Поверхностное натяжение. Смачивание. Капиллярные явления

Поверхностное натяжение – стремление жидкости сократить свою свободную поверхность, т.е. уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с газообразной фазой.

Коэффициент поверхностного натяжения – это физическая величина, которая характеризует данную жидкость и численно равна отношению поверхностной энергии к площади свободной поверхности жидкости:

[Н/м]

∆W _p – потенциальная энергия;

∆S – поверхность плёнки жидкости

Явления смачивания

1. Если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше сил притяжения между молекулами жидкости, то жидкость будет растекаться по поверхности твердого тела (рис.1, а). Это явление называют смачиванием.

2. Если сила притяжения между молекулами жидкости и твердого тела меньше сил притяжения между молекулами жидкости, то жидкость не будет растекаться по поверхности твердого тела, а будет собираться в каплю, стремясь уменьшить свою свободную поверхность (рис.1, б). Такое явление называют несмачиванием.

Рис.1 Явления смачивания (а) и несмачивания (б) жидкостью поверхности твердого тела (ϴ— краевой угол)

Краевой угол - угол, образуемый поверхностью твердого тела и касательной, проведенной к поверхности жидкости в точке соприкосновения (жидкость находится внутри угла)

Ø Если краевой угол равен 0◦, смачивание называют полным или идеальным

(Пример: растекание спирта по чистой поверхности стекла. Жидкость растекается по поверхности твердого тела до тех пор, пока не покроет всю поверхность).

Ø Если краевой угол равен 180◦, наблюдается полное несмачивание. В этом случае жидкость не прилипает к поверхности твердого тела и легко скатывается с нее.

(Пример: подобное явление можно наблюдать, когда мы пытаемся вымыть жирную поверхность холодной водой)

Капиллярные явления – это подъем или опускание жидкости в капиллярах по сравнению с уровнем жидкости в широких трубках.

Смачивающая жидкость поднимается по капилляру. Жидкость, не смачивающая стенки сосуда, опускается в капилляре.

Высота h поднятия |глубина опускания жидкости по капилляру определяется соотношением:

,
где σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости; ρ - плотность жидкости; r - радиус капилляра, g - ускорение свободного падения.

Изогнутую поверхность жидкости называют мениском.

Смачивающая и несмачивающая жидкости

То, что поверхность искривляется, приводит к изменению давления, причем давление больше с вогнутой стороны мениска (той, где находится центр кривизны). Именно этим и объясняется подъем и опускание столбика жидкости.