Поверхностное натяжение капельной жидкости обусловлено силами взаимного притяжения молекул поверхностного слоя, стремящихся сократить свободную поверхность жидкости.
Коэффициент поверхностного натяжения s - это энергия на единицу площади:
s = , (1.15)
где Эп – поверхностная энергия, Дж;
w – поверхность раздела, м2.
Коэффициент поверхностного натяжения s зависит:
· от природы соприкасающихся сред;
· от чистоты жидкости;
· от температуры.
Например, при температуре 20 0С для соприкасающихся сред имеем:
вода – воздух s = 0,073 Дж/м2;
ртуть – воздух s = 0,18 ДЖ/м2.
Вещества, снижающие величину коэффициента поверхностного натяжения, называются поверхностно-активными веществами (ПАВ).
При повышении температуры коэффициент поверхностного натяжения снижается, а в критической точке перехода жидкости в пар – равен нулю.
Влияние поверхностного натяжения приходится учитывать при работе с жидкостными приборами для измерения давления, при истечении жидкости из малых отверстий, при образовании капель в свободных струях.
|
|
Посмотрим, что происходит на поверхности раздела трёх фаз – твёрдой, жидкой и газообразной (рис. 2).
Между поверхностью жидкости и твёрдой стенкой образуется краевой угол Q (тета).
Жидкость смачивает поверхность, если краевой угол Q менее 900 (острый угол). Если краевой угол Q больше 900, то жидкость не смачивает поверхность. Если краевой угол Q = 1800, то имеет место полное несмачивание.
а) б)
Рисунок 2 – Поведение жидкости на поверхности раздела трёх сред
От явления смачивания зависит поведение жидкости в капиллярах, В случае смачивания жидкость в трубке поднимается над уровнем свободной поверхности (рис. 3,а), а в случае несмачивания – опускается ниже уровня свободной поверхности жидкости в резервуаре (рис. 3, б).
а) б)
Рисунок 3 – Поведение жидкости в капиллярах
При работе с жидкостными приборами для измерения давления, если в качестве рабочей жидкости используется вода (жидкость смачивает твёрдую стенку), отсчёт показаний ведётся по нижнему мениску.
Высота капиллярного поднятия (или опускания) жидкости в трубке находится по формуле:
D h = × cosQ, (1.16)
где g - удельный вес жидкости;
r – радиус трубки.
Величина называется капиллярной постоянной.
Во всех явлениях, происходящих при совместном действии сил поверхностного натяжения и сил тяжести значительную роль играет капиллярная постоянная.