Внутреннее давление и поверхностное натяжение      в жидкости

На каждую молекулу реальной жидкости со стороны окружающих молекул действуют силы притяжения, быстро убывающие с расстоянием; поэтому, начиная с некоторого расстояния, называемого радиусом молекулярного действия r и равного » м, этими силами притяжения можно пренебречь.

Для молекул, находящихся в глубине жидкости, результирующая сила притяжения со стороны окружающих молекул в среднем равна нулю. Для молекул же, находящихся в приповерхностном слое толщиной r сфера молекулярного действия лишь частично расположена внутри жидкости. Так как в расположенном над жидкостью газе концентрация молекул мала, то равнодействующая сил , приложенных к каждой молекуле приповерхностного слоя, не равна нулю и направлена внутрь жидкости перпендикулярно её свободной поверхности. Таким образом, результирующие силы, действующие на все молекулы приповерхностного слоя, оказывают на жидкость давление, называемое молекулярным (или внутренним).

   Для перемещения молекулы из глубины жидкости в приповерхностный слой (при увеличении её свободной поверхности) сторонней силе надо совершить работу против равнодействующей силы S межмолекулярного притяжения, увеличивая тем самым потенциальную энергию молекулы. Поэтому молекулы приповерхностного слоя жидкости обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы внутри жидкости. Эту дополнительную энергию, которой обладают молекулы в приповерхностном слое жидкости, называютповерхностной энергиейи рассчитывают по формуле:

                                   ,                                     (*),

где s - коэффициент поверхностного натяжения, а - площадь (внешней) поверхности слоя.

Так как в равновесном состоянии тела его потенциальная энергия минимальна, то жидкость, при взаимной компенсации внешних сил, будет принимать такую форму, при которой она имеет минимальную поверхность, т.е. форму шара (шар – естественная форма жидкости!).

Примеры: 1) капли дождя; 2) масло в смеси воды и спирта ( ); 3) вода, вытряхнутая из бутыли на орбитальной космической станции, приобретает форму шара.

Обнаружить приповерхностный слой молекул, обладающий энергией , можно, если нарушить симметрию в плоскости свободной поверхности жидкости. Например: 1) гибкий контур на мыльной плёнке; 2) капли жира на поверхности воды (растекающиеся в мономолекулярный слой).

Рассмотрим рамку, затянутую мыльной плёнкой, в которую внедрён неупругий замкнутый контур (из мягкой нити) длиной l. Если плёнку внутри контура проткнуть иглой, то контур примет идеально круглую форму. Это произошло под действием силы поверхностного натяжения  (направленной по касательной к поверхности жидкости и перпендикулярной участку контура, на который она действует), причём: . Единицы измерения s - Н/м или Дж/м². Для жидкостей s  Н/м (для воды s = 0,073 Н/м, для ртути s = 0,54 Н/м), причём s~ .

Существование приповерхностного слоя молекул подтверждается следующими примерами: 1) аккуратно положенное лезвие бритвы, покрытое жировой плёнкой, лежит на воде и не тонет; 2) паучки-водомерки перемещаются по поверхности воды; 3) улитка-прудовик с  г живёт на нижней поверхности этого слоя; 4) образование пены на поверхности воды (воздух приподнимает плёнку, но не прорывает её); 5) слипание мокрых волос (объясняется стремлением воды, обволакивающей волосы, приобрести минимальную поверхность).

Величина s сильно зависит от наличия в жидкости примесей. Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение жидкости, называются поверхностно-активными (ПАВ). Молекулы ПАВ взаимодействуют с молекулами растворителя слабее, чем молекулы растворителя между собой. В результате молекулы жидкости втягиваются внутрь, оставляя приповерхностную область молекулам ПАВ. По отношению к воде ПАВ - это мыло (уменьшающее s воды с 0,073 до 0,045 Н/м), нефть, спирт, эфир и др.

Есть вещества (сахар, соль), которые увеличивают поверхностное натяжение воды благодаря тому, что их молекулы взаимодействуют с молекулами воды сильнее, чем молекулы воды между собой. Поэтому молекулы таких примесей будут втянуты внутрь жидкости и в поверхностном слое останутся преимущественно молекулы растворителя (воды).