Образовака🌡️ Физика10 классМолекулярная физика. Тепловые явления

Сила поверхностного натяжения

4.4

Средняя оценка: 4.4

Всего получено оценок: 170.

Одной из малозаметных сил, которая тем не менее играет немалую роль в природе, является сила поверхностного натяжения жидкостей. Познакомимся с действием сил поверхностного натяжения, выведем формулу этой силы.

Механизм образования поверхностного натяжения

В основе природы сил поверхностного натяжения лежит электростатическое притяжение молекул, находящихся на близком расстоянии в жидкости.

В самом деле, в жидкости, в отличие от газа, силы притяжения между молекулами больше, чем силы отталкивания, и энергия этого притяжения больше тепловой энергии, стремящейся распределить молекулы как можно шире. Поэтому равнодействующая сил, действующая на отдельную молекулу, будет направлена в сторону геометрического центра тела, образованного остальными молекулами.

В результате из-за отсутствия других сил молекулы жидкости всегда собираются в шарообразное тело. Равнодействующая сил, действующих на молекулы в глубине этого тела, практически равна нулю. Равнодействующая сил, действующая на молекулы на границе тела, направлена в сторону центра. Это приводит к тому, что плотность молекул внутри жидкости больше, чем плотность молекул, находящихся на границе. В результате в поверхностном слое возникают силы, стремящиеся к сокращению площади поверхности, — это и есть сила поверхностного натяжения.

Рис. 1. Силы, действующие на молекулы поверхности жидкости.

Сила поверхностного натяжения

Из-за разницы плотности, у молекул на поверхности имеется некоторый избыток потенциальной энергии, по сравнению с молекулами в глубине. Таких молекул тем больше, чем больше площадь поверхности. А значит, общая поверхностная энергия прямо пропорциональна площади поверхности жидкости:

$$W_{пов}=\sigma S$$

Значение коэффициента $\sigma$ в этой формуле зависит от свойств жидкости, он называется коэффициентом поверхностного натяжения. Его физический смысл состоит в том, что это поверхностная энергия слоя жидкости с единичной площадью. Размерность — джоуль на квадратный метр или ньютон на метр.

Для определения силы поверхностного натяжения представим себе квадратную рамку со стороной $l$, затянутую пленкой жидкости (например, мыльной).

При растягивании рамки в одном из направлений на расстояние $h$, площадь поверхности жидкости увеличится на:

$$\Delta S=2lh$$

Коэффициент 2 в формуле возникает потому, что пленка жидкости имеет две стороны. Из предыдущей формулы получим, что поверхностная энергия при этом возрастет на:

$$\Delta W_{пов}=2lh\sigma$$

Вся эта энергия возникла в результате действия внешней силы, растягивающей рамку на расстояние $h$, которая в свою очередь равна сумме двух сил поверхностного натяжения (у пленки две стороны):

$$\Delta W_{пов}=F_{внеш}h=2F_{пов}h$$

Приравнивая левые части двух последних формул, имеем:

$$2F_{пов}h=2lh\sigma$$

Или, сокращая:

$$F_{пов}=\sigma l$$

Направлена эта сила по касательной к поверхности и перпендикулярно границе поверхностного слоя. В данном случае перпендикулярно подвижной стороне рамки.

В обычной жизни мы не замечаем сил поверхностного натяжения. Однако их сил хватает, чтобы удерживать на воде клопов-водомерок или отклонять пламя свечи воздухом, выходящим из надутого мыльного пузыря.

Что мы узнали?

Плотность молекул внутри жидкости больше, чем плотность молекул в поверхностном слое. Это приводит к тому, что равнодействующая сил притяжения и отталкивания в поверхностном слое стремится к его сокращению. Эта сила называется силой поверхностного натяжения.