Поверхностное натяжение жидкости

4.1

Средняя оценка: 4.1

Всего получено оценок: 76.

Жидкости, в отличие от газов, не занимают весь предоставленный объем, а собираются в капли разной величины. Это происходит из-за того, что жидкости обладают особым свойством, отсутствующим у газов, — поверхностным натяжением. Рассмотрим сущность этого явления.

Молекулярное строение жидкости

В 10 классе известно, что в молекулах любого вещества имеются положительно и отрицательно заряженные области. При этом, поскольку молекулы находятся в постоянном хаотичном движении, они обладают некоторой кинетической энергией. Совместное действие этих факторов определяет агрегатное состояние вещества.

При сближении молекул главную роль играют силы отталкивания одинаково заряженных областей. Если кинетическая энергия достаточно высока, то молекулы стремятся удалиться друг от друга. Именно так ведет себя газ.

Если кинетическая энергия сравнительно мала, то главную роль играют силы притяжения, и молекулы максимально приближаются друг к другу, находясь на энергетически выгодных расстояниях. Для изменения этих расстояний (в любую сторону) требуется затрачивать энергию. Так ведут себя твердые вещества.

Наконец, в жидкостях молекулы располагаются на близком расстоянии, однако их кинетическая энергия достаточна, чтобы постоянно менять свое положение.

Рис. 1 Молекулы кристалла, жидкости и газа.

Поверхностная энергия жидкости

Если рассмотреть молекулы жидкости, то можно увидеть, что молекулы в глубине и на поверхности жидкости находятся в различных энергетических условиях.

В глубине жидкости на молекулу действует давление всех окружающих ее молекул, силы отталкивания уравновешивают его на меньших расстояниях, по сравнению с молекулой на поверхности.

Получается, что у молекул на поверхности имеется некоторая избыточная потенциальная энергия, по сравнению с молекулами в глубине. Эта энергия называется поверхностной.

Общая энергия молекул поверхностного слоя складывается из потенциальной энергии отдельных молекул, а значит, пропорциональна их числу. Число молекул поверхностного слоя в свою очередь пропорционально площади поверхности. Следовательно, поверхностная энергия пропорциональна площади поверхности, и для ее определения используют формулу:

$$W_{пов}=\sigma S$$

Поверхностное натяжение жидкости

Коэффициент пропорциональности $\sigma$ называется коэффициентом поверхностного натяжения. Он равен поверхностной энергии жидкости на единичной ее площади (это его физический смысл) и зависит от свойств жидкости и от температуры.

Как правило, коэффициент поверхностного натяжения выше у более плотных жидкостей. При комнатной температуре наиболее велик он у ртути. Поэтому ртуть, как правило, собирается в шарообразные капельки, хотя вода при таком же объеме растекается.

Если повышать температуру, то кинетическая энергия молекул жидкости будет увеличиваться, и энергетические условия молекул на поверхности и внутри жидкости будут сближаться. При некоторых температуре и внешнем давлении (они называются критическими) поверхностная энергия становится равной нулю, поверхность жидкости исчезает, жидкость становится неотличимой от газа.

Для измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости используется рамка, помещенная в жидкость, связанная с чувствительным динамометром.

Рис. 2. Измерение силы поверхностного натяжения.

При отрыве рамки от поверхности воды динамометр зафиксирует увеличение усилия. Коэффициент поверхностного натяжения будет пропорционален этому усилию и обратно пропорционален длине рамки:

$$\sigma = {F_{max} \over 2l}$$

Коэффициенты поверхностного натяжения некоторых жидкостей приведены в таблице:

Рис. 3. Коэффициенты поверхностного натяжения некоторых жидкостей.

Что мы узнали?

Молекулы на поверхности жидкости находятся на немного бо́льших расстояниях друг от друга, по сравнению с молекулами в глубине. Поэтому они обладают некоторой поверхностной энергией. Эта энергия является источником поверхностного натяжения жидкостей, благодаря ей жидкость всегда стремится собраться в капли.