Лекция №11. Капиллярный контроль. Физические основы. Капиллярных явлений

11.1. Поверхностная энергия

Наиболее характерным свойством жидкого состояния является наличие резкой границы, разделяющей жидкость и ее пар. Поверхностный слой жидкости, представляющий переход от жидкости к ее пару, отличается особыми свойствами, облегчающими изучение сил молекулярного сцепления в жидкости. Дети хорошо знают, что куличики можно построить из мокрого песка. Сухие песчинки не пристают друг к другу. Но также не пристают песчинки, целиком погруженные в воду. Чем это объяснить?

Рис. 11.1. Молекула А окружена со всех сторон другими молекулами и притягивается ими по всевозможным направлениям. Молекула В притягивается другими молекулами внутрь жидкости.

Слипание песчинок мы должны объяснить действием силы сцепления молекул воды, находящихся на поверхности.

Рассмотрим, почему силы сцепления не проявляют своего действия, когда песчинки или волосы находятся под водой. Сравним состояние молекулы жидкости, находящейся вблизи границы жидкости и газа, с состоянием молекулы, находящейся вдали от этой границы, внутри жидкости (рис. 11.1). Молекула внутри жидкости окружена другими молекулами со всех сторон (А). Молекулу же, находящуюся на границе с газом, молекулы жидкости окружают только с одной стороны (В), со стороны же газа молекул почти нет. Притяжение, испытываемое моле­кулой со стороны соседних, в случае «внутренних» молекул взаимно уравновешивается; для молекул, расположенных у по­верхности, сложение всех сил дает равнодействующую, направ­ленную внутрь жидкости. Поэтому, для того чтобы перевести молекулу из внутренних слоев к поверхности, надо совершить работу против указанной равнодействующей силы. Иначе говоря, каждая молекула, находящаяся вблизи поверхности жидкости, обладает некоторым избытком потенциальной энергии по сравне­нию с молекулами, находящимися внутри жидкости. Чем больше поверхность жидкости, тем большее число молекул обладает этой избыточной потенциальной энергией. Следовательно, при увеличении поверхности данной массы жидкости (например, при раздроблении воды в мелкую водяную пыль) энергия жидкости увеличивается. Это — один из случаев изменения внутренней энергии тел. В этом случае внутренняя энергия тела пропорциональна размерам поверхно­сти, и поэтому ее называют поверхностной энергией.

Вследствие стремления молекул уйти внутрь жидкости с ее поверхности жидкость принимает такую форму, при которой ее свободная поверхность имеет наименьшее возможное значение.

Стремление жидкости уменьшить свою свободную поверх­ность хорошо проявляется в различных явлениях и опытах. Прежде всего, об этом говорит шарообразная форма, ко­торую принимают маленькие капли жидкости: капельки ртути на горизонтальной стеклянной пластинке, капли воды, разбегаю­щиеся по раскаленной плите, если на нее попадут брызги воды, капли воды на пыльной дороге и т. п. Во всех этих случаях взаимодействие с твердым телом, на котором оно находится, мало по сравнению с силами, действующими между частями жидкости, и стремление жидкости уменьшить свою поверхность четко проявляется: шарообразная форма капелек соответствует наименьшей их поверхности. При малых размерах капелек иска­жающее их форму влияние силы тяжести невелико.

В условиях невесомости сила тяжести не препятствует дан­ному объему жидкости сократить свою поверхность. Поэтому жидкость в условиях невесомости принимает форму шара; такая шарообразная «капля» может иметь большие размеры по срав­нению с обычными каплями жидкости, в которых увеличение размера приводит к искажению формы под действием силы тя­жести.