Силы притяжения между молекулами проявляются в интересном явлении
, называемом поверхностным натяжением.
Жидкость, так же как и газ, не способна сохранять свою форму благодаря текучести, но, как и твердые тела, сохраняет свой объем в отсутствие действия внешних сил. Всегда, за исключением критического состояния, существует четкая граница раздела между жидкостью и паром, даже если пар насыщенный. Молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости, находятся в особом положении по сравнению с молекулами внутри жидкости. Результирующая сила, действующая на молекулу внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем равна нулю, потому что эта молекула со всех сторон окружена соседями. Для молекулы, находящейся на поверхности жидкости, дело обстоит не так. Над ней находятся молекулы ее пара (а, возможно, и других газов, что не меняет сути дела), взаимодействие с которыми практически равно нулю из-за достаточно больших расстояний между ними. Нетрудно видеть, что результирующая сила, действующая на молекулу, направлена внутрь жидкости. А это значит, что молекула обладает дополнительной потенциальной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости поскольку, чтобы оказаться на поверхности, молекула должна совершить работу против сил притяжения, направленных внутрь.
Суммарная дополнительная потенциальная энергия всех молекул, составляющих поверхностный слой, иногда говорят «поверхностную пленку», называется поверхностной энергией. Мы знаем, что всякая система стремится к минимуму потенциальной энергии. По этой причине жидкость стремится сократить свою поверхность. Это наглядно видно на очень мелких каплях жидкости — они имеют шарообразную форму, при данном объеме именно шар обладает минимальной поверхностью. Вообще-то жидкость всегда стремится принять форму шара, но если масса велика, этому мешает сила тяжести; в невесомости жидкость любой массы принимает форму шара, обеспечив тем самым минимум потенциальной энергии системы. Если жидкость по какой-нибудь причине увеличивает свою свободную поверхность, то часть молекул переходит из внутренних слоев на внешний, совершая работу против сил притяжения, направленных внутрь, и увеличивая потенциальную энергию системы в целом. Эта работа происходит за счет внешних сил. Увеличение поверхности жидкости происходит, например, при растекании жидкости по плоскости. В этом случае работу совершает сила тяжести.
Поверхность жидкости ведет себя так, как если бы она была очень тонкой упругой пленкой. В этом легко убедиться на опыте. Вырежем из надувного резинового шарика небольшой кусочек, растянем его руками и положим на него любой не очень тяжелый предмет. Мы увидим, что предмет, который будучи предоставлен сам себе упал бы на землю, покоится на резине, прогибая ее. Удерживает этот предмет сила упругости. Теперь возьмем иголку и бросим ее в воду. Плотность стали больше плотности воды и игла утонет. Но если мы положим ее очень аккуратно на поверхность воды, то, при определенных условиях, она не утонет, а будет покоиться на поверхности воды, прогибая ее так же, как в опыте с резиной прогибал резину положенный на нее предмет. И в том, и в другом случае действовали силы межмолекулярного взаимодействия, силы притяжения между молекулами. Как направлена сила поверхностного натяжения? Очевидно, что как и в резиновой пленке, по касательной к поверхности.