Что значит "поверхностное натяжение"

сила взаимодействия молекул жидкости, действующая в плоскости, касательной к ее поверхности в сторону сокращения последней; измерение величины П. н. некоторых биологических жидкостей (плазма крови, моча, цереброспинальная жидкость) может быть использовано в диагностических целях (напр., при анафилактическом шоке).

стремление вещества (жидкости или твердой фазы) уменьшить избыток своей потенциальной энергии (поверхностную энергию) на границе раздела с газовой фазой (напр., с собственным паром) или др. жидкой или твердой фазой. Определяется как работа, затрачиваемая на создание единицы площади поверхности раздела фаз при постоянной температуре. Поверхностное натяжение жидкости часто определяют как силу, действующую на единицу длины контура поверхности раздела фаз и стремящуюся сократить эту поверхность до минимума. Благодаря поверхностному натяжению капля жидкости при отсутствии внешних воздействий принимает форму шара.

важнейшая термодинамическая характеристика поверхности раздела фаз (тел), определяемая как работа обратимого изотермического образования единицы площади этой поверхности. В случае жидкой поверхности раздела П. н. правомерно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины контура поверхности и стремящуюся сократить поверхность до минимума при заданных объёмах фаз. Применительно к легкоподвижным поверхностям оба определения равнозначны, но первое предпочтительнее, т.к. имеет более ясный физический смысл. П. н. на границе двух конденсированных фаз обычно называется межфазным натяжением. Работа образования новой поверхности затрачивается на преодоление сил межмолекулярного сцепления ( когезии ) при переходе молекул вещества из объёма тела в поверхностный слой . Равнодействующая межмолекулярных сил в поверхностном слое не равна нулю (как в объёме тела) и направлена внутрь фазы с большей когезией. Таким образом, П. н. ≈ мера некомпенсированности межмолекулярных сил в поверхностном (межфазном) слое или, что то же, избытка свободной энергии в поверхностном слое по сравнению со свободной энергией в объёмах соприкасающихся фаз. В соответствии с определениями П. н. его выражают в дж/м2 или н/м (эрг/см2 или дин/см).

Благодаря П. н. жидкость при отсутствии внешних силовых воздействий принимает форму шара, отвечающую минимальной величине поверхности и, следовательно, наименьшему значению свободной поверхностной энергии . П. н. не зависит от величины и формы поверхности, если объёмы фаз достаточно велики по сравнению с размерами молекул; при повышении температуры, а также под действием поверхностно-активных веществ оно уменьшается. Расплавы металлов имеют наибольшее среди жидкостей П. н., например у платины при 2000 ╟С оно равно 1820 дин/см, у ртути при 20 ╟С ≈ 484. П. н. расплавленных солей значительно меньше ≈ от нескольких десятков до 200≈300. П. н. воды при 20 ╟С ≈ 72,8, а большинства органических растворителей ≈ в пределах 20≈60. Самое низкое при комнатной температуре П. н. ≈ ниже 10 ≈ имеют некоторые фторуглеродные жидкости.

В общем случае многокомпонентных систем в соответствии с термодинамическим уравнением Гиббса при адсорбции изменение П. н.

≈ ds = Г1dm1 + Г2dm2 +...,

где Г1, Г2,... ≈ поверхностные избытки компонентов 1, 2,..., т. е. разность их концентраций в поверхностном слое и объёме раствора (или газа), a dm1, dm2,... ≈изменения химических потенциалов соответствующих компонентов (знак «минус» показывает, что П. н. при положительной адсорбции уменьшается). Разницей в П. н. чистой жидкости и жидкости, покрытой адсорбционным монослоем, определяется поверхностное давление .

