Поверхностное натяжение в жидкостях.

Суммарная энергия частиц жидкости складывается из энергии их хаотическо­го теплового движения и потенциальной энергии, обусловленной силами межмоле­кулярного взаимодействия. Для переме­щения молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой надо затратить работу. Эта работа совершается за счет кинетиче­ской энергии молекул и идет на увеличе­ние их потенциальной энергии. Поэтому молекулы поверхностного слоя жидкости обладают большей потенциальной энер­гией, чем молекулы внутри жидкости. Эта дополнительная энергия, которой обладают молекулы в поверхностном слое жидкости, называемая поверхностной энергией, пропорциональна площади слоя :

, (5.1) где — поверхностное натяжение, определяемое как плотность поверхностной энергии.

Так как равновесное состояние харак­теризуется минимумом потенциальной энергии, то жидкость при отсутствии внешних сил будет принимать такую фор­му, чтобы при заданном объеме она имела минимальную поверхность, т. е. форму ша­ра. Наблюдая мельчайшие капельки, взве­шенные в воздухе, можем видеть, что они действительно имеют форму шариков, но несколько искаженную из-за действия сил земного тяготения. В условиях невесомо­сти капля любой жидкости (независимо от ее размеров) имеет сферическую форму, что доказано экспериментально на косми­ческих кораблях.

Итак, условием устойчивого равнове­сия жидкости является минимум повер­хностной энергии. Это означает, что жид­кость при заданном объеме должна иметь наименьшую площадь поверхности, т. е. жидкость стремится сократить пло­щадь свободной поверхности. В этом слу­чае поверхностный слой жидкости можно уподобить растянутой упругой пленке, в которой действуют силы натяжения.

Рассмотрим поверхность жидкости (рис. 97), ограниченную замкнутым кон­туром. Под действием сил поверхностного натяжения (направлены по касательной к поверхности жидкости и перпендикуляр­но участку контура, на который они дей­ствуют) поверхность жидкости сократи­лась.

Силы, действующие со сторо­ны выделенного участка на граничащие с ним участки, совершают работу

,

где — сила поверхностного натя­жения, действующая на единицу длины контура поверхности жидкости.

Из рис. 97 видно, что , т. е

. (5.2)

Эта работа совершается за счет уменьше­ния поверхностной энергии, т. е.

. (5.3)

Из сравнения выражений (5.1) — (5.3) видно, что

, (5.4)

т. е. поверхностное натяжение, равно силе поверхностного натяжения, приходя­щейся на единицу длины контура, ограни­чивающего поверхность. Единица повер­хностного натяжения — ньютон на метр (Н/м) или джоуль на квадратный метр (Дж/м2) (см. (5.4) и (5.1)). Большин­ство жидкостей при температуре 300 К имеет поверхностное натяжение по­рядка Н/м. Поверхностное на­тяжение с повышением температуры уменьшается, так как увеличиваются средние расстояния между молекулами жидкости.

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

Существуют вещества (сахар, соль), которые увеличивают поверхностное на­тяжение жидкости благодаря тому, что их молекулы взаимодействуют с молекулами жидкости сильнее, чем молекулы жидко­сти между собой. Например, если посолить мыльный раствор, то в поверхностный слой жидкости выталкивается молекул мыла больше, чем в пресной воде. В мыло­варенной технике мыло «высаливается» этим способом из раствора.

 

Смачивание

Из практики известно, что капля воды растекается на стекле и принимает форму, изображенную на рис. 98, в то время как ртуть на той же поверхности превращает­ся в несколько сплюснутую каплю (рис. 99). В первом случае говорят, что жидкость смачивает твердую поверхность, во втором — не смачивает ее. Смачивание зависит от характера сил, действующих между молекулами поверхностных слоев соприкасающихся сред. Для смачивающей жидкости силы притяжения между моле­кулами жидкости и твердого тела больше, чем между молекулами самой жидкости, и жидкость стремится увеличить повер­хность соприкосновения с твердым телом. Для несмачивающей жидкости силы при­тяжения между молекулами жидкости и твердого тела меньше, чем между моле­кулами жидкости, и жидкость стремится уменьшить поверхность своего соприкос­новения с твердым телом.

К линии соприкосновения трех сред (точка О есть ее пересечение с плоскостью чертежа) приложены три силы поверхно­стного натяжения, которые направлены по касательной внутрь поверхности соприкос­новения соответствующих двух сред (рис. 98 и 99). Эти силы, отнесенные к единице длины линии соприкосновения, равны соответствующим поверхностнымнатяжениям , , . Угол между касательными к поверхности жидкости и твердого тела называется краевым уг­лом. Условием равновесия капли (рис. 98) является равенство нулю суммы проекций сил поверхностного натяжения на направление касательной к поверхно­сти твердого тела, т. е.

, откуда

. (6.1)

Из условия (6.1) вытекает, что крае­вой угол может быть острым или тупым в зависимости от значений и . Если > , то и угол — острый (рис. 98), т.е. жидкость смачивает твер­дую поверхность. Если < , то и угол — тупой (рис. 99), т. е. жидкость не смачивает твердую по­верхность.

Краевой угол удовлетворяет условию (6.1), если . (6.2)

Если условие (6.2) не выполняется, то капля жидкости 2 ни при каких значениях не может находиться в равновесии. Если , то жидкость растекается по поверхности твердого тела, покрывая его тонкой пленкой (например, керосин на поверхности стекла), — имеет место пол­ное смачивание (в данном случае ). Если , то жидкость стягива­ется в шаровую каплю, в пределе имея с ней лишь одну точку соприкосновения (например, капля воды на поверхности парафина), — имеет место полное несма­чивание (в данном случае ).

Смачивание и несмачивание являются понятиями относительными, т. е. жид­кость, смачивающая одну твердую повер­хность, не смачивает другую. Например, вода смачивает стекло, но не смачивает парафин; ртуть не смачивает стекло, но смачивает чистые поверхности металлов.

Явления смачивания и несмачивания имеют большое значение в технике. На­пример, в методе флотационного обогаще­ния руды (отделение руды от пустой породы) ее, мелко раздробленную, взбалты­вают в жидкости, смачивающей пустую породу и не смачивающей руду. Через эту смесь продувается воздух, а затем она отстаивается. При этом смоченные жидко­стью частицы породы опускаются на дно, а крупинки минералов «прилипают» к пу­зырькам воздуха и всплывают на повер­хность жидкости. При механической обра­ботке металлов их смачивают специальны­ми жидкостями, что облегчает и ускоряет обработку.

 

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ СТАЛИ