Энергия поверхностного слоя и поверхностное натяжения жидкостей
1. На поверхности жидкости, вблизи границы, разделяющий жидкость и её пар, молекулы испытывают межмолекулярное взаимодействие не такое, как молекулы, находящейся внутри объема жидкости.
Молекула 1 окружённая со всех сторон другими молекулами той же жидкости, испытывает в среднем одинаковые силы притяжения ко всем своим соседям. Эти силы в среднем взаимно компенсируют друг друга и их равнодействующая равна нулю (рис.1) Молекула 2 испытывает меньшее притяжение вверх со стороны молекул пара и большее притяжение вниз со стороны молекул жидкости. На рис. 1 силы притяжения молекулы 2 к молекулам пара показаны пунктиром. В результате на молекулы, расположенные в поверхностном слое, действует направленная вниз равнодействующая R сил, которую принято относить к единице площади поверхностного слоя.
2 Для перенесения молекул из глубины объёма жидкости в её поверхностный слой необходимо совершить работу на преодоление силы R . Эта работа идёт на увеличение поверхностной энергии. Так называется избыточная потенциальная энергия, которой обладают молекулы в поверхностном слое по сравнению с их потенциальной энергией внутри остального объёма жидкости.
A=(ПS-ПV)N
Для того чтобы изотермически увеличить поверхностный слой жидкости за счёт молекул, находящихся в её объёме, необходимо совершить работу А, равную где ПS- потенциальная энергия одной молекулы в поверхностном слое, ПV –потенциальная энергия молекулы в объёме жидкости, N- число молекул в поверхностном слое жидкости.
3. Коэффициентом поверхностного натяжения (или поверхностным натяжением) жидкости называется работа, необходимая для изотермическая увеличения площади поверхности жидкости на одну единицу:
где n- число молекул на единице площади поверхности жидкости.
Если поверхность жидкости ограничена периметром смачивания, то коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе, действующей на единицу длины периметра смачивания и направленной перпендикулярно к этому периметру:
Где L- длина периметра смачивания, F – сила поверхностного натяжения, действующая на длине L-периметра смачивания. Сила поверхностного натяжения лежит в плоскости касательной к поверхности жидкости.
Сокращение площади поверхности жидкости уменьшает её поверхностную энергию. Условием устойчивого равновесия жидкости, как и любого тела является минимум потенциальной поверхностной энергии. Это значит, что в отсутствие внешних сил жидкость должна иметь при заданном объёме наименьшую площадь поверхности и принимает форму шара.
С повышением температуры жидкости и приближением её к критической, при Т =Ткр., коэффициент поверхностного натяжения >0. В дали от Ткр коэффициент линейного убывает при возрастании температуры. Для уменьшения поверхностного натяжения жидкости к ней добавляются специальные примеси, которые располагаются на поверхности уменьшают поверхностную энергию (поверхностно-активные вещества):мыло, жирные кислоты и т.п.
