§ 94. Поверхностное натяжение

До сих пор мы рассматривали тепловые свойства и явления, имевшие объемный характер; в них участвовала вся масса тела. Наличие у тел свободных поверхностей приводит к существованию особой категории явлений, называемых поверхностными или явлениями капиллярности.

Строго говоря, всякое тело находится не в вакууме, а в какой-либо другой среде, например в атмосфере. Поэтому следует говорить не просто о поверхности тел, а о поверхностях раздела двух сред.

В поверхностных явлениях участвуют только те молекулы, которые находятся непосредственно у самой поверхности тел. Если размеры тел не очень малы, то число таких молекул весьма мало по сравнению с числом молекул в основном объеме. Поэтому поверхностные явления обычно не играют большой роли. Они, однако, становятся существенными у тел малых размеров.

Молекулы, расположенные вблизи поверхности в некотором тонком поверхностном слое, находятся в условиях, отличных от условий внутри тела. Молекулы внутри тела окружены со всех сторон такими же молекулами, молекулы же вблизи поверхности имеют одинаковых с ними соседей лишь с одной стороны. Это приводит к тому, что энергия молекул в поверхностном слое отлична от их энергии внутри тела. Pa3HOCTbjjejKfly_9HeprHeH всех молекул (обеих сред) вблизи пЪверхности раздела и той энергией, которую эти молекулы имели бы, если бы они находились внутри тела, называется поверхностной. энергией.

"Очевидно, что поверхностная энергия пропорциональна* площади S поверхности раздела:

Коэффициент а зависит от природы соприкасающихся сред и от их состояния. Он называется коэффициентом поверхностного натяжения.

Как мы знаем из механики, силы действуют всегда так, чтобы привести тело в состояние с наименьшей энергией. В частности, и поверхностная энергия стремится принять наименьшее возможное значение. Отсюда следует, что коэффициент а всегда положителен. В противном случае соприкасающиеся среды не могли бы существовать в раздельном виде—■ их поверхность раздела стремилась бы неограниченно увеличиваться, т. е. обе среды стремились бы взаимно перемешаться.

Напротив, из положительности коэффициента поверхностного натяжения следует, что поверхность раздела двух сред всегда стремится уменьшиться. Именно с этим связано стремление капелек жидкости (или пузырьков газа) принять сферическую форму: при заданном объеме шар обладает наименьшей из всех фигур поверхностью. Этому стремлению противодействует влияние сил тяжести, но для маленьких капелек это влияние слабо и их форма близка к сферической.

В условиях невесомости такой же будет форма и любой свободной массы жидкости. Такие условия можно имитировать в известном опыте с шарообразной массой растительного масла, плавающей внутри смеси спирта и воды с тем же удельным весом.

Поверхностное натяжение проявляет себя как сила в следующем простом примере. Представим себе пленку жидкости, натянутую на проволочную рамку, одна из сторон которой (с длиной /) может перемещаться (рис. 1). Благодаря стремлению поверхности уменьшиться, на проволочку будет действовать сила, которую на подвижной части рамки можно непосредственно измерить. По общим правилам механики эта сила F определяется производной от энергии (в данном случае поверхностной энергии) по координате х вдоль направления действия силы:

Но площадь поверхности пленки S=lx, поэтому

Это и есть сила, действующая на отрезок / рамки и обусловленная поверхностным натяжением на одной из сторон пленки (так как пленка имеет две стороны, то всего на отрезок / действует сила, вдвое большая). Знак минус показывает, что эта сила направлена внутрь поверхности пленки.

Таким образом, на линию, ограничивающую поверхность тела (или какой-либо участок этой поверхности), действуют силы, направленные перпендикулярно этой линии по касательной к поверхности, внутрь ее; сила, отнесенная к единице длины, равна коэффициенту поверхностного натяжения а.

Размерность а вытекает из его определения и может быть представлена в различных видах: энергия на единицу площади или сила на единицу длины

Как ясно из сказанного выше, при указании значения коэффициента поверхностного натяжения надо указывать, о соприкосновении каких именно двух сред идет речь. Просто поверхностным натяжением жидкости (без указания второй среды) часто называют поверхностное натяжение на границе данной жидкости и ее пара. Эта величина всегда уменьшается с повышением температуры и обращается в нуль в критической точке, где исчезает различие между жидкостью и паром.

Приведем значения коэффициента поверхностного натяжения (в единицах эрг/см2) для нескольких жидкостей на их границе с воздухом:

Очень мало поверхностное натяжение жидкого гелия на его границе со своим паром. Оно достигает лишь 0,35 эрг/см2 (вблизи абсолютного нуля).

Поверхностное натяжение имеется, конечно, и на границе твердых тел, но здесь оно вообще очень мало проявляется в обычных условиях: сравнительно слабые поверхностные силы не могут изменить формы тела. В связи с этим прямое измерение коэффициента поверхностного натяжения твердых тел очень затруднительно, и достоверных данных о его величинах не имеется.

Поверхностное натяжение анизотропного тела — кристалла должно быть различным на разных его гранях, поскольку на разных гранях атомы расположены, вообще говоря, различным образом. По этой причине, если бы кристалл мог свободно менять свою форму под влиянием поверхностных сил, то он принял бы форму отнюдь не шарообразную, как это должно быть с изотропным телом (жидкостью), имеющим одинаковое натяжение вдоль всей своей поверхности. Можно показать, что равновесная форма кристалла в этих условиях должна иметь весьма своеобразный вид: она должна складываться из сравнительно небольшого числа плоских граней, которые, однако, не пересекаются под углами, а соединены закругленными участками.

Это явление можно наблюдать, например, при длительном прогревании (при температурах около 750° С) шариков каменной соли, выточенных из монокристалла. Высокая температура облегчает «переползание» атомов из одних мест поверхности в другие, и в результате шарик превращается в фигуру описанного выше характера.