ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ. ДАВЛЕНИЕ ПОД ИЗОГНУТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ.

Наличие границы раздела (поверхности) жидкость-твёрдое тело или жидкость-газ, где происходит скачкообразное изменение плотности вещества, обуславливает ряд свойств поверхностного слоя жидкости. Молекулярные силы действуют по-разному на молекулы, которые находятся в приповерхностном слое и в глубине жидкости. Погруженные молекулы испытывают со всех сторон одинаковое, симметричное силовое воздействие, поэтому равнодействующая всех молекулярных сил в этом случае равна нулю (рис. Кудрявцев, стр90). В ином положении находятся частицы приповерхностного слоя. Для них равнодействующая не равна нулю и направлена в глубь жидкости, поэтому каждая такая молекула стремится уйти внутрь. Однако уход части молекул приводит к небольшому возрастанию среднего расстояния между молекулами вдоль поверхностного слоя. А это приводит к росту сил молекулярного притяжения направленных вдоль границы раздела, что затрудняет дальнейший уход частиц из поверхностного слоя. Энергетически это означает, что потенциальная энергия взаимодействия молекул приповерхностного слоя больше, чем для внутренних молекул. Из сказанного следует, что для перемещения молекулы из глубины жидкости на поверхность необходимо совершить работу.

При достижении определенного среднего расстояния между молекулами поверхностного слоя наступает динамическое равновесие, т.е. число частиц в поверхностном слое стабилизируется. Сам поверхностный слой напоминает при этом растянутую резиновую пленку, т.е. в этом слое возникают силы стремящиеся сократить площадь границы раздела – это и есть силы поверхностного натяжения – F_пн. Силы поверхностного натяжения направлены по касательной к поверхности жидкости и перпендикулярны к линии возможного разрыва поверхностного слоя или к линии, ограничивающей эту поверхность. Из всех тел данного объема наименьшую поверхность имеет шар. По этой причине мелкие капли жидкости всегда стремятся принять форму шара.

Сила поверхностного натяжения является распределенной силой, так как она действует в каждой точке вдоль линии, ограничивающей поверхностный слой. Для количественной оценки сил поверхностного натяжения их относят к единице длины линии, к которой они приложены. α = F_пн / l – это отношение называется коэффициент поверхностного натяжения. [α]=Н/м.

Рассмотрим это явление с энергетической точки зрения. Для этого проанализируем мысленный опыт: Пусть П-образная рамка (рис. Яковлев, стр. 215) затянута пленной жидкости. Попытаемся увеличить ее площадь, передвинув подвижную перекладину АВ на расстояние dh. Для этого необходимо приложить внешнюю силу равную силе поверхностного натяжения – F = 2αAB. При этом силы поверхностного натяжения совершают работу dA = –2αABdh, а площадь поверхности возрастает на величину dS = 2·AВ·dh, т.е. dA = –αdS. Это позволяет определить коэффициент поверхностного натяжения, как работу выполненную для образования 1 м² поверхности жидкости - α = |dA|/dS. [α]=Дж/м².

Создание поверхности связано с выполнением работы по перемещению молекул из глубины жидкости в поверхностный слой. Эта работа идёт на увеличение энергии взаимодействия молекул поверхностного слоя. Дополнительная потенциальная энергия, численно равная работе по изотермическому образованию поверхности, называется свободной энергией поверхностного слоя:

А = ΔW = α∙ΔS. (7)