Главная | Обратная связь

Поверхностное натяжение жидкостей

Характер движения молекул в жидкостях существенно отличается от движения молекул в газах и твердых телах. С молекулярно-кинетической точки зрения газообразное состояние вещества характеризуется большими средними расстояниями между молекулами. Тепловое движение молекул газа сводится к свободному движению на длине свободного пути, в несколь­ко раз превышающем размеры своих молекул. В твердых телах каждая частица (атом, ион) колеблется около своего положения равновесия, причем в идеальной решетке все возможные "места"для частиц заняты. В жидкостях молекулы располагаются гораздо ближе друг к другу, чем в газах, но в ней имеются сво­бодные места - "дырки", благодаря чему молекулы могут перемещаться, покидая свое место и занимая одну из свободных "дырок". Приведенная модель жидкости предполагает проявле­ние в жидком состоянии вещества некоторых свойств, сходных со свойствами как газов, так и твердых тел.

Жидкости, подобно твердым телам, обладают определенным объемом, подобно газам, принимают форму сосуда, в котором они находятся. Характерной особенностью жидкости является ее способность иметь свободную поверхность (не ограниченную твердыми стенками). Поверхность жидкости находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Если мысленно выделить в жидкости какую-либо молекулу, то необходимо учесть действие на нее всех других молекул. Однако силы взаимодействия между молекула­ми быстро убывают с расстоянием, так что практически достаточно учесть действие лишь молекул, расположенных достаточно близко.

Рассмотрим две молекулы внутри жидкости (см. рис. 25.1). Пусть r – расстояние, при котором рассматриваемая молекула взаимодействует с соседней молекулой. Если молекула находится на расстоянии, большем чем r, то взаимодействия нет. Такой радиус называют радиусом молекулярного взаимодействия, а сфера этого радиуса – сферой молекулярного действия. Величина r имеет порядок нескольких молекулярных диаметров (~10^-9м). В жидкости в сферу молекулярного действия, проведен­ную вокруг данной молекулы 1, попадает большое число других молекул. Силы, с которыми эти молекулы дей­ствуют на молекулу 1, направлены в различные стороны и в среднем компенсируются. Таким образом, результирующая, действующая на моле­кулу внутри жидкости со сто­роны других молекул, в среднем равна нулю.

Иначе обстоит дело с молекулами 2, расположенными от поверхности жидкости на рассто­янии, меньшем радиуса молекулярного действия r. Сфера молекулярного действия лишь частично окажется внутри жидкости, часть ее будет лежать вне жидко­сти. Если над поверхностью жидкости будет находиться вещество в газообразном состоянии, например, пар данной жидкости, то окажется, что на молекулу 2действует с разных сторон неодинаковое число молекул. Силы, действующие на молекулу 2, в среднем не будут компенсированы, возникнет результирующая сила F, направленная внутрь жидкости. То есть, на каждую молекулу, лежащую на поверхности жидкости, меньшем радиуса молекулярного действия r, со стороны других молекул действует сила, направленная внутрь жидкости. На весь слой, лежащий у поверхности жидкости, имеющий толщину, равную радиусу молекулярного действия, действуют силы, направленные нормально к поверхности внутрь жидкости. Его называют поверхностным слоем. Он оказывает на всю жидкость давление, называемое молекулярным давлением. Если бы на жидкость не действовали ника­кие другие силы, равновесным состоянием поверхности оказалось бы такое, при котором силы молекулярного давления были бы нормальными к поверхности. В этом случае масса жидкости должна принять сферическую форму. Действительно, малые капли жидкости, для которых роль силы тяжести мала, принимают вид правильных сфер.

Можно сказать, что силы молекулярного давления стремятся уменьшить поверхность жидкости. Тогда поверхностный слой жидкости можно уподобить растянутой пленке, стремящейся сжаться. Чтобы удержать пленку в равновесии, надо нормально к линии, ограничивающей ее поверхность, приложить силу, касательную к поверхности жидкости (рис.25.2 а). Эта сила F_Н называется силой поверхностного натяжения. Очевидно, чем больше ограничивающая линия, тем больше сила: , (1)

где s – коэффициент пропорциональности, зависящий от природы жидкости и получивший название коэффициента поверхностного натяжения.

Теперь предположим, что граница пленки увеличилась за счет перемещения параллельно самой себе на отрезок (рис.25.2 б). Тогда совершенная работа DА равна: . Используя (1), получим

где –увеличение площади пленки. Таким образом,

Коэффициент поверхностного натяжения измеряется работой, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу.

[s]=Дж/м²=Н/м.

Коэффициент поверхностного натяжения может быть определен также как величина, равная силе, действующей по касательной к поверхности жидкости, приходящейся на единицу длины линии раздела .

Большинство жидкостей при температуре 300 К имеет поверхностное натяжение порядка 10^-2-10^-1 Н/м. Поверхностное натяжение с повышением температуры уменьшается, так как увеличиваются средние расстояния между молекулами жидкости.

Поверхностное натяжение зависит от примесей,имеющихся в жидкостях.Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение жидкости, называются поверхностно-активными. Наиболее известным поверхностно-активным веществом отношению к воде является мыло. Оно сильно уменьшает ее поверхностное натяжение (примерно с 7,3.10^-2 до 4,5.10^-2Н/м). Поверхностно-активными веществами, понижающими поверхностное натяжение воды, являются также спирты, эфиры, нефть и др.