Суммарная энергия частиц жидкости складывается из энергии их хаотического (теплового) движения и потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия. Для перемещения молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой надо затратить работу. Эта работа совершается за счет кинетической энергии молекул и идет на увеличение их потенциальной энергии. Поэтому молекулы поверхностного слоя жидкости обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы внутри жидкости. Эта дополнительная энергия, которой обладают молекулы в поверхностном слое жидкости, называемая поверхностной энергией, пропорциональна площади слоя DS :
где s - поверхностное натяжение.
Так как равновесное состояние характеризуется минимумом потенциальной энергии, то жидкость при отсутствии внешних сил будет принимать такую форму, чтобы при заданном объеме она имела минимальную поверхность, т. е. форму шара. Наблюдая мельчайшие капельки, взвешенные в воздухе, можем видеть, что они действительно имеют форму шариков, но несколько искаженную из-за действия сил земного тяготения.
Итак, условием устойчивого равновесия жидкости является минимум поверхностной энергии. Это означает, что жидкость при заданном объеме должна иметь наименьшую площадь поверхности, т. е. жидкость стремится сократить площадь свободной поверхности. В этом случае поверхностный слой жидкости можно уподобить растянутой упругой пленке, в которой действуют силы натяжения.
Под действием сил поверхностного натяжения (направлены по касательной к поверхности жидкости и перпендикулярно участку контура, на который они действуют) поверхность жидкости сократилась и рассматриваемый контур переместился в положение, отмеченное светло-серым цветом. Силы, действующие со стороны выделенного участка на граничащие с ним участки, совершают работу
где f - сила поверхностного натяжения, действующая на единицу длины контура поверхности жидкости.
Из рис. 97 видно, что DlDx = DS , т. е.
Эта работа совершается за счет уменьшения поверхностной энергии, т. е.
Из сравнения выражений (66.1) - (66.3) видно, что
т. е. поверхностное натяжение s равно силе поверхностного натяжения, приходящейся на единицу длины контура, ограничивающего поверхность. Единица поверхностного натяжения - ньютон на метр (Н/м) или джоуль на квадратный метр (Дж/м 2) (см. (66.4) и (бб.1)). Большинство жидкостей при температуре 300 К имеет поверхностное натяжение порядка 10 –2 -10 –1 Н/м. Поверхностное натяжение с повышением температуры уменьшается, так как увеличиваются средние расстояния между молекулами жидкости.
Поверхностное натяжение существенным образом зависит от примесей, имеющихся в жидкостях. Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение жидкости, называются пoвеpxностно-активными . Наиболее известным поверхностно-активным веществом по отношению х воде является мыло. Оно сильно уменьшает ее поверхностное натяжение (примерно с 7,5 10 –2 до 4,5 10 –2 Н/м). Поверхностно-активными веществами, понижающими поверхностное натяжение воды, являются также спирты, эфиры, нефть и др.
Существуют вещества (сахар, соль), которые увеличивают поверхностное натяжение жидкости благодаря тому, что их молекулы взаимодействуют с молекулами жидкости сильнее, чем молекулы жидкости между собой. Например, если посолить мыльный раствор, то в поверхностный слой жидкости выталкивается молекул мыла больше, чем в пресной воде.
Наиболее характерным свойством жидкости, отличающим ее от газа, является то, что на границе с газом жидкость образует свободную поверхность, наличие которой приводит к возникновению явлений особого рода, называемых поверхностными. Своим возникновением они обязаны особым физическим условиям, в которых находятся молекулы вблизи свободной поверхности.
На каждую молекулу жидкости действуют силы притяжения со стороны окружающих ее молекул, расположенных от нее на расстоянии порядка м (радиус молекулярного действия). На молекулу , расположенную внутри жидкости (рис. 1), действуют силы со стороны таких же молекул, и равнодействующая этих сил близка к нулю.
Для молекул равнодействующие сил отличны от нуля и направлены внутрь жидкости, перпендикулярно к ее поверхности. Таким образом, все молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое, втягиваются внутрь жидкости. Но пространство внутри жидкости занято другими молекулами, поэтому поверхностный слой создает давление на жидкость (молекулярное давление ).
