Лекция 16. Поверхность жидкости

§ 16-1. Поверхностное натяжение в жидкостях.

Жидкое состояние вещества обязано своим существованием взаимодейст-вию молекул между собой. Между молекулами действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания. Природа этих сил электрическая, но они по разному зависят от расстояния: силы отталкивания оказываются более дальнодействующими. Как известно, жидкость имеет определенные границы, поэтому молекулы, находящиеся в пограничном слое, испытывают несколько другие воздействия по сравнению с молекулами, находящимися в «глубине» жидкости. «Глубинные» мо-лекулы взаимодействуют со всеми окружающими их молекулами так, что равнодействующая всех сил для каждой «глубинной» молекулы оказывается равной нулю, тогда как на молекулы пограничного слоя действуют силы только с одной стороны мысленной сферы, описанной вокруг рассматриваемой молекулы. Появляется равнодействующая всех сил притяжения, направленная внутрь от границы. Наличие же сил отталкивания, которые тоже не компенсируются, приводит к тому, что расстояния между молекулами в пограничном слое несколько увеличиваются по сравнению с молекулами, находящимися внутри жидкости; в свою очередь, это приводит к тому, что энергия взаимодействия между молекулами также увеличивается. Таким образом, молекулы поверхностного слоя обладают добавочной потенциальной энергией W_пов,величина которой зависит от площади поверхности, ограничивающей жидкость. Жидкость стремится к тому, чтобы по воз-можности уменьшить свою потенциальную энергию (это свойство присуще всем системам, обладающими потенциальной энергией), поэтому жидкость стремится приобрести форму шара, при условии, что на нее не действуют никакие внешние силы (например, сила тяжести), т.к. из всех геометрических тел определенного объема (массы) шар обладает наименьшей площадью ограничивающей его поверхностью. Хотя на молекулы пограничного слоя действуют силы, стремящиеся втянуть их вглубь жидкости, наблюдения за поверхностью жидкости показывают, что молекулы этого слоя могут достаточно долго оставаться на месте (вспомните пятна бензина и масла на поверхности луж). Это означает, что существуют еще какие-то силы, которые уравновешивают силы «втягивания». Эти силы назвали
силами поверхностного натяжения потому, что они возникают в результате взаимодействия между собой молекул поверхностного слоя (см. рис.62). При малей-

Fпов Fнат Fнат граница раздела Fвтяг жидкость l Рис.62. Возникновение сил поверхностного на- тяжения.

шем смещении какой-нибудь молекулы из поверхностного слоя вглубь жидкости возникает сила Fпов, направленная вверх, которая компенсирует Fвтяг. В пределе бесконечно малых смещений силы взаимодействия направлены по касательной к поверхности. Величина силы поверхностного натяжения зависит от природы жидкости и от протяженности поверхности, т.е. от ее длины l (cм.риc.62). Fпов = a l, (16-1)

где a - коэффициент поверхностного натяжения, характеризующий свойства жид-

кости. Из выражения (16-1) следует, что a представляет силу, действующую на

единицу длины. Силы поверхностного натяжения стремятся сократить поверхность жидкости. Это приводит к тому, что при искривлении поверхности жидкос-

2R   Рис.63. Добавочное давле- ние под изогнутой поверхностью.

ти в ней возникает добавочное давление Dр, величина которого легко вычисляется. Для этого мысленно разрежем сферическую каплю жидкости по диаметру (рис.63). Силы поверхностного натяжения действуют по касательной так (см. рис.), что на верхнюю полусферу действует результирующая сила, направленная вниз, а на нижнюю - направленная вверх. Величина этих сил одинакова и равна: , (16-2) где R - радиус капли, а 2pR - длина окружности, перпендикулярно которой действуют силы поверх-

ностного натяжения (a на единицу длины). Каждая из этих двух сил действует на площадь , поэтому величина добавочного давления Dр равна:

. (16-3)..
Это добавочное давление проявляется в так называемых капиллярных явлениях, когда уровень жидкости в очень узких трубках (капиллярах) поднимается (или опускается) относительно уровня жидкости в широкой части сосуда (см.рис.64).

2R   h     Рис.64.Капиллярные явления.

Как видно из рис., поведение жидкости в капилляре определяется формой мениска: при вогнутом мениске добавочное давление направлено вверх, и жидкость поднимается, а при выпуклом мениске добавочное давление направлено вниз, и жидкость опускается. Направление выпуклости мениска зависит от сравнительной силы взаимодействия между молекулами жидкости и жидкости и твердого тела, ограничивающего жидкость. Если взаимодействие жидкость - жидкость меньше, чем взаимодействие жидкость - твердое тело, то равнодействующая двух сил (см. рис.65) Fрез направлена в сторону твердого тела. Молекулы жидкости, находящиеся вблизи границы раздела, сильнее при-

тягиваются к твердому телу. В состоянии равновесия граница раздела располагает

Fтж   Fжж Fрез     мениск J жидкости Рис.65. Явление смачивания.

ся так, чтобы быть перпендикулярной результирующей силе. Жидкость как бы стремится подняться по поверхности твердого тела. В этом случае говорят, что наблюдается явление смачивания. Смачивание может полным и не полным. Степень смачивания определяетсякраевым углом (см. рис.). Этот угол определяется как угол между касательной к поверхности жидкости и поверхностью твердого тела. При полном смачивании крае-

вой угол стремится к нулю. Если же взаимодействие жидкость-твердое тело мень-ше, чем жидкость - жидкость, то результирующая сила направлена вовнутрь жид-

жидкость J       J   Fтж   Fжж Fрез

Рис.66. Форма мениска

Поиск по сайту: