§ 7.3. ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ
Когда вода из опрокинутого стакана разливается по полу или когда мы выдуваем мыльный пузырь, поверхность жидкости увеличивается. При этом возникают новые участки разреженного поверхностного слоя.
Среднее расстояние между молекулами при их переходе из глубины жидкости на ее поверхность возрастает. Силы притяжения между молекулами жидкости совершают при этом отрицательную ра- боту. В соответствии с законами механики это означает увеличение потенциальной энергии молекул, перешедших из глубины жидкости на поверхность.Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избытком потенциальной энергии по сравнению с энергией, которой эти молекулы обладали бы, находясь внутри жидкости.
Избыточную потенциальную энергию, которой обладают молекулы на поверхности жидкости, называют поверхностной энергией.
С макроскопической (термодинамической) точки зрения поверхностная энергия — это один из видов внутренней энергии, отсутствующая у газов, но имеющаяся у жидкостей .
При растекании воды из опрокинутого стакана по полу уве-личение энергии молекул поверхностного слоя происходит за счет работы силы тяжести. А при выдувании мыльного пузыря увеличение потенциальной энергии молекул поверхностного слоя происходит за счет работы сил давления воздуха в пузыре. Ведь для того чтобы пузырь раздувался, давление воздуха в нем должно быть больше атмосферного.
Поверхностное натяжение
Молекулы на всех участках поверхностного слоя жидкости находятся в одинаковых условиях, и два участка одинаковой площади обладают одинаковой поверхностной энергией. Это означает, что поверхностная энергия прямо пропорци-ональна площади поверхности жидкости. Поэтому отношение поверхностной энергии Un участка поверхности жид-кости к площади S этого участка есть величина постоянная, не зависящая от площади S. Эту величину называют коэффициентом поверхностного натяжения или просто поверхностным натяжением и обозна-чают буквой <5:
(7.3.1)
Поверхностное натяжение представляет собой удельную поверхностную энергию, т.
е. энергию, приходящуюся на поверхность единичной площади.В СИ поверхностное натяжение выражается в джоулях на квадратный метр (Дж/м2). Так как 1 Дж = 1 Н • м, то поверхностное натяжение можно выражать ив ньюто-нах на метр (Н/м).
Поверхностное натяжение а зависит от природы гранича-щих сред и от температуры. По мере повышения температуры различие между жидкостью и ее насыщенным паром постепенно стирается и при критической температуре исчезает совсем. Соответственно поверхностное натяжение для границы жидкость — насыщенный пар с повышением температуры уменьшается и при критической температуре становится равным нулю.
Из формулы (7.3.1) следует, что
Un = aS. (7.3.2)
Следовательно, при уменьшении площади поверхности по-верхностная энергия уменьшается. Молекулярные силы со-вершают при этом положительную работу, так как расстояния между молекулами при переходе их из поверхностного слоя в глубь жидкости уменьшаются. В состоянии равновесия жидкости поверхностная энергия имеет минимальной значение. Это соответствует минимальной при заданном объеме площади поверхности. Поэтому, как говорилось в § 7.1, жидкость принимает форму шара, если нет других сил, искажаю-щих ее естественную сферическую форму.
В поверхностном слое жидкости запасена энергия, прямо пропорциональная площади поверхности. Поверхностная энергия — одна из форм внутренней энергии.