поверхностное натяжение

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ (межфазное натяжение) - механич. и термодинамич. характеристика межфазной поверхности, определяемая межмолекулярными взаимодействиями и структурой поверхностного слоя. Механически П. н. ( Н/м) определяется по аналогии со средним (гидростатич.) напряжением как половина следа двумерного тензора избыточных поверхностных напряжений (тензора натяжений) отнесённого к нек-рой геом. разделяющей поверхности с координатой z₀ между соприкасающимися фазами и:

где - обычный тензор напряжений, зависящий в поверхностном слое от нормальной к поверхности координаты z. При равновесии изотропных макрофаз, напр. жидкости и газа, величина не зависит от положения разделяющей поверхности. Термодинамически определяется как работа обратимого образования единицы площади новой поверхности путём растяжения старой. Аналогичная работа (Дж/м²) образования поверхности разрезанием тела, часто также называемая П. н., имеет смысл уд. свободной поверхностной энергии для чистой жидкости и уд. поверхностного большого термодинамич. потенциала - для многокомпонентной жидкой смеси (в случае твёрдого тела - поверхностная плотность нек-рой ф-ции, обладающей свойством свободной энергии по отношению к малоподвижным компонентам кристаллич. структуры и большого термодинамич. потенциала по отношению к легкодиффундирующим компонентам). Тензор натяжений тензор деформации (см. Деформация)и связаны изотермич. соотношением

а при наличии изотропии

(А - площадь межфазной поверхности). Для жидкостей что свидетельствует о наличии реальной тангенциальной стягивающей силы вдоль поверхности. Наиб. П. н. имеют расплавы металлов (напр., Pt при 2300 К обладает = 1,820 Н/м). Для твёрдых тел диффузионное равновесие между поверхностью и объёмом устанавливается медленно, поэтому причём а может иметь любой знак (по имеющимся оценкам, у ионных кристаллов < 0).
Связь П. н. с др. параметрами состояния даётся ур-нием адсорбции Гиббса (см. Поверхностные явления ).У чистых веществ П. н. снижается с ростом темп-ры. Повышение давления приводит к уменьшению П. н. при заметной взаимной растворимости фаз и к возрастанию П. н. в противоположном случае (напр., в системе вода - гелий). Присутствие веществ с положительной адсорбцией вызывает снижение П. н. (наиб. эффект дают поверхностно-активные вещества), а с отрицательной (характерной, напр., для неорганич. солеи в воде) - повышение П. н. Вдали от критич. точки гравитац. поле практически не изменяет П. н. Влияние внеш. электрич. поля существенно зависит от наличия в поверхностном слое спонтанной поляризации (характерной для воды и полярных жидкостей) и поверхностного электрич. потенциала. Если радиус кривизны поверхности много больше эфф. толщины поверхностного слоя, П. н. практически не зависит от формы поверхности. При достаточном уменьшении размера фазы эта зависимость появляется, причём П. н. определяется знаком кривизны поверхности: для капель чистой жидкости уменьшается, а для пузырьков - возрастает с уменьшением их радиуса. При наличии искривлённой поверхности П. н. оказывает влияние и на состояние внутр. объёмной фазы: повышаются её давление и химические потенциалы, давление равновесного пара (см. Кельвина уравнение ),растворимость, меняется темп-pa фазового перехода.
П. н. жидкостей обусловливает широкий круг капиллярных явлений. В основе всех методов измерения П. н. лежит закон Лапласа. При помощи спец. таблиц можно определить П. н. по форме мениска у плоской стенки, форме капли (лежащей или висящей) или её экстремальным параметрам, по высоте капиллярного поднятия, по силе удержания контакта с поверхностью жидкости или отрыва от неё пластинки, кольца, цилиндра, конуса или шара, по натяжению жидкой плёнки, по размеру и весу падающих капель, по макс. давлению в пузырьке, по капиллярным волнам. Из методов измерения динампч. П. н. наиб. известен метод осциллирующей струп. Для измерения очень малых П. н. на границе жидкость - жидкость, характерных, напр., для окрестности критпч. состояния, используется метод вращающейся капли. П. н. малых зародышей новой фазы можно определить по скорости их образования. П. н. твёрдых тел обычно определяют косвенно, исходя из межмолекулярных, межатомных и межионных взаимодействии.

Лит.: Оно С., Кондо С., Молекулярная теория поверхностного натяжения в жидкостях, пер. с англ., М., 1963; Русанов А. И., Фазовые равновесия и поверхностные явления, Л., 1967; Гохштейн А. Я., Поверхностное натяжение твердых тел и адсорбция, М., 1976.

А. И. Русанов.