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 (термодинамический) и силовой (механический). Энергетическое (термодинамическое) определение: поверхностное натяжение — это удельная работа увеличения поверхности при её растяжении при условии постоянства температуры. Силовое (механическое) определение: поверхностное натяжение — это сила, действующая на единицу длины линии, которая ограничивает поверхность жидкости[1].
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 {\displaystyle \gamma } — 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 (Дж) на разрыв единицы поверхности (м²). 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 (хотя и специфической: для симметричных молекул близких по форме к шарообразным). 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 [2] , [3])
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.
1. Вещество состоит из частиц (атомов, молекул или ионов).
2. Частицы вещества беспорядочно (хаотически) и непрерывно движутся (это доказывают явления диффузии и броуновского движения).
3. Частицы вещества взаимодействуют друг с другом (притягиваются и отталкиваются) – этим объясняются силы упругости, смачиваемость и др.
1. Вещества состоят из частиц: а) из молекул (вода, сахар, масло), где молекулы состоят из атомов; б) из ионов (соли, щелочи, металлы); г) из атомов (инертные газы). С электронных микроскопов получены даже фотографии отдельных крупных молекул. Капелька масла расплывается по поверхности воды не безгранично, а до плёнки, толщиной в одну молекулу.
О существовании атомов догадывались ещё древние греки (Демокрит, Лукреций Кар). М.В.Ломоносов объяснял теплоту через движение молекул. Размеры атомов очень малы, порядка 10 – 8 м. Если атомы увеличить до размера типографской точки, то толщина человеческого волоса стала бы около 10 км.
2. Хаотическое и непрерывное движение частиц вещества доказывают явления диффузии и броуновского движения.
Диффузией наз. явление взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества, происходящее из-за их движения.
Примеры диффузии: распространение запаха, растворение сахара, засолка продуктов. Две плотно прижатые пластины из свинца Pb и золота Au за 5 лет срастаются на 1 мм. Чем выше температура и слабее связи между молекула-ми, тем быстрее идёт диффузия.
Броуновским движением наз. движение мелких, взвешенных в жидкости частиц под действием ударов молекул жидкости. Если в жидкость намешать очень мелкие нерастворимые частицы (например, пыльца цветов), то в микроскоп видно, как эти частицы медленно движутся. Это движение беспорядочное и никогда не прекращается. Частицы на столько малы, что число ударов молекул жидкости с противоположных сторон не компенсируется, по-этому частицы беспорядочно и непрерывно перемещаются по жидкости.
3. Частицы вещества одновременно притягиваются и отталкиваются. Атомы состоят из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронных оболочек, поэтому ядра атомов отталкиваются и электронные оболочки атомов тоже отталкиваются. Но одновременно ядра атомов притягивают электронные оболочки соседних атомов. Если бы не было сил притяжения, атомы разлетелись бы, и не было бы твёрдых и жидких тел. А если бы не было сил отталкивания, то любое тело можно было бы сжать до сколь угодно малых размеров.