§ 8-1. Поверхностное натяжение
Силы поверхностного натяжения. Рассмотрим молекулы М1 и М2, находящиеся на поверхности жидкости (рис. 54.3). Эти молекулы взаимодействуют не только с молекулами, находящимися внутри жидкости, но и с молекулами, расположенными на её поверхности в пределах сферы молекулярного действия. Модуль результирующей молекулярных сил притяжения, направленных вдоль поверхности жидкости, действующих на молекулу М1, . Модуль же результирующей молекулярных сил притяжения, которыми молекулы этой жидкости, находящиеся на её поверхности, действуют на молекулу М2, разместившуюся у края поверхности,
. Результирующая
направлена по касательной к свободной поверхности жидкости перпендикулярно линии, ограничивающей эту поверхность.
Молекулярные силы, направленные по касательной к свободной поверхности жидкости, действуют на любую замкнутую линию, ограничивающую эту поверхность, перпендикулярно ей таким образом, что стремятся сократить площадь ограниченной поверхности жидкости. Эти силы получили название сил поверхностного натяжения.
Рассмотрим ещё один опыт. Прямоугольную рамку с подвижной перекладиной длиной l опустим в мыльный раствор. После извлечения рамки из раствора видим, что перекладина перемещается, так как мыльная плёнка стремится сократить площадь своей поверхности. Чтобы перекладину удержать в равновесии, к ней следует приложить силу , которая уравновесит действующие на каждой из двух поверхностей плёнки силы поверхностного натяжения:
, так как
(рис. 54.4). Если проводить опыты с рамками разных размеров, можно установить, что отношение
для плёнки данной жидкости при фиксированной температуре всегда одинаковое.
Значит, это отношение можно взять в качестве характеристики поверхностного слоя жидкости, т. е. поверхностного натяжения.
Поверхностное натяжение — физическая величина, равная отношению модуля силы поверхностного натяжения, действующей на прямолинейный участок границы поверхностного слоя жидкости, к длине этого участка:
Силовое определение поверхностного натяжения дополняет энергетическое. Единицей поверхностного натяжения в СИ является джоуль на метр в квадрате () или ньютон на метр (
).
Покажите, что =
.
Поверхностное натяжение зависит от рода жидкости и той среды, с которой она граничит, наличия растворённых в жидкости других веществ и от её температуры (таблица 1). Повышение температуры жидкости, добавление в неё так называемых поверхностно-активных веществ (мыло, жирные кислоты) вызывает уменьшение поверхностного натяжения. В таблице 1 приведены значения поверхностного натяжения воды при различных температурах и при добавлении в неё мыла.
| Вещество | |
| Вода (0 °C) | 75,6 |
| Вода (20 °C) | 72,8 |
| Вода (374,15 °C) | 0 |
| Раствор мыла (20 °C) | 40 |
Проявления поверхностного натяжения удивительно многообразны. Поверхностное натяжение играет существенную роль в явлениях природы, биологии, медицине, в различных современных технологиях, полиграфии, технике, в физиологии нашего организма.
Поверхностное натяжение приводит к тому, что вода собирается в капли (рис. 55), образуются мыльные пузыри (рис. 56), жук-водомерка передвигается по поверхности воды (рис. 57), а в состоянии невесомости любой объём свободной жидкости принимает сферическую форму.
1. Какие явления происходят на границе раздела жидкости с воздухом или её паром?
2. Как определяют поверхностное натяжение жидкости?
3. Почему площадь свободной поверхности жидкости стремится стать минимальной?
4. Какова природа и особенности сил поверхностного натяжения?
5. От чего зависит поверхностное натяжение?