След.: 3.  Выполнение работы Выше: Лабораторная работа №1 Пред.: 1.  Вопросы для подготовки

2.  Краткая теория

Различие между газом и паром с одной стороны и жидкими телами с другой состоит в том, что первые занимают весь предоставленный объём, тогда как жидкости занимает лишь определенный объем и образует свободную поверхность, отделяющую данную жидкость от пограничной среды.

В поверхностном слое жидкости действуют силы поверхностного натяжения, под действием которых свободная поверхность стремится стать сферической. Обычно этому препятствует сила тяжести. Вследствие действия силы тяжести жидкость принимает форму сосуда,
а свободная поверхность её становится горизонтальной.

Рассмотрим каплю жидкости $I$, расположенную на поверхности другой, не смешивающейся с ней жидкости $II$ (рис.1).

Форма капли устанавливается под влиянием взаимодействия трех сред: жидкости $I$, жидкости $II$ и воздуха $III$.

Эти три среды имеют общую границу -- окружность, ограничивающую каплю и пересекающую плоскость чертежа в точках $A$ и $B$. По этой окружности пересекаются три поверхности: поверхность, разделяющая жидкость $II$ и воздух, с коэффициентом поверхностного натяжения $\alpha_{23}$; поверхность, разграничивающая жидкости $I$ и $II$, с коэффициентом поверхностного натяжения $\alpha_{12}$ и поверхность, разграничивающая жидкость $I$ и воздух, с коэффициентом $\alpha_{13}$.

На единицу длины пограничной окружности действуют силы поверхностного натяжения $\vec{f}_{23}$, $\vec{f}_{12}$, $\vec{f}_{13}$, численно равные соответствующим значениям $\alpha_{23}$, $\alpha_{12}$, $\alpha_{13}$. Эти силы направлены перпендикулярно к отдельным элементам окружности и по касательной к соответствующим поверхностям раздела.

В случае, когда можно пренебречь силой тяжести по сравнению с силами поверхностного натяжения, равновесной будет та форма капли, при которой

$$\vec{f}_{23}+\vec{f}_{12}+\vec{f}_{13}=0$$

или

$$f_{23}=f_{12}\cos\varphi_{12}+f_{13}\cos\varphi_{13} .$$

Рис.  1.

Рис.  2.

Отсюда следует, что в случае равновесия

$$f_{23}<f_{13}+f_{12},$$

то есть

$$\alpha_{23}<\alpha_{13}+\alpha_{12}$$

(т.к. $\cos\varphi_{12}$ и $\cos\varphi_{13}$ меньше единицы).

Если же

$$f_{23}>f_{12}+f_{13}$$

или

$$\alpha_{23}>\alpha_{12}+\alpha_{13},$$

то равновесие капли жидкости $I$ на поверхности $II$ невозможно, и капля растекается на поверхности в виде тонкой пленки.

Многие органические жидкости (эфир, скипидар, керосин) растекаются по поверхности воды. Для некоторых жидкостей (бензол, жирные кислоты, масло) явление растекания наблюдается только для первых капель, помещенных на поверхности чистой воды. Последующие капли не растекаются, а остаются на поверхности в виде устойчивых капель. Это объясняется тем, что первые капли, растекаясь, загрязняют ее поверхность и уменьшают её поверхностное натяжение настолько, что растекание жидкости становится невозможным.

Многочисленные эксперименты привели к выводу, что если площадь поверхности воды достаточно велика, то капля масла или жирных кислот соответствующего объема растекается в очень тонкий мономолекулярный слой. Произведенные вычисления показывают, что площадь, занимаемая одной молекулой, очень мала. Для жирных кислот -- $2,1\cdot10^{-15} \text{\it см}^2$.

Молекулу жирных кислот можно рассматривать как образование, сильно вытянутое в длину, нечто вроде удлиненного эллипсоида или цилиндра. Расположение таких молекул на поверхности воды показано на рис.2.

След.: 3.  Выполнение работы Выше: Лабораторная работа №1 Пред.: 1.  Вопросы для подготовки