Landsberg-1985-T1

P~c. 402. Заштрихованные кружки изображают сечения полос. Штрихо­

вая JlИНИЯ изображает водяную пленку. облекающую волосы. .а) При

раздельном положении во.ц.ос поверхность пленки велика. б) При е.'1ИП-

. шихся волосах поверхность пленки мала

слипшихся волосах облекающая их вода имеет меньшую по­ верхность, ,чем при раздельном расположении волос. Это

показано на рис. 402. .

Во всех этих случаях мы наблюдаем стремление ЖИДlЮ­

сти уменьшить поверхность, по которой она граничит с воз­ духом (точнее - с паром, который образуется из жидкости).

Такие же явления мы наблюдаем на

границе двух несмешивающихся жидко-

стей. '

1.Поместим большую каплю анилина.

враствор поваренной соли, плотность

которого 'подогнана к плотности ани­

Рис. 404. а) На стекле часов находится в слабом растворе кислоты мно­

жество соприкасающихся мелких капедек ртути. б) Через несколько

-462

2. Нальем на стеклышко часов слабый раствор кислоты

(например, азотной) и выпустим туда же нз пипетки множе­

ство мелких капель ртути (рис. 404). Мы увидим, как эти капельки будут сливаться одна с другvй и, наконец, образуют одну крупную каплю, поверхность кото­ рой меньше, чем сумма поверхностей" множества мелких

капель.

?- 249.1. Для получения свинцовой дроби расплавленный свинец

•льют сквозь узкие отверстия с некоторой высоты в воду, причец во время падения свинец застывает, принимая фо,,"му шариков.

Объясните это.

249.2. Что происходит с мыльной пленкой, когда она лопается?

§ 250. ПовеРХНQстное натяжение. В предыдущем параграфе

мы выяснили, что поверхностный слой жидкости обладает

дополнительной энергией. Эта энергия, приходящаяся на

единицу поверхности жидкости, называется поверхностным

натяжением и обычно обозначается буквой а. Сказанное означает, что для увеличения поверхности жидкости 1;Ia S единиц, без каких-либо других изменений состояния жид­

кости, в частности без изменения ее температуры, надо со­

вершить работу, равную aS.

Возьмем плоскую проволочную рамку, одна из сторон

которой, представляющая собой перемычку длины 1, может перемещаться, оставаясь параЛJ.IельноЙ самой себе (рис. 405). Окунем рамку в· раствор мыла в воде. В результате

она окажется затянутой тонкой пленкой жидкости, ограни­

ченной с обеих сторон поверхностным слоем. ВслеДСТВllе стремления поверхностных слоев сократиться пленка будет перемещать перемычку. Чтобы предотвратить перемещение перемычки, к неи нужно приложить силу F, которая урав­

новесит силу F', действующую на перемычку со стороны

" пленки. Увеличивая силу F на ничтожно малую величину,

переместим очень медленно перемычку в направл"ении силы

F на расстояние Ь. При этом сила F совершит работу, рав­ ную РЬ. В результате совершения этой работы поверхно­ стный слой жидкости увеличится на 21b (поверхностный

слой имеется с обеих сторон пленки), что приведет к прира­

щепию поверхностной энергии на 21ba.

Приравняв приращение поверхностной э~ергии работе, совершенной силой Р, получим соотношение 21ba=Fb, от-

Ш

Кроме этогЬ грубого способа, существуют другие, более,точ-.

ные способы измерения поверхностного натяжения жидко­

стей (§ 2~7). Результаты измерений поверхностного натя­

жения некоторых жидкостей приведены в табл. 11.

т а б JI И Ц а 11. Поверхностное наТRжение

Обратим внимание на то, что у легко испаряющихся жид­ костей (эфира, спирта) поверхностное натяжение, а следо­ вательно, и молеку.лярные силы меньше, чем у-жидкостей нелетучих (нацример, у ртути). Очень мало поверхностное

натяжение у жидкого водорода и, особенно у жидкого ге­

лия. У жидких металлов поверхностное натяжение, наобо­ рот, очень велик:о. Различие в поверхностном натяжении жидкостей объясняется различием в СИ.1!ах сцепления их

молекул.

