Краткая теория. Поверхностное натяжение жидкости объясняется существованием сил молекулярного взаимодействия на свободной поверхности

Поверхностное натяжение жидкости объясняется существованием сил молекулярного взаимодействия на свободной поверхности, соприкасающейся с газом или другой жидкостью. Известно, что между молекулами вещества действуют силы молекулярного притяжения и отталкивания. На рис.1 изображена зависимость сил отталкивания и притяжения двух соседних молекул от расстояния между их центрами. Равнодействующая сил притяжения Fпр и отталкивания Fот, действующих на каждую молекулу изображена пунктирной линией. Эта равнодействующая дважды обращается в нуль - при расстояниях 2r_m и r₀. Условно r_m называется радиусом молекулы, а r₀ - радиусом сферы молекулярного действия. ()().

Когда расстояние между центрами молекул становиться меньше сферы радиуса r₀, центральная молекула притягивается ко всем молекулам, находящимся внутри этой сферы. (рис.1).

Если в пределах сферы молекулярного действия плотность вещества одинакова, то равнодействующая сил притяжения, действующих на центральную молекулу, равна нулю. Если же плотность вещества неодинаковая, то равнодействующая сил молекулярного притяжения не равна нулю и направлена в сторону большей плотности. А потому на каждую молекулу поверхностного слоя толщиной d действуют силы молекулярного притяжения, перпендикулярные поверхности и направленные вглубь жидкости (рис2).

Под действием этих сил молекулы стремятся уйти с поверхности в глубину. Вместе с тем молекулы поверхностного слоя обладают избытком потенциальной энергии по сравнению с молекулами, находящимися в глубине жидкости. Устойчивое равновесие жидкости связано с минимум потенциальной энергии, т.е. с минимально возможной в данном состоянии величиной поверхности жидкости. При изотермическом увеличении площади поверхности жидкости совершенная работа равна увеличению свободной поверхностной энергии.

(1)

Где - свободная энергия одной молекулы на поверхности жидкости

- свободная энергия одной молекулы в глубине

- число молекул выведенных из глубины на поверхность жидкости