Главная >> Физика. 10 класс. Базовый уровень. Пурышева

Глава 7. Свойства твёрдых тел и жидкостей

Поверхностная энергия

Стремление жидкости принять такую форму, при которой площадь её свободной поверхности минимальна, можно объяснить следующим образом. Как мы уже говорили, на молекулу, находящуюся на поверхности, действует сила, направленная внутрь жидкости. При перемещении молекулы эта сила совершает положительную работу. Чтобы перевести молекулу из глубины жидкости на её поверхность, внешние силы должны совершить работу. При этом потенциальная энергия молекулы возрастёт. Таким образом, молекулы поверхностного слоя обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы внутри жидкости.

Избыток потенциальной энергии частиц поверхностного слоя жидкости по сравнению с энергией этих же частиц, находящихся внутри жидкости, называют поверхностной энергией U_пов.

Как вам уже известно, система всегда стремится перейти в состояние с минимальной потенциальной энергией, поэтому поверхность жидкости сокращается и принимает форму сферы, так как при равных объёмах сфера имеет наименьшую площадь поверхности. Выразим поверхностное натяжение через поверхностную энергию.

Поверхностная энергия равна работе, совершённой при увеличении площади поверхностного слоя: U_пов = А.

Пусть мыльная плёнка образована на рамке с подвижной плёнкой. Под действием силы площадь поверхностного слоя увеличилась на ΔS = ld (рис. 128), где l — длина границы поверхностного слоя, a d — расстояние, на которое переместилась граница. Энергия поверхностного слоя увеличилась при этом на U_пов = А = Fd.

Отношение поверхностной энергии к увеличению площади поверхности равно поверхностному натяжению:

Таким образом, поверхностная энергия прямо пропорциональна изменению площади поверхности жидкости.

Возникает вопрос, почему жидкость, налитая в стакан, принимает не форму капли, а форму стакана. Это объясняется тем, что, помимо силы поверхностного натяжения, на каплю действуют сила тяжести и сила взаимодействия молекул жидкости со стенками стакана. Если же силу тяжести уравновесить, а силу взаимодействия жидкости со стенками стакана исключить, то жидкость будет иметь форму шара. Это подтверждает следующий опыт. Большую каплю анилина введём в раствор поваренной соли, плотность которого равна плотности анилина. Капля будет находиться в равновесии и примет форму шара (рис. 129).

Поверхностное натяжение различных жидкостей неодинаково, оно зависит от примесей и от температуры. Чем выше температура жидкости, тем поверхностное натяжение меньше.