры.

В описанной далее лабораторной работе по определению используется метод отрыва кольца от поверхности жидкости.