Сила разуплотнения поверхностного слоя жидких, твердых и газообразных веществ (стр. 16 )

Поверхностная пленка жидкости отличается от обычных эластичных пленок в том, что сила ее натяжения, определяемая коэффициентом поверхностного натяжения, всегда постоянна и не зависит от величины растягивания пленки, т. е. увеличения поверхностного слоя.

Поверхность увеличивается, как только гравитационная растягивающая сила превысит коэффициент ее поверхностного натяжения. Но до этого предела она стягивает жидкость, как эластичная пленка, заставляя ее собираться в сферические капли. Как только этот предел достигнут, поверхностный слой как бы разрывается и в эти разрывы подходят глубинные слои жидкости, которые наращивают поверхностный слой. Фактически гравитационные силы, растягивающие пленку, всасывают глубинную жидкость в образующиеся разрывы поверхностного слоя, и чем легче осуществить это всасывание, тем меньше поверхностное натяжение.

Такое всасывание легче осуществить в двух случаях:

1) если ван-дер-ваальсовы силы натяжения между молекулами ослаблены,

2) если имеются еще дополнительные силы, которые как бы вдавливают глубинные молекулы в эти разрывы.

Первое осуществляется при повышении температуры, когда тепловое движение молекул усиливается и разуплотненность поверхностного слоя возрастает. В связи с этим расстояние между молекулами возрастает, и поэтому действие тангенциальных ван-дер-ваальсовых сил ослабевает в соответствии с потенциалом Леннарда-Джонса. Все это облегчает разрыв поверхностного слоя и снижает поверхностное натяжение, что хорошо известно.

Второе осуществляется, когда в жидкости имеются поверхностно-активные вещества или жидкость находится в контакте с другими плотными фазами – твердыми или жидкими веществами. Поверхностно-активные силы заставляют растворенные вещества подходить к поверхности и этим способствуют облегчению наращивания поверхностного слоя при его растяжении гравитационными силами. Действует и притяжение молекул жидкости со стороны более плотных граничащих фаз, так как в этом случае они с меньшим усилием могут заполнить разрывы, образующиеся в жидкости при увеличении ее поверхности. Это также подтверждается снижением здесь поверхностного натяжения.

Таким образом, в объяснении причины поверхностного натяжения можно обойтись без представления о силе втягивания молекул в глубину жидкости ван-дер-ваальсовыми силами. Однако необходимо отметить, что конкретно действие сил по увеличению поверхности жидкости проявляется в подходе глубинных молекул к поверхности и наращивании за счет их поверхностного слоя. Поэтому формально, если не вдаваться в механизм формирования поверхностного слоя, поверхностное натяжение можно также трактовать как зависящее от силы втягивания молекул в глубь жидкости, хотя, как отмечалось выше, одно это втягивание не способно осуществиться по той же причине, по которой барон Мюнхгаузен не может сам себя вытащить из болота за волосы.

Здесь возможно только действие притягивания молекул, входящих в состав разуплотненного поверхностного слоя, к нижней его границе, так как ниже ее реальная возможность действия притягивания молекул вглубь исчезает. При этом условии поверхностное натяжение можно трактовать как зависящее от силы притяжения молекул к нижней границе поверхностного слоя, т. е. их от стремления уплотнить этот слой. Иначе говоря, здесь действуют не поверхностные силы втягивания молекул в глубь жидкости, а силы, стремящиеся уменьшить разуплотнение поверхностного слоя, созданные молекулярно-кинетическим тепловым движением молекул.

Значит, при таком объяснении, чем больше величина сил, стремящихся разуплотнить этот слой, т. е. притяжение молекул к нижней границе слоя слабее (при повышении температуры, действии поверхностно-активных сил, притяжении со стороны границы с другими жидкими и твердыми веществами), тем больше разуплотнение слоя и тем меньше величина поверхностного натяжения. Так же и наоборот: чем сильнее притяжение молекул к нижней границе слоя, тем меньше его разуплотнение, сильнее действие ван-дер-ваальсовых стягивающих сил, больше поверхностное натяжение.

Следовательно, хотя термодинамическое понятие о свободной поверхностной энергии как энергии незаполненных внешних связей молекул со стороны поверхности, является в принципе верным, но сущность проявления поверхностной энергии заключается во втягивании молекул вовнутрь уже разуплотненного молекулярно-кинетическим тепловым движением молекул поверхностного слоя.

Таким образом, Т-СРПС жидкости, создавая разуплотнение молекул и поверхностное натяжение, придает поверхностному слою такое свойство любого твердого тела, как способность сопротивляться удлинению в продольном направлении с силой поверхностного натяжения. Как только растягивающая механическая сила превышает величину поверхностного натяжения, слой способен свободно и неограниченно увеличивать свою поверхность за счет подхода к нему молекул из нижнего контакта слоя. Но если гравитационная растягивающая уменьшается или исчезает, поверхностный слой сам за счет силы своего стягивания способен неограниченно сокращаться по площади с возвращением молекул к нижней границе слоя и включением его в состав глубинных слоев.

