Поверхностное натяжение

Одним из интересных явлений, происходящих в жидкостях, является поверхностное натяжение. Явление это малозаметно, но оно играет важнейшую роль в поведении жидкостей. Рассмотрим поверхностное натяжение более подробно, дадим ему определение.

Проявления поверхностного натяжения

Если сравнить поведение жидкости и газа, то можно отметить сходство этого поведения, если речь идет о внутренних слоях вещества. Существует даже теория гидроаэродинамики, использующее это сходство. Однако, свойства жидкости и газа существенно отличаются, если рассматривать приграничный слой.

Молекулы приграничного слоя газа в результате теплового движения удаляются друг от друга все дальше и дальше, и в результате газ либо заполнит весь предоставленный объем, либо бесконечно рассеется в пространстве. Газ не имеет четкой «поверхности».

Молекулы приграничного слоя жидкости ведут себя иначе. Наблюдение за ними показывает, что жидкость всегда имеет поверхность, причем, она всегда стремиться «сжаться». Например, мелкие капли жидкости на несмачиваемой поверхности собираются в формы, близкие к шарикам, потому, что поверхность шара имеет наименьшую площадь при фиксированном объеме. Струя жидкости, даже если она выходит из некруглого отверстия, падая, сперва принимает круглое сечение, а затем разбивается на капли, по форме близкие к шарообразным.

Свойство жидкости, заключающееся в том, что ее граница стремится к сокращению, называется поверхностным натяжением.

Рис. 1. Поверхностное натяжение.

Почему возникает поверхностное натяжение ?

Молекулы на границе жидкости

Поскольку в жидкостях молекулы находятся на гораздо более близком расстоянии, чем в газах, на каждую молекулу в жидкости действуют не только силы отталкивания при сближении, но и силы притяжения при взаимном удалении.

Во внутренних слоях это не играет большой роли, молекулы внутренних слоев жидкости ведут себя подобно молекулам газа. Однако, на граничном слое ситуация другая. Молекула граничного слоя испытывает отталкивание со стороны молекул, находящихся глубже, а с внешней стороны сил отталкивания нет.

В результате молекулы в граничном слое жидкости находятся на больших расстояниях, чем молекулы во внутренних слоях. Силы отталкивания на таких расстояниях быстро уменьшаются, и силы притяжения становятся больше.

Таким образом, жидкость в поверхностном слое находится в «растянутом» состоянии. Возникает сила, стремящаяся сжать этот слой. Эта сила называется силой поверхностного натяжения. Физический смысл поверхностного натяжения – это сумма сил притяжения молекул жидкости, которые не компенсируются силами отталкивания в результате того, что молекулы в поверхностном слое расположены на больших расстояниях, чем в глубине.

Можно сказать, что молекулы поверхностного слоя жидкости обладают некоторой избыточной потенциальной энергией по сравнению с молекулами в глубине жидкости. При увеличении площади поверхности эта энергия увеличивается.

Яркий пример сил действия поверхностного натяжения – мыльные пузыри. Для выдувания мыльного пузыря надо совершить некоторую работу, которая пойдет на увеличение поверхностной энергии. Эту энергию можно «получить обратно» в виде потока воздуха, если прекратить выдувание. Сил потока сдувающегося мыльного пузыря будет достаточно, чтобы, например, колыхать пламя свечи.

Мыльные пузыри

Рис. 2. Мыльные пузыри.

Коэффициент поверхностного натяжения

Поскольку силы поверхностного натяжения действуют на молекулы граничного слоя, то общая их энергия зависит от свойств вещества жидкости и прямо пропорционально площади поверхности. Следовательно, для характеристики сил поверхностного натяжения данной жидкости можно ввести специальный параметр – коэффициент поверхностного натяжения $\sigma$, равный отношению поверхностной энергии к площади поверхности:

$$\sigma = {W_п\over S}$$

Из этой формулы можно получить размерность коэффициента. Поскольку энергия в системе СИ измеряется в джоулях, а площадь в квадратных метрах, единицей измерения коэффициента поверхностного натяжения является джоуль на квадратный метр или ньютон на метр.

Коэффициент поверхностного натяжения

Рис. 3. Коэффициент поверхностного натяжения.

Что мы узнали?

Поверхность жидкости стремится к сокращению. Это явление называется поверхностным натяжением. Происходит оно потому, что молекулы на поверхности жидкости более разрежены, силы притяжения между ними больше, и эти молекулы имеют большую энергию по сравнению с молекулами в глубине. Для характеристики этой энергии используется коэффициент поверхностного натяжения.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.6. Всего получено оценок: 3.

Предметы