В различных жидкостях силы притяжения молекул различны. Это приводит к тому, что и силы поверхностного натяжения также различаются. Для характеристики этих сил существует специальная величина — коэффициент поверхностного натяжения. Рассмотрим физический смысл коэффициента поверхностного натяжения.
В результате молекулы в глубине находятся в среднем на меньших расстояниях друг от друга. Получается, что молекулы на поверхности обладают некоторой избыточной потенциальной энергией по сравнению с ними.
Потенциальная энергия, которой обладают молекулы поверхностного слоя жидкости по сравнению с молекулами в глубине, называют поверхностной энергией.
Коэффициент поверхностного натяжения
Поскольку поверхностная энергия обуславливается взаимным притяжением молекул поверхностного слоя жидкости, то ее величина пропорциональна количеству молекул поверхностного слоя, которое пропорционально его площади. Таким образом, поверхностная энергия пропорциональна площади поверхностного слоя:
$$W_{пов}=sigma S$$
Коэффициент пропорциональности $sigma$ называется коэффициентом поверхностного натяжения. Этот коэффициент зависит от свойств молекул жидкости и от температуры. Поскольку энергия измеряется в джоулях, а площадь в квадратных метрах, то его размерность — джоуль на квадратный метр (или ньютон на метр).
Отсюда можно видеть физический смысл коэффициента поверхностного натяжения — это поверхностная энергия жидкости, имеющей единичную площадь поверхности.
Измерение силы поверхностного натяжения
Для определения силы и коэффициента поверхностного натяжения используют кольцо или рамку, помещенную в жидкость, связанную с чувствительным динамометром.
Если динамометр с рамкой медленно поднимать, то в момент отрыва рамки от жидкости динамометр начнет отмечать увеличение усилия. Самое большое значение силы $F_{max}$, зафиксированное динамометром в момент отрыва рамки длиной $l$ от поверхности жидкости, и позволит определить коэффициент поверхностного натяжения:
$$sigma = {F_{max} over 2l}$$
Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения жидкости будет пропорционален максимальной силе, зафиксированной динамометром, и обратно пропорционален длине рамки. Двойка в знаменателе формулы появляется потому, что у пленки жидкости две внешние поверхности.
Если таким образом определить, например, коэффициент поверхностного натяжения воды, то для рамки длиной 10 см при 20 ⁰С максимальная сила при отрыве составит 14–15 мН. Подставив данные в формулу, получим значение 70–75 мН/м. Для других жидкостей коэффициенты при комнатной температуре приведены в таблице:
Ртуть имеет значительно больший коэффициент поверхностного натяжения, чем вода. Именно поэтому капельки ртути имеют почти шарообразную форму, хотя капельки воды того же объема растекаются.
Что мы узнали?
Поверхностная энергия жидкости характеризуется специальным параметром, который называется «коэффициент поверхностного натяжения». Его физический смысл в том, что это поверхностная энергия жидкости, имеющей единичную площадь поверхности.
