ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. Жидкости и газы по своим механическим свойствам очень похожи

Жидкости и газы по своим механическим свойствам очень похожи. Поэтому их часто рассматривают и описывают одинаково, считая их сплошными средами, не имеющими структуры.

Но если обратиться к молекулярному устройству жидкостей и газов, станут очевидными различия, связанные с разным положением молекул в них. В жидкостях молекулы «упакованы» значительно плотнее, чем в газах, поэтому имеют место некоторые особенности. Одной из таких особенностей является явление поверхностного натяжения, которое рассматривается в данной лабораторной работе.

Явление поверхностного натяжения заключается в стремлении жидкости сократить площадь своей поверхности. Это явление можно объяснить, основываясь на представлениях о молекулярном строении жидкостей. Известно, что на каждую молекулу жидкости со стороны других молекул действуют силы притяжения, которые, однако, быстро убывают с расстоянием. Начиная с некоторого «граничного» расстояния этими силами можно пренебречь. Это расстояние имеет величину порядка 10^{-9 м. Оно называется радиусом молекулярного действия r, а сфера радиуса r называется сферой молекулярного действия (рис. 1, а).}

Итак, каждая молекула подвергается действию со стороны молекул, входящих в сферу молекулярного действия. Но молекулы, находящиеся за пределами этой сферы не действуют на рассматриваемую молекулу. Выделим некоторую молекулу жидкости, окруженную со всех сторон другими молекулами. Силы, действующие на нее, сосредоточатся внутри сферы молекулярного действия. Эти силы направлены в разные стороны, а количество их столь велико[1], что в целом они скомпенсированы: равнодействующая всех этих сил равна нулю (рис. 1, а).

а б

Рис. 1. Сфера молекулярного действия

Первая сила вызывает так называемое внутреннее, или молекулярное давление – давление жидкости на себя. Это давление не действует на тела, помещенные в жидкость, ибо оно вызвано исключительно молекулярными силами. Вторая же сила – касательная к поверхности – называется силой поверхностного натяжения. Эта сила всегда стремится сократить свободную поверхность жидкости. Если мы будем каким-либо способом растягивать поверхность, силы поверхностного натяжения будут препятствовать этому.

Рассмотрим этот процесс с энергетической точки зрения.

Чтобы развести две молекулы на некоторое расстояние, необходимо совершить работу против сил молекулярного притяжения. Это означает, что система из многих молекул будет обладать потенциальной энергией вследствие межмолекулярного взаимодействия. Во внутренних слоях жидкости, как мы помним, молекулярные силы скомпенсированы, поэтому потенциальная энергия отсутствует. В поверхностном слое это не имеет места; молекулы поверхностного слоя обладают потенциальной энергией из-за действия силы поверхностного натяжения. Эта потенциальная энергия называется поверхностной энергией.

Чтобы увеличить площадь свободной поверхности, необходимо совершить работу против сил поверхностного натяжения. Энергия, затраченная при этом, превращается в поверхностную энергию, которая таким образом увеличивается. Если теперь прекратить воздействие на жидкость, она, в соответствии с принципом минимума энергии, сократит свою поверхность до минимального возможного в данных условиях значения.

Совершенно очевидно, что поверхностная энергия будет пропорциональна площади свободной поверхности жидкости:

ΔE=αΔS. (1)

Коэффициент пропорциональности αназывается коэффициентом поверхностного натяжения, или просто поверхностным натяжением.

(2)

Как видно из формулы (2), коэффициент поверхностного натяжения численно равен поверхностной энергии, запасенной в единице площади поверхности жидкости.

Если выделить в свободной поверхности жидкости некоторый замкнутый контур, то сила поверхностного натяжения, приведенная к единице длины этого контура, также будет численно равно коэффициенту поверхностного натяжения:

(3)

Исходя из формул (2) и (3) можно определить размерность коэффициента поверхностного натяжения. В Системе Интернациональной он обычно измеряется в ньютонах на метр (Н/м) или в джоулях на квадратный метр (Дж/м²). Иногда используется также единица системы СГС дина на сантиметр (дин/см), равная 10^-3 Н/м.

Величина поверхностного натяжения зависит от температуры – с ростом температуры она уменьшается. Также в значительной степени она зависит от примесей, содержащихся в жидкости.

Существуют различные методы определения коэффициента поверхностного натяжения. Ниже изложены теоретические основы некоторых из них.