Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

§ 7.2. Молекулярная картина поверхностного слоя

• Можно понять причину, заставляющую поверхность жидкости сокращаться, если представить себе, в каких условиях находятся молекулы поверхностного слоя жидкости.

Происхождение сил поверхностного натяжения

Наглядно появление сил поверхностного натяжения можно объяснить следующим образом. Если большая группа индивидуумов наделена свойством притягивать друг друга или индивидуумы по своей воле устремляются друг к другу, то результат будет один: они соберутся в ком, подобный пчелиному рою (рис. 7.9).

Каждый индивидуум «стремится» внутрь этого кома, и поверхность кома сокращается, приближаясь к сфере. Перед вами модель, объясняющая возникновение поверхностного натяжения.

Рис. 7.9

Молекулы жидкости, притягиваемые друг к другу силами межмолекулярного притяжения, и есть собрание индивидуумов, стремящихся сблизиться. Каждая молекула на поверхности притягивается остальными молекулами, находящимися внутри, жидкости, и поэтому имеет тенденцию к погружению вглубь. Так как жидкость текуча из-за перескоков молекул из одного «оседлого» положения в другое, то она принимает такую форму, при которой число молекул на поверхности минимально, т. е. площадь поверхности минимальна. А минимальную поверхность при данном объеме имеет шар. Площадь поверхности жидкости уменьшается, и воспринимается это как поверхностное натяжение.

Здесь обнаруживается, что происхождение поверхностных сил совсем иное, чем упругих сил растянутой резиновой пленки. При сокращении резины сила упругости ослабевает. Силы же поверхностного натяжения никак не меняются по мере сокращения площади поверхности пленки, так как плотность жидкости, а следовательно, и среднее расстояние между молекулами на поверхности не меняются.

Таким образом, возникновение поверхностных сил нельзя объяснить столь просто и наглядно, как возникновение сил упругости, где все связано с изменением расстояний между молекулами. Здесь все сложнее, так как силы поверхностного натяжения проявляются при сложной перестройке формы всей жидкости без изменения ее объема.

Молекулярная картина поверхностного слоя

Поверхность раздела между жидкостью и газом представляет собой не геометрическую линию, а слой малой (в несколько молекулярных диаметров) толщины.

Молекулы у поверхности раздела двух сред находятся в иных условиях, чем молекулы в глубине жидкости. Молекулу в глубине жидкости окружают со всех сторон соседние молекулы. Молекула же поверхности жидкости подвергается воздействию только молекул, находящихся внутри жидкости. Плотность пара при температурах, далеких от критической, много меньше плотности жидкости. Поэтому силами взаимодействия молекулы у поверхности с молекулами пара можно пренебречь.

Вспомните, что молекулы притягиваются друг к другу на расстояниях порядка нескольких молекулярных радиусов и отталкиваются на очень близких расстояниях. Силы притяжения, действующие на молекулу поверхностного слоя со стороны всех остальных молекул, дают равнодействующую, направленную вниз. Однако соседние «нижние» молекулы на данную молекулу действуют силами отталкивания. Благодаря этому молекула находится в равновесии. Правда, любая молекула участвует в тепловом движении. Но для молекул жидкости это движение сводится к колебаниям около некоторых положений равновесия, причем время от времени эти положения меняются. Тогда на место молекулы, ушедшей в глубь жидкости, приходит другая и т. д.

В результате действия молекулярных сил притяжения и отталкивания плотность жидкости в поверхностном слое оказывается меньше, чем в глубине. В самом деле, на молекулу 1 (рис. 7.10) действует сила отталкивания ₂ со стороны молекулы 2 и сила притяжения _{3, 4, 5 . . .} со стороны всех остальных молекул (3, 4, 5...). На молекулу 2 действуют сила притяжения _{4, 5. 6 . . .} со стороны лежащих в глубине молекул и две силы отталкивания: ₃ со стороны молекулы 3 и ₁ со стороны молекулы 1. Так как сила ₃ уравновешивает сумму сил ₁ и _{4, 5, 6, . . .}, то ₃ > ₁

Рис. 7.10

Но сила отталкивания, действующая между молекулами, тем больше, чем ближе друг к другу расположены молекулы. Поэтому расстояние 1—2 в среднем больше расстояния 2—3. Аналогично легко установить, что расстояние 2—3 больше расстояния 3—4 и т. д., пока не перестанет сказываться близость молекулы к поверхности.

Молекулы поверхностного слоя находятся в среднем на больших расстояниях друг от друга, чем молекулы внутри жидкости. Жидкость в поверхностном слое находится в растянутом, напряженном состоянии.

Жидкость в поверхностном слов растянута, и потому вдоль поверхности действует сила, стремящаяся сократить эту поверхность.