Общий курс физики термодинамика и молекулярная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
Насыплем на свободную поверхность ртути, налитой в широкий сосуд, какой-либо порошок. Затем погрузим в нее вертикальную толстую стеклянную палочку. Порошок увлекается в углубление вокруг палочки, как будто бы ртуть была покрыта пленкой, не разрывающейся при погружении в нее палочки. Опыт удается и с водой, если палочку предварительно слегка смазать жиром.
Многие явления объясняются тем, что поверхностной натяжение у разных жидкостей не одинаково. Возьмем, например, маленькую модель кораблика
S//////////////////A
с\ - - - .—уя
L
в
в
Рис. 114.
из жести, в корме которой сделано небольшое отверстие. Нальем в кораблик немного эфира, чтобы уровень свободной поверхности эфира был несколько выше отверстия. Затем пустим кораблик плавать на поверхности воды. Тогда он начнет двигаться вперед, т. е. в направлении от кормы к носу. Явление объясняется тем, что поверхностное натяжение эфира меньше поверхностного натяжения воды. Эфир, просачивающийся через отверстие в корме, покрывает поверхность воды сзади кораблика тонким слоем. Поверхностное натяжение эфира тянет кораблик назад. Однако эта сила меньше силы поверхностного натяжения воды, которая тянет его вперед. Результирующая этих двух сил направлена вперед и приводит кораблик в движение.
418
ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ
[ГЛ. IX
То же явление наблюдается, когда маленькие кусочки камфоры бросают на поверхность чистой воды. Камфора медленно растворяется в воде и уменьшает ее поверхностное натяжение. Скорость растворения в различных местах кусочка камфоры не одинакова и зависит от его формы. Она больше вблизи выступающих острых концов кусочка. В результате образуется разность поверхностных натяжений, приводящая кусочек камфоры в беспорядочное и интенсивное вращательное и поступательное движение. Явление наблюдается только тогда, когда поверхность воды достаточно чистая. Тонкий слой жира уменьшает поверхностное натяжение воды настолько, что растворение камфоры не может уже произвести его дальнейшего уменьшения. Согласно Релею, движение камфоры прекращается, когда толщина слоя масла на поверхности воды достигает 2 ¦ 10'7 см. В этом случае поверхностное иатяжение воды на 28% меньше, чем для чистой поверхности воды. Слой масла толщиной 1 • 10'7 см и ниже, согласно Релею, практически не оказывает никакого влияния на поверхностное натяжение воды.
Плато (1801—1883) обнаружил, что колебания магнитной стрелки затухают значительно сильнее, когда она подвешена так, что лежит на поверхности воды, чем в том случае, когда она целиком погружена в воду. Это можно объяснить тем, что поверхность воды всегда немного загрязнена жиром. Когда стрелка движется по поверхности воды, жир сосредоточивается впереди нее, а сзади поверхность воды становится более чистой. В результате возникает разность сил поверхностного натяжения, тормозящая движение стрелки.
Волнение на море можно в значительной степени ослабить, выливая на поверхность воды масло. Ветер, действуя на поверхность воды, покрытую маслом, гонит масло вперед и оставляет за собой более чистую поверхность воды. Появляется обратно направленная сила поверхностного натяжения, стремящаяся затормозить поверхность воды, приведенную в движение. Даже когда волны уже образовались, слой масла создает дополнительную силу, стремящуюся затормозить волнение. С волнением связано увеличение толщины масляной пленки в одних местах и уменьшение в соседних. Это создает разность поверхностных натяжений, стремящуюся уменьшить волнение.
Насыплем на поверхность воды в сосуде споры ликоподия. Возьмем стакан, нальем в него несколько капель эфира, которыми смочим дно и стенки стакана, а остаток эфира выльем. В стакане останутся тяжелые пары эфира. Выльем их на поверхность воды, покрытой порошком ликоподия. Порошок быстро расходится во все стороны от того места, на которое попали пары эфира. Явление весьма эффектно, так как пары эфира не видны, и кажется, что опыт производится с пустым стаканом. Явление объясняется тем, что пары эфира уменьшают поверхностное натяжение воды. Возникшая разность поверхностных натяжений и заставляет порошок разбегаться к краям сосуда. Капля воды, висящая у нижнего конца вертикальной трубки, отрывается и падает, если вблизи нее поместить эфир.
5. В состоянии равновесия свободная энергия системы должна быть минимальной. Допустим, что жидкость совершенно свободна, т. е. не ограничена стенками сосуда и не подвержена действию внешних силовых полей. Тогда под действием сил поверхностного натяжения она должна принять форму шара, так как из всех тел заданного объема шар имеет наименьшую поверхность, а потому и наименьшую поверхностную свободную энергию. Получению шаровой формы капли жидкости мешает сила тяжести. Потенциальная энергия силы тяжести пропорциональна объему жидкости, тогда как энергия поверхностного натяжения пропорциональна ее поверхности. Поэтому относительное влияние силы тяжести по сравнению с влиянием поверхностного натяжения тем больше, чем больше объем капли. Малые капли воды и в особенности капли
§ 106]
ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ
