Поверхностное натяжение

Поверхность жидкости, соприкасающейся с другой средой, например с ее собственным паром, находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Возникают эти условия потому, что на поверхности жидкости, вблизи границы, разделяющей жидкость и пар, молекулы испытывают иное молекулярное взаимодействие, чем молекулы, находящиеся внутри объема жидкости.

Силы, действующие на молекулы на поверхности и внутри жидкости.

На каждую молекулу внутри жидкости действуют силы притяжения соседних молекул, окружающих ее со всех сторон (см. рис.). Равнодействующая этих сил равна нулю. Равнодействующая же сил притяжения, действующих на молекулы поверхностного слоя, не равна нулю (так как над поверхностью жидкости находится пар, плотность которого во много раз меньше, чем плотность жидкости) и направлена внутрь жидкости. Под действием этой силы молекулы поверхностного слоя стремятся втянуться внутрь жидкости, число молекул на поверхности уменьшается, и площадь поверхности сокращается. Но все молекулы, разумеется, не могут уйти вовнутрь. На поверхности остается такое число молекул, при котором площадь поверхности оказывается минимальной в каждом конкретном случае — при заданном объеме жидкости, силах, действующих на жидкость.

Для перенесения молекул из глубины объема жидкости в ее поверхностный слой необходимо совершить работу по преодолению равнодействующей сил притяжения, действующих на молекулу в поверхностном слое.

Поверхностным натяжением σ называется величина, равная работе, затраченной на увеличение поверхности жидкости на одну единицу (при постоянной температуре): σ = ∆A/∆S. Единицей поверхностного натяжения в СИ является 1 Дж/м².

Если поверхность жидкости ограничена периметром смачивания, то поверхностное натяжение а можно рассматривать как силу, действующую на единицу длины периметра смачивания и направленную перпендикулярно к этому периметру: σ = ∆F/∆l.

В данном случае единицей поверхностного натяжения в СИ будет 1 Н/м, что не противоречит уже названной единице:

1 Дж/м² = 1 Н•м/м² = 1 Н/м.

Поверхностное натяжение зависит от рода жидкости и от ее температуры: с повышением температуры оно уменьшается. Так называемые поверхностно-активные вещества (мыло, жирные кислоты) также уменьшают поверхностное натяжение.

Для экспериментального определения значения поверхностного натяжения жидкости можно использовать процесс образования и отрыва капель, вытекающих из капельницы. Пока капля мала, она не отрывается, ее удерживают силы поверхностного натяжения. Отрыв капли происходит в тот момент, когда ее вес P становится равным равнодействующей сил поверхностного натяжения, действующих вдоль окружности шейки капли. Приближенно диаметр шейки капли принимают равным диаметру трубки капельницы. Поэтому можно записать: P = πDσ. Отсюда σ = P/(πD).

Удивительно разнообразны проявления поверхностного натяжения жидкости в природе и технике. Оно собирает воду в капли и позволяет жуку-водомерке скользить по воде; благодаря ему можно выдуть мыльный пузырь и писать ручкой. Действие сил поверхностного натяжения приводит к тому, что в состоянии невесомости любой объем жидкости принимает строго сферическую форму; это неоднократно демонстрировали телезрителям космонавты в телерепортажах с космических станций.