Поверхностное натяжение

Молекулы жидкости, находящиеся на свободной поверхности (границе раздела «жидкость – газ» или «жидкость – пар»), в отличие от молекул, находящихся в срединных слоях, испытыва­ют одностороннее воздействие со стороны соседних молекул. Поэто­му на криволинейной поверхности должны возникать растягиваю­щие усилия. Для количественного описания этого явления Юнгом была проведена классическая аналогия с упругой плёнкой. Натяжение этой плёнки характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения []=Н/м. Величина зависит, прежде всего, от природы контактирующих сред. Сила поверхностного натяжения всешда стремится сократить площадь свободной поверхности.

Коэффициент поверхностного натяжения падает с ростом температуры и практически не зависит от давления. Поверхностное натяжение может быть существенно снижено с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ), к числу которых относятся моющие средства.

Величина может служить мерой свободной энергии, которой обладает граница раздела:

,

где – площадь свободной поверхности. В этом случае , что согласуется с ранее указанной размерностью.

Равнодействующие сил поверхностного натяжения, действующие на границы выделенного контура, равны ds₁ и ds₂ (рис. 1.2),а возникаю­щая вследствие этого сила, действующая по нормалям к выделен­ной площадке, в первом приближении равна . С учетом того, что и имеем выражение для силы:

.

Эта величина, очевидно, и есть скачок давления на поверхности раздела двух сред, обусловленный поверхностным натяжением. Обозначив теперь через p₁ и p₂ и давления в средах на границе раздела из условия равновесия элементарной площадки, запишем соотношение

, (1.5)

Рис. 1.2 Криволинейная поверхность раздела.

Для цилиндрических поверхностей с круговым поперечным сече­нием радиуса R имеем , R₂=R и формула Лапласа приобретает такой вид:

В случае сферических поверхностей R₁=R₂= R и тогда полу­чаем:

Весьма характерной является также система «газ - жидкость - твердая стенка» (рис. 1.3). В этом случае вводят значение краевого угла (угла контакта, или угла смачивания). Если <, жидкость называется смачивающей поверхность (данного твёрдого тела); если >– несмачивающей.

Введенное понятие краевого угла относится к статическому слу­чаю. При движении линии раздела разных сред иногда вводят по­нятие динамического угла контакта, однако закономерности его по­ведения пока не выяснены.