Коэффициент поверхностного натяжения

Если при постоянной температуре обратимым путем изменить поверхность жидкости на бесконечно малую величину dS, то необходимая для этого работа

(1)

Знак минус указывает на то, что увеличение поверхности (dS> 0)сопровождается отрицательной работой.

Коэффициент s является основной величиной, характеризующей свойства поверхности жидкости, и называется коэффициентом поверхностного натяжения (s > 0). Следовательно, коэффициент поверхностного натяжения измеряется работой, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу.

Очевидно, в СИ имеет размерность Дж/м².

Из сказанного ясно, что молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами, находящимися в объеме жидкости, потенциальной энергией. Обозначим ее . Эта энергия, как всегда, измеряется работой, которую могут совершить молекулы поверхности, перемещаясь внутрь жидкости под действием сил притяжения со стороны молекул в объеме жидкости.

Поскольку энергия обязана своим происхождением наличию поверхности жидкости, то она должна быть пропорциональна площади S поверхности жидкости:

Тогда изменение площади поверхности dS повлечет за собой изменение потенциальной энергии

, (2)

которое сопровождается работой

в полном соответствии с (1).

Если, как было указано, изменение поверхности S осуществляется при постоянной температуре, т. е. изотермически (и обратимо), то, как известно, потребная для этого работа равна изменению свободной энергии F поверхности:

(Если изменение поверхности жидкости произвести адиабатно, то ее температура изменится. Например, увеличение поверхности приведет к ее охлаждению). Значит, избыточная потенциальная энергия поверхности жидкости, о которой говорилось выше, является свободной энергией поверхности и, следовательно,

s = F/S

т. е. коэффициент поверхностного натяжения жидкости может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность.

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости существенно зависит от того, с какой средой граничит жидкость. Естественно ожидать, что коэффициент поверхностного натяжения на границе двух жидкостей должен быть меньше, чем на свободной поверхности жидкости. Это можно объяснить тем, что силы взаимодействия между молекулами граничащих жидкостей и молекулами каждой жидкости между собой направлены в противоположные стороны.

Хорошо известно, что снижение поверхностного натяжения достигается введением в жидкость поверхностно-активных веществ, уменьшающих ее свободную поверхностную энергию (мыло, жирные кислоты). Это обусловлено тем, что силы взаимодействия между молекулами примеси и растворителя обычно не равны силам взаимодействия между молекулами чистого растворителя. Если первые из упомянутых сил меньше, чем вторые, то такие вещества называются поверхностно-активными. Так как молекулы примеси притягиваются молекулами растворителя слабее, чем молекулы самого растворителя, то молекулы растворителя из поверхностного слоя втягиваются внутрь жидкости. В результате этого в поверхностном слое увеличивается концентрация молекул примеси, вследствие чего и уменьшается поверхностное натяжение. Поверхностный слой оказывается обедненным молекулами растворителя и обогащенным молекулами примеси. Это явление носит название адсорбции. Им объясняется устойчивость жидких пленок, пены и т.д. Адсорбция является процессом, который сопровождается понижением свободной энергии поверхностного слоя жидкости. Действительно, как показывает эксперимент, коэффициент поверхностного натяжения чистой воды при комнатной температуре равен 0,0725 Дж/м², тогда как раствор мыла в воде при тех же условиях характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения, равным 0,040 Дж/м².

Поверхностное натяжение различных жидкостей на границе с собственным паром изменяется в широких пределах: от единиц для сжиженных низкокипящих газов до нескольких тысяч мН/м для расплавленных тугоплавких веществ.

Ниже, в таблице 1, приведены значения коэффициентов поверхностного натяжения некоторых жидкостей.

Таблица 1

Жидкость Т, ºС σ, Дж/м²

Вода (чистая) 0,0725

Раствор мыла 0,040

Спирт 0,022

Эфир 0,017

Ртуть 0,470

Золото расплавленное 1,102

Жидкий водород -253 0,0021

Гелий -269 0,00012

Из приведенных данных наглядно видно, что у легко испаряющихся жидкостей (спирт, эфир) коэффициент поверхностного натяжения более чем на порядок отличается от значения для таких жидкостей, как ртуть. Это обстоятельство отражает тот факт, что силы молекулярного взаимодействия в спирте и эфире значительно слабее, чем взаимодействие молекул ртути.

Наибольшее значение силы поверхностного натяжения обнаруживают в расплавленных металлах, наименьшее – у жидкого водорода и, особенно, у жидкого гелия. Установлено, что для разных жидкостей коэффициент поверхностного натяжения может принимать значения в интервале от единицы до двух тысяч.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры. С увеличением температуры величина коэффициента поверхностного натяжения уменьшается и равна нулю при критической температуре.