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)
которое называется формулой Лапласа.
Рис. 1.2 Криволинейная поверхность раздела.
Рис. 1.3 Система «газ-жидкость-твёрдая стенка».
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.