4.6 Внутреннее давление в жидкости. Поверхностное натяжение

На молекулу внутри жидкости действуют силы притяжения со стороны окружающих молекул.

Эти силы скомпенсированы и, поэтому, результирующая сила равна нулю (рис. 24).

Для молекулы находящейся на поверхности сфера молекулярного действия лишь частично расположена внутри жидкости, равнодействующая всех сил не равна нулю и направлена внутрь жидкости.

Результирующие силы всех молекул поверхностного слоя оказывают на жидкость давление, называемое молекулярным или внутренним.

Для перемещения молекул из глубины жидкости в поверхностный слой необходимо затратить работу за счет

Рис.24

кинетической энергии молекул, расходуемой на увеличение их потенциальной энергии. Молекулы поверхностного слоя обладают дополнительной энергией, пропорциональной площади слоя

Молекулы жидкости, находящиеся внутри контура, притягивают молекулы образующие контур ℓ. Сумма сил притяжения, действующих на контур, ограничивающий поверхность жидкости, называется силой поверхностного натяжения.

, (51)

где α – коэффициент поверхностного натяжения имеющий размерность кг/с².

Коэффициент поверхностного натяжения имеет порядок 10^-2 кг/с². Так для воды α_в=0,073 кг/с², для спирта α_с=0,022 кг/с², а для ртути α_р=0,47 кг/с².

Некоторые вещества изменяют коэффициент поверхностного натяжения. Они называются поверхностно активными. Так спирт и нефтепродукты уменьшают α воды, в сахар и соль увеличивают.

4.7 Смачивание и несмачивание. Капилляры. Дополнительное давление.

При соприкосновении жидкости с поверхностью твердого тела ее свободная поверхность искривляется в зависимости от сил действующих между молекулами поверхностных слоев жидкости и тела.

Угол между касательной к поверхности жидкости и твердого тела называется углом смачивания θ. Если θ < π/2, то жидкость смачивающая, а если θ > π/2, то несмачивающая (рис.25).

Рис.25

Смачивание и несмачивание - понятия относительные, поскольку жидкость, смачивающая одну твердую поверхность, не смачивает другую (вода смачивает стекло, но не смачивает парафин, ртуть не смачивает стекло, но смачивает чистые поверхности металлов).

Капиллярами являются узкие щели, трубки малого диаметра (меньше 1мм), а явления изменения высоты уровня жидкости в капиллярах по отношению к уровню в широких сосудах называются капиллярными.

В капиллярах, вследствие смачивания или несмачивания жидкостью стенок, кривизна поверхности значительна. При смачивании поверхность жидкости – мениск – имеет вогнутую форму, а при несмачивании – выпуклую. Искривленная поверхность образует дополнительное давление, направление которого либо совпадает с гидравлическим, либо направлено в противоположную сторону. Оно определяется формулой Лапласа для круглого капилляра радиусом R при полном смачивании

, (52)

Дополнительное давление для выпуклой поверхности положительно, а для вогнутой отрицательно.

Жидкость в капилляре поднимается или опускается на такую высоту h, при которой гидростатическое давление равное ρgh уравновешивается дополнительным (рис.26)

То есть

(52)

Рис.26

где ρ – плотность жидкости, R – радиус капилляра.

Отсюда следует, что высота поднятия (опускания) жидкости в капилляре обратно пропорциональна его радиусу. В тонких капиллярах жидкость поднимается достаточно высоко. Так при θ=0 вода в капилляре диаметром 1 мкм поднимается на высоту 30м.

Капиллярные явления играют значительную роль в природе и технике. Снабжение кроны деревьев питательными веществами. По капиллярам почвы поднимается вода в поверхностные слои. Уплотняя почву можно усилить приток воды, а разрыхляя, за счет нарушения капиллярности, наоборот уменьшить и другие. В гемодинамике капилляры обеспечивают снабжение тканей кислородом эритроцитов.