Поверхностное натяжение и смачивание

Поверхность жидкости

Молекула внутри жидкости окружена соседями со всех сторон, и силы притяжения в среднем компенсируются. У поверхности соседей сверху меньше, поэтому результирующее взаимодействие направлено внутрь жидкости. Поверхностное натяжение — стремление поверхности жидкости уменьшить свою площадь из-за межмолекулярного притяжения.

Поверхность ведёт себя подобно натянутой плёнке, хотя отдельной оболочки у жидкости нет. Капля без внешних воздействий стремится стать шаром, потому что шар имеет наименьшую площадь при заданном объёме. Примеси и температура меняют силы между молекулами и тем самым поверхностные свойства.

У смачивающей жидкости вогнутый мениск и подъём в капилляре, у несмачивающей выпуклый мениск и понижение уровня.

Коэффициент поверхностного натяжения

Коэффициент поверхностного натяжения $\sigma$ равен силе, действующей вдоль единицы длины границы поверхности.

Единица $\sigma$ — $\text{Н/м}$, что эквивалентно ${\text{Дж/м}}^2$. У мыльной плёнки две поверхности, поэтому подвижная перекладина длиной $l$ испытывает силу $2\sigma l$. Работа увеличения площади равна $A=\sigma \Delta S$ для одной поверхности.

Искривлённая поверхность создаёт добавочное давление. Для сферической капли $\Delta p=2\sigma /R$, а для мыльного пузыря с двумя поверхностями $\Delta p=4\sigma /R$. Чем меньше радиус, тем больше давление внутри.

Смачивание и краевой угол

Если притяжение молекул жидкости к твёрдой поверхности сильнее взаимного притяжения внутри жидкости, она смачивает поверхность и растекается. При несмачивании капля стремится сократить контакт. Поведение характеризует краевой угол: для хорошего смачивания он меньше $90^{\circ }$, для несмачивания — больше.

Вода смачивает чистое стекло, но собирается каплями на жирной поверхности. Моющие средства уменьшают $\sigma$ и улучшают проникновение воды в поры ткани. Ртуть стекло не смачивает, поэтому её мениск выпуклый, а водный — вогнутый.

Капиллярные явления

В узкой трубке смачивающая жидкость поднимается, пока сила поверхностного натяжения не уравновесит вес столба. Для капилляра радиуса $r$:

Чем тоньше капилляр, тем выше подъём. При $\theta >90^{\circ }$ косинус отрицателен и уровень понижается. Капиллярность помогает воде двигаться в почве и пористых материалах, но транспорт воды в высоких растениях дополнительно связан с испарением и внутренним строением сосудов.

Формула следует из равновесия сил и учитывает гидростатическое давление. Для широких сосудов влияние края мало, и поверхность вдали от стенок почти плоская.