Поверхностное натяжение

Рис. 3

Рис. 2-2.3. Силы на границе жидкость - пар

Итак, мы пришли к выводу, что жидкое состояние возникает тогда, когда кинетическая энергия мала, а потенциальная энергия притяжения молекул превосходит по абсолютному значению кинетическую энергию. Силы притяжения между молекулами жидкости значительны и обеспечивают удержание молекул в объеме жидкости. Таким образом, у жидкости образуется поверхность, которая ограничивает ее объем. Площадь поверхности, ограничивающей данный объем, зависит от формы. Из геометрии известно, что при заданном объеме минимальной поверхностью обладает шар.

Поверхность жидкости, соприкасающейся с другой средой (стенки сосуда, ее собственный пар, твердое тело), находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Возникают эти особые условия потому, что молекулы пограничного слоя жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены молекулами той же жидкости не со всех сторон.

Часть “соседей” поверхностных молекул – это частицы второй среды, с которой жидкость граничит. Эта среда может отличаться от жидкости как природой, так и плотностью частиц.

В случае, если жидкость граничит со своим собственным паром (насыщенным), т. е. в случае, когда мы имеем дело с одним веществом, сила, направлена внутрь жидкости (рис. 2-2.3). Это объясняется тем, что плотность молекул в жидкости много больше, чем в насыщенном паре над жидкостью (вдали от критической температуры), и поэтому сила притяжения, испытываемая молекулой поверхностного слоя со стороны молекул жидкости, больше, чем со стороны молекул пара.

Отсюда следует, что при увеличении поверхности жидкости некоторое число молекул из объема жидкости должно быть поднято в поверхностный слой. Для этого необходимо произвести внешнюю работу. Если при постоянной температуре обратимым путем изменить поверхность жидкости на бесконечно малую величину dS, то необходимая для этого работа

. (2-2.2)

Знак минус указывает на то, что увеличение поверхности (dS>0) сопровождается отрицательной (затраченной) работой.

Коэффициент является основной величиной, характеризующей свойства поверхности жидкости, и называется коэффициентом поверхностного натяжения. Следовательно, коэффициент поверхностного натяжения измеряется работой, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу.

С другой стороны, из термодинамики известно, что при изотермических процессах роль потенциальной энергии играет свободная энергия, для которой справедливо соотношение dF=-dA, где dA – работа, связанная с возникновением свободной энергии dF (свободной энергией системы называется та ее часть, которая может быть превращена в работу). В результате однородности поверхности очевидно, что свободная энергия пропорциональна площади поверхности.

На основании сказанного выше с учетом (2-2.2) можно написать:

, (2-2.3)

т. е. коэффициент поверхностного натяжения жидкости можно определить как свободную энергию жидкости, приходящуюся на единицу ее поверхности. В системе СИ s имеет размерность Дж/м² или Н/м. Поверхностное натяжение зависит от свойств жидкости и изменяется в широких пределах. Например, при 20⁰С для воды s=0,073 Н/м, для ртути s=0,465 Н/м.