3. Поверхностное натяжение жидкостей. Сила поверхностного натяжения. Смачивание. Капиллярные явления

В жидкостях молекулы расположены гораздо ближе друг к другу, чем в газе. Поэтому потенциальная энергия их взаимодействия существенно влияет на свойства и поведение жидкостей (текучесть, сохранение объема).

Рассмотрим молекулы, расположенные внутри жидкости (1 и 2 на Рис. 2 .14). Со всех сторон их окружает в среднем одинаковое число других молекул, и результирующая сила взаимодействия с ними равна нулю, а для молекул поверхностного слоя (3, 4) направлена вглубь жидкости перпендикулярно поверхности. Это объясняется тем, что концентрация молекул в расположенном над жидкостью газе мала в сравнении с концентрацией молекул жидкости.

Рис. 2.14 Силы взаимодействия молекул жидкости

Таким образом, молекулы поверхностного слоя оказывают на нижние слои давление, называемое внутренним, или молекулярным давлением. Молекулы поверхностного слоя обладают избыточной по сравнению с другими молекулами потенциальной энергией. Положение равновесия соответствует минимуму потенциальной энергии, поэтому при отсутствии внешних воздействий жидкость принимает форму с минимальной поверхностью, т. е. форму шара.

Выделим мысленно участок поверхности жидкости, ограниченный замкнутым контуром (Рис. 2 .15). Стремление этого участка сократить свою поверхность приводит к возникновению сил, действующих на соседние участки поверхности. Эти силы называют силами поверхностного натяжения. Они направлены по касательной к поверхности и перпендикулярно в каждом месте к соответствующему участку контура. Сила, приходящаяся на единицу длины контура, называется коэффициентом поверхностного натяжения:

.

2.47

Опыт показывает существование сил поверхностного натяжения. Мыльная пленка на проволочном каркасе (Рис. 2 .15) ограничена с двух сторон поверхностным слоем, поэтому слой граничит с перемычкой по контуру длины 2l и, соответственно, действует на перемычку с силой F=2l.

Рис. 2.15 Силы взаимодействия молекул жидкости

При перемещении перемычки под действием внешних сил на расстояние x совершается работа: , где S – приращение площади поверхностного слоя пленки

Эта работа совершена против сил поверхностного натяжения и привела к увеличению потенциальной энергии на величину Е_П. Следовательно, коэффициент поверхностного натяжения может быть выражен как:

.

Из формул для коэффициента  видно, что его можно измерять в Н/м или в Дж/м².

Если при соприкосновении жидкости с твердым телом силы сцепления между молекулами жидкости больше, чем между молекулами жидкости и твердого тела, то жидкость стремится уменьшить площадь соприкосновения с твердым телом (Рис. 2 .16 а). Угол, отсчитываемый внутри жидкости между касательными к поверхностям твердого тела и жидкости, называется краевым. Если 90< <180 (Рис. 2 .16 а), говорят, что жидкость не смачивает твердое тело (ртуть и стекло), если 0< <90, то жидкость смачивает тело (Рис. 2 .16 б) (вода и стекло).

Рис. 2.16 Соприкосновение жидкости с твердым телом

Капиллярные явления проявляются в подъеме или опускании жидкости в узких трубках (капиллярах). Смачивающие и несмачивающие жидкости образуют кривые поверхности – мениски – соответственно с острым (Рис. 2 .17 а) или тупым краевым углом (Рис. 2 .17 б). Если жидкость смачивает твердое тело, то со стороны жидкости на твердое тело по линии соприкосновения действует направленная вниз сила поверхностного натяжения F. Со стороны твердого тела на жидкость действует такая же сила F₁, направленная вверх. Она и вызывает подъем жидкости в капилляре на такую высоту

.

2.48

(Рис. 2 .18), при которой сила тяжести, действующая на весь поднятый столб жидкости, равна по модулю силе F₁. Жидкость, не смачивающая стенки капилляра, опускается на расстояние, определяемое такой же формулой.

Рис. 2.17 Мениски

Рис. 2.18 Капилляры

По капиллярам движется кровь в организме, питательные соки растений, керосин в фитиле лампы, вода в почве и т. д. Чтобы избежать отсыревания стен, между фундаментом и кирпичной кладкой помещают водонепроницаемый слой (битум, рубероид).