2. Поверхностное натяжение

На поверхностях раздела жидкости и ее насыщенного пара, двух несмешиваемых жидкостей, жидкости и твердого тела воз никают силы, обусловленные различным межмолекулярным взаимодействием граничащих сред.

Каждая молекула, расположенная внутри объема жидкости, равномерно окружена соседними молекулами и взаимодействует с ними, но равнодействующая этих сил равна нулю. На молекулу, находящуюся вблизи границы двух сред, вследствие неоднород ности окружения действует сила, не скомпенсированная другими молекулами жидкости. Поэтому для переме щения молекул из объема в поверхностный слой необходимо совершить работу.

Поверхностное натяжение (коэффициент поверхностного натяжения) определяется от ношением работы, затраченной на создание некоторой поверхности жидкости при посто янной температуре, к площади этой поверхности:

(коэффициент поверхностного натяжения)=A\S

Условием устойчивого равновесия жидкостей

является мини мум энергии поверхностного слоя, поэтому при отсутствии внеш них сил или в состоянии невесомости жидкость стремится иметь Минимальную площадь поверхности при данном объеме и прини мает форму шара.

Поверхностное натяжение может быть определено не только энергетически. Стремление поверхностного слоя жидкости сокра титься означает наличие в этом слое касательных сил — сил по верхностного натяжения. Если выбрать на поверхности жид кости некоторый отрезок длиной l , то можно условно изобразить эти силы стрелками, перпендикулярными отрезку.

Поверхностное натяжение равно отношению силы поверхност ного натяжения к длине отрезка, на котором действует эта сила:

(коэффициент поверхностного натяжения) = F\l

Из школьного курса физики известно, что оба определения тождественны.

Поверхностное натяжение зависит от температуры. Вдали от критической температуры значение его убывает линейно при уве личении температуры. Снижения поверхностного натяжения Можно достигнуть введением в жидкость поверхностно-активных веществ, уменьшающих энергию поверхностного слоя.

3. Смачивание и несмачивание. Капиллярные явления.

На границе соприкосновения различных сред может наблю даться смачивание или несмачивание.

На рисунках показана капля жидкости на поверхности другой, не смешивающейся с ней жидкости и на поверхности твердого тела . На поверхностях раздела каждых двух сред (1 и 3, 2 и 1, 3 и 2) действуют силы поверхностного на тяжения . Если эти силы разделить на дли ну окружности капли (границы трех сред), то получим соответ ственно σ13, σ21, σ32.

Угол θ между смачиваемой поверхностью и касательной к по верхности жидкости, отсчитываемый через нее, называют крае вым.

За меру смачивания принимают величину

cosθ=(σ13-σ32)\σ21

Если σ32 < σ13 , то θ < πr/2, и жидкость смачивает твердое тело, поверхность которого в этом случае называется гид рофильной. В случае σ32 < σ13 θ > π/2, жидкость не смачивает тело, поверхность его в этом случае называют гид рофобной.

Несмачивающая жидкость не протекает через малые отверстия в твердом теле. При |σ32 — σ13 |> σ21 краевой угол определить нельзя, так как cos θ не может быть больше единицы. В этом случае капля растекается по поверхности твердого тела до тех пор, пока не покроет всей его поверхности или пока не образу ется мономолекулярный слой. Такой случай является идеальным смачиванием. К нему с некоторым приближением можно отнести растекание спирта или воды по чистой поверхности стек ла, нефти по воде и пр.

Под действием сил поверхностного натяжения поверхностный слой жидкости искривлен

и оказывает дополнительное по отно шению к внешнему давление ∆р. Поверхностный слой подобен уп ругой оболочке, например резиновой пленке. Результирующая cил поверхностного натяжения искривленной поверхности на правлена в сторону вогнутости (к центру кривизны). В случае сфе рической поверхности, радиус кривизны которой r, дополнительное давление

∆р= 2σ\r

Искривление поверхности (мениск), в частности, возникает в узких (капиллярных) трубках в результате смачивания или несмачивания жидкостью их поверхности. При смачивании образу ется вогнутый мениск. Силы давления направлены от жидкости наружу, т. е. вверх, и обусловливают подъем жидкости в капилляре. Это равновесное состояние, показанное на рисунке, наступает тогда, когда давление pgh уравновесит ∆р.

Видно, что r =R/cos θ , где R — радиус капилляра.

Поэтому получаем:

∆р= 2σ cos θ \ R

тогда:

pgh= 2σ cos θ \ R

откуда высота поднятия жидкости в капилляре

h= 2σ cos θ \ Rpg

Т. е. зависит от свойств жидкости и материала капилляра, а также от его радиуса.

В случае несмачивания cos θ < 0 и формула покажет высоту опус кания жидкости в капилляре.

Капиллярные явления определя ют условия конденсации паров, кипения жидкостей, кристаллизации и т. п. Так, например, на молекулу пара над вогнутым ме ниском жидкости действует больше моле кул жидкости и, следовательно, большая сила, чем при выпуклом мениске (показа ны стрелками). Это видно из рис. 7.13, на котором штриховыми линиями условно по казаны сферы молекулярного действия, а заштрихованные участки — объемы жид кости, молекулы которых притягивают вы деленную молекулу пара. В результате это го возникает капиллярная конденсация в смачиваемых тонких трубках даже при сравнительно малой влажности воздуха. Благодаря этому пористые вещества могут задерживать значительное количество жидкости из паров, что приводит к увлажнению белья, ваты в сырых помещени ях, затрудняет сушку гигроскопических тел, способствует удержа нию влаги в почве и т. п. Наоборот, несмачивающие жидкости не проникают в пористые тела. С этим связана, например, непроница емость для воды перьев птиц, смазанных жиром.

Рассмотрим поведение пузырька воздуха, находящегося в ка пилляре с жидкостью. Если давление жидкости на пузырек с раз ных сторон одинаково, то оба мениска пузырька будут иметь оди наковый радиус кривизны, и силы дополнительного давления будут уравновешивать друг друга F1 = -F2. При из быточном давлении с одной из сторон, например при движении жидкости, мениски деформируются, изменятся их радиусы кри визны , дополнительное давление ∆р с разных сторон станет неодинаковым. Это приведет к такому воздействию на жидкость со стороны пузырька воздуха (газа), которое затруднит или прекратит движение жидкости. Такие явления могут проис ходить в кровеносной системе человека.

Попавшие в кровь пузырьки воздуха могут закупорить мелкий сосуд и лишить кровоснабжения какой-либо орган. Это явление, называемое эмболией, может привести к серьезному функци ональному расстройству или даже летальному исходу. Так, воз душная эмболия может возникнуть при ранении крупных вен: проникший в ток крови воздух образует воздушный пузырь, препятствующий прохождению крови. Пузырьки воздуха не должны попадать в вены при внутривенных вливаниях.

Газовые пузырьки в крови могут появиться у водолазов при быстром подъеме с большой глубины на поверхность, у летчиков космонавтов при разгерметизировании кабины или скафандра на большой высоте (газовая эмболия). Это обусловлено переходом азов крови из растворенного состояния в свободное — газообразное — в результате понижения окружающего атмосферного дав ления. Ведущая роль в образовании газовых пузырьков при уменьшении давления принадлежит азоту, так как он обусловливает основную часть общего давления газов в крови и не участвует газообмене организма и окружающего воздуха.