Поверхностное натяжение

Рис. 80. Подвижная сторона проволочной рамки в равновесии под действием внешней силы Fвнеш. и результирующей сил поверхностного натяжения Fнат..

Силовое взаимодействие молекул, которые находятся на поверхности жидкости, и молекул, расположенных вдали от нее неодинаково. Молекулы в пограничном слое жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же жидкости не со всех сторон. Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимно скомпенсированы. Молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости. Появляется некоторая равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости. Если молекула переместится с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу. Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (т. е. увеличить площадь поверхности жидкости), надо затратить положительную работу. В результате этого потенциальная энергия связи в поверхностном слое увеличивается, а сам слой находится в более напряженном состоянии.

Это явление называют поверхностным натяжением. Дополнительная поверхностная энергия, которой обладают молекулы в поверхностном слое жидкости, пропорциональна площади слоя DS: DE = sDS, (17.11.)

где s - поверхностное натяжение, определяемое как плотность поверхностной энергии. Так как равновесное состояние характеризуется минимумом потенциальной энергии, то жидкость при отсутствии внешних сил будет принимать такую форму, чтобы при заданном объеме она имела минимальную поверхность (шаровую). Рассмотрим поверхность жидкости, ограниченную замкнутым контуром. Если под действием сил поверхностного натяжения поверхность жидкости сократилась, то контур переместился в другое положение. Силы, действующие со стороны малого участка на граничащие с ним другие участки, совершают работу: DA = fDlDx, (17.12.)

где f = F/Dl - сила поверхностного натяжения, действующая на единицу длины контура поверхности жидкости. С учетом того, что DlDx = DS, получим

DA = fDS. Эта работа совершается за счет уменьшения поверхностной энергии DA = DE. Следовательно, s = f, (17.13.)

т.е. поверхностное натяжение равно силе поверхностного натяжения, приходящейся на единицу длины контура, ограничивающего поверхность. Поверхностное натяжение с повышением температуры уменьшается, так как увеличиваются расстояния между молекулами жидкости. Поверхностное натяжение существенным образом зависит от примесей, имеющихся в жидкостях. Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение жидкости называются поверхностно-активными. Другие вещества (соли, сахар) увеличивают поверхностное натяжение жидкости благодаря тому, что их молекулы взаимодействуют с молекулами жидкости сильнее, чем молекулы жидкости между собой.