Поверхностное натяжение некоторых жидкостей на границе с воздухом

Жидкость	Температура, С	, Дж/м2 (или Н/м)
Ацетон	20	0,0237
Метиловый спирт	20	0,0226
Бензол	20	0,0288
Хлороформ	20	0,0271
Глицерин	20	0,0634
Ртуть	15	0,487
Мыльный раствор	20	0,025
Бромистый натрий	Точка плавления	0,103

Поверхностное натяжение биологических жидкостей в некоторых случаях может служить диагностическим фактором. Так, например, при заболевании желтухой поверхностное натяжение мочи резко уменьшается вследствие появления в моче желчных кислот. При диабете и некоторых других заболеваниях повышается содержание липазы в крови. О содержании липазы судят по изменению поверхностного натяжения раствора трибутилена при добавлении в него крови.

Давление Лапласа

Одним из проявлений поверхностного натяжения жидкости является добавочное давление (давление Лапласа) внутри жидкости, вызываемое кривизной ее поверхности.

Результирующая сил поверхностного натяжения искривленной поверхности (рис.2) направлена в сторону вогнутости (к центру кривизны). В случае сферической поверхности, радиус кривизны которой R, дополнительное по отношению к внешнему, давление равно:

. (3)

P

Рис.2

Капиллярные явления

Давление Лапласа вызывает изменение уровня жидкости в узких трубках (капиллярах), поэтому давление называют капиллярным.

Способность жидкости подниматься по внутренней стороне узких трубок называется капиллярностью.

Высота, на которую поднимается жидкость в трубке, зависит от относительной величины когезионных сил (сил притяжения, действующих между молекулами в жидкости) и адгезионных сил (сил притяжения, возникающих между молекулами жидкости и материала, из которого изготовлена трубка). Если адгезионные силы больше когезионных, жидкость «смачивает» материал трубки, так что жидкость в трубке поднимается. Верхняя изогнутая поверхность жидкости, называемая мениском, будет соприкасаться со стенками трубки под углом  (рис.3).

Угол между касательной к поверхности жидкости и поверхностью твердого тела называется краевым углом .

Жидкость смачивает трубку тем эффективнее, чем меньше угол  и чем выше поднимается жидкость в трубке. Если когезионные силы больше адгезионных, жидкость не смачивает трубку: угол соприкосновения больше 90, и уровень жидкости в трубке будет понижаться (рис.4).

Рис.3

Высота h поднятия (опускания) жидкости в капилляре зависит от поверхностного натяжения, а также от краевого угла  и радиуса капилляра r. Для того чтобы вычислить h, обратимся к рис.3. Сила поверхностного натяжения действует под углом  по всей окружности радиусом r. В соответствии с формулой (2) вертикальная составляющая силы поверхностного натяжения равна

. (4)

Поскольку , имеем

. (5)

Рис. 4

Эта сила уравновешивается весом P = mg столбика жидкости, который можно считать цилиндром высотой h и объемом V =  r² h. Приравнивая F = mg, получим

2 r cos = mg = Vg =  r² hg,

где  - плотность жидкости. Отсюда находим выражение для h

. (6)

Капиллярность отвечает за многие известные явления – впитывание жидкостей промокательной бумагой, полотенцами, поднятие горючего по фитилю, подъем грунтовых вод в почве. Существуют материалы, слабо смачиваемые водой (например, некоторые типы волокон), они плохо впитывают воду из-за капиллярности. Однако если в воду добавить моющее средство, угол соприкосновения может быть значительно уменьшен.

Рассмотрим поведение пузырька воздуха, находящегося в капилляре с жидкостью. Если давление жидкости на пузырек с разных сторон одинаково, то оба мениска пузырька будут иметь одинаковый радиус кривизны, и дополнительные давления будут уравновешивать друг друга (рис.5, а).

а б

Рис.5

При избыточном давлении с одной из сторон, например, при движении жидкости, мениски деформируются, изменятся их радиусы кривизны R (рис.5, б), дополнительное давление, равное , с разных сторон станет неодинаковым. Это приведет к такому воздействию на жидкость со стороны пузырька воздуха (газа), которое затруднит или прекратит движение жидкости. Такие явления могут происходить в кровеносной системе человека.

Попавшие в кровь пузырьки воздуха могут закупорить мелкий сосуд и лишить кровоснабжения какой-либо орган. Это явление, называемое эмболией, может привести к серьезному функциональному расстройству или даже летальному исходу. Так, воздушная эмболия может возникнуть при ранении крупных вен: приникший в ток крови воздух образует воздушный пузырь, препятствующий прохождению крови. Пузырьки воздуха не должны попадать в вены при внутривенных вливаниях.

Газовые пузырьки в крови могут появиться у водолазов при быстром подъеме с большой глубины на поверхность, у летчиков и космонавтов при разгерметизации кабины или скафандра на большой высоте (газовая эмболия). Это обусловлено переходом газов крови из растворенного состояния в свободное – газообразное - в результате понижения окружающего атмосферного давления. Ведущая роль в образовании газовых пузырьков при уменьшении давления принадлежит азоту, так как он обусловливает основную часть общего давления газов в крови и не участвует в газообмене организма и окружающего воздуха.