Поверхностное натяжение

Любая поверхность раздела обладает свободной энергией, являющейся мерой работы, затрачиваемой на перемещение молекул из глубины жидкости на ее поверхность. Поверхностная энергия, приходящаяся на единицу площади, равна энергии, необходимой для растяжения поверхности. При этом работа будет совершаться против внутренних сил притяжения молекул. О наличии свободной энергии свидетельствует стремление жидкости самопроизвольно сокращаться. Такое же внутреннее притяжение действует на молекулы, составляющие поверхность твердого тела, которая остается неподвижной. Стремление поверхности к сокращению позволяет ввести понятие “поверхностного натяжения”. Оно представляет собой силу, действующую по касательной к поверхности. При этом поверхностное натяжение, отнесенное к единице длины, равно поверхностной энергии, отнесенной к единице площади.

Чтобы отделить одну жидкость от другой жидкости, газа или твердого тела, необходимо преодолеть силу притяжения, действующую через поверхность раздела фаз на соприкасающуюся с жидкостью фазу. Для этого требуется совершить работу, равную сумме отдельно взятых поверхностных энергий за вычетом энергии, которой обладает поверхность раздела фаз.

Рассмотрим две не смачивающиеся соприкасающиеся жидкости (рис. 1.4).

А Поверхность

раздела

_В

Рис. 1.4. Поверхность раздела двух несмешивающихся жидкостей

В данном случае работа разделения будет определяться

W_lalb=s_lag+s_lbg+s_lalb,

где s_lag - поверхностная энергия жидкости А в присутствии газа;

s_lbg - поверхностная энергия жидкости В в присутствии газа;

s_lalb - поверхностная энергия жидкости А в присутствии жидкости В.

Если обе жидкости совершенно не смачиваются, то натяжение поверхности раздела между ними равно нулю или отрицательно. При этом молекулярные силы не облегчают разделения жидкостей. Наоборот, каждая жидкость притягивает молекулы другой жидкости с силой равной (или даже большей) силе притяжения собственных молекул. Следовательно, работа разделения равна или больше суммы двух отдельно взятых поверхностных энергий, и молекулы обеих жидкостей могут свободно перемешиваться. В этом случае

W_lalb≥σ_lag+s_lbg.

В частном случае, когда А и В представляют собой одну и ту же жидкость, т.е. s_lag=s_lbg=s и работа разделения равна

W_lalb=2s.

Рассмотрим поверхность раздела жидкости и газа, соприкасающихся с поверхностью твердого тела (рис. 1.5).

s_lg