Чтобы переместить молекулу , расположенную непосредственно под поверхностным слоем, на поверхность, необходимо совершить работу против сил молекулярного давления. Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают дополнительной потенциальной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости. Эту энергию называют поверхностной энергией .
Очевидно, что величина поверхностной энергии тем больше, чем больше площадь свободной поверхности.
Пусть площадь свободной поверхности изменилась на , при этом поверхностная энергия изменилась на 
, где a - коэффициент поверхностного натяжения.
Так как для этого изменения необходимо совершить работу
Единицей коэффициента поверхностного натяжения в СИ является джоуль на квадратный метр .
Коэффициент поверхностного натяжения - величина, численно равная работе, совершенной молекулярными силами при изменении площади свободной поверхности жидкости на единицу при изотермическом процессе.
Так как любая система, предоставленная сама себе, стремится занять такое положение, в котором ее потенциальная энергия наименьшая, то жидкость обнаруживает стремление к сокращению свободной поверхности.
Поверхностный слой жидкости ведет себя подобно растянутой резиновой пленке, т.е. все время стремится сократить площадь своей поверхности до минимальных размеров, возможных при данном объеме.
Пример: капля жидкости в состоянии невесомости имеет сферическую форму.
ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ
ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ
Избыток энергии поверхностного слоя на границе раздела фаз (по сравнению с энергией в-ва внутри тела), обусловленной различием межмолекулярных взаимодействий в обеих фазах. При увеличении поверхности раздела, т. е. при переводе молекул (атомов) в поверхностный слой, совершается против нескомпенсированных сил межмолекулярного вз-ствия у границы раздела, равная удельной с в о б о д н о й П. э. s (для жидких поверхностей она тождественна поверхностному натяжению). Полная П. э. u=s-Т(дs/дТ), где второй член представляет собой скрытую теплоту образования единицы площади поверхности (с в я з а н н а я э н е р г и я) в необратимом изотермич. процессе при тем-пре Т. Величина дs/дТ - удельная п о в е р х н о с т н а я э н т р о п и я (обычно отрицат. величина). Свободная П. э. линейно уменьшается с ростом Т, полная П. э. явл. температурным инвариантом, но для полярных жидкостей она может несколько возрастать за счёт диссоциации. Вблизи критической температуры Tкр различие св-в соседствующих объёмных фаз нивелируется и при Т= Tкр исчезает.
Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .
ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ - избыток(по сравнению с объёмными фазами) энергии поверхностного слоя между соприкасающимисяфазами, приходящийся на единицу площади разделяющей поверхности. Если последняяделит двухфазную систему А - В на части с объёмами V А и V B , то П. э. равна где U - внутр. системы, и А, плотностиэнергии в объёме фаз А и В. Аналогично определяются поверхностнаяэнтропия свободная П. э.и др. термодинамич. потенциалы. Их численные значения зависятот положения разделяющей поверхности, к-рое для плоских поверхностей обычновыбирается из условия равенства нулю адсорбции одного из компонентов (эквимолекулярнаяповерхность). В однокомпонентной системе уд. П. э.и уд. свободная П. э. (см. Поверхностное натяжение )связаны ур-нием Гиббса - Гельмгольца:
Для границы - газ 
- уд. энтропия) и В отличие от поверхностного натяжения П. э. слабо зависит от темп-ры.
Свободная П. э. определяет работу образованиязародышей новой фазы и свободную энергию акттвации процесса фазового превращения. метастабильных состояний (состояний переохлаждения, процессы диспергпрования, адгезиии смачивания. При низком значении свободной П. э. возникает самопроизвольноедиспергпрованпе фаз, происходящее, напр., вблизи критич. . Присмачивании погружением изменение свободной П. э. определяет работу смачивания(правило Дюпре). При неполном смачивании свободная П. э., входя в ур-ниеЮнга, определяет равновесную форму капли или пузыря и величину краевогоугла (см. Смачивание).
