МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СИЛЫ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ

На молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости, действуют соседние молекулы, расположенные под этим слоем и глубже. Поэтому равнодействующая сил приложенных к каждой молекуле поверхностного слоя, не равна нулю и направлена внутрь жидкости (рис. 11.35). Выберем на поверхности жидкости некоторую круговую площадку 5; молекулы, охваченные этой площадкой, связаны между собой внутренними силами взаимодействия и поэтому весь этот «мономолекулярный диск» можно рассматривать как некоторое тело. Будем интересоваться внешними силами, действующими на этот «диск» со стороны других молекул жидкости. Во-первых, к каждой молекуле площадки 5 приложена равнодействующая сила направленная внутрь жидкости перпендикулярно площадке (рис. 11.35). Если все эти силы сложить и разделить на величину площади 5, то мы получим давление, с которым поверхностный слой действует на остальную массу жидкости:

Рис. 11.35

Кроме того, на молекулы поверхностного слоя жидкости действуют силы лежащие в плоскости, касательной к поверхности жидкости. Для всех молекул, лежащих внутри площадки все эти силы взаимно уравновешиваются. Однако для молекул, расположенных вдоль контура площадки 5, силы направленные наружу, являются внешними силами; они перпендикулярны периметру и касательны к поверхности жидкости. Эти внешние силы, растягивающие пленку, называют силами поверхностного натяжения. Сила поверхностного натяжения, которая приходится на единицу длины I контура площадки, называется коэффициентом поверхностного натяжения или просто поверхностным натяжением данной жидкости:

(а выражается в или дин/см). У воды при 0° С ртути — расплавленной меди —

В этих рассуждениях мы игнорировали воздействие со стороны молекул вещества, находящихся над поверхностью рассматриваемой жидкости. Очевидно, давление и коэффициент поверхностного натяжения а должны зависеть также от той среды, которая граничит с данной жидкостью. Если, например, над поверхностью жидкости находится достаточно разреженный газ, то можно пренебречь влиянием молекул второй среды и тогда определяются только свойствами данной жидкости (ее плотностью и характером силового поля ее

молекул). При наличии над поверхностью жидкости плотного газа (пара) другой жидкости или твердого тела зависят также и от свойств этих веществ и, кроме того, от характера взаимодействия между данной жидкостью и соприкасающимися телами. Например, твердые тела могут смачиваться или не смачиваться жидкостью; соприкасающиеся жидкости могут смешиваться (растворяться, как, например, вода и спирт) или не смешиваться (весьма слабо растворяться, как, например, вода и масло). Обычно в справочных таблицах указываются значения в случае, когда над поверхностью жидкости находится ее насыщенный пар.

Коэффициент поверхностного натяжения жидкостей с повышением температуры уменьшается и делается равным нулю при критической температуре, когда исчезает различие между жидкостью и ее насыщенным паром. При наличии примесей или загрязнений в поверхностном слое а заметно уменьшается.

Рассмотрим действие молекулярных сил на границе раздела трех сред: жидкости, твердого тела и газа. Силы, действующие на каждую пограничную молекулу со стороны молекул жидкости твердого тела и газа изображены на рис. 11.36.

Рис. 11.36

Рассмотрим проекции этих сил на три направления: касательное к поверхности капли на плоскую поверхность тела, на которой находится капля и на направление, перпендикулярное этой плоскости При равновесии Образовавшийся при этом угол между поверхностью твердого тела и касательной к поверхности жидкости называется краевым углом. Если (рис. 11.36, а), то говорят, что жидкость смачивает тело: краевой угол меньше Если же (рис. 11.36, б), то краевой угол будет больше и говорят, что жидкость не смачивает твердого тела. Например, стекло смачивается водой, но не смачивается ртутью; ртуть смачивает чистую поверхность железа и т. д. При имеет место полное смачивание; при полное или абсолютное несмачивание.

Аналогичные рассуждения позволяют объяснить растекание и форму капель одной жидкости на поверхности другой. Вместо сил действующих по касательным направлениям на одну молекулу, можно взять суммарные силы, действующие на единицу длины контура, т. е. соответствующие коэффициенты поверхностного натяжения: первой жидкости, второй жидкости и

поверхностного натяжения на границе между первой и второй жидкостями (рис. 11.36, в). Для равновесного существования капли необходимо, чтобы

Если больше, чем правая часть этого выражения, то капля растекается; при этом углы и 62 уменьшаются и капля, растекаясь, превращается в тонкую пленку на поверхности второй жидкости. В некоторых случаях первые капли, растекаясь по поверхности другой жидкости в виде пленки или растворяясь в ней, уменьшают коэффициент поверхностного натяжения этой жидкости, так что. для следующих капель уже может соблюдаться условие (3.16); например, так образуются жировые капли на поверхности воды.

Силы притяжения между молекулами жидкости создают, как и у реальных газов, некоторое дополнительное давление, которое вместе с внешним давлением производит сжатие жидкости. Для приблизительного определения этого давления (называемого молекулярным давлением) можно воспользоваться уравнением Ван-дер-Ваальса, поскольку оно применимо к жидкому состоянию. В этом уравнении дополнительное давление, обусловленное молекулярными силами притяжения, оценивается величиной (V — объем одного моля). Расчет показывает, что для некоторых жидкостей величина превышает давление атмосферы в десятки тысяч раз (у воды ), поэтому все жидкости уже сильно сжаты внутренними молекулярными силами; для того чтобы вызвать дополнительное уменьшение их объема, необходимо приложить очень большое внешнее давление.

К молекулам, находящимся на поверхности жидкости, можно приложить внешние растягивающие силы, например со стороны молекул стенок сосуда, как это показано на рис. 2.30. Эти силы создадут некоторое отрицательное внешнее давление, растягивающее жидкость. Опыты показали, что к воде можно приложить отрицательное давление до , что, однако, значительно меньше