2. Поверхностный слой жидкости

Выясним, чем отличаются действия молекулярных сил внутри жидкости и на её поверхности. Среднее значение равнодействующей молекулярных сил, приложенных к молекуле М₁, которая находится внутри жидкости, близко к нулю.

Иначе обстоит дело с молекулами М₂ и М₃, находящимися в поверхностном слое жидкости. Опишем вокруг молекул сферы молекулярного действия радиусом r_м (≈ 10^-9 м). Тогда для молекулы М₂ в нижней полусфере окажется много молекул (так как снизу находится жидкость), а в верхней – значительно меньше (т.к. сверху – пар и воздух).

Значит для молекулы М₂ равнодействующая молекулярных сил притяжения в нижней полусфере R_Ж много больше равнодействующей молекулярных сил в верхней полусфере R_П.

Сила R_П мала и ей можно пренебречь. Равнодействующая молекулярных сил притяжения, приложенных к молекуле М₃ меньше, чем для молекулы М₂, так как определяется только действием молекул в зачерненной области. Существенно, что равнодействующие для молекул М₂ и М₃ направлены внутрь жидкости перпендикулярно к её поверхности.

рис. 20

Таким образом, все молекулы, находящиеся в поверхностном слое толщиной, равной радиусу молекулярного действия (рис. 20) втягиваются внутрь жидкости.

Но пространство внутри жидкости занято другими молекулами, поэтому поверхностный слой создаёт давление на жидкость, которое называется молекулярным давлением. Определить молекулярное давление опытным путем нельзя, т.к. оно действует не на тело, погруженное в жидкость, а на неё саму.

Теоретические расчёты показали, что молекулярное давление велико (для воды оно равно 11∙10⁶ Па, а для эфира – 1,4∙10⁸ Па). Теперь понятно, почему трудно сжать жидкость. Действительно, для этого надо создать давление того же порядка, что и молекулярное давление самой жидкости. А это очень трудно.

3. Энергия поверхностного слоя жидкости. Поверхностное натяжение

Так как молекулы жидкости, которые находятся в её поверхностном слое, втягиваются внутрь жидкости, их потенциальная энергия больше, чем у молекул внутри жидкости. Эту дополнительную потенциальную энергию молекул поверхностного слоя жидкости называют свободной энергией; за её счет может быть совершена работа, связанная с уменьшением свободной поверхности жидкости.

Наоборот, чтобы вывести молекулы, находящиеся внутри жидкости, на её поверхность, надо преодолеть противодействие молекулярных сил, т.е. произвести работу, нужную для увеличения свободной энергии поверхностного слоя жидкости. При этом, изменение свободной энергии прямо пропорционально изменению площади свободной поверхности жидкости .

(83),

но

(84) - работа молекулярных сил А при уменьшении площади свободной поверхности жидкости прямо пропорциональна .

А зависит от рода жидкости и внешних условий

- «сигма» - коэффициент поверхностного натяжения жидкости

– характеризует зависимость работы молекулярных сил при изменении площади свободной поверхности жидкости от рода жидкости и внешних условий.

– измеряется работой молекулярных сил при уменьшении площади свободной поверхности жидкости на единицу.

– это такое поверхностное натяжение, при котором молекулярные силы совершают работу в 1 Дж, уменьшая площадь свободной поверхности жидкости на 1 м².

Так как всякая система самопроизвольно переходит в состояние, при котором её потенциальная энергия минимальна, то жидкость должна самопроизвольно переходить в такое состояние, при котором площадь её поверхности имеет наименьшее значение (поэтому в невесомости жидкость имеет форму шара, так как шар имеет наименьшую площадь поверхности).

По этой же причине маленькие капли жидкости имеют шарообразную форму. Форма мыльных плёнок на различных каркасах всегда соответствует наименьшей площади свободной поверхности жидкости.