Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение.

Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком (рис.1). ЖидкостьТвердое тело Молекулы расположены почти вплотную друг к другу Молекулы жидкости обладают большей свободой (текучесть) Молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла Молекулы совершают тепловые колебания около фиксированных центров

Рисунок 1. Пример ближнего порядка молекул жидкости и дальнего порядка молекул кристаллического вещества: 1 – вода; 2 – лед.

Рисунок показывает отличие газообразного вещества от жидкости на примере воды. Молекула воды H 2 O состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, расположенных под углом 104°. Среднее расстояние между молекулами пара в десятки раз превышает среднее расстояние между молекулами воды. Рисунок 2. Водяной пар (1) и вода (2). Молекулы воды увеличены примерно в 5· 10 7 раз.

Вследствие плотной упаковки молекул сжимаемость жидкостей очень мала; она в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем в газах. Жидкости, как и твердые тела, изменяют свой объем при изменении температуры. Для не очень больших интервалов температур относительное изменение объема ΔV / V 0 пропорционально изменению температуры ΔT: Коэффициент β называют температурным коэффициентом объемного расширения. Этот коэффициент у жидкостей в десятки раз больше, чем у твердых тел. У воды, например, при температуре 20 °С βв 2· K -1, у стали βст 3,6· K -1, у кварцевого стекла βкв 9· K -1.

Тепловое расширение воды имеет аномалию. При температуре ниже 4 °С вода расширяется при понижении температуры (β < 0). Максимум плотности ρв = 1000 кг/ м 3 вода имеет при температуре 4 °С. При замерзании вода расширяется, поэтому лед остается плавать на поверхности замерзающего водоема. Температура замерзающей воды подо льдом равна 0 °С. В более плотных слоях воды у дна водоема температура оказывается порядка 4 °С. Благодаря этому может существовать жизнь в воде замерзающих водоемов.

У жидкостей имеется свободная поверхность, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Молекулы в пограничном слое жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же жидкости не со всех сторон. Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимно скомпенсированы. Любая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости. В результате появляется равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости.

Если молекула переместится с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу. Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (то есть увеличить площадь поверхности жидкости), надо затратить положительную работу внешних сил ΔAвнеш, пропорциональную изменению ΔS площади поверхности: ΔAвнеш = σΔS. Коэффициент σ называется коэффициентом поверхностного натяжения (σ > 0). Он равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу, измеряется в джоулях на квадратный метр (Дж/м 2 ) или в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м 2 ).

Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией, которая пропорциональна ее площади: Ep = Aвнеш = σS. Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии, поэтому свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь, и капля принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (то есть от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости. Мыльная вода образует тонкие пленки, и мыльные пузыри имеют сферическую форму.

Силы поверхностного натяжения стремятся сократить поверхность пленки. Для равновесия подвижной стороны рамки к ней нужно приложить внешнюю силу. Если под действием силы перекладина переместиться на Δx, то будет произведена работа ΔA внеш = F внеш Δx = ΔE p = σΔS, где ΔS = 2LΔx – приращение площади поверхности обеих сторон мыльной пленки. Если в мыльный раствор опустить проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна, то вся она затянется пленкой жидкости.

Так как модули сил и одинаковы, можно записать: или Коэффициент поверхностного натяжения σ - это модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность.

Из-за действия сил поверхностного натяжения в каплях жидкости и внутри мыльных пузырей возникает избыточное давление Δp. Если мысленно разрезать сферическую каплю радиуса R на две половинки, то каждая из них должна находиться в равновесии под действием сил поверхностного натяжения, приложенных к границе 2πR разреза, и сил избыточного давления, действующих на площадь π R 2 сечения

Избыточное давление внутри мыльного пузыря в два раза больше, так как пленка имеет две поверхности: КАПЛЯ ЖИДКОСТИ Условие равновесия записывается в виде σ2πR = Δpπ R 2. Отсюда избыточное давление внутри капли равно МЫЛЬНЫЙ ПУЗЫРЬ

Вблизи границы между жидкостью, твердым телом и газом форма свободной поверхности жидкости зависит от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела (взаимодействием с молекулами газа (или пара) можно пренебречь). Если эти силы больше сил взаимодействия между молекулами самой жидкости, то жидкость смачивает поверхность твердого тела. В этом случае жидкость подходит к поверхности твердого тела под некоторым острым углом θ, характерным для данной пары жидкость – твердое тело. Угол θ называется краевым углом.

Краевые углы смачивающей (1) и несмачивающей (2) жидкостей. Если силы взаимодействия между молекулами жидкости превосходят силы их взаимодействия с молекулами твердого тела, то краевой угол θ оказывается тупым. В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность твердого тела. При полном смачивании θ = 0, при полном несмачивании θ = 180°. Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра – капиллярах.

Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, несмачивающие – опускаются. На рисунке изображена капиллярная трубка некоторого радиуса r, опущенная нижним концом в смачивающую жидкость плотности ρ. Верхний конец капилляра открыт. Подъем жидкости в капилляре продолжается до тех пор, пока сила тяжести действующая на столб жидкости в капилляре, не станет равной по модулю результирующей Fн сил поверхностного натяжения, действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра

При полном смачивании θ = 0, cos θ = 1. В этом случае Fт = Fн, где Fт = mg = ρh2πrg, Fн = σ2πr cos θ. Отсюда следует:

При полном несмачивании θ = 180°, cos θ = –1 и, следовательно, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр. Вода практически полностью смачивает чистую поверхность стекла. Наоборот, ртуть полностью не смачивает стеклянную поверхность. Поэтому уровень ртути в стеклянном капилляре опускается ниже уровня в сосуде.