ВУЗ:
Составители:
Рубрика:
3.7 Поверхностное натяжение
В жидкости потенциальная энергия притяжения молекул близка к их средней кинетической энер-
гии. Вследствие сильного притяжения молекул жидкость сохраняет объем. На границе с паром жид-
кость образует свободную поверхность. Молекулы на поверхности жидкости находятся в иных услови-
ях по сравнению с молекулами внутри жидкости. Внутри жидкости результирующая сила притяжения,
действующая на молекулу со стороны других молекул, равна нулю (рис. 3.7.1, а). На этом рисунке изо-
бражена сфера, в центре которой помещена молекула. Радиус сферы составляет несколько молекуляр-
ных диаметров. Так как концентрация молекул в жидкости одинакова, в верхней и
нижней полусферах находится в среднем одинаковое количество молекул. Поэтому си-
лы притяжения данной молекулы молекулами из нижней и верхней полусферы взаимно
уравновешиваются.
Если молекула находится на поверхности жидкости, то концентрация молекул в
верхней полусфере существенно меньше концентрации молекул в нижней полусфере.
Сила притяжения со стороны молекул в нижней полусфере существенно больше силы
притяжения со стороны молекул пара (рис. 3.7.1, б). Поэтому молекулы, находящиеся на
поверхности, под действием результирующей силы притяжения притягиваются внутрь
жидкости.
На поверхности жидкости остается такое число молекул, при котором площадь по-
верхности жидкости оказывается минимальной при данном ее объеме. Поэтому жид-
кость принимает сферическую форму, имеющую минимальную поверхность среди всех
тел с тем же объемом. При свободном падении, в состоянии невесомости, капли дождя
практически имеют форму шара. В космическом корабле в отсутствие силы тяжести даже достаточно
большая масса жидкости принимает шарообразную форму.
Молекулы поверхностного слоя оказывают молекулярное давление на жидкость. Этот эффект при-
нято называть поверхностным натяжением.
Поверхностное натяжение – это явление молекулярного давления на жидкость, вызванного при-
тяжением молекул поверхностного слоя к молекулам внутри жидкости.
Установлено опытным путем, что сила поверхностного натяжения пропорциональна длине l линии,
находящейся в поверхностном слое жидкости
lF
α
=
н
, (3.7.1)
где α – коэффициент поверхностного натяжения. Он численно равен силе поверхностного натяжения, с
которой поверхностный слой жидкости действует на произвольную линию единичной длины, находя-
щуюся в этом слое. Коэффициент поверхностного натяжения в системе СИ измеряют в ньютонах на
метр (1 Н/м). Величина коэффициента поверхностного натяжения зависит от рода жидкости и от темпе-
ратуры. С ростом температуры поверхностное натяжения уменьшается. При критической для данной
жидкости температуре ее поверхностное натяжение обращается в нуль. Примеси уменьшают поверхно-
стное натяжение. Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение жидкости, называются поверхно-
стно активными для данной жидкости. Для воды поверхностно активными являются спирт, мыло, сти-
ральные порошки.
Молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости, обладают дополнительной потенциаль-
ной энергией по сравнению с молекулами, находящимися внутри жидкости. Энергия поверхностного
слоя – это та часть внутренней энергии жидкости, которую можно превратить в механическую работу в
изотермическом процессе. За счет энергии поверхностного слоя
совершается работа при уменьшении площади поверхности поверхностного
слоя.
Рассмотрим опыт, схема которого приведена на рис. 3.7.2. По
боковым сторонам п-образной проволочной рамки может скользить
без трения легкая перекладина. Опустим рамку в мыльный раствор,
так чтобы на контуре 12341 образовалась мыльная пленка.
Перекладина первоначально находится в положении 1 – 4, а затем
под действием сил поверхностного
натяжения поднимется на величину h
∆
и займет положение 1′ – 4′. Мыльная пленка на контуре имеет две по-
верхности. Поэтому сила поверхностного натяжения, действующая на перекладину, равна lF
α
=
2
п
. В
положении 1′ – 4′ сила поверхностного натяжения уравновешивается силой тяжести грузика. Зная силу
поверхностного натяжения и расстояние h∆ , можно вычислить работу
а)
б)
Рис. 3.7.1
Рис. 3.7.2
32
1
4
1′
н
F
r
gm
r
l
∆
h
4
′
Страницы
- « первая
- ‹ предыдущая
- …
- 19
- 20
- 21
- 22
- 23
- …
- следующая ›
- последняя »
