5.6. Поверхностное натяжение

Поскольку удельная свободная поверхностная энергия жидкос­ти равна коэффициенту поверхностного натяжения о, то по­следнему можно дать следующие два тождественных определения.

Поверхностным натяжением называют силу, действующую на единицу длины контура, ограничивающего поверхность по ка­сательной к поверхности жидкости, или свободную энергию, при­ходящуюся на единицу площади. Оба эти определения эквива­лентны. Следовательно, термины поверхностное натяжение и удельная свободная поверхностная энергия являются синонимами. Один из них основан на силовом подходе к рассмотрению поверх­ностного слоя жидкости, а второй — на энергетическом. Размер­ности а в обоих случаях одинаковы.

При небольших давлениях газа (или пара) над свободной по­верхностью жидкости, близких к атмосферному, взаимодействи­ем между молекулами газа и жидкости можно пренебречь. В этом случае а практически не зависит от внешнего давления. При по­вышении температуры жидкость разрыхляется, средние расстоя­ния между молекулами увеличиваются, поверхностное натяже­ние соответственно падает и при критической температуре Т_к становится равным нулю. Для большинства жидкостей зави­симость о = o(t) выражается линейной функцией вида

^at= ^сто(1 — at), (5.5)

где a_t , о₀ — поверхностные натяжения соответственно при ^°Си 0°С. При t = t_Ka_t= 0 и, следовательно, а = \lt_K. Поэтому ра­венство (5.5) можно записать в виде

o_t = e₀(l—j-\

Внутри объема жидкости полную энергию молекулы можно считать практически не зависящей от объема. Однако для доста­точно тонкой пленки она зависит от толщины слоя. В самом деле, пусть толщина h пленки жидкости сравнима с эффективным ради­усом молекулярного действия г_с (рис. 5.15). В этом случае моле­кула А взаимодействует лишь с небольшим числом молекул в об­ласти, отмеченной штриховкой, и, следовательно, ее энергия бу­дет больше, чем в случае, когда толщина пленки h_x > г_с. (Заме­тим, что для молекул, находящихся внутри жидкости, Е„ < О н уменьшение |£_п| означает возрастание энергии.) Таким образом, по мере уменьшения толщины h пленки потенциальная энергия молекул и всей жидкости в целом будет увеличиваться. Умень­шение свободной энергии может быть достигнуто путем утолще­ния пленки.

Стремление пленки к увеличению своей толщины проявляет­ся в возникновении добавочного давления, которое обнаружено и

изучено Б. В. Дерягиным (р. 1902) и названо расклинивающим давлением- Оно препятствует, например, слипанию пузырьков газа внутри жидкости (рис. 5.16). Расклинивающее давление осо­бенно сильно проявляется при наличии в жидкости ионов, взаимо­действие между которыми с расстоянием убывает сравнительно медленно. Установлено, что с уменьшением толщины жидкой про­слойки расклинивающее давление возрастает и при толщине, рав­ной удвоенному диаметру молекулы, становится максимальным. По мере дальнейшего уменьшения толщины пленки оно ослабева­ет и заменяется молекулярным притяжением. Зависимость рас­клинивающего давления от толщины жидкой прослойки, уста­новленная Б. В. Дерягиным, изображена на рис. 5.17.

Как показал советский физикохимик П. А. Ребиндер (1898— 1972), расклинивающее давление играет существенную роль в облегчении деформации и в механическом разрушении твердых тел. Так, например, жидкость, проникшая в микроскопические трещины в горной породе, облегчает их разрушение при бурении.