§ 249. Поверхностная энергия.

Мы уже говорили о том, что наиболее характерным свойством жидкого состояния является наличие резкой границы, разделяющей жидкость и ее пар (который может быть смешан и с другими газами). Поверхностный слой жидкости, представляющий переход от жидкости к пару, отличается особыми свойствами, облегчающими изучение сил молекулярного сцепления в жидкости. Поэтому мы и начнем ознакомление со свойствами жидкости с этих поверхностных явлений.

Дети хорошо знают, что «куличики» можно построить из мокрого песка. Сухие песчинки не пристают друг к другу.

Но также не пристают друг к другу песчинки, целиком погруженные в воду. Когда вовремя купанья человек окунется с головой в воду, его волосы расходятся в воде во все стороны (рис. 397), но стоит только высунуть голову из воды, как волосы тотчас лягут на голове слипшимися слоями.

Рис. 397. Под водой у пловца волосы торчат во все стороны, над водой волосы слипаются

Чем это объяснить? Слипание песчинок и волос мы должны объяснить действием сил сцепления молекул воды, облекающей песчинки или волосы.

Рассмотрим, почему силы сцепления не проявляют своего действия, когда песчинки или волосы находятся под водой. Сравним состояние молекулы жидкости, находящейся вблизи границы жидкости и газа, с состоянием молекулы, находящейся вдали от этой границы, внутри жидкости (рис. 398). Молекула внутри жидкости окружена другими молекулами со всех сторон . Молекулу же, находящуюся на границе с газом, молекулы жидкости окружают только с одной стороны , со стороны же газа молекул почти нет. Притяжение, испытываемое молекулой со стороны соседних, в случае «внутренних» молекул взаимно уравновешивается; для молекул, расположенных у поверхности, сложение всех сил дает равнодействующую, направленную внутрь жидкости. Поэтому, для того чтобы перевести молекулу из внутренних слоев к поверхности, надо совершить работу против указанной равнодействующей силы. Иначе говоря, каждая молекула, находящаяся вблизи поверхности жидкости, обладает некоторым избытком потенциальной энергии по сравнению с молекулами, находящимися внутри жидкости. Чем больше поверхность жидкости, тем большее число молекул обладает этой избыточной потенциальной энергией. Следовательно, при увеличении поверхности данной массы жидкости (например, при раздроблении воды в мелкую водяную пыль) энергия жидкости увеличивается. Это — один из случаев изменения внутренней энергии тел, о котором упоминалось в § 202. В этом случае внутренняя энергия тела пропорциональна размерам поверхности, и поэтому ее называют поверхностной энергией.

Рис. 398. Молекула  окружена со всех сторон другими молекулами и притягивается ими по всевозможным направлениям. Молекула  притягивается другими молекулами внутрь жидкости.

Вследствие стремления молекул уйти внутрь жидкости с ее поверхности жидкость принимает такую форму, при которой ее свободная поверхность имеет наименьшее возможное значение.

Стремление жидкости уменьшить свою свободную поверхность хорошо проявляется в различных явлениях и опытах.

1. Прежде всего, об этом говорит шарообразная форма, которую принимают маленькие капли жидкости: капельки ртути на горизонтальной стеклянной пластинке, капли воды, разбегающиеся по раскаленной плите, если на нее попадут брызги воды, капли воды на пыльной дороге и т. п. Во всех этих случаях взаимодействие с твердым телом, на котором оно находится, мало по сравнению с силами, действующими между частями жидкости, и стремление жидкости уменьшить свою поверхность четко проявляется: шарообразная форма капелек соответствует наименьшей их поверхности. При малых размерах капелек искажающее их форму влияние силы тяжести невелико.

В условиях невесомости сила тяжести не препятствует данному объему жидкости сократить свою поверхность.

Поэтому жидкость в условиях невесомости принимает форму шара; такая шарообразная «капля» может иметь большие размеры по сравнению с обычными каплями жидкости, в которых увеличение размера приводит к искажению формы под действием силы тяжести.

2. Очень наглядно стремление жидкости уменьшить свою поверхность проявляется в случае тонкой струйки вязкой жидкости, стекающей вниз. Можно наблюдать, например, как струйка стекающего меда, если она почему-либо начинает слишком утончаться, внезапно прерывается и поднимается вверх, образуя на конце круглую каплю (рис. 399), и тем уменьшает свою свободную поверхность.

Рис. 399. Струйка меда, стекающая с ложки, собирается в шарик, поднимающийся кверху

3. Если на стеклянной трубке при разламывании образовался острый зубец, то его легко оплавить, т. е. сделать круглым, размягчив стекло на пламени (рис. 400).

Рис. 400. а) На стеклянной трубке при разламывании образовался острый зубец, б) Тот же зубец после оплавления трубки в пламени

4. Наглядно видно стремление уменьшить свободную поверхность у пленки, например у мыльной. Образуем мыльную пленку на колечке с ниткой, протянутой так, как показано на рис. 401, а. Пока пленка цела по обе стороны нитки, нитка имеет ту форму, которую она случайно приняла при образовании пленки. Если уничтожить пленку по одну сторону нитки, то мыльная пленка по другую сторону тотчас уменьшит свою поверхность и натянет нитку (рис. 401, б).

Рис. 401. а) Вид нитки, находящейся на мыльной пленке, б) Нитка оттягивается пленкой в сторону

Стремлением пленки сократиться до наименьших возможных размеров объясняется шарообразная форма мыльных пузырей. Тем же уменьшением поверхности жидкости при установлении равновесия объясняется и слипание мокрых песчинок и мокрых волос, о чем мы говорили вначале: при слипшихся волосах облекающая их вода имеет меньшую поверхность, чем при раздельном расположении волос. Это показано на рис. 402.

Рис. 402. Заштрихованные кружки изображают сечения волос. Штриховая линия изображает водяную пленку, облекающую волосы, а) При раздельном положении волос поверхность пленки велика, б) При слипшихся волосах поверхность пленки мала

Во всех этих случаях мы наблюдаем стремление жидкости уменьшить поверхность, по которой она граничит с воздухом (точнее — с паром, который образуется из жидкости). Такие же явления мы наблюдаем на границе двух несмешивающихся жидкостей.

1. Поместим большую каплю анилина, в раствор поваренной соли, плотность которого подогнана к плотности анилина так, что капля держится внутри него, не опускаясь на дно и не всплывая. Это значит, что сила тяжести и выталкивающая сила, действующие на каплю, взаимно уравновешиваются (закон Архимеда, § 160). В этом случае капля также принимает форму шара (рис. 403).

Рис. 403. Капля анилина внутри раствора соли принимает форму шара

2. Нальем на стеклышко часов слабый раствор кислоты (например, азотной) и выпустим туда же из пипетки множество мелких капель ртути (рис. 404). Мы увидим, как эти капельки будут сливаться одна с другой и, наконец, образуют одну крупную каплю, поверхность которой меньше, чем сумма поверхностей множества мелких капель.

Рис. 404. а) На стекле часов находится в слабом растворе кислоты множество соприкасающихся мелких капелек ртути, б) Через несколько минут все капельки слились в одну большую каплю

249.1. Для получения свинцовой дроби расплавленный свинец льют сквозь узкие отверстия с некоторой высоты в воду, причем во время падения свинец застывает, принимая форму шариков. Объясните это.

249.2. Что происходит с мыльной пленкой, когда она лопается? Куда она исчезает?