Рис. 309. Образование мениска вокруг стержня ареометра:

аа - верхний край мениска; 66 - его нижний край

Как известно, между молекулами всякого тела существует взаимное притяжение (сцепление), причем действие сил, вызывающих это явление, проявляется на очень малых расстояниях. Каждая молекула притягивает к себе все окружающие ее молекулы,

расположенные внутри сферы молекулярного действия; эта сфера описывается радиусом, равным наибольшему расстоянию, иа котором обнаруживаются силы сцепления. Радиус молекулярного действия в жидкости равен примерно 0,001 мкм.

Рассмотрим несколько молекул жидкости, лежащих в различных слоях. Если молекула находится на таком расстоянии от поверхности жидкости, что сфера молекулярного действия помещается целиком в жидкости, то данная молекула испытывает одинаковое со всех сторон притяжение окружающих ее молекул и равнодействующая этих сил сводится к нулю.

В ином положении оказываются молекулы, лежащие в поверхностном слое, толщина которого меньше радиуса молекулярного действия. В этом случае сфера действия молекулы лишь частично расположена внутри жидкости, т. е. над данной молекулой находится меньше молекул, чем под ней *, в результате чего на нее действует притягивающая сила, направленная внутрь жидкости, перпендикулярно к ее поверхности.

Таким образом, молекулы поверхностного слоя толщиной, равной радиусу молекулярного действия, притягиваются к внутренним слоям жидкости, т. е. поверхностный слой оказывает на всю жидкость давление. Это давление, называемое молекулярным давлением, направлено перпендикулярно к поверхности. Молекулярное давление в жидкостях весьма велико; для воды, например, оно достигает приблизительно 10000 ат (980,7 МПа).

Взаимное притяжение молекул не только обусловливает давление поверхностного слоя на остальную жидкость, но стремится также уменьшить поверхность жидкости, т. е. вызывает силу, направленную вдоль поверхности; эта сила называется силой поверхностного натяжения. Равновесие жидкости устанавливается при таком расположении молекул, когда на поверхности находится наименьшее возможное их число, т. е. когда свободная поверхность жидкости имеет наименьшую площадь. Это стремление поверхности жидкости занять наименьшую площадь и создает силу натяжения вдоль поверхности.

* Действием молекулярных сил воздуха можно пренебречь ввиду их малости.

Сила поверхностного натяжения, действующая в данной точке линии, взятой на поверхности жидкости, расположена в плоскости, касательной к поверхности в этой точке, и перпендикулярна к указанной линии.

Коэффициентом поверхностного натяжения или -кратко поверхностным натяжением данной жидкости называют силу, приложенную к единице длины произвольной линии, проведенной на свободной поверхности жидкости.

Поверхностное натяжение принято обозначать буквой а* и измерять в системе СГС в дин/см и в системе СИ в Н/м; 1Н/м = = 1000 дин/см. Часто поверхностное натяжение измеряют в мГ/мм (миллиграмм-сила на миллиметр). При нормальном ускорении свободного падения 1 мГ/мм = 9,81 дин/см.

Поверхностное натяжение зависит от рода жидкости, ее хими--ческой чистоты и температуры. Примесь растворимых в жидкости веществ снижает поверхностное натяжение; вследствие повышения температуры поверхностное натяжение уменьшается. При температуре 20°.С поверхностное натяжение жидкости (на границе с воздухом) равно; для чистой воды - 72,8, ртути - 487, этилового спирта - 22,3, серной кислоты (97%-ной)-55,3, керосина - 24,0, глицерина - 63,4 дин/см.

Рассмотрим силы, приложенные к молекуле А жидкости на поверхности у стенки сосуда (рис. 310). Пренебрегая весьма незначительными силами притяжения со стороны молекул воздуха, уста-вавливаем, что на молекулу Л действуют две силы: сила Q - равнодействующая сил сцепления молекул жидкости между собой, направленная внутрь массы жидкости под углом 45°, и сила Р - равнодействующая сил притяжения моле- Рис 310, Силы сцепле-кулы А молекулами стенки, направ- действующие на мо-

J лекулу у стенки сосуда

ленная внутрь стенки перпендикулярно

В зависимости от соотношения сил Р и Q их равнодействующая R может быть направлена либо в сторону стенки сосуда . (рис. 311, а), либо в сторону жидкости (рис. 311,6). Это относится к любой молекуле в поверхностном слое, толщина которого не больше радиуса молекулярного действия. Так как равновесие жидкости наступает тогда, когда в каждой точке поверхности равно-Действующая всех сил в этой точке направлена перпендикулярно к поверхности, то у стенки сосуда поверхность жидкости изги-бается, поднимаясь над общим горизонтальным уровнем (рис. 311, а) или опускаясь ниже его (рис. 311,6). Искривленная Поверхность жидкости и называется мениском.

* Встречается также обозначение а. S4-ie77 529

Вогнутый мениск (рис. 311, а) получается тогда, когда силы сцепления молекул жидкости меньше, чем силы сцепления жидкости с твердым телом. В этом случае говорят, что жидкость смачивает данное твердое тело; например, чистое стекло смачивается водой, спиртом и другими жидкостями. Если же жидкость не смачивает твердое тело, т. е. силы сцепления молекул жидкости между собой превышают силы сцепления между молекулами жидкости и твердого тела, то образуется выпуклый мениск (рис. 311,6).. Такой мениск получается, например, у ртути, налитой в стеклянный сосуд, и у воды по отношению к покрытому жиром стеклу.

Рис. 311. Образование мениска: а - вогнутого; fi - выпуклого

С внешней стороны явления смачивания и несмачивания проявляются следуюш,им образом. Когда жидкость смачивает твердое тело, она пристает к нему. Капля такой жидкости расплывается по поверхности тела; твердое тело, опущенное в жидкость, а затем вынутое из нее, оказывается покрытым тонким слоем жидкости. Несмачивающая жидкость не пристает к твердому телу: капля жидкости не расплывается по поверхности тела, приобретая выпуклую форму; если в такую жидкость погрузить и затем вынуть твердое тело, то на нем не будет слоя жидкости.

Угол между касательной АВ к поверхности жидкости (т. е. к кривой мениска) в точке соприкосновения поверхности со стенкой сосуда и погруженной частью стенки называется краевым углом ю. Краевой угол всегда отсчитывают внутрь массы жидкости.

В случае смачивания жидкостью стенок сосуда краевой угол острый (рис. 311, а), в случае несмачивания - тупой (рис. 311,6). Чем лучше смачиваемость, тем меньше краевой угол. При полном смачивании жидкостью стенок краевой угол равен нулю.

Описанное выше поднимание или опускание жидкости при соприкосновении ее с твердым телом особенно проявляется в трубках весьма малого диаметра - так называемых капиллярных. Так, как это свойство жидкостей обусловлено поверхностным натяже-