Поверхностное натяжение


          Молекулы жидкости, находящиеся на свободной поверхности (границе раздела жидкость - газ или жидкость - пар), испытывают одностороннее воздействие со стороны соседних молекул. Поэтому на криволинейной поверхности должны возникать растягивающие усилия. Для количественного описания этого явления ещё в 1805 году Юнгом была проведена классическая аналогия с упругой плёнкой. Натяжение этой плёнки, т.е. усилие, приходящееся на единицу длины поперечного разреза плёнки, характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения

Поверхностное натяжение .

          Сила поверхностного натяжения стремится сократить площадь свободной поверхности. Их действие впервые обнаружено в капиллярах, поэтому эти силы до сих пор часто называют капиллярными.

Величина Поверхностное натяжение зависит прежде всего от природы контактирующих сред. Числовые значения его для некоторых пар приведены в таблице 5.

Таблица 5

Вещество

Контактирую-щая среда

Температура, К

Коэффициент поверхностного натяжения,Поверхностное натяжение 

Вода

Воздух

293

78.2

Вода

Воздух

373

58.8

Жидкий водород

Пар вещества

21

20

Жидкий кислород

Пар вещества

91

13.0

Коэффициент поверхностного натяжения Поверхностное натяжение падает с ростом температуры и практически не зависит от давления. Поверхностное натяжение может быть существенно снижено с помощью поверхностно-активных веществ, к числу которых относятся моющие средства.

          Величина Поверхностное натяжение может служить мерой свободной энергии, которой обладает граница раздела:

Поверхностное натяжение,

          где Поверхностное натяжение - площадь свободной поверхности.

          В этом случае

 Поверхностное натяжение,

          что согласуется с ранее указанной размерностью.

          Существование поверхностного натяжения должно приводить к возникновению на криволинейной поверхности перепада давлений, которые будут зависеть от конкретной геометрии поверхности.

          Для объяснения этого факта рассмотрим равновесие элемента неплоской поверхности с линейными размерами Поверхностное натяжение и Поверхностное натяжение и главными радиусами кривизны R1 и R2 соответственно ( рис. 7).

Поверхностное натяжение

Рис. 7

          Равнодействующие сил поверхностного натяжения, действующих на границе выделенного контура, равны cdS2 и cdS1, а возникающая вследствие этого сила, действующая по нормали к выделенной площадке, в первом приближении равна

Поверхностное натяжение .

          С учётом того, что

Поверхностное натяжение и Поверхностное натяжение ,

имеем выражение для силы

Поверхностное натяжение .

          Эта величина, очевидно, и есть скачок давления на поверхности раздела двух сред, обусловленный поверхностным натяжением.

          Обозначив теперь через p1 и p2 давление в средах на границе раздела из условия равновесия элементарной площадки, запишем соотношение

Поверхностное натяжение,

которое называется формулой Лапласа.

          Для цилиндрических поверхностей с круговым поперечным сечением радиуса R имеем Поверхностное натяжение,R2=R и формула Лапласа принимает вид:

Поверхностное натяжение .

          В случае сферических поверхностей R1=R2=R и тогда получаем:

Поверхностное натяжение .

          Если радиус сферической полости мал, то давления, развиваемое поверхностным натяжением, могут стать значительными.

Поверхностное натяжение

                        Рис. 8

Весьма характерной является система газ - жидкость – твёрдая стенка ( рис. 8). В этом случае вводят значение краевого угла ( угла контакта или угла смачивания).

          Характерные значения краевых углов приведены в таблице 6.

          Если Поверхностное натяжение , жидкость называется смачивающей, если Поверхностное натяжение- несмачивающей.

Таблица 6 

 

Твёрдое вещество

Жидкость

Краевой угол, град.

 

Сталь

Вода

70 - 90

 

Сталь

Жидкий водород

0

 

Сталь

Жидкий кислород

0

 

Стекло

Ртуть

128-148

Поверхностное натяжение

                     Рис. 9

Высота подъёма или опускания жидкости в капилляре определяется с помощью соотношения

Поверхностное натяжение ,

где d- диаметр капилляра, а q - угол смачивания ( рис. 9 ).

 

 

Предыдущие материалы: Следующие материалы: