Здавалка
Главная | Обратная связь

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ



(введение к работам № 32-34)

 

На молекулы вблизи поверхности жидкости действуют силы, направленные внутрь жидкости. Поскольку силы направлены всегда в сторону убыли потенциальной энергии, то это означает, что молекулы в поверхностном слое обладают избыточной потенциальной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости. Поэтому жидкость стремится принять (при отсутствии внешних сил) форму с минимальной площадью поверхности, т. к. в таком состоянии жидкость имеет наименьшую потенциальную энергию. Наоборот, для того, чтобы увеличить площадь поверхности жидкости, необходимо совершить над жидкостью работу тем большую, чем больше увеличение площади поверхности жидкости dS. Рассмотрим работу dA, необходимую для изотермического увеличения площади поверхности жидкости на dS. Согласно сказанному, ее можно записать в виде:

dA =s×dS (1).

Величина s носит название коэффициента поверхностного натяжения жидкости и численно равна работе, необходимой для изотермического увеличения площади поверхности жидкости на единицу. Она зависит от температуры жидкости, а также от свойств той среды, с которой жидкость граничит. В справочниках приводятся значения s для случая границы раздела жидкости и ее насыщенного пара. Практически то же самое значение s имеет на границе жидкости и воздуха.

Данное здесь определение коэффициента поверхностного натяжения носит, так сказать, «энергетический» характер, так как связано с работой. Можно дать и иное «силовое» определение s. А именно, разрежем мысленно поверхность жидкости вдоль некоторой линии и рассмотрим на этой линии участок длины L. Так как жидкость стремится уменьшить свою поверхность, то, вследствие этого, перпендикулярно разрезу будут действовать силы со стороны жидкости. Если края разреза под действием этих сил разойдутся на расстояние dx, силы совершат работу

dA=F×dx.

С другой стороны, площадь поверхности уменьшается при этом на величину L×dx и работа сил поверхностного натяжения будет тогда равна:

dA=s×L×dx.

Сравнивая эти выражения для работы, видим, что

s=F/ L,

т. е. коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе, действующей на единицу длины контура, ограничивающего какой-либо участок поверхности жидкости. Причем сила эта направлена касательно к поверхности, перпендикулярно контуру.

Ясно, что всегда s ³0, иначе жидкость неограниченно увеличивала бы свою поверхность, понижая за счет этого свою энергию. Нетрудно также понять, что s = 0, если температура жидкости равна критической. В самом деле, в критическом состоянии свойства жидкости и ее насыщенного пара одинаковы и это означает, что энергия молекул всюду одна и та же и в жидкости и в ее паре, тем самым и s = 0. Поэтому, как следует из сказанного, с ростом температуры s должна убывать. В довольно широком интервале температур эту зависимость можно считать линейной:

Ds = – a×DT (2)

где а - некоторая положительная постоянная, зависящая от природы жидкости.

Если в жидкости растворить посторонние вещества, то в поверхностном слое преимущественно должны скапливаться атомы и молекулы тех веществ, которые понижают поверхностное натяже­ние, так как тем самым энергия поверхности жидкости уменьшается. Такие вещества называются поверхностно-активными (ПАВ) (например, к ПАВ относятся мыло, жирные кислоты и т. д.).

Наоборот, молекулы тех веществ, наличие которых повышает поверхностное натяжение, стремятся уйти из поверхностного слоя.

Так как жидкость стремится уменьшить свою поверхность, то это означает, что по разные стороны поверхности жидкости давление будет разным. Строгий анализ показывает, что давление меньше в той среде, в сторону которой граница жидкости обращена своей выпуклостью. Разность давлений по разные стороны поверхности дается формулой Лапласа:

(3)

где R1 и R2 – радиусы кривизны во взаимно перпендикулярных сечениях (для сферической поверхности R1=R2=R, для цилиндрической R1=R, R2=¥).

В капиллярах за счет этого дополнительного давления жидкости поднимаются или опускаются (в зависимости о того, смачивают или не смачивают они поверхность капилляра) на высоту:

(4)

где a–краевой угол, r – плотность жидкости, r– радиус капилляра.

При полном смачивании (a=0) формула (4) приобретает вид:

(5)

Существуют различные методы измерения коэффициента поверхностного натяжения. С некоторыми из них вы познакомитесь в работах № 32–34.

 

 


РАБОТА №32







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.