Измерения показывают, что поверхностное натяжение

жидкостей зависит только от природы жидк,ости И от ее

температуры; Оно никак не зависит от того, велика поверх­

ность жидкости или мала, подвергалась эта поверхность

предварительно растягиванию или нет. Другими словами, работа по вытягиванию каждой новой молекулы на поверх­

ность никак не зависит от того, каковы размеры этой по­

верхности. Это показывает, что поверхностный слой жид­ кости нельзя уподоблять тонкой упругой пленке, например резиновой пленке. ГIри растягивании резиновой пленки по

мере увеличения ее поверхности растягивающая сила ста­

новится все больше и больше, и, следовательно, работа.

затрачиваемая иа увеличение-этой поверхности на единицу

площади, то.ще увеличивается. ГIри увеличении поверхно-

465

>

При измерении поверхностного натяжения ·нужна сле-

ДИТЬ за тем, чтобы жидкость была химичеСIШ чистой, ибо

примесь растворимых в жидкости веществ может замет}ю

изменить поверхностнQ.e натяжение. Изменение поаерх­

ностного натяжения жидкости при растворении в пей при­

месей можно обнаружить при помощи следующего опыта

(рис. 407). Насыпем на поверхность воды какой-нибудь пла­

вающий на ее поверхности порошок (наПРИl\reР, - тальк).

Рас. 407. а) На поверхность воды равномерно насыпан пороток. б) К во­

де прикасаются палочкой, смоченной в мыле,- пороШок разбегается во все стороны. в) Стрелки изображают силы, действующие на единицу длины границы со стороны мыльного раствора и со стороны чистой водь!

Таким способом мы сделаем заметными перемещения поверх­

ностного слоя воды. Теперь пустим на поверхность воды

маленькую каплю мыльного раствора или эфира. Мы уви­ дим, что порошок стремительно побежит от капельки во все

стороны. Это показывает, что поверхностное натяжение ра­ створа мыла или эфира меньше, чем поверхностное натяже­ ние чистой воды.

То обстоятельство, что на поверхности воды образуется

пленка раствора мыла или эфира, а следовательно, молеку­

лы воды уходят вглубь, означает, что силы, втягивающие

молекулы воды внутрь, больше, чем силы, втягивающие мо­

леКУJJЫ мыла или эфира; отсюда следует, что работа по вы­

тягиванию молекул воды на поверхность больше; т. е. ПО-.

верхностное натяжение чистой воды больше поверхностного

натяжения раствора мыла или эфира.

? 250.1. Какую работу нужно произвести при таком деформиро­

вании сферической капли ртути диаметра 2 мм (при 20 ОС), при

котором ПЛОI.!l.адь ее поверхности увеличивается в три раза?

250.2.Какую р-аботу нужно произвести, чтобь!. при 200 С выдуть

мыльный пузырь диаметра 10 см?

250.3.Какую работу надо произвести, чтобы I кг чистой воды

при 20 ос раздробить на капельки диаметра 1 мкм, имеющие

ту же температуру? Начальная поверхность воды мала по срав­ нению с общей поверхностью всехкапелек, и ею можно прене­ бречь. Какое количество теплоты выделится, если все эти капель­ ки вновь сольются между собой, а температура останется прежней?

466

§ 251. ЖИД-1Состные пленки. Все знают, Kal{ легко полуЧИТЬ пену из

мыльной' воды'1I'.!IИ из яичного белка. Из чистой же воды пена получается

очень неустоЙчивоЙ.

Лена - это множество пузыьковв воздуха, ограниченных тончай­

шей пленкой жидкости. Из жидкости, образующей пену, легко можно получить и отдельную пленку. Эти пленки. очень интересны. Они могут быть чрезвычайно тонки; 'в наиболее тонких частях их толщина не пре­ восходит стотысячной. доли миллиметра. Несмотря на свою тонкость, они иногда очень устойчивы. Мыльную пленку можно растягивать· и деформировать. Сквозь мыльную пленку может протекать струя воды, не разрушая ее (рис, 408). Смоченный мыльной водой стальной шарик

пролетает сквозь мыльную пленку, оставляя ее целой. В момент про­ лета шарик, очевидно, обволакивается ПJlенкой с обеих сторон и затем

отрывается, причем-поврежденное место поверхности немедленно вос­

станаВJlивается.

