Поверхностное натяжение.

Явление поверхностного натяжения возникает во всех случаях, когда в системе имеется граница раздела фаз и объясняется возникновением избыточной (свободной) поверхностной энергией. Рассмотрим, например поверхностный слой жидкости на границе с газом (рис. 2.4.1). На молекулы, лежащие непосредственно в поверхностном слое (вдоль периметра) действуют силы F_i, лежащие в плоскости, касательной к поверхности раздела фаз: они перпендикулярны к периметру и касательны к поверхности жидкости. С другой стороны, на эти молекулы действуют силы со стороны молекул, находящихся под этим слоем и ниже - f_i. Равнодействующая этих сил R_i=∑f_i не равна нулю и направлена внутрь жидкости. Если все эти силы сложить и разделить на величину площади периметра поверхностного слоя жидкости S, то мы получим давление, с которым поверхностный слой действует на остальную массу жидкости:

.

 

Рис.2.4.1. Силы, действующие на молекулы в поверхностном слое и объеме жидкости.

Молекулы, находящиеся внутри жидкости, испытывают равномерное воздействие со стороны других молекул и могут перемещаться в любом направлении без затрат энергии. Для перемещения же молекул в поверхностный слой потребуется дополнительная энергия. Этот эффект проявляется, например, в том случае, если мы хотим "растянуть" поверхность жидкости, т.е. увеличить ее периметр. Тогда поверхностное натяжение можно определить работой, необходимой для образования единицы поверхности.

Коэффициент поверхностного натяжения - это работа, необходимая для образования единицы новой площади поверхности раздела фаз в обратимом изотермическом процессе при постоянном давлении и постоянных химических потенциалах:

s = .

Единицы измерения: в системе СИ- , в системе СГС - .

Кроме этого, можно дать и «силовое» определение коэффициента поверхностного натяжения, полагая, что это сила, необходимая для образования единицы новой поверхности:

,

с единицей измерения или

Значения коэффициента поверхностного натяжения для каждой жидкости зависят от межмолекулярных сил, которые определяются строением молекул и полярностью жидкости. Полярность характеризует степень сцепления молекул и зависит от таких характеристик вещества как диэлектрическая проницаемость, поляризуемость, дипольный момент. После ртути вода – наиболее полярная жидкость (ее диэлектрическая проницаемость ε=81), и коэффициент поверхностного натяжения = 72,75 мН/м при 20⁰C, для ртути = 470 мН/м, для керосина = 24 мН/м.

Уменьшение поверхностной энергии жидкости достигается не только сокращением ее поверхности, но и добавлением в поверхностный слой молекул, способных ослабить сцепление молекул жидкости и тем самым понизить коэффициент поверхностного натяжения. Такие вещества называются поверхностно-активными. Они состоят из полярных групп типа –ОН и –СООН, обладающих большим дипольным моментом, обращенным в сторону жидкости (классический пример такого вещества – мыло). Существуют и такие вещества, которые повышают поверхностное натяжение, для воды это, например, сахар и соль.