Поверхностное натяжение жидкостей

Каждая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости. В результате появляется равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости. Если молекула переместиться с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу.
Силы, действующие на молекулу внутри жидкости со стороны других молекул, взаимно скомпенсированы. Но чтобы вытащить молекулу из глубины жидкости на поверхность надо затратить положительную работу, так как близи поверхности силы межмолекулярного взаимодействия уже не скомпенсированы.

Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией. Потенциальная энергия поверхности жидкости пропорциональна ее площади: , где — коэффициент поверхностного натяжения. В СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м²) или в ньютонах на метр (1 Н/м = Дж/м²).

Коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу: . Коэффициент поверхностного натяжения может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность.

Силы поверхностного натяжения стремятся сократить поверхность пленки. Для равновесия подвижной стороны рамки к ней нужно приложить внешнюю силу, которая уравновесит силы поверхностного натяжения по обе стороны рамки: .

В каплях жидкости и внутри мыльных пузырей из-за сил поверхностного натяжения возникает избыточное давление. Если мысленно разрезать сферическую каплю радиуса на две половинки, то каждая из них должна находиться в равновесии под действием сил поверхностного натяжения, приложенных к границе разреза, и сил избыточного давления, действующих на площадь сечения.
Условие равновесия для капли жидкости: .
Условие равновесия для мыльного пузыря:
Избыточное давление внутри мыльного пузыря в два раза больше, так как пленка имеет две поверхности.

Вблизи границы между жидкостью, твердым телом и газом форма свободной поверхности жидкости зависит от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела (взаимодействием с молекулами газа можно пренебречь). Если эти силы больше сил взаимодействия между молекулами самой жидкости, то жидкость смачивает поверхность твердого тела. В этом случае жидкость подходит к поверхности твердого тела под некоторым острым углом , характерным для данной пары жидкость – твердое тело. Угол называется краевым углом (рис. 1). Если силы взаимодействия между молекулами жидкости превосходят силы их взаимодействия с молекулами твердого тела, то краевой угол оказывается тупым. В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность твердого тела. При полном смачивании = 0, при полном несмачивании = 180° (рис. 2).

Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра – капиллярах. Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, несмачивающие – опускаются. На рисунке изображена капиллярная трубка некоторого радиуса r, опущенная нижним концом в смачивающую жидкость плотности . Верхний конец капилляра открыт. Подъем жидкости в капилляре продолжается до тех пор, пока сила тяжести действующая на столб жидкости в капилляре, не станет равной по модулю результирующей сил поверхностного натяжения, действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра: , ,

При полном несмачивании =180°, cos = -1 и, следовательно, h<0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Вода практически полностью смачивает чистую поверхность стекла. Наоборот, ртуть полностью не смачивает стеклянную поверхность. Поэтому уровень ртути в стеклянном капилляре опускается ниже уровня в сосуде.

Поиск по сайту: