11

11.

Силы поверхностного напряжения.

Рассмотрим поверхность жидкости, ограниченную замкнутым контуром. Под действием сил поверхностного напряжения (сил, направленных по касательной к поверхности жидкости и перпендикулярно участку контура, на который они действуют, и стремящихся сократить поверхность до минимума) рассматриваемый контур переместится в положение, отмеченное светло-серым цветом.

Силы, действующие со стороны выделенного участка на граничащие с ним участки, совершают работу , где f – сила поверхностного натяжения, действующая на единицу длины контура поверхности жидкости. Эта работа совершается за счет уменьшения поверхностной энергии, т.е. .

Учитывая, что , получим , т.е. поверхностное напряжение равно силе поверхностного напряжения, приходящейся на единицу длины контура, ограничивающего поверхность.

(единица Н/м или Дж/м²)

Поверхностное напряжение зависит от примесей, имеющихся в жидкостях. Вещества, ослабляющие поверхностное напряжение жидкости, называют поверхностно-активными. Наиболее известным поверхностно-активным веществом по отношению к воде является мыло.

Смачивание.

Явление искривления свободной поверхности жидкости при соприкосновении жидкости с поверхностью твердого тела.

Смачивание зависит от характера сил, действующих между молекулами поверхностных слоев соприкасающихся тел.

Краевой угол (Ѳ).

Угол между касательными к поверхности жидкости и твердого тела.

Капля воды растекается на стекле, в то время ртуть на той же поверхности превращается в несколько сплюснутую каплю.

Смачивающая жидкость.

Жидкость смачивает твердое тело, если краевой угол острый: .

Вода смачивает стекло. Силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела здесь больше, чем между молекулами самой жидкости, и жидкость стремится увеличить поверхность соприкосновения с твердым телом.

Несмачивающая жидкость.

Жидкость не смачивает твердое тело, если краевой угол тупой: .

Ртуть не смачивает стекло. Силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела здесь меньше, чем между молекулами жидкости, и жидкость стремится уменьшить поверхность своего соприкосновения с твердым телом.

Смачивание и несмачивание – понятия относительные, так как жидкость,смачивающая одну твердую поверхность, не смачивает другую. Например, вода смачивает стекло, но не смачивает парафин; ртуть не смачивает стекло, но смачивает чистые поверхности металлов.

Капиллярность.

Капилляры – узкие цилиндрические трубки (их диаметр ≤ 1 мм).

Капиллярные явления – явления изменения высоты уровня жидкости в капиллярах.

Если капилляр поместить одним концом в жидкость, налитую в широкий сосуд, то вследствие смачивания или несмачивания жидкостью стенок капилляра кривизна поверхности жидкости в капилляре становится значительной. Если жидкость смачивает материал трубки, то внутри нее поверхность жидкости – мениск – имеет вогнутую форму, если не смачивает – выпуклую.

Избыточное давление.

Давление на искривленную поверхность жидкости, обусловленное силами поверхностного натяжения.

Избыточное давление для выпуклой поверхности положительно, для вогнутой – отрицательно. Жидкость в капилляре поднимается или опускается на такую высоту h, при которой давление столба жидкости (гидростатическое давление) уравновешивается избыточным давлением т.е. .

Высота поднятия (глубина опускания) жидкости в капилляре:

( - плотность жидкости, r – радиус капилляра, R – радиус кривизны поверхности, g – ускорение свободного падения).

Из последней формулы следует, что высота поднятия (опускания) жидкости в капилляре обратно пропорциональна его радиусу. В тонких капиллярах жидкость поднимается достаточно высоко. Так, при полном смачивании (Ѳ=0) вода ( кг/м³, Н/м) в капилляре диаметром 10 мкм поднимается на высоту h≈3 м.