Поверхностное натяжение — это явление, при котором поверхность жидкости ведет себя как эластичная пленка, стремящаяся минимизировать свою площадь. Это связано с силами межмолекулярного притяжения между молекулами жидкости.
Молекулы на поверхности жидкости испытывают асимметричные силы притяжения: с одной стороны — молекулы жидкости, с другой — воздух или другое газообразное вещество. Это приводит к напряжению на поверхности.
Поверхностное натяжение σ измеряется в ньютон на метр (Н/м) и определяется как сила, действующая перпендикулярно линии длиной 1 метр на поверхности жидкости.
Для плоской поверхности поверхностное натяжение — это сила на единицу длины:
$$ \sigma = \frac{F}{l}, $$
где F — сила, l — длина.
Важная характеристика — давление внутри капли или пузырька выше наружного. Это давление избыточно и определяется уравнением Лапласа:
$$ \Delta P = P_{\text{внутри}} - P_{\text{снаружи}} = \frac{2\sigma}{R}, $$
где R — радиус кривизны поверхности (для сферы).
В капиллярах жидкость может подниматься или опускаться под действием сил поверхностного натяжения и адгезии. Высота подъёма жидкости в капилляре определяется формулой:
$$ h = \frac{2\sigma \cos \theta}{\rho g r}, $$
где
С увеличением температуры поверхностное натяжение уменьшается, что связано с увеличением кинетической энергии молекул и снижением межмолекулярных сил.
В физике жидкости и газа процессы кипения, конденсации и эффекты поверхностного натяжения — фундаментальные явления, определяющие поведение жидкостей и паров при различных термодинамических условиях. Понимание этих процессов лежит в основе многих технических применений — от производства энергии и теплообмена до биологических и природных систем.