Равновесная форма анизотропного тела вобщем случае определяется минимумом свободной П. э. при заданном объёметела V
(принцип Гиббса - Кюри):
V =
const (суммирование по всем возможным i
поверхностямс площадями А i
). Согласно правилу Вульфа (1895), вытекающемуиз принципа Гиббса - Кюри, равновесная форма монокристалла характеризуетсяналичием точки (точки Вульфа), расстояния h i
от к-ройдо граней кристалла пропорциональны их свободным П. э.:= const. Чем выше свободная П. э. грани, тем меньше её вклад в свободнуюП. э. всего кристалла. В соответствии с принципом Гиббса - Кюри для изотропноготела равновесная форма - шарообразная, она присуща каплям и пузырям в отсутствиевнеш. полей. Этот принцип определяет также форму мицелл (см. Поверхностно-активныевещества, Полимеры).
Кроме П. э. и её аналогов в термодинамикеповерхностных явлений рассматриваются характеристики межфазных линий, к-рыемогут возникать как при пересечении поверхностей, так и в пределах однойповерхности, если на ней происходит двумерный . Избытокэнергии на межфазной линии называют линейной энергией. Существуют понятиялинейной свободной энергии и др. одномерных аналогов поверхностных величин. краевой угол малых капель ипузырьков на жидкой и твёрдой поверхности. Линейная вноситвклад в формирование равновесной формы малых кристаллов.
Лит.: Русанов А. И., Фазовые равновесияи , Л., 19С7; Гиббс Д. В., Термодинамика. Статистическаямеханика, пер. с англ., М., 1982; Роулинсон Дж., Уидом Б., Молекулярнаятеория капиллярности, пер. с англ., М., 1986.
А. И. Русанов.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .
Смотреть что такое "ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ" в других словарях:
Энергия, сосредоточенная на границе раздела фаз, избыточная по сравнению с энергией в объеме. При увеличении пов сти раздела фаз уд. полная П. э. (на единицу пов сти) e характеризует увеличение энергии системы. Она равна сумме мех. работы s… … Химическая энциклопедия
Избыток потенциальной энергии вещества, определяемой всеми взаимодействиями частиц, у поверхности какого либо тела по сравнению с энергией в объеме … Большой Энциклопедический словарь
Избыток потенциальной энергии вещества, определяемой всеми взаимодействиями частиц, у поверхности какого либо тела по сравнению с энергией в объёме. * * * ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ, избыток потенциальной энергии вещества,… … Энциклопедический словарь
поверхностная энергия - paviršinė energija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Paviršinio sluoksnio dalelių energijos perteklius palyginti su jų energija fazės tūryje. atitikmenys: angl. surface energy vok. Oberflächenenergie, f rus.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
поверхностная энергия - paviršinė energija statusas T sritis chemija apibrėžtis Paviršinio sluoksnio dalelių energijos perteklius, lyginant su jų energija fazės tūryje. atitikmenys: angl. surface energy rus. поверхностная энергия … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
поверхностная энергия - paviršinė energija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. surface energy vok. Oberflächenenergie, f rus. поверхностная энергия, f pranc. énergie superficielle, f … Fizikos terminų žodynas
В термодинамике, избыток энергии в тонком слое вещества у поверхности соприкосновения тел (фаз) по сравнению с энергией вещества внутри тела. Полная П. э. складывается из работы образования поверхности, т. е. работы, необходимой для… … Большая советская энциклопедия
Избыток энергии поверхностного слоя на границе раздела фаз по сравнению с соответствующей объёмной энергией самих фаз, обусловленный различием межмолекулярных взаимодействий в обеих фазах. П. э. пропорциональна площади поверхности раздела фаз,… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Избыток потенциальной энергии в ва, определяемой всеми взаимодействиями частиц, у поверхности к. л. тела по сравнению с энергией в объёме … Естествознание. Энциклопедический словарь
ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ - – избыток энергии поверхностного слоя на границе раздела фаз, обусловленный различием межмолекулярных взаимодействий в обеих фазах … Палеомагнитология, петромагнитология и геология. Словарь-справочник.
