§ 17. Поверхностное натяжение

Изучим одно из свойств поверхности жидкости, соприкасающейся с другой средой, например с ее собственным паром, с твердым телом, в частности со стенками сосуда.

Возьмем катушку и выдуем мыльный пузырь. Как только мы отнимем катушку от рта, пленка мыльного пузыря начнет сокращаться, он уменьшится, а затем исчезнет. Взяв проволочное кольцо с привязанной к нему в двух точках нитью, получим па нем мыльную пленку (рис. 18, а). На пленке нить лежит свободно. Прорвем пленку с одной стороны нити. Оставшаяся часть пленки сократилась, натянув нить (рис. 18, б). Получим пленку на проволочной рамке, одна перекладина которой подвижна (рис. 18, б). В этом случае пленка тоже сократилась, подмяв перекладину.

Рис. 18. Поверхностное натяжение жидкости

Выясним, чем обусловлено свойство поверхности жидкости сокращаться. На рис. 18, г изображены три молекулы и сферы их действия. Молекулярные силы, действующие на молекулу 1 со стороны молекул, находящихся в сфере молекулярного действия, взаимно уравновешиваются. В иных условиях оказывается молекула 2 на поверхности жидкости. Над ней имеется пар жидкости, действием молекул которого можно пренебречь. При таком условии молекулярные силы, действующие на молекулу 2, оказываются неуравновешенными, их равнодействующая R направлена в глубь жидкости перпендикулярно к ее поверхности., В таком состоянии находятся все молекулы поверхностного слоя толщиной в радиус сферы молекулярного действия (приблизительно слой в 1-2 молекулы).

Чтобы молекула 3 оказалась в поверхностном слое жидкости, над ней надо совершить работу против сил, втягивающих ее в глубь жидкости. Эта работа совершается за счет кинетической энергии окружающих ее молекул; в результате работы увеличивается потенциальная энергия поверхностного слоя жидкости.

Оказавшись в поверхностном слое, молекула станет обладать большей потенциальной энергией, чем молекулы, расположенные в глубине жидкости. Таким избыточным запасом потенциальной энергии обладают все молекулы поверхностного слоя жидкости. Эта энергия прямо пропорциональна величине поверхности жидкости.

Из курса механики известно, что, начиная от атома, всякая система, включая галактики, при равновесии находится в таком из всех возможных), при котором запас ее потенциальной энергии минимальный. Применительно к поверхности жидкости это означает, что данная поверхность должна сокращаться (если возможно) до минимума, тогда запас потенциальной энергии поверхностного слоя станет наименьшим. Это сокращение вызывается молекулярными силами, действующими вдоль поверхности жидкости. Они называются силами поверхностного натяжения. Наличием силы поверхностного натяжения и объясняется сокращение пленки в вышеописанных опытах. Сила поверхностного натяжения, сокращая поверхностный слой, придает капле жидкости форму шара, вызывает слипание намоченных водой волос, слипание мокрого песка. Вектор силы поверхностного натяжения F направлен перпендикулярно к любому элементу длины линии, ограничивающей поверхность жидкости, и касательно к этой поверхности (см. рис. 18, а, б). В случае, если поверхность жидкости плоская, то вектор силы поверхностного натяжения лежит в плоскости поверхности жидкости.

Выясним, как можно измерить силу поверхностного натяжения. Получив мыльную пленку на проволочной рамке, чтобы она не перемещалась, приложим к ней силу F. Сторона АВ этой рамки подвижна (см. рис. 18, в). Сила поверхностного натяжения пленок (одна из которых находится по одну сторону рамки, а другая -по другую) равна весу проволоки АВ и грузика. Если

так определять силу натяжения поверхностного слоя, например воды, керосина и т. д., то оказывается, что у разных жидкостей она различна. Для сравнения сил поверхностного натяжения различных жидкостей введена величина, называемая коэффициентом поверхностного натяжения. Величина, характеризующая свойство поверхности жидкости сокращаться и измеряемая силой поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии на поверхности жидкости, называется коэффициентом поверхностного натяжения. Если обозначить длину границы поверхности жидкости l, силу поверхностного натяжения одной пленки, действующую на этой границе,- F, то коэффициент поверх постного натяжения будет

Коэффициент поверхностного натяжения имеет наименование ^н/_м. С повышением температуры коэффициент поверхностного натяжения чистых жидкостей уменьшается.