Поверхностное натяжение

Благодаря плотному расположению молекул жидкости между ними действуют значительные силы притяжения, бы­стро убывающие с расстоянием r (~ r ^-6). Минимальное рас­стояние, на котором они становятся равными нулю, называ­ется радиусом молекулярного действия r_м (r_м ~10 ^-7 см).

Каждая молекула жидкости испытывает притяжение со стороны всех соседних молекул, находящихся в пределах сферы радиуса молекулярного действия, центр которого совпадает с данной молекулой. Очевидно, результирующая всех сил, действующая со сто­роны соседей на молекулу В, находящуюся внутри жидко­сти, равна нулю, поскольку силы соседей взаимно компен­сируют друг друга (рис. 21.2). На молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости толщиной 2r_м, действуют силы , направленные внутрь жид­кости, величина которых тем больше, чем ближе молекула к поверхности (рис. 21.2) F₁<F₂<F₃<.F₄<F₅….Посколь­ку на молекулы поверхностного слоя действуют силы, на­правленные внутрь жидкости, то поверхностный слой оказы­вает на всю жидкость давление, называемое молекулярным (молекулярное давление достигает огромных величин — до 10⁹ Па).

При отсутствии внешних сил равновесным оказывается такое состояние жидкости, при котором энергия взаимодей­ствия молекул поверхностного слоя и молекул, находящихся вблизи него, со стороны жидкости, минимальна. Чем меньше поверхность, тем меньше потенциальная энергия молекул поверхностного слоя. Поэтому жидкость, находящаяся в не­весомости, принимает форму шара — геометрическую форму с наименьшей для данного объема поверхностью.

Стремление жидкости уменьшить свою поверхность под действием сил молекулярного притяжения носит название по­верхностного натяжения.

Переход молекул из глубины жидкости в поверхностный слой связан с работой против действующих в поверхностном слое сил, направленных внутрь жидкости. Эта работа совер­шается молекулами за счет их кинетической энергии и идет на увеличение потенциальной энергии поверхностного слоя. Таким образом, молекулы, находящиеся на поверхности жид­кости, обладают большей потенциальной энергией, чем моле­кулы внутри жидкости. Величина потенциальной энергии ∆U_п поверхностного слоя толщиной 2r_м пропорциональна площади поверхностного слоя ∆S:

∆U_п = α∆S. (20.7)

Коэффициент пропорциональности α, равный потенциаль­ной энергии единицы площади поверхностного слоя, называ­ется коэффициентом поверхностного натяжения. Его можно связать с силами поверхностного натяжения жидкости. Проделаем следующий опыт: возьмем прямо­угольный каркас ABDC из тонкой проволоки, одна сторона АВ кото­рого подвижна (рис. 21.3). Образуем на каркасе мыльную пленку, кото­рая, имея некоторую толщину, об­тягивает каркас поверхностью ABCD с двух сторон. Если подей­ствовать на сторону АВ каркаса силой F, то она растянет поверхност­ную пленку жидкости и сторона АВ займет положение А'В'. Очевидно, сила F, растягивающая обе поверхностные пленки, уравновешивается в положении А'В' силами поверхностного натяжения. Чем больше l (удвоенная длина АВ), тем больше сила F: F~l.

Легко показать, что коэффициент пропорциональности между силой F и длиной l равен α. При перемещении сто­роны АВ на расстояние ∆x сила F совершит работу ∆А = F∆x. По закону сохранения энергии эта работа равна из­менению потенциальной энергии ∆U_п поверхностного слоя:

∆U_п =∆А = F∆x.

Согласно формуле (20.7),

∆U_п = α∆S = α l∆x,

поэтому

α ∙l∙∆x=F∆x или F = α ∙l. (20.8)

Таким образом, коэффициенту α можно придать и другое определение: коэффициент поверхностного натяжения числен­но равен силе, приложенной к единице длины контура, огра­ничивающего поверхность жидкости. (Эта сила направлена по касательной к поверхности и перпендикулярна к линии контура.)

С ростом температуры жидкости коэффициент поверхно­стного натяжения уменьшается и при критической темпера­туре обращается в ноль. Существенное влияние на него ока­зывают примеси, которые могут как увеличить α (NaCl в во­де), так и уменьшить (жирные кислоты в воде).

Если силы взаимодействия между молекулами жидкости и растворенного вещества меньше сил взаимодействия моле­кул жидкости, то молекулы жидкости «выталкивают» моле­кулы растворенных веществ и они концентрируются в по­верхностном слое — происходит так называемая адсорбция этого вещества. Само вещество, меняющее поверхностное на­тяжение жидкости называется поверхностно-активным. Явле­ние адсорбции широко используется в технике и быту: рас­творы жирных кислот в воде очищают поверхности (мойка, стирка); на обогатительных фабриках флотация (концентра­ция в поверхностном слое интересующих нас веществ) позво­ляет извлекать из руды полезные компоненты; при бурении горных пород в скважину накачивается вода с поверхностно-активными веществами, проникая в микротрещины породы, влага способствует их увеличению, что обеспечивает разру­шение породы, и т. д.

Наблюдается и отрицательная адсорбция — когда силы взаимодействия между молекулами растворяемого вещества и жидкостью больше, чем силы взаимодействия между моле­кулами жидкости. В результате отрицательной адсорбции концентрация растворенного вещества в поверхностном слое оказывается меньше, чем в жидкости.