§ 9.7. Поверхностное натяжение

На поверхностях раздела жидкости и ее насыщенного пара, двух несмешиваемых жидкостей, жидкости и твердого тела возникает сила, обусловленная различным межмолекулярным взаимодействи­ем граничащих сред.

Каждая молекула, расположенная внутри объема жидкости, равномерно окружена соседними молекулами и взаимодействует с ними, но равнодействующая этих сил равна нулю. На молекулу, находящуюся вблизи границы двух сред, вследствие неоднороднос­ти окружения действует сила, не скомпенсированная другими моле­кулами жидкости. Поэтому для перемещения молекул из объема в поверхностный слой необходимо совершить работу.

Поверхностное натяжение определяется отношением работы, затраченной на создание некоторой поверхности жидкости при постоянной температуре к площади этой поверхности: σ =А/S (9.21)

Условием устойчивого равновесия жидкостей является минимум энергии поверхностного слоя, поэтому при отсутствии внешних сил или в состоянии невесомости жидкость стремится иметь мини­мальную площадь поверхности при данном объеме и принимает форму шара.

Поверхностное натяжение может быть опре­делено не только энергетически. Стремление поверхностного слоя жидкости сократиться означает наличие в этом слое касательных сил — сил поверхностного натяжения. Если выбрать на поверхности жидкости некоторый

отрезок длиной L (рис. 9.8), то можно условно изобразить эти силы стрелками, перпендикулярными отрезку.

Поверхностное натяжение равно отношению силы поверхностного натяжения к длине отрезка, на котором действует эта сила: σ =F/L (9.22)

Поверхностное натяжение зависит от температуры. Вдали от критической температуры значение его убывает линейно при увеличении температуры. Снижения поверхностного натяжения можно достигнуть введением в жидкость поверхностно-активных веществ, уменьшающих энергию поверхностного слоя.

§ 9.8. Смачивание и несмачивание. Капиллярные явления

На границе соприкосновения различных сред может наблюдаться смачивание или несмачивание.

Рассмотрим поведение капли жидкости на поверхности другой, не смешивающейся с ней жидкости (рис. 9.9) и капли жидкости на поверхности твердого тела (рис. 9.10 и 9.11). На поверхностях раздела каждых двух сред ( 1 и 3, 2 и 1, 3 и 2) действу­ют силы поверхностного натяжения. Если эти силы разделить на длину окружности капли, то получим соответ­ственно σ₁₃, σ₂₁, σ₃₂.

Угол θ между смачиваемой поверхностью и касательной к по­верхности жидкости, отсчитываемый через нее, называют краевым. За меру смачивания принимают величину cos θ= (σ₃₂ – σ₁₃)/σ₂₁ (9.23)

Если σ₃₂> σ₁₃ (рис. 9.10), т.е. силы взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела больше, чем между молеку­лами твердого тела и газа, то θ < π/2 и жидкость смачивает твер­дое тело, поверхность которого в этом случае называется гидрофиль­ной В случае σ₃₂< σ₁₃ (рис. 9.11) θ > π/2, жидкость не смачивает тела, поверхность его в этом случае называют гидрофобной. Несма­чивающая жидкость не протекает через малые отверстия в твердом теле. При σ₃₂ – σ₁₃ = σ₂₁ межмолекулярные силы полностью ском­пенсированы (θ= 0). В этом случае равновесие не может наступить и капля растекается по поверхности твердого тела до тех пор, пока не покроет всей ее поверхности или не образуется мономолекуляр­ный слой. Такой случай является идеальным смачиванием. К нему с некоторым приближением можно отнести растекание спирта или воды по чистой поверхности стекла, нефти по воде и пр.

Под действием сил поверхностного натяжения поверхностный слой жидкости искривлен и оказывает дополнительное по отноше­нию к внешнему давление Др. Поверхностный слой подобен упру­гой оболочке, например резиновой пленке. Результирующая сил поверхностного натяжения искривленной поверхности направлена в сторону вогнутости (к центру кривизны). В случае сферической поверхности, радиус кривизны которой г, дополнительное давление Δp=2 σ/r (9.24)

Искривление поверхности (мениск), в частности, возникает в узких (капиллярных) трубках в результате смачивания или несма­чивания жидкостью их поверхности. При смачивании образуется вогнутый мениск (рис. 9.12). Силы давления направлены от жид­кости наружу, т.е. вверх, и обусловливают подъем жидкости в капилляре. Это равновесное состояние, показанное на рисунке, наступает тогда, когда давление pgh уравновесит Δр.

Δp=2 σ cosθ /R (9.25)

pgh=2 σ cosθ /R

h=2 σ cosθ /(Rpg) (9.26)

В случае несмачивания cos θ < 0 и формула (9.26) покажет высо­ту опускания жидкости в капилляре.

Капиллярные явления определяют условия конденсации паров, кипения жидкостей, кристаллизации и т.п. Так, например, на молекулу пара (рис. 9.13; точка А) над вогнутым мениском жидкос­ти действует больше молекул жидкости и, следовательно, большая сила, чем при выпуклом мениске. Это хорошо видно из рис. 9.13, на котором пунктиром условно показана сфера молекулярного действия, а штрихом — объемы жидкости, молекулы которых при­тягивают выделенную молекулу пара. В результате этого возникает капиллярная конденсация в смачиваемых тонких трубках даже при сравнительно малой влажности воздуха. Благодаря этому пористые вещества могут задерживать значительное количество жидкости из паров, что приводит к увлажнению белья, ваты в сырых помещени­ях, затрудняет сушку гигроскопических тел, способствует удержа­нию влаги в почве и т.п. Наоборот, несмачивающие жидкости не проникают в пористые тела. С этим связана, например, непроницае­мость для воды перьев птиц, смазанных жиром.

Рассмотрим поведение пузырька воздуха, находящегося в капил­ляре с жидкостью. Если давление жидкости на пузырек с разных сторон одинаково, то оба мениска пузырька будут иметь одинако­вый радиус кривизны (рис. 9.14, а). При избыточном давлении с одной из сторон, например при движении жидкости, мениски де­формируются, изменятся их радиусы кривизны (рис. 9.14, б), до­полнительное давление Δр с разных сторон станет неодинаковым. Это приведет к такому воздействию на жидкость со стороны пу­зырька воздуха (газа), которое затруднит или прекратит движение жидкости. Такие явления могут происходить в кровеносной системе человека.

Попавшие в кровь пузырьки воздуха могут закупорить мелкий сосуд и лишить кровоснабжения какой-либо орган. Это явление, называемое эмболией, может привести к серьезному функционально­му расстройству или даже летальному исходу. Так воздушная эмбо­лия может возникнуть при ранении крупных вен: проникший в ток крови воздух образует воздушный пузырь, препятствующий про­хождению крови. Пузырьки воздуха не должны попадать в вены при внутривенных вливаниях.

Газовые пузырьки в крови могут появиться у водолазов при быстром подъеме с большой глубины на поверхность, у летчиков и космонавтов при разгерметизировании кабины или скафандра на большой высоте (газовая эмболия). Это обусловлено переходом газов крови из растворенного состояния в свободное — газообразное в результате понижения окружающего атмосферного давления. Ведущая роль в образовании газовых пузырьков при уменьшении давления принадлежит азоту, так как он обусловливает основную часть общего давления газов в крови и не участвует в газообмене организма и окружающего воздуха.