Чем же объяснить устойчивость плеllОК? Прежде всего, заметим,

что устойчивые пленки и пена не могут образовыва1ЪСЯ в химически

чистых жидкостях. Непременным условием образования пены является

прибавление к чистой жидкости (вода, спирт и т. п,) растворяющихся

в ней веществ и притрм таких, которые СИJlЬНО nоltuжаюm поверхност­ ное натяжение. Как показывает опыт, МОJlеКУJlЫ такого растворенного

вещества собираются в поверхностном слое жидкости (адсорбируются,

§ 258).

Какое это имеет значение для прочности пленки, например мыльной? МЫJlьная пленка' представляет собой тройной СJlОЙ (рис. 409). В двух

. наружных СJlОЯХ мы имеем воду, насыщенную МОJlекулами веществ,

входящих в состав мыла, в среднем слое - почти чистую воду.

Теперь представим себе, ч-то пленка по какой-нибудь причине в

одном месте УТОНЧИJlась. Это поведет к тому, что здесь обнажится внут­

ренний слой почти' чистой воды. Поверхностное натяжение этого слоя, как мы видели, больше. Вследствие БОJlЬШОГО поверхностного иатя­

жения утончившееся место плеики потяиет в свою сторону жидкость

из других; более толстых частей. Этим будет вновь достигнута одинако­

вая толщинв пленки на всем протяженнн, и опасность разрыва пленки·

исчезнет. Напротив, в чистых жидкостях малейшее изменение толщины в каком-либо месте или ничтожная неравномерность в силах. действую­

щих на пленку, не может быть компенсирована изменением поверхност­

ного натяжения и ведет к разрыву ПJlенки,

467

Все-таки через некоторое время лопается и мыльная пленка. При­

чины этого разнообразны. Во-первых, пленка никогда не бывает вполне горизонтальной (ХQ.ТЯ бы потому, что горнзонтальная пленка всегда

несколько изогнута своей тяжестью). Вследствие этого жидкость из

верхней части пленки постепенио перетекает вниз. Во-вторых, пленка

все вре.щ немного испаряется, а потому и утончается до такого состоя­

ння, при котором внутренний слой пленки, обусловливающий, как мы

вндели, ее устойчивость, истощается. В-третьнх, на поверХ!IOСТИ пленки

могут происходить реакцин окисления, ведущие к образованию новых

веществ. Чтобы сохранить мыльную пленку дольше, ее помещают под

ное образование пены. В этом случае способность воды пениться связана с наличием в воде особого органического вещества, 'выделяющегося из

корней растений (сапонина). В строительной технике иногда использу­ ются материалы, имеющие ячеистую структуру, вроде пены (например, пенобетон). Такие материалы дешевы, легки, плохо проводят тепло и звуки и достаточно прочны. Для их изготовления добавляют в раство­ ры, из которых образую:гся строительные материады, вещества, способ­ ствующие пенообразованию. Важным примером использования пенооб­ раэующих веществ являются огнетушители, при действии которых по­ жар тушится устойчивой пеной, выбрасываемой из огнетушителя.

?251.1. Во время мытья рук получите мыльную пленку междупальцами, как показано на рис. 410. Наблюдайте интенсивные

движения жидкости, вызванные различием в поверхностном

натяжении различных частей пленки. Пленка сперва бесцвет­

ная, затем окрашивается в цвета, о происхождении которых будет

идти речь в разделе «Оптика» тома IH. Через некоторое время пленка покрывается черными пятнами. Эти пятна быстро растут, покрывая собой значительную часть пленки. Было выяснено, что

эти пятна - места, где пленка имеет толщину, соответствующую

размерам двух молекул. Эти слои состоят из молекул мыла;

третий, промежуточный слой исчез. Появление и рост черных

пятен служат признаком того, что пленка 'скоро лопнет.

