4.3.3 Поверхностное натяжение
Рисунок 4.7
Если некоторая молекула А находится глубоко внутри жидкости, то силы, действующие на нее со стороны других молекул, взаимно компенсируются. Иначе обстоит дело с молекулами находящимися у поверхности жидкости. Концентрация молекул в паре над жидкостью гораздо меньше, чем в жидкости. Поэтому на молекулу В, лежащую в верхнем слое жидкости, действует некоторая сила притяжения f, направленная внутрь жидкости. Таким образом, на каждую молекулу, лежащую на расстоянии, меньше r, от поверхности жидкости, со стороны других молекул действует сила, направленная внутрь жидкости. Следовательно, весь поверхностный слой находится в особом состоянии: он оказывает на жидкость давление, подобное давлению упругой пленки. В соответствии с этим молекулы поверхностного слоя обладают дополнительной потенциальной энергией.
Перемещение молекулы из поверхностного слоя вглубь жидкости сопровождается совершением работы, причем потенциальная энергия, которой обладала молекула в поверхностном слое, переходит в кинетическую энергию молекулы. Наоборот, переход молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой требует затраты работы на преодоление силы f (cм. рис.4.7). Работа совершается молекулой за счет изменения ее кинетической энергии. Потенциальная энергия молекулы, попавшей в поверхностный слой, увеличивается.
В жидкости при заданных внешних условиях устанавливается равновесие, при котором число молекул в поверхностном слое с течением времени не меняется. Если же по тем или иным причинам поверхность жидкости увеличивается, то некоторое число молекул перейдет из глубины жидкости в поверхностный слой. Для этого нужно затратить внешнюю работу dA, которая пропорциональна увеличению площади поверхности dS, т.е.
знак минус показывает, что увеличение поверхности происходит только при совершении работы внешними силами.
Коэффициент , характеризующий свойства поверхности жидкости, называется коэффициентом поверхностного натяжения. Он измеряется работой, необходимой для увеличения поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу площади. В системе СИ коэффициент поверхностного натяжения имеет размерность [Дж/м2].
Работа, затраченная на увеличение площади поверхности жидкости, приводит к увеличению потенциальной энергии поверхности жидкости, т.е. потенциальная энергия пропорциональна площади S поверхностного слоя. Всякая система стремиться к состоянию с минимальной энергией. Поэтому в свободном состоянии, жидкость стремиться к тому, чтобы ее поверхность была минимальна (капельки свободной жидкости всегда имеют форму сферы).
Молекулы поверхностного слоя находятся в среднем на больших расстояниях друг от друга, чем молекулы внутри жидкости. Жидкость в поверхностном слое всегда находится в растянутом, напряженном состоянии, и поэтому на границу свободной поверхности жидкости действует сила поверхностного натяжения жидкости, направленная касательно к поверхности жидкости и нормально к свободной поверхности:
,
где L – длина контура, ограничивающего поверхность жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения определяется и через силу поверхностного натяжения. Второе определение коэффициента поверхностного натяжения: коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины контура, ограничивающего поверхность жидкости.
С ростом температуры взаимодействие молекул жидкости несколько ослабляется, так как при увеличении кинетической энергии молекул жидкость «разрыхляется» и среднее расстояние между молекулами возрастает. Поэтому с увеличением температуры величина коэффициента поверхностного натяжения должна уменьшаться.