Поверхностное натяжение – стремление жидкости уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с другой фазой (поверхностную энергию).

Таким образом, поверхностное натяжение имеет двойной физический смысл – энергетический (термодинамический) и силовой ( механический). Энергетическое (термодинамическое) определение: поверхностное натяжение – это удельная работа увеличения поверхности при её растяжении при условии постоянства температуры. Силовое (механическое) определение: поверхностное натяжение – это сила, действующая на единицу длины линии, которая ограничивает поверхность жидкости.

Следует иметь ввиду, что вследствие крайне низкой сжимаемости наличие более плотно упакованного поверхностного слоя не приводит к сколь-нибудь заметному изменению объема жидкости. Если молекула переместится с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу. Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (т.е. увеличить площадь поверхности жидкости), внешние силы должны совершить положительную работу , пропорциональную изменению площади поверхности: , где называется коэффициентом поверхностного натяжения .

Таким образом, с точки зрения энергетической: коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу: ,с точки зрения силовой: коэффициентом поверхностного натяжения называется величина, численно равная силе поверхностного натяжения, приходящейся на единицу длины поверхности раздела сред: .

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от химического состава жидкости и её температуры. С увеличением температуры уменьшается и обращается в нуль при критической температуре. При введении в жидкости примесей, поверхностно-активных веществ коэффициент поверхностного натяжения уменьшается.

Так как появление поверхности жидкости требует совершения работы, каждая среда «стремится» уменьшить площадь своей поверхности:

· в невесомости капля принимает сферическую форму (сфера имеет наименьшую площадь поверхности среди всех тел одинакового объёма).

· струя воды «слипается» в цилиндр.

· маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила тяготения оказывается уравновешенной силой поверхностного натяжения.

· некоторые насекомые (например, водомерки) способны передвигаться по воде, удерживаясь на её поверхности за счёт сил поверхностного натяжения.

· на многих поверхностях, именуемых несмачиваемыми, вода (или другая жидкость) собирается в капли.

Обычно мы наблюдаем жидкости, подверженные действию сил земного тяготения. При этом жидкость принимает форму, соответствующую минимуму суммарной энергии – энергии в поле силы тяготения и поверхностной энергии.

Было доказано теоретически, что понятие поверхностного натяжения жидкости однозначно является частью понятия внутренней энергии.

Поверхностное натяжение может быть на границе газообразных, жидких и твёрдых тел. Обычно имеется в виду поверхностное натяжение жидких тел на границе «жидкость – газ». В случае жидкой поверхности раздела поверхностное натяжение правомерно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины контура поверхности и стремящуюся сократить поверхность до минимума при заданных объёмах фаз. Прибор для измерения поверхностного натяжения называется тензиометром.

Пример. Некоторые жидкости, как, например, мыльная вода, обладают способностью образовывать тонкие пленки. Всем хорошо известные мыльные пузыри имеют правильную сферическую форму – в этом тоже проявляется действие сил поверхностного натяжения. Если в мыльный раствор опустить проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна, то вся она затянется пленкой жидкости (рис. 144).

Рис. 144.

Подвижная сторона проволочной рамки в равновесии под действием внешней силы и результирующей сил поверхностного натяжения .

Силы поверхностного натяжения стремятся сократить поверхность пленки. Для равновесия подвижной стороны рамки к ней нужно приложить внешнюю силу:

.

Если под действием силы перекладина переместится на , то будет произведена работа:

,

где – приращение площади поверхности обеих сторон мыльной пленки. Так как модули сил и одинаковы, можно записать: . Из последнего выражения следует, что: .