Поверхностное натяжение

Определение "Поверхностное натяжение" в Большой Советской Энциклопедии

Поверхностное натяжение, важнейшая термодинамическая характеристика поверхности раздела фаз (тел), определяемая как работа обратимого изотермического образования единицы площади этой поверхности. 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. Применительно к легкоподвижным поверхностям оба определения равнозначны, но первое предпочтительнее, т.к. имеет более ясный физический смысл. Поверхностное натяжение 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, Поверхностное натяжение - 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 Поверхностное натяжение его выражают в дж/м² или н/м (эрг/см² или дин/см).

  Благодаря Поверхностное натяжение жидкость при отсутствии внешних силовых воздействий принимает форму шара, отвечающую минимальной величине поверхности и, следовательно, наименьшему значению свободной поверхностной энергии. Поверхностное натяжение 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 Поверхностное натяжение, например у платины при 2000 °С оно равно 1820 дин/см, у ртути при 20 °С - 484. Поверхностное натяжение расплавленных солей значительно меньше - от нескольких десятков до 200-300. Поверхностное натяжение воды при 20 °С - 72,8, а большинства органических растворителей - в пределах 20-60. Самое низкое при комнатной температуре Поверхностное натяжение - ниже 10 - имеют некоторые фторуглеродные жидкости.
В общем случае многокомпонентных систем в соответствии с термодинамическим уравнением Гиббса при адсорбции изменение Поверхностное натяжение
- 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 Поверхностное натяжение при положительной адсорбции уменьшается). Разницей в Поверхностное натяжение чистой жидкости и жидкости, покрытой адсорбционным монослоем, определяется поверхностное давление.

  На легкоподвижных границах жидкость - газ (пар) или жидкость - жидкость Поверхностное натяжение можно непосредственно измерить многими методами. Так, широко распространены способы определения Поверхностное натяжение 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 Поверхностное натяжение 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 Поверхностное натяжение на разных гранях кристалла различно. Понятия Поверхностное натяжение 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. Поверхностное натяжение твёрдых тел обычно определяют косвенно, исходя из межмолекулярных и межатомных взаимодействий. Величиной и изменениями Поверхностное натяжение обусловлены многие поверхностные явления, особенно в дисперсных системах (см. также Капиллярные явления),
  Л. А. Шиц.
 

  В живых организмах Поверхностное натяжение 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 Поверхностное натяжение невелико. У клеток, лишённых прочной надмембранной структуры (большинство клеток животных, некоторые простейшие, сферопласты бактерий), Поверхностное натяжение 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 Поверхностное натяжение существенны в таких явлениях, как фагоцитоз, пиноцитоз, гаструляция. Определение Поверхностное натяжение клетки - сложная экспериментальная задача; обычно Поверхностное натяжение клетки не превышает несколько дин/см (10^-3 н/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.