Рассмотрен вопрос прогнозирования и формирования коэффициента трения в подвижных разъемных соединениях. В качестве инструмента для управления значением требуемого коэффициента трения предложена энергия, «накаченная» в поверхностный слой сопрягаемых поверхностей. Насыщение энергией поверхностного слоя происходит во время реализации технологического процесса изготовления конкретной детали на всех стадиях производства, от создания заготовки до операции финишной обработки. Предположено, что для получения наименьшего значения величины коэффициента трения сопрягаемых поверхностей необходима минимальная разность их энергий поверхностного слоя. Управление трением методами технологического воздействия позволит приблизиться к решению проблемы плавности перемещения контактирующих поверхностей и точности позиционирования. Предложенный подход позволит совершенствовать современные конструкции изделий и избежать значительных экономических издержек.
энергия поверхностного слоя
коэффициент трения
технологическое воздействие
1. Крагальский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин: Справочник. – М.: Машиностроение, 1984. – 280 с., ил.
2. Мусохранов М.В., Антонюк Ф.И., Калмыков В.В. Поверхностная энергия и процесс схватывания контактирующих поверхностей // Наука и образование: Электронное научно-техническое издание. 2014. – № 11. URL: http://technomag.bmstu.ru/doc/737377.html (дата обращения: 12.01.2015).
3. Мусохранов М.В., Антонюк Ф.И., Калмыков В.В. Определение значения поверхностной энергии через работу выхода электрона // Современные проблемы науки и образования: Электронный научный журнал. 2014. – № 6. URL: http://www.science-education.ru/120-16036 (дата обращения: 15.01.2015).
4. Мусохранов М.В. Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя направляющих элементов машиностроения: дисс. канд. техн. наук – M. 2006. – С. 65.
5. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. – М.: Машиностроение, 2000. – 320 с.
6. Суслов А.Г., Дальский А.М. Научные основы технологии машиностроения. – М.: Машиностроение, 2002. – 684 с.
Наличие в справочной литературе нормированных данных для различных случаев компоновки сопрягаемых деталей, казалось бы, полностью решает проблему их эксплуатации. Вместе с этим становится очевидным, что в этом случае при конструировании поверхностей деталей машин как трущихся, так и составляющих неподвижные пары сопрягаемых деталей, характеризуются весьма приближенно. Эффект последствия при технологическом воздействии, а также многие природные свойства кинематических пар не учитываются вовсе. Энергетика поверхностных слоев в лучшем случае лишь констатируется, но не используется на практике. В результате возможны случаи ошибок конструирования и, как следствие, определенные экономические издержки. Определение таких издержек требует особых расчетов применительно к отдельным парам деталей и машинам в целом.
Влияние энергии поверхностного слоя на коэффициент трения
В подавляющем количестве случаев для функционирования пар трения стараются создать конструкции с относительно малым коэффициентом трения . Это, как правило, приводит к некоторому совершенствованию конструкций. В других случаях необходим относительно высокий коэффициент трения, который может быть назван как коэффициент сцепления со значением более единицы, и тогда направляющий элемент играет особую роль определения положения детали в пространстве . Таким образом, конструкция становится более совершенной.
Ситуация с использованием коэффициента трения в самом общем виде условно представлена на рис. 1. Чаще всего используют коэффициент f1, взятый из справочной литературы. Вместе с этим фактический коэффициент трения может оказаться равным f1′, поскольку непременно проявится влияние микрогеометрии и энергии поверхностного слоя. В другом случае по тем же самым причинам коэффициент трения может оказаться равным f1″. Но конструктор уверен, что в его случае действует коэффициент f1.
Определение действительных значений коэффициентов трения, а также обеспечение их величины технологическими методами до требуемых, является приоритетной задачей современной технологии машино- и приборостроения .