§ 252. Зависимость поверхностного натяжения от темпера­ туры. В табл. 11 указана. температура, при которой произво­

дилось измерение поверхностного натяжения. Это сделано

потому, ЧТО' поверхностное натяжение зависит от темпе­

ратуры. В этом можно убедиться при помощи опыта, подоб­ ного ьписанному в § 250. Насыпав, как и раньше, на поверх­

ность воды тальк, поднесем к ней накаленное металличе­ ское тело. От этого прогреется поверхность воды, причем

больше всего в непосредственной близости к нагретому

телу. Мы увидим, что тальк разбежится от нагретого пред-

468

В случае соприкосновения стверДым телом силы сцеп­

ления молекул жидкости с молекулами твердого тела Н8ЧИ­

нают играть существенную роль. Поведение жидкости будет зависеть от того, что больше: сцепление между молеку­

лами жидкости или сцепление молекул жидкости с моле.­

кулами твердого тела. В случае ртути и стекла силы сцеп­

ления между молекулами ртути и стекла малы по сравнению

с силами сцепления между молекулами ртути, и ртуть соби­

рается в каплю. В случае же воды и стекла (или ртути и цинка) силы сцепления между молекулами жидкости и

твердого тела превосходят силы сцепления, действующие

между молекулами жидкости, и жидкость растекается по

твердому телу.

Чтобы проверить правильность этих рассуждений, сде­

лаем такой' опыт. Возьмем стеклянную пластинку с прикле­

енным к ней сверху крючком. Положим ее на 'поверхность

1 1

~-

---

-----

. о)

Рис. 412. а) Чистая стеклянная пластннка, отрыв'ясьь от поверхности ртути, не уносит с собой ртути. б) Та же пластинка, отрываясь от по­

верхности в.оды, покрывается пленкой воды

ртути и будем тянуть за крючок, пока пластинка не отор­ вется от ртути. При этом пластинка оторвется от ртути со­

вершенно чистой, не унося с собой ртути (рис. 412, а). Это

показывает, что сцепление между молекулами стекла и рту­

ти меньше, чем между молекулами ртути. Здесь дело обсто­

ит так же, как с растягиваемой цепью, которая рвется там,

где у нее самое слабое звено.

Если же вместо ртути взять воду и повторить тот же

опыт, то заметим, что оторванная стеклянная пластинка

покрыта водой (рис. 412, б). В этом случае разрыв щюисхо­

'дит между молекулами воды, <! не между водой и стеклом.

Значит, силы сцепления между водой и стеклом больше,

чем силы сцепления частиц воды между собой. В первом

случае мы называем жидкость не смачивающей твердое тело (ртуть - стекло, вода - парафин), во втором - смачиваю­ щей (ртуть - цинк, вода - стекло). Отсюда следует, что,

говоря о поверхности жидкости, надо иметь в виду не толь·

ко поверхность, где жидкость граничит с воздухом, но

470

также и -поверхность, граничащую с другими жидкостями

или с твердыми телами. В частности, когда жидкость нали­

та в сосуд, то большая часть ее поверхности граничит со

стенками сосуда.

В зависимости от того, смачивает ли жидкость стенки со­ суда МИ не смачивает, форма поверхности жидкостиу места соприкосновения с твердой стенкой и газом имеет разный

вид. В случае ртути в стеклянном сосуде или воды в сосу­

де, стенки которого покрыты слоем парафинаf форма по­

верхности у края круглая, выпуклая (рис. 413). Это объяс­

няется тем, что в данном случае силы сцепления между мо­

лекулами ртути превосходят силы сцепления ртути со стен­

ками, и ртуть, стремясь стянуться, частично отходит от

стекла. В других случаях (вода в чистом стеклянном или

металлическом сосуде) жидкость у края принимает форму,

показанную на рис. 414. При этом притяжение жидкости

стенками превосходит притяжение между молекулами жид­ кости, и жидкосТ,ь подтяr:ивается к стеклу, стремясь ,рас­

течься по нему.

? 253.1. Почему воду из стеклянного пузырька можно отмеря1'Ь

каплями, а ртуть нельзя?

253.2.Объясните способ наливания воды в узкое горлышко сосуда по стеклянной палочке или по спичке (рис. 415).

253.3.Положнте на поверхность воды сухое бритвенное лезвие. Если' его бралн пальцамн, оно всегда покрыта тонким слоем жира. Лезвие будет плавать. То же лезвие, тщательно вымытое

мылом (не касайтесь после этого руками), ие может плавать на

_471