Коэффициент поверхностного натяжения
По своим свойствам жидкости похожи и на газы и на твёрдые тела. Этот двойственный характер связан с особенностью движения молекул жидкости. В твердом теле молекулы составляют кристаллическую решетку и колеблются около своего положения равновесия (тепловое их движение). В жидкостях среднее расстояние между молекулами больше, чем у кристаллов, и поэтому молекулы жидкости могут отходить от своих правильных положений. Молекулы жидкости совершают колебания около временных положений равновесия.
Рис. 6.1. Молекулы внутри жидкости и вблизи поверхности |
R |
R |
M 1 |
F |
M2 |
M |
F |
Молекулы жидкости, расположенные на поверхности, находятся в особом состоянии, например молекулы М1 и М2. Действие на эти молекулы со стороны молекул жидкости больше, чем со стороны молекул пара или воздуха, и поэтому равнодействующая всех действующих на молекулу М1 и М2 молекулярных сил направлена внутрь жидкости нормально к ее поверхности. Отсюда следует, что на все молекулы, расположенные в тонком поверхностном слое, действуют силы, стремящиеся втянуть их внутрь жидкости. Благодаря этому поверхностный слой давит с большой силой на жидкость, создавая в ней так называемое внутреннее или молекулярное давление. Это давление очень велико (для воды, например, около 11∙108 н/м2).
Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избытком энергии сравнительно с молекулами, находящимися внутри жидкости. Эта избыточная энергия называется свободной поверхностной энергией или поверхностной энергией. Указанными свойствами поверхностного слоя обусловлено особое его состояние, которое подобно состоянию натянутой упругой пленки, стремящейся сократить свою поверхность до малых размеров.
Это стремление жидкости сократить свою свободную поверхность называется поверхностным натяжением.
Силы поверхностного натяжения F направлены по касательной к поверхности жидкости и действуют нормально к любой линии, проведенной на этой поверхности.
Для количественной характеристики силы поверхностного натяжения жидкости вводят коэффициент поверхностного натяжения α,который численно равен силе F, действующей на единицу длины произвольной линии L, мысленно проведенной на поверхности жидкости:
. (6.1)
В этом случае коэффициент поверхностного натяжения измеряется в ньютонах на метр (н/м).
Из рассмотрения свойств поверхностного слоя можно показать, что коэффициент поверхностного натяжения численно равен свободной поверхности энергии W, рассчитанной на квадратный метр поверхности жидкости S: .
Благодаря поверхностному натяжению любой объём жидкости стремится уменьшить площадь поверхности, уменьшая таким образом и потенциальную энергию. Крошечные капли воды имеют в воздухе почти сферическую форму, поскольку для сферы характерно меньшее отношение площади поверхности к объёму, чем для любой другой геометрической формы.
Коэффициент поверхностного натяжения различен для разных жидкостей. Он зависит от рода жидкости, температуры (уменьшается с повышением температуры) и от степени чистоты поверхности (изменяется от малейшего загрязнения).
Рис. 6.2. Силы на полусфере мыльного пузыря |
До сих пор мы рассуждали о поверхности между жидкостью и газом. У края сосуда жидкость находится в контакте и
а б в |
Рис. 6.3. Три различных случая контакта жидкости с твёрдым телом ( - результирующая сила, действующая на молекулу) |
В первом случае (рис. 6.3 а) взаимодействие молекул жидкости с твердым телом достаточно сильно, чтобы изогнуть жидкость кверху на границе с твердым телом. В этом случае обычно говорят, что жидкость смачивает поверхность твердого тела.
Такая ситуация характерна для воды, соприкасающейся со стеклом. Во втором случае (рис.6.3 б) результирующая сила, действующая на жидкость на границе с твердым телом, направлена внутрь жидкости. Это не смачивающаяся жидкость. Такая ситуация характерна для ртути в стеклянном сосуде. В третьем случае (рис. 6.3 в) поверхность жидкости перпендикулярна стенке. Так ведет себя вода в сосудах из серебра и некоторых видов пластмасс.
Изогнутая поверхность жидкости в сосуде называется мениском. При взаимодействии со стенкой сосуда силы поверхностного натяжения стремятся либо поднять уровень жидкости, либо опустить его. Это называется капиллярным эффектом.
Дата добавления: 2015-09-25; просмотров: 1152;