Рис. 1. Условное представление использования коэффициентов трения. Типичным является случай, когда коэффициенты колеблются в интервале Δ: Δ= f1″ - f1′
Для кинематических пар машин актуальным является постоянное снижение коэффициентов трения на практике. Необходимость этого определяется следующими обстоятельствами:
Снижение коэффициентов неизменно приводит к экономическим выгодам, благотворно влияя в свою очередь на значения коэффициентов полезного действия изделий;
Числовое определение экономических выгод не вызывает трудностей. Это особенно отчетливо было отмечено в период создания подшипниковой промышленности, когда трение скольжения было заменено на трение качения;
Проблема плавности перемещения контактирующих деталей. Сам характер профиля трущихся поверхностей уже предопределяет наличие так называемых прерывистых колебаний элементов в их относительном перемещении. Всякое перемещение всегда неравномерно, скачкообразно. Снижение значений коэффициентов трения неизменно увеличит равномерность перемещения;
Требования к точности позиционирования. В частности, это относится к целому направлению в электровакуумном машиностроении. При этом огромный интерес представляют исследования, посвященные коэффициентам трения как в обычной атмосфере, так и в вакууме. Точность позиционирования является одним из важнейших показателей качества машин с программным управлением, используемых не только в машиностроении.
Синергетический подход к соударению двух микровыступов контактирующих поверхностей требует особого рассмотрения. Однако и здесь, рассматривая собственное соударение как бифуркацию, можно использовать коэффициент трения как своеобразный инструмент для формирования постбифуркационного самоорганизующегося пространства. Такой процесс может быть распространен на всю поверхность контактирующих деталей .
Традиционно контакт рассматривается как результат зацепления и деформации взаимно внедряющихся шероховатостей (микронеровностей) двух сопряженных поверхностей. Согласно этой гипотезе, коэффициент трения будет тем меньше, чем меньше шероховатость, т. е. чем тщательнее обработаны трущиеся поверхности .
Указанная точка зрения очень хорошо укладывается в сознании конструкторов и технологов. Однако, в свете рассмотрения вопроса контактирования деталей необходимо ориентироваться на схему на рис. 2 . При относительном перемещении деталей Дг и наличии силы Q возникают упругопластические состояния в местах микроконтактов шероховатостей. Деформирование микроповерхностей происходит практически всегда, несмотря на то, что углы β (по схеме рис. 2.) малы и не превосходят практически 35…40° в зависимости от метода обработки. Одна пара сопряженных микровыступов очень условно показана в деформированном виде.
Рис. 2. Схема взаимодействия микронеровностей контактирующих деталей
Проявление энергетического поля показано условно стрелками так, что каждая сопряженная деталь передает другой детали соответствующую порцию энергии. В свою очередь и другая деталь, также обладающая энергетическим потенциалом, передает энергию первой детали. Взаимная передача энергий схематически показана сплошными и пунктирными стрелками. Очевидно, что как деформирование микровыступов, так и передача энергии происходят всегда, даже тогда, когда между соприкасающимися поверхностями имеется малый зазор. Опыт показывает, что при весьма гладких, «чисто» отполированных поверхностях силы трения не только не уменьшаются, но значительно увеличиваются. В качестве примера может служить эффект залипания при соединении концевых мер длины.
Предполагаемую зависимость энергетического состояния и коэффициента трения можно показать на примере, когда исследовался момент заедания двух трущихся поверхностей одинаковой шероховатости Ra = 0,08 мкм, значение которой получено разными технологическими операциями . На рис. 3. первый столбик диаграммы иллюстрирует, что при шлифовании двух контактирующих поверхностей периферией круга вдоль предполагаемого движения сила Q, при которой происходит момент заедания равна, 1,8 МПа. Второй столбик диаграммы иллюстрирует момент заедания при контакте шлифованной поверхности и поверхности, обработанной шабрением. Третий - двух шаброванных поверхностей. Четвертый - шлифованной поверхности и поверхности, обработанной притиранием. Пятый - двух притертых поверхностей. Шестой - притертой и шаброванной. V - направление скорости перемещения. Из диаграммы видно, что Q изменяется более чем в 3 раза. Ее изменение обусловлено разными значениями коэффициента трения. Так как шероховатость всех поверхностей идентична, то они, по-видимому, имеют разный уровень энергии, которую получили от технологического воздействия.
Рис. 3. Влияние метода обработки на момент заедания
Таким образом, исходя из всего вышесказанного, контакт необходимо рассматривать не только как результат зацепления микровыступов, но и с учетом сил энергетического взаимодействия, проявляющихся при взаимодействии двух поверхностей. Для весьма малых зазоров и расстояний между деталями несколько молекул поверхности сопрягаемых деталей более интенсивно обмениваются накопленной энергией, изменяя тем самым характер взаимодействия - коэффициент трения. Эта гипотеза, вероятно, может более полно объяснить природу и причину возникновения трения, происходящего в результате взаимодействия тщательно обработанных поверхностных слоев деталей машиностроения.
