Teorētiskā daļa
Virsmas brīvā enerģija
Šķidrumu no apkārtējās vides atdala robežvirsma, ko sauc par šķidruma brīvo virsmu. Virsmas slānim tuvumā esošās molekulas atrodas citādos apstākļos nekā pārējās šī šķidruma molekulas. Aplūkosim molekulu, kas atrodas šķidruma iekšienē. Šai molekulai visapkārt ir tādas pašas molekulas, kas atrodas apmēram 10-9m attālumā viena no otras. Mijiedarbības spēki, kas iedarbojas uz šo molekulu, līdzsvarojas. Bet molekula, kas atrodas uz šķidruma brīvās virsmas mijiedarbojas gan ar šķidruma molekulām, gan ar šī šķīduma tvaika molekulām. Taču molekulu koncentrācija tvaikā ir daudzreiz mazāka nekā tā ir šķidrumā, šīs molekulas mijiedarbības spēks ar tvaika molekulām ir ievērojami mazāks nekā ar šķidruma molekulām. Līdz ar to rezultējošais spēks ir vērsts uz šķidruma iekšieni. Līdzīgi ir ar visām molekulām, kas atrodas robežslānī starp šķidrumu un apkārtējo vidi. Tā kā molekulu mijiedarbības spēki strauji samazinās, palielinoties attālumam starp molekulām, tad robežslāņa biezums ir vienāds ar dažiem starpmolekulu attālumiem.
Aplūkosim šķidruma molekulu robežslānī ar trauku. Te ir iespējami divi gadījumi:
• Molekulas mijiedarbības spēki ar trauka sienu molekulām ir lielāki nekā šķidruma molekulu mijiedarbības spēki;
• Šķidruma molekulu mijiedarbības spēki ir lielāki nekā aplūkojamās molekulas mijiedarbības spēki ar trauka sienas molekulām.
Kā vienā tā otrā gadījumā uz šķidruma molekulu darbojas nelīdzsvarots spēks. Pirmajā gadījuma tas vērsts uz trauka sienām, otrajā gadījumā uz šķidruma iekšieni.
Ja molekula pārvietojas no slāņa, kur šķidrums robežojas ar savu tvaiku, uz šķidruma iekšieni, tad tā veic pozitīvu darbu. Savukārt, lai pārvietotu molekulu no šķidruma iekšējā slāņa uz robežslāni, ir jāveic darbs pārējo molekulu pievilkšanās spēka pārvarēšanai. Tas nozīmē, ka šķidruma virspusē esošajām molekulām piemīt vēl papildus potenciālā enerģija salīdzinājumā ar šķidruma iekšienē esošajām molekulām. Molekulu vidējā kinētiskā enerģija nav atkarīga no molekulas atrašanās vietas šķidrumā. Kinētisko enerģiju nosaka tikai temperatūra.
Tādējādi šķidruma virsmas slānim salīdzinājumā ar tāda paša biezuma slāņiem šķidruma iekšienē piemīt papildus iekšējā enerģija, ko sauc par virsmas brīvo enerģiju un apzīmē ar Us. Šī enerģija ir proporcionāla šķidruma brīvās virsmas laukumam.
No mehānikas ir zināms, ka ķermenis vai ķermeņu sistēma spontāni pāriet tādā stāvoklī, kurā potenciālā enerģija ir vismazākā. Attiecībā uz šķidrumiem tas nozīmē, ka līdzsvara stāvoklī šķidrumam jāpieņem tāda forma, lai brīvās virsmas laukums būtu vismazākais. Bet noteiktam tilpumam vismazākā virsma ir lodes formas ķermeņiem. Tādējādi mijiedarbības spēku ietekmē jebkuram šķidrumam vajadzētu ieņemt lodes formu. …