На легкоподвижных границах жидкость ≈ газ (пар) или жидкость ≈ жидкость П. н. можно непосредственно измерить многими методами. Так, широко распространены способы определения П. н. по массе капли, отрывающейся от конца вертикальной трубки (сталагмометра); по величине максимального давления, необходимого для продавливания в жидкость пузырька газа; по форме капли (или пузырька), лежащей на плоской поверхности, и т.д. Экспериментальное определение П. н. твёрдых тел затруднено из-за того, что их молекулы (или атомы) лишены возможности свободного перемещения. Исключение составляет пластическое течение металлов при температурах, близких к точке плавления. Ввиду анизотропии кристаллов П. н. на разных гранях кристалла различно. Понятия П. н. и свободной поверхностной энергии для твёрдых тел не тождественны. Дефекты кристаллической решётки, главным образом дислокации , ребра и вершины кристаллов, границы зёрен поликристаллических тел, выходящие на поверхность, вносят свой вклад в свободную поверхностную энергию. П. н. твёрдых тел обычно определяют косвенно, исходя из межмолекулярных и межатомных взаимодействий. Величиной и изменениями П. н. обусловлены многие поверхностные явления , особенно в дисперсных системах (см. также Капиллярные явления ),

Л. А. Шиц.

В живых организмах П. н. клетки ≈ один из факторов, определяющих форму целой клетки и её частей. Для клеток, обладающих жёсткой или полужёсткой поверхностью (многие микроорганизмы, инфузории, клетки растений и т.д.), значение П. н. невелико. У клеток, лишённых прочной надмембранной структуры (большинство клеток животных, некоторые простейшие, сферопласты бактерий), П. н. в основном определяет конфигурацию (клетки, находящиеся во взвешенном в жидкости состоянии, приобретают форму, близкую к сферической). Форма клетки, прикрепленной к какому-либо субстрату или к др. клеткам, зависит преимущественно от др. факторов ≈ цитоскелета, образуемого микротрубочками, контактных структур и т.д. Полагают, что локальные изменения П. н. существенны в таких явлениях, как фагоцитоз , пиноцитоз , гаструляция . Определение П. н. клетки ≈ сложная экспериментальная задача; обычно П. н. клетки не превышает несколько дин/см (10-3н/м).

Л. Г. Маленков.

Лит.: Адам Н. К., Физика и химия поверхностей, пер. с англ., М.≈Л., 1947; Surface and colloid science, ed. E. Matijevié, v. 1, N. Y. ≈ [a. o.], 1969. см. также лит. при ст. Поверхностные явления .

Пове́рхностное натяже́ние — термодинамическая характеристика поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз , определяемая работой обратимого изотермокинетического образования единицы площади этой поверхности раздела при условии, что температура, объём системы и химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются постоянными.

Поверхностное натяжение имеет двойной физический смысл — энергетический определение: поверхностное натяжение — это сила, действующая на единицу длины линии, которая ограничивает поверхность жидкости.

Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует и пропорциональна длине этого участка. Коэффициент пропорциональности γ — сила, приходящаяся на единицу длины контура — называется коэффициентом поверхностного натяжения. Он измеряется в ньютонах на метр. Но более правильно дать определение поверхностному натяжению, как энергии . В этом случае появляется ясный физический смысл понятия поверхностного натяжения.

В 1983 году было доказано теоретически и подтверждено данными из справочников (посмотреть статью: Журнал физической химии. 1983, № 10, с. 2528—2530), что понятие поверхностного натяжения жидкости однозначно является частью понятия внутренней энергии . Приведенные в этой журнальной статье формулы позволяют для некоторых веществ теоретически рассчитывать значения поверхностного натяжения жидкости по другим физико-химическим свойствам, например, по теплоте парообразования или по внутренней энергии (подробнее о физической природе поверхностного натяжения жидкости см.соотв. статью на викиучебнике или

,

)

В 1985 году аналогичный взгляд на физическую природу поверхностного натяжения, как части внутренней энергии, при решении другой физической задачи был опубликован В. Вайскопфом (Victor Frederick Weisskopf) в США (V.F.Weisskopf, American Journal of Physics 53 (1985) 19-20.; V.F.Weisskopf, American Journal of Physics 53 (1985) 618—619.).

Поверхностное натяжение может быть на границе газообразных , жидких и твёрдых тел. Обычно имеется в виду поверхностное натяжение жидких тел на границе «жидкость — газ». В случае жидкой поверхности раздела поверхностное натяжение правомерно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины контура поверхности и стремящуюся сократить поверхность до минимума при заданных объёмах фаз.

В общем случае прибор для измерения поверхностного натяжения называется тензиометр .