поверхностное натяжение
ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ
стремление вещества (жидкости или твердой фазы) уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с др. фазой (поверхностную энергию). Определяется как работа, затрачиваемая на создание единицы площади поверхности раздела фаз (размерность Дж/м2). Согласно др. определению, П. н. — сила, отнесенная к единице длины контура, ограничивающего поверхность раздела фаз (размерность Н/м); эта сила действует тангенциально к поверхности и препятствует ее самопроизвольному увеличению.
П. н.-осн. термодинамич. характеристика поверхностного слоя жидкости на границе с газовой фазой или др. жидкостью. П. н. разл. жидкостей на границе с собств. паром изменяется в широких пределах: от единиц для сжиженных низкокипящих газов до неск. тыс. мН/м для расплавл. тугоплавких веществ. П. н. зависит от температуры. Для мн. однокомпо-нентных неассоциир. жидкостей (вода, расплавы солей, жидкие металлы) вдали от критич. температуры хорошо выполняется линейная зависимость:
где σ и s0-П. н. при температурах T и T0 соотв., α
П.н. входит во мн. уравнения физики, физ. и коллоидной химии, электрохимии. Оно определяет след. величины: 1) капиллярное давление
2) Краевой угол смачивания
3) Адсорбцию ПАВ
4) Состояние адсорбц. слоя ПАВ на поверхности жидкости: (πs + a/A2)∙(A — b)= kT, где πs = (σ0 — σ) — двухмерное давление, σ0 и <�т-соответственно П.н. чистой жидкости и той же жидкости при наличии адсорбц. слоя, а — постоянная (аналог постоянной Ван-дер-Ваальса), A-площадь поверхностного слоя, приходящаяся на одну адсорбир. молекулу, b — площадь, занимаемая 1 молекулой жидкости, k — постоянная Больцмана (уравнение Фрумкина — Фольмера, см. поверхностная активность).
5)Электрокапиллярный эффект: — dσ/dφ = rs, где rs-плотность поверхностного заряда, φ-потенциал электрода (уравнение Липмана, см. электрокапиллярные явления).
6) Работу образования критич. зародыша новой фазы Wc. Например, при гомог. конденсации пара при давлении
7) Длину λ капиллярных волн на поверхности жидкости:
8) Упругость жидких пленок со слоем ПАВ: модуль упругости
П.н. измерено для мн. чистых веществ и смесей (растворов, расплавов) в широком интервале температур и составов. Поскольку П. н. весьма чувствительно к наличию примесей, измерения разными методиками не всегда дают совпадающие значения. Осн. методы измерения следующие:
1) подъем смачивающих жидкостей в капиллярах. Высота подъема
2) Измерение макс. давления в газовом пузырьке (метод Ребиндера); расчет основан на уравнении Лапласа. При выдавливании пузырька в жидкость через калиброванный капилляр радиусом г перед моментом отрыва давление
3) Метод взвешивания капель (сталагмометрия):
4) Метод уравновешивания пластины (метод Вильгельми). При погружении пластины с периметром сечения L в смачивающую жидкость вес пластины
5) Метод отрыва кольца (метод Дю Нуи). Для отрыва проволочного кольца радиусом R от поверхности жидкости требуется сила
6) Метод сидящей капли. Профиль капли на несмачиваемой подложке определяется из условия постоянства суммы гидростатич. и капиллярного давлений. Дифференциальное уравнение профиля капли решается численным интегрированием (метод Башфорта — Адамса). По измерениям геом. параметров профиля капли с помощью соответствующих таблиц находят П.н.
8) Метод вращающейся капли. Капля жидкости плотностью r1 помещается в трубку с более тяжелой (плотность r2) жидкостью. При вращении трубки с угловой скоростью w капля вытягивается вдоль оси, принимая приближенно форму цилиндра радиуса r. Расчетное уравнение:
П. н. является определяющим фактором мн. технол. процессов: флотации, пропитки пористых материалов, нанесе-ния покрытий, моющего действия, порошковой металлургии, пайки и др. Велика роль П. н. в процессах, происходящих в невесомости.
Понятие П.н. впервые ввел Я. Сегнер (1752). В 1-й пол. 19 в. на основе представления о П.н. была развита мат. теория капиллярных явлений (П. Лаплас, С. Пуассон, К. Гаусс, А.Ю. Давидов). Во 2-й пол. 19 в. Дж. Гиббс развил термодинамич. теорию поверхностных явлений, в которой решающую роль играет П.н. В 20 в. разрабатываются методы регулирования П.н. с помощью ПАВ и электрокапиллярных эффектов (И. Ленгмюр, П. А. Ребиндер, A. H. Фрумкнн). Среди совр. актуальных проблем-развитие мол. теории П.н. разл. жидкостей (включая расплавл. металлы), влияние кривизны поверхности на П. н.
Лит.: Семенченко В. К., Поверхностные явления в металлах и сплавах, М., 1957; Оно С., Кон до С., Молекулярная теория поверхностного натяжения в жидкостях, пер. с англ., М., 1963; Русанов А. И., Фазовые равновесия и поверхностные явления, Л., 1967; Ребиндер П. А., Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия, М., 1978; АдамсонА., Физическая химия поверхностей, пер. с англ., М., 1979; Гиббс Дж. В., Термодинамика. Статистическая механика, М., 1982; Щукин E. Д., ПерцовА. В., Амелина E. А., Коллоидная химия, М., 1982.
Б. Д. Сумм
Химическая энциклопедия