Появление различных математических зависимостей имеет то положительное значение, что позволяет связать воедино параметры физики твердого тела, вопреки как конструированию, так и технологии. Вместе с этим очевидно, что использование непосредственно на практике представленных научных данных оказывается затруднительным из-за отсутствия числовых значений в распоряжении предприятий . Необходимо продолжение начатой работы, а также создание методики определения энергетических составляющих коэффициентов трения, прежде всего для прецизионного машиностроения.
Большой научный интерес вызывает процесс передачи энергии, зависящей от зазора между микровыступами и пластического деформирования, приводящих к интенсивному обмену энергии в зонах контактирования сопрягаемых деталей. В наибольшей степени это обычно происходит на поверхностях, параметры шероховатостей которых 0,1 < Ra < 2,5 мкм, а радиусы кривизны микронеровностей 30-670 мкм, толщина деформированного слоя 17-58 мкм. И вероятно, обмен энергией идет по принципу перетекания ее из «объемов» с большим количеством - в меньшие.
Заключение
Следовательно, для создания наименьшего коэффициента трения необходимо, как это следует из сказанного выше, чтобы разность значений энергий трущейся пары была бы минимальной. Наилучшим является вариант, когда энергии частей одинаковы, а разность равна нулю.
Рецензенты:Астахов М.В., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Прикладная механика», Калужский филиал ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана», г. Калуга;
Шаталов В.К., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Технологии обработки материалов», Калужский филиал ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана», г. Калуга.
Работа поступила в редакцию 12.02.2015.
Библиографическая ссылка
Мусохранов М.В., Калмыков В.В., Малышев Е.Н., Зенкин Н.В. ЭНЕРГИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МЕТАЛЛОВ КАК ИНСТРУМЕНТ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ВЕЛИЧИНУ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2-2. – С. 251-254;URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=36797 (дата обращения: 14.07.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(молекулярная физика и термодинамика)
Измерение коэффициента
поверхностного натяжения жидкости.
Оборудование : динамометр, подвижная чашка с водой, петля.
Краткая теория.
Частицы жидкости (атомы, молекулы, ионы), как и молекулы газа, совершают непрерывные хаотические колебания око положения равновесия, и средняя кинетическая энергия этих колебаний определяет температуру тела. "Свобода" этих движений ограничена силами взаимодействия между частицами, однако, они изредка могут перемещаться, перескакивать из одного места в другое. Поэтому жидкость обладает свойством текучести. Этими же перескоками объясняется процесс диффузии в жидкости. При нагревании жидкости расширяются, но температурный коэффициент объемного расширения у них значительно меньше, чем у газов при постоянном давлении. Из-за малых расстояний между частицами жидкости мало сжимаемы. Наиболее характерная особенность жидкости, отличающая ее от газов, состоит в том, что жидкость на границе с газом или паром образует свободную поверхность. Именно поэтому, например, вода в сосуде занимает лишь часть объема, определяемого ее массой и плотностью, в то время как газы занимают весь предоставленный им объем.
Рассмотрим свойства поверхности жидкости. Молекулы, расположенные в поверхностном слое жидкости, находятся в иных условиях по сравнению с молекулами внутри жидкости. На каждую молекулу жидкости, окруженную со всех сторон другими молекулами, действуют силы притяжения, быстро убывающие с расстоянием (рис.1); следовательно, начиная с некоторого минимального расстояния силами притяжения между молекулами можно пренебречь. Это расстояние (порядка 10 -9 м) называется радиусом молекулярного действия r , а сфера радиуса r – сферой молекулярного действия.
