Поверхностное натяжение

Согласно всему вышеизложенному жидкое состояние возникает тогда, когда потенциальная энергия притяжения молекул превосходит по абсолютному значению кинетическую энергию. Силы притяжения между молекулами значительны и обеспечивают удержание их в объеме жидкости. Таким образом, у жидкости образуется поверхность, которая ограничивает ее объем.

Поверхность жидкости, соприкасающейся с другой средой (стенки сосуда, газ, твердое тело), находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Молекулы приграничного слоя жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены молекулами той же жидкости не со всех сторон.

Ч

Рис. 3. Силы на границе жидкость - пар

асть «соседей» поверхностных молекул – это частицы второй среды, с которой жидкость граничит. Эта среда может отличаться от жидкости как природой, так и плотностью частиц.

В случае если жидкость граничит со своим собственным паром (насыщенным), т.е. в случае, когда мы имеем дело с одним веществом в разных состояниях, сила направлена внутрь жидкости (рис.3). Это объясняется тем, что плотность молекул в жидкости много больше, чем в насыщенном паре над жидкостью (вдали от критической температуры), и поэтому сила притяжения, испытываемая молекулой поверхностного слоя со стороны молекул жидкости, больше, чем со стороны молекул пара.

При увеличении поверхности жидкости некоторое число молекул из объема жидкости поднимется из глубины в поверхностный слой, а для этого необходимо произвести внешнюю работу. Если при постоянной температуре обратимым путем изменить поверхность жидкости на бесконечно малую величину dS, то необходимая для этого работа

(2)

Знак минус указывает на то, что увеличение площади поверхности (dS>0) сопровождается отрицательной (затраченной) работой над системой.

Коэффициент называется коэффициентом поверхностного натяжения^g.

Следовательно, коэффициент поверхностного натяжения измеряется работой, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу.

С другой стороны, из термодинамики известно, что при изотермических процессах производимая системой работа может быть представлена в виде: , где - свободная энергия, введенная Гельмгольцем. Она играет роль потенциальной энергии, ее изменение взятое с обратным знаком равно произведенной работе ^h. В результате введения свободная энергия и соотношения (1) можно написать

(3)

т.е. коэффициент поверхностного натяжения жидкости можно определить как свободную энергию жидкости, приходящуюся на единицу ее поверхности.

Отметим, что  зависит от свойств жидкости и изменяется в широких пределах. Например, при 20⁰С для воды σ=0,073 Н/м, для ртути σ=0,465Н/м.

Кроме того,  зависит от среды в которой находится жидкость, ведь ее молекулы по-разному будут взаимодействовать с разными молекулами среды. Например, на поверхности раздела "твердое тело – жидкость"  уменьшается, что означает более сильное взаимодействие молекул из разных фаз. Поэтому при более точном рассмотрении коэффициент поверхностного натяжения должен быть снабжен двумя индексами, указывающими на две граничащие между собой среды, например, σ₁₂ , где среды 1) твердое тело, 2) жидкость.