И на ее поверхности

 

Величина и знак этой работы зависят от соотношения между силами взаимодействия молекул поверхностного слоя со «своими» же молекулами и молекулами другой среды. В случае, если жидкость граничит со своим собственным паром (насыщенным), т.е. в случае, когда мы имеем дело с одним веществом, сила, испытываемая молекулами поверхностного слоя, направлена внутрь жидкости (см. рис. 2). Это объясняется тем, что плотность молекул в жидкости много больше, чем в насыщенном паре, и поэтому сила притяжения со стороны молекул жидкости больше, чем со стороны молекул пара. Отсюда следует, что, перемещаясь из поверхностного слоя внутрь жидкости, молекула совершает положительную работу, т.е. обладает избыточной по сравнению с молекулой, находящейся в объеме вещества, потенциальной энергией W , называемой поверхностной энергией.

Эта энергия измеряется работой, которую могут совершить молекулы поверхности, перемещаясь внутрь жидкости под действием сил притяжения со стороны молекул в объеме жидкости. Переход молекул поверхностного слоя внутрь жидкости означает также сокращение поверхностного слоя, следовательно:

, (1)

где А – работа по перемещению молекул из поверхностного слоя внутрь жидкости или, напротив, из объема в поверхностный слой,

ΔS – вызванное этим перемещением изменение площади.

знак (-) – означает уменьшение площади поверхностного слоя,

знак (+) – увеличение площади.

Коэффициент σ является основной величиной, характеризующей свойства поверхности жидкости, и называется коэффициентом поверхностного натяжения.

(2)

Коэффициент поверхностного натяжения измеряется работой, необходимой для изменения единицы площади поверхности жидкости при постоянной температуре. В системе СИ единицей измерения коэффициента поверхностного натяжения , а в СГС: .

Учитывая связь между работой А и изменением поверхностной энергии ΔW (А=ΔW), можно записать ΔW=, откуда

, (3)

т.е. коэффициент поверхностного натяжения численно равен изменению поверхностной энергии, приходящейся на единицу площади свободной поверхности жидкости.

Рассмотрим, к чему приводит наличие у поверхностного слоя избыточной потенциальной энергии по сравнению с остальной массой жидкости.

Известно, что всякая система при равновесии находится в том из возможных для нее состояний, при котором ее энергия имеет минимальное значение.

Применительно к рассматриваемому случаю это означает, что жидкость в равновесии должна иметь минимально возможную поверхность – сферическую (форма шара, как известно, наименьшая поверхность при данном объеме).

Это означает, что должны существовать силы, препятствующие увеличению поверхности жидкости, т.е. силы, стремящиеся сократить эту поверхность.

Очевидно, что эти силы должны быть направлены вдоль самой поверхности, по касательной к ней. Они называются силами поверхностного натяжения. Для разрыва поверхности жидкости, на каком либо участке нужно преодолеть силу поверхностного натяжения, для каждой данной жидкости определенную величину. Эта сила в каждой точке перпендикулярна к границе разрыва поверхностного слоя. Величина силы поверхностного натяжения F, отнесенной к единице длины контура l, по которому происходит разрыв поверхностного слоя, называется коэффициентом поверхностного натяжения σ данной жидкости:

(4)

Определенный таким образом коэффициент поверхностного натяжения, измеряется в системе СИ в единицах н/м, а в системе СГС в дин/см. нетрудно показать, что оба определения (3) и (4) тождественны.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от сил молекулярного взаимодействия и принимает различных значения для разных жидкостей. У легковоспламеняющихся жидкостей (эфир, спирт, бензин) молекулярные силы, а, следовательно, и величина поверхностного натяжения меньше чем у нелетучих жидкостей (например, у ртути и других жидких металлов). Значение коэффициентов поверхностного натяжения некоторых жидкостей при температуре 20⁰ С приведены в таблице 1

 

Таблица 1

Значение коэффициентов поверхностного натяжения некоторых жидкостей при температуре 20⁰ С

наименование	н/м	наименование	н/м
Вода Желчь Молоко Моча	0,0725 0,048 0,05 0,066	Ртуть Спирт Сыворотка крови Эфир	0,47 0,022 0,06 0,017

 

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от рода жидкости, от наличия примесей, от температуры. С повышением температуры он убывает. Снижения поверхностного натяжения можно достичь введением в жидкость поверхностно-активных веществ, уменьшающих энергию поверхностного слоя. Поверхностное натяжение объясняет многочисленные явления, характерные для жидкого состояния вещества, такие как образование пены, формирование капель и т.д.