Жидкости, в отличие от газов, не занимают весь предоставленный объем, а собираются в капли разной величины. Это происходит из-за того, что жидкости обладают особым свойством, отсутствующим у газов, — поверхностным натяжением. Рассмотрим сущность этого явления.
Если кинетическая энергия сравнительно мала, то главную роль играют силы притяжения, и молекулы максимально приближаются друг к другу, находясь на энергетически выгодных расстояниях. Для изменения этих расстояний (в любую сторону) требуется затрачивать энергию. Так ведут себя твердые вещества.
Наконец, в жидкостях молекулы располагаются на близком расстоянии, однако их кинетическая энергия достаточна, чтобы постоянно менять свое положение.
Поверхностная энергия жидкости
Если рассмотреть молекулы жидкости, то можно увидеть, что молекулы в глубине и на поверхности жидкости находятся в различных энергетических условиях.
В глубине жидкости на молекулу действует давление всех окружающих ее молекул, силы отталкивания уравновешивают его на меньших расстояниях, по сравнению с молекулой на поверхности.
Получается, что у молекул на поверхности имеется некоторая избыточная потенциальная энергия, по сравнению с молекулами в глубине. Эта энергия называется поверхностной.
Общая энергия молекул поверхностного слоя складывается из потенциальной энергии отдельных молекул, а значит, пропорциональна их числу. Число молекул поверхностного слоя в свою очередь пропорционально площади поверхности. Следовательно, поверхностная энергия пропорциональна площади поверхности, и для ее определения используют формулу:
$$W_{пов}=sigma S$$
Поверхностное натяжение жидкости
Коэффициент пропорциональности $sigma$ называется коэффициентом поверхностного натяжения. Он равен поверхностной энергии жидкости на единичной ее площади (это его физический смысл) и зависит от свойств жидкости и от температуры.
Как правило, коэффициент поверхностного натяжения выше у более плотных жидкостей. При комнатной температуре наиболее велик он у ртути. Поэтому ртуть, как правило, собирается в шарообразные капельки, хотя вода при таком же объеме растекается.
Если повышать температуру, то кинетическая энергия молекул жидкости будет увеличиваться, и энергетические условия молекул на поверхности и внутри жидкости будут сближаться. При некоторых температуре и внешнем давлении (они называются критическими) поверхностная энергия становится равной нулю, поверхность жидкости исчезает, жидкость становится неотличимой от газа.
Для измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости используется рамка, помещенная в жидкость, связанная с чувствительным динамометром.
При отрыве рамки от поверхности воды динамометр зафиксирует увеличение усилия. Коэффициент поверхностного натяжения будет пропорционален этому усилию и обратно пропорционален длине рамки:
$$sigma = {F_{max} over 2l}$$
Коэффициенты поверхностного натяжения некоторых жидкостей приведены в таблице:
Что мы узнали?
Молекулы на поверхности жидкости находятся на немного бо́льших расстояниях друг от друга, по сравнению с молекулами в глубине. Поэтому они обладают некоторой поверхностной энергией. Эта энергия является источником поверхностного натяжения жидкостей, благодаря ей жидкость всегда стремится собраться в капли.
