1.2. Жидкое состояние. Поверхностное натяжение

Силы притяжения между молекулами в веществах эффективно действуют лишь на некотором расстоянии – r, называемым радиусом межмолекулярного взаимодействия и составляющем примерно несколько диаметров молекулы. Если молекула находится «внутри» тела, то ее окружают молекулы равномерно со всех сторон, рис. 6, а. В этом случае результирующая сил, действующих на молекулу со стороны соседних молекул, находящихся на расстояниях в пределах радиуса межмолекулярного взаимодействия будет равна нулю. Иначе обстоит дело, если молекула находится на расстоянии от поверхности меньшем радиуса межмолекулярного взаимодействия, рис. 6, б. Рис. 6. б соответствует случаю границы раздела жидкость-газ, хотя подобные рассуждения справедливы и для любой другой граница раздела двух сред.

Из рис. 1.6, б очевидно, что поскольку в газе плотность молекул много меньше, результирующая сила межмолекулярного взаимодействия будет направлена внутрь жидкости и будет препятствовать движению молекулы к поверхности. Аналогичные силы будут действовать на все молекулы,

находящиеся вблизи поверхности на расстоянии меньшем, чем радиус межмолекулярного взаимодействия. Эта сила растет при приближении к поверхности. Таким образом, можно считать, что вблизи поверхности наблюдается картина подобная той, что имеет место в поле сил тяжести Земли. При подъеме тела совершается работа против сил тяжести, уменьшается кинетическая энергия и увеличивается потенциальная. Аналогично при движении молекулы к поверхности увеличивается ее потенциальная энергия.

Из механики известно, что система всегда стремится занять положение с минимальной потенциальной энергией, поэтому жидкость, предоставленная сама себе, будет стремится принять форму с минимальной потенциальной энергией. В невесомости это будет форма шара, в поле сил тяжести – форма капли.

Силы, стремящиеся уменьшить площадь поверхности, называют силами поверхностного натяжения. Эти силы направлены перпендикулярно мысленно выделенному контуру (рис. 1.7) по касательной к поверхности и равны

F=dl. (1.2)

где называюткоэффициентом поверхностного натяжения, аdl– длина элемента контура, на который действует рассматриваемая сила. Аналогичная сила действует на любой элемент контура поверхности жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения имеет размерность Н/м.

Рис. 1.7. Рис. 1.8.

На рис. 8 представлена тонкая подвижная перемычка на рамке с пленкой (например, мыльной). На перемычку действует сила поверхностного натяжения, равная согласно (1.2) 2l. (множитель 2 берется, поскольку пленка имеет две поверхности). В равновесии перемычка удерживается внешней силой равной по величине и противоположной по направлению. Если перемычку медленно переместить на расстояниеdx, то при этом будет совершаться работа

dA= 2ldx=S=dE, (1.3)

которая будет идти на увеличение энергии этой пленки. Таким образом, исходя из (1.3) коэффициент поверхностного натяжения можно представить как энергию, приходящуюся на единицу площади поверхности (Дж/м²). Коэффициент поверхностного натяжения уменьшается с ростом температуры и обращается в ноль при критической температуре. В значительной степени на коэффициент поверхностного натяжения могут влиять примеси. Так мыло понижает коэффициент поверхностного натяжения примерно в полтора раза, в то время как поваренная соль его увеличивает.

Коэффициенты поверхностного натяжения некоторых жидкостей приведены в таблице.

Жидкость	вода	глицерин	спирт	ртуть
α, мН/м	73	66	22	490