Поверхностное натяжение жидкостей. Свойства поверхностного слоя жидкости

Молекулы жидкостей находятся на значительно меньших расстояниях друг от друга, чем молекулы газов, поэтому они сильнее взаимодействуют друг с другом. Силы межмолекулярного притяжения собирают молекулы жидкостей в небольшие группы. В этих группах наблюдается некоторое подобие порядка в расположении молекул, так называемый ближний порядок. Из-за такого расположения молекул строение жидкостей называют квазикристаллическим. Правда, такие группы чрезвычайно малы и состоят в основном из соседних молекул. Они непрерывно перемещаются по всему объему жидкости, постоянно меняя форму и размеры. Отдельные группы молекул разрушаются и образуются новые группы, которые тоже недолговечны из-за непрерывного теплового движения молекул. Расстояние, на котором данная молекула еще оказывает воздействие на окружающие ее молекулы, называется радиусом ее молекулярного действия. Каждая молекула жидкости испытывает на себе притяжение соседних молекул, расположенных в сфере ее радиуса действия. Однако молекулы, расположенные на поверхности жидкости, и молекулы в ее глубине находятся в разных условиях. Молекула в глубине жидкости испытывает воздействие других молекул со всех сторон, поэтому равнодействующая сил, действующих со стороны других молекул на нее в глубине жидкости, равна нулю. В иных условиях находятся молекулы на поверхности жидкости. Они испытывают воздействие со стороны других молекул жидкости только сбоку и снизу, так как притяжение молекул газа над жидкостью во много раз слабее, чем молекул жидкости. Поэтому равнодействующая сил, действующих на молекулу поверхностного слоя со стороны молекул жидкости, не равна нулю и направлена вглубь жидкости.

Получается, что молекулы поверхностного слоя (~10^-9 м) находятся в особом силовом поле, которое ослабевает по мере увеличения глубины жидкости и на некоторой глубине исчезает. Следовательно, молекулы поверхностного слоя обладают дополнительной потенциальной энергией по сравнению с молекулами в глубине жидкости. Дополнительная потенциальная энергия, которой обладают молекулы поверхностного слоя по сравнению с остальными молекулами жидкости, называется поверхностной энергией. Со стороны молекул поверхностного слоя жидкости на каждый элемент длины произвольной линии, расположенной в этом слое, действует сила, перпендикулярная этому элементу длины и направленная по касательной к поверхности жидкости. Эту силу называют силой поверхностного натяжения. Наличие силы поверхностного натяжения обусловлено тем, что среднее расстояние между молекулами поверхностного слоя несколько больше среднего расстояния между молекулами внутри жидкости.

Поверхностный слой жидкости ведет себя подобно растянутой резиновой пленке, т. е. все время стремится сократить площадь своей поверхности до минимальных размеров, возможных при данном объеме. Наглядным примером этого является тот факт, что в невесомости капли жидкости имеют сферическую форму (как известно, среди всех геометрических тел одинакового объема сфера имеет минимальную поверхность). Из-за стремления свободной поверхности жидкости к сокращению площади поверхности мыльная пленка, образованная на проволочном каркасе, стягивается, стремясь сократить площадь своей поверхности, как если бы на каждую единицу длины контура, ограничивающего ее, действовали силы.

Сравнивая поверхностный слой жидкости с резиновой пленкой, необходимо помнить, что сходство между ними является внешним, так как в отличие от сил упругости сила поверхностного натяжения не уменьшается при сокращении площади поверхности пленки.

Сила поверхностного натяжения пропорциональна длине произвольной линии, находящейся в поверхностном слое жидкости: , s — коэффициент пропорциональности, называемый поверхностным натяжением. Коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, с которой поверхностный слой жидкости действует на поверхность единичной длины, расположенную в этом слое. Значение поверхностного натяжения зависит от вещества жидкости и от температуры, а также от наличия примесей. С увеличением температуры поверхностное натяжение уменьшается. При критической для данной жидкости температуре ее поверхностное натяжение становится равным нулю. Наличие примесей уменьшает поверхностное натяжение. Вещества, приводящие к ослаблению поверхностного натяжения жидкости, называют поверхностно-активными для данной жидкости (например, для воды поверхностно активными веществами являются спирт, эфир, мыло, различные стиральные порошки).

Переход молекул из глубины жидкости в ее поверхностный слой возможен только при совершении работы против молекулярных сил. Эта работа совершается за счет, кинетической энергии молекул жидкости и приводит к увеличению, потенциальной энергий молекул поверхностного слоя. Поэтому молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости, обладают дополнительной избыточной потенциальной энергией по сравнению с молекулами находящимися внутри жидкости. Энергия поверхностного слоя представляет собой ту часть внутренней энергии жидкости которую можно превратить в механическую работу в изотермическом процессе. За счет этой энергии молекулы жидкости способны совершать работу при уменьшении площади свободной поверхности.

- коэффициент поверхностного натяжения численно равен изменению энергии поверхностного слоя жидкости, которое происходит при сокращении силами поверхностного натяжения площади поверхностного слоя жидкости на единичную площадь.