3.4.1.2. Формирование расклинивающего давления Дерягина как силы, противодействующей разрыву поверхностного слоя при его сжатии в поперечном направлении

Открытое (1937) расклинивающее давление проявляется в тонкой жидкой прослойке между сближенными поверхностями других фаз веществ. Оно проявляется в противодействии со стороны тонкой пленки ее утонению и раздавливанию, и это противодействие возрастает по мере уменьшения ее толщины до определенного предела. Оно препятствует слипанию коллоидных частичек, ликвационных капелек жидкости и т. д.

Расклинивающее давление замерялось опытным путем методом продавливания поверхностного слоя, прижимания его газовым пузырьком к твердой поверхности. У большинства жидкостей при толщине слоя 10–5 см оно имеет значение 500 дин/см2 и возрастает с дальнейшим утонением пленки с величиной, обратно пропорциональной кубу ее толщины. Расклинивающее давление – это статическое постоянное свойство тонких пленок жидкости, проявляющееся, когда какая-либо механическая сила стремится сдавить эту пленку поперек.

По мнению (1937, 1939, 1986), расклинивающее давление появляется в результате ориентации диполей воды у поверхности и зависит от действия молекулярных сил притяжения между поверхностями и молекулами этого сольватно ориентированного слоя, перевешивающего действие молекулярных сил притяжения между сближенными поверхностями.

Я же считаю, что причиной возникновения расклинивающего давления Дерягина является Т-СРПС воды, которая, разуплотняя поверхностный слой в момент прихода в него глубинных слоев, создает между молекулами состояние упругого натяжения, т. е. повышенной твердости. Этот разуплотненный слой обладает свойствами расклинивающего давления, препятствующего его сжатию и разрыву.

По моему мнению, предложенная модель формирования поверхностного слоя в виде слоя магнитно притягивающихся и подпрыгивающих шариков в сосуде с магнитными стенками и сетчатым дном объясняет и механизм формирования расклинивающего давления. В соответствии с этой моделью, поверхностный слой создается в процессе упругого его расширения в поперечном направлении и возникающего в результате этого стремления к натяжению в продольном направлении за счет ускоренного удаления молекул при подходе их к границе раздела фаз, т. е. как бы их подпрыгивании, что имитируется этой моделью. Этот слой будет противодействовать всем силам, которые стремятся его сжать в поперечном направлении и растянуть в продольном, т. е. эта модель объясняет все свойства расклинивающего давления поверхностного слоя и одновременно все свойства его поверхностного натяжения.

Само по себе расклинивающее давление не способно раздвинуть, например, стенки микротрещин, так же как нельзя расширить щель с субпараллельными стенками, вставив в нее плоский резиновый коврик. Поэтому данное ему название “расклинивающее давление” не совсем точно отражает его суть, так как само давление самостоятельно ничего не расклинивает. Оно только препятствует сжатию слоя.

Было бы гораздо правильнее назвать расклинивающим давлением силу разуплотнения поверхностного слоя воды – Т-СРПС, так как именно она создает расширение слоя при его формировании, причем с большой силой, равной силе температурного расширения, способной раздвигать, т. е. расклинивать стенки микротрещин. Но поскольку название “расклинивающее давление” уже принято, приходится им пользоваться в том смысле, который вложил в него .

Для того чтобы более ясно представить себе роль расклинивающего давления, рассмотрим его на примере поведения поверхностного слоя жидкости при сближении гидрофильных и гидрофобных поверхностей. Гидрофильные поверхности легко смачиваются жидкостями, которые свободно растекаются вдоль них; гидрофобные – это не смачиваемые поверхности. В первом случае смачивание объясняется относительно большей силой молекулярного притяжения молекул воды к твердой поверхности. Поэтому молекулы воды, преодолевая силу поверхностного натяжения, стремятся как можно больше растянуть жидкость вдоль поверхности, сильнее притягиваясь к ней и этим уменьшая силу притяжения друг к другу.

С точки зрения рассмотренного выше молекулярно-кинетического механизма создания поверхностного слоя жидкости такое явление объясняется следующим образом. Усиление притяжения молекул воды к твердой поверхности способствует ускорению подхода молекул из глубины в поверхностный слой. Благодаря этому поверхностная пленка обладает большей способностью к увеличению своей поверхности в случае придания ей тангенциальных растягивающих усилий. Иначе говоря, ее поверхность можно увеличить, придав ей меньшие растягивающие усилия. Поверхностная пленка является как бы очень мягкой и эластичной.

Несмачивание гидрофобных поверхностей объясняется более слабым притяжением к ним молекул жидкости, так что относительно большая сила поверхностного натяжения как бы отрывает эти молекулы от них, стремясь стянуть их в капли сферической формы. С точки зрения предложенного молекулярно-кинетического механизма, здесь в связи со слабым притяжением молекул воды к поверхности уменьшается потенциальная способность или скорость подхода глубинных слоев воды к поверхности при увеличении ее площади. Значит, чтобы растянуть поверхность жидкости в латеральном направлении необходимо приложить дополнительные силы, что увеличивает ее поверхностное натяжение. Поэтому поверхностная пленка как бы более сильно стягивает жидкость, являясь более сильно натянутой и, следовательно, более жесткой.