Поверхностное натяжение

Всякая жидкость стремится уменьшить свою поверхность. Это свойство жидкости объясняется явлением поверхностного натяжения.

Например, если на поверхность ртути, налитой в глубокий сосуд, насыпать какой – либо порошок и затем осторожно погрузить в ртуть вертикально стеклянную палочку, то весь порошок будет втянут в углубление, образованное палочкой, так, как будто ртуть была покрыта поверхностной пленкой, не разрывающейся при погружении палочки в ртуть.

Капиллярность (поверхностное натяжение) – это свойство жидкости изменять положение ее поверхности, вызванное натяжением и силой взаимодействия между нею и стенками трубок или мелкими порами грунта. Поверхностное натяжение зависит от температуры, уменьшаясь с ее ростом.

Поверхностное натяжение жидкости определяют величиной силы, приходящейся на единицу длины произвольной линии, расположен­ной на поверхности жидкости. Поверхностное натяжение действует перпендикулярно этому элементу линии и лежит в плоскости, касательной к поверхности жидкости в данном месте

.

Рис.1.6. Капиллярное поднятие жидкости, смачивающей

стенки (вода в стеклянном сосуде и капилляре)

На границе раздела жидкости и газа в результате межмолекулярного взаимодействия возникает поверхностное натяжение, которое стремиться уменьшить поверхность тела большей плотности и вызывает дополнительное напряжение:

где σ - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; r₁ и r₂ - радиусы кривизны поверхности жидкости.

Молекулы образующие этот слой значительно силь­нее притягиваются друг к другу, чем к молекулам газа. Силы поверхностного натяжения стремятся придать объему жидкости сферическую форму и вызывают некоторое дополнительное давление в жидкости (рис.1). Однако это давление заметно сказывается лишь при малых объемах и для сферических объемов (капель) характеризует­ся формулой при :

,

где σ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м; r - ра­диус сферы, м.

С увеличением температуры величина σ уменьшается по закону:

(1.7)

где σ₂₀ - коэффициент поверхностного натяжения при температуре = 20°С; - температурный коэффициент, Н/мК.

Для воды зависимость (1.7) имеет вид:

.

Таблица 1.8

Коэффициент поверхностного натяжения жидкостей на границе с воздухом

Жидкость	t°С	, Н/м
Вода		0,073
Глицерин		0,065
Молоко		0,042
Бензин		0,020
Нефть		0,025
Дизельное топливо		0,028
Ртуть		0,550
Спирт		0,023
Бензол		0,029

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы соприкасающихся сред:

,

где R – сила поверхностного натяжения, Н; l - длина линии, ограничивающей поверхность раздела.

а) б)

Рис.1.7. Поверхностное натяжение

а) ртути; б) капля воды

Поверхностное натяжение зависит от температуры, с повыше­нием температуры обычно поверхностное натяжение жидкостей уменьшается, при переходе жидкости в пар – обращается в 0.

В области соприкосновения трех сред (жидкой, твердой и газо­образной) возникает мениск – выпуклый, если молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твердого тела, или вогнутый, если молекулы жидкости притягиваются к мо­лекулам твердого тела сильнее, чем друг к другу. Этим объясняется явление капиллярного поднятия или опускания жидкости в вертикальной трубке малого диаметра либо в узкой щели между твердыми поверхностями. Высота h подъема или опускания жидкости в стеклянной трубке диаметром d определяется по формуле

,

где σ - коэффициент поверхностного натяжения; γ - удельный вес жидко­сти.

Возможны два случая изменения уровня в трубке: 1) поднятие – если жидкость смачивает стенки (например, вода) и опускание – если жидкость не смачивает стенки (ртуть).

Вода из всех жидкостей имеет наибольшее поверхностное натяжение σ_t=0,081 Н/м. Для воды при температуре 20°С в трубке диаметром d мм высота капиллярного поднятия выражается формулой: h=29,8/d мм, для ртути – высота опускания уровня - h=10,15/d мм

Силы поверхностного натяжения приходится учитывать при использовании стеклянных трубок в приборах для измерения дав­ления, а также в некоторых случаях истечения жидкостей. При обычных гидравлических расчетах для крупногабаритных технических систем влиянием этих сил из-за их малости обычно пренебрегают. Однако, силы поверхностного натяжения имеет важное значение при расчете измерительных приборов, при изучении подземной гидромеханики и теории фильтрации.