Молекулы на поверхности жидкости и в ее глубине находятся в различных условиях. Рассмотрим молекулу, находящуюся в толще жидкости - молекулуА (рис.1). На данную молекулу будут действовать только те из соседей, что находятся в пределах сферы молекулярного действия радиусаr . Силы, с которыми эти молекулы действуют на молекулуА , направлены в разные стороны и в среднем скомпенсированы, поэтому результирующая сила, действующая на молекулу внутри жидкости со стороны других молекул, равна нулю.
Совершенно иначе обстоит дело, если молекула В расположена от поверхности на расстоянии, меньшемr . В данном случае сфера молекулярного действия лишь частично расположена внутри жидкости. Над поверхностью жидкости находится пар, плотность которого во много раз меньше плотности жидкости (при температурах ниже критической), поэтому взаимодействием молекул пара с молекулами жидкости можно пренебречь. Именно поэтому равнодействующая силF , приложенных к каждой молекуле поверхностного слоя, не равна нулю и направлена внутрь жидкости. Таким образом,результирующие силы всех молекул поверхностного слоя оказывают на жидкость давление, называемое молекулярным.
Суммарная энергия частиц жидкости складывается из энергии их хаотического (теплового) движения и потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия. Для перемещения молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой надо затратить работу. Эта работа совершается за счет кинетической энергии молекул и идет на увеличение их потенциальной энергии. Поэтому молекулы поверхностного слоя жидкости обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы внутри жидкости. Чем больше поверхность жидкости, тем больше молекул, обладающих избыточной потенциальной энергией. Эта дополнительная энергия, которой обладают молекулы в поверхностном слое жидкости, называемая поверхностной энергией , пропорциональна площади слоя
,
(1)
где σ – коэффициент поверхностного натяжения , представляющий собой удельную поверхностную энергию слоя.
Поверхностная энергия - один из видов внутренней энергии, отсутствующая у газов, но имеющаяся у жидкостей и твердых тел.
Молекулы, находящиеся на поверхности жидкости, будут стремиться "втянуться" внутрь жидкости. Вследствие теплового движения небольшая часть молекул вновь выходит на поверхность. Втягивание молекул внутрь происходит с большей скоростью, чем движение молекул к поверхности. Однако все молекулы не могут уйти внутрь, поэтому на поверхности остается такое число молекул, при котором площадь поверхности оказывается минимальной для данного объема жидкости. Поверхность жидкости будет сокращаться до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие, т.е. пока количество молекул, уходящих из поверхностного слоя и возвращающегося в него за одно и то же время, не будет одинаковым. Так как равновесное состояние характеризуется минимумом потенциальной энергии, то жидкость при отсутствии внешних сил будет принимать такую форму, чтобы при заданном объеме она имела минимальную поверхность, т.е. форму шара.
Р
ассмотрим
часть поверхности жидкости, ограниченную
замкнутым контуромabcd
(рис.2).
Стремление этого участка к сокращению приводит к тому, что он действует на граничащие с ним участки с силами, распределенными по всему контуру. Эти силы называются силами поверхностного натяжения: сила, которая действует вдоль поверхности жидкости перпендикулярно линии, ограничивающей эту поверхность, и стремиться ее сократить до минимума.
Если на контур подействовать внешней силой F 1 , стремящейся увеличить площадь контура за счет перемещения участка ab на расстояние dx в новое положение a " b " , то при этом будет совершена работа:
,
(2)
здесь
учтено, что
поIII
закону Ньютона, где F
- сила поверхностного натяжения жидкости,
стремящаяся сохранить состояние жидкости
равновесным.
По
закону сохранения энергии
- работа равна изменению энергии
поверхности жидкости, т.е. изменению
поверхностной энергии. Таким образом,
.
(3)
Приравняем
правые части уравнений (2) и (3), учтя при
этом, что
,
гдеℓ
- длина контура:
,
следовательно,
.
(4)
Формула (4) - формула для расчета силы поверхностного натяжения.
Величина σ - называется коэффициентом поверхностного натяжения. Ее физический смысл можно определить с помощью формул (3) и (4):
Единицы измерения коэффициента поверхностного натяжения:
.
Коэффициент поверхностного натяжения зависит от типа жидкости, от ее температуры, от степени чистоты вещества. Так, например, поверхностно-активные вещества уменьшают коэффициент поверхностного натяжения.
