Энергия поверхностного слоя жидкости. Поверхностное натяжение

Тема: «Характеристика жидкого состояния вещества»

Характеристика жидкого состояния вещества

Жидкость – агрегатное состояние вещества, промежуточное между газообразным и жидким. Сохранение объема у жидкости доказывает, что между её молекулами действуют силы притяжения, т.е. расстояние между молекулами жидкости меньше, чем радиус молекулярного действия.

Если вокруг какой-либо молекулы жидкости описать сферу молекулярного действия, то внутри этой сферы окажутся центры многих других молекул, которые будут взаимодействовать с этой молекулой. Эти силы взаимодействия удерживают молекулу жидкости около её временного положения равновесия примерно 10^-12 – 10^-10, после чего она перескакивает в новое временное положение равновесия приблизительно на расстояние своего диаметра.

Молекулы жидкости между переходами совершают колебательное движение около временного положения равновесия. Время между двумя переходами молекулы из одного положения равновесия в другое называется временем осёдлой жизни (≈ 10^-11с). Это время зависит от вида жидкости и температуры.

Чем выше температура жидкости, тем меньше время оседлой жизни. В течение времени осёдлой жизни большинство молекул удерживается в своих положениях равновесия и лишь немногие успевают за это время перейти в новое положение равновесия. За более длительное время уже большинство молекул жидкости успевают переменить своё местоположение.

Если в жидкости выделить малый объём, то в течение времени осёдлой жизни в нём существует упорядоченное расположение молекул, подобно их расположению в кристаллической решетке твердого тела. Затем оно распадается и возникает в другом месте.

Таким образом, всё пространство, занятое жидкостью, как бы состоит из множества зародышей кристаллов, которые распадаются в одних местах, но возникают в других. Значит, в небольшом объёме жидкости наблюдается упорядоченное расположение молекул, а в большом объёме оно оказывается хаотическим.

Т.е. в жидкости существует ближний порядок в расположении молекул и отсутствует дальний порядок. Такое строение жидкости называется квазикристаллическим (кристаллоподобным).

Свойства жидкости:

1. упругость (если время воздействия силы на жидкость мало). При резком ударе палкой о поверхность воды палка может сломаться или вылететь из руки, или отскакивание камня от поверхности воды.

2. текучесть (если время воздействия на жидкость велико) Например, рука легко проникает внутрь воды.

3. хрупкость при кратковременном воздействии силы на струю воды.

4. прочность (немного меньше, чем у твердых тел). Прочность воды на разрыв составляет 2,5∙10⁷ Па.

5. сжимаемость очень мала. При увеличении давления на 1 атм. объём воды уменьшается на 50 миллионных долей.

6. кавитация – резкое захлопывание пустот внутри жидкости при интенсивном воздействии на неё, например, при вращении гребных винтов или распространении в жидкости ультразвуковых волн. Кавитация служит причиной быстрого износа гребных винтов.

При переходе вещества из твердого состояния в жидкое происходит менее резкое изменение свойств, чем при переходе из жидкого в газообразное.

Значит, свойства жидкого состояния вещества ближе к свойствам твердого состояния, чем к свойствам газообразного.

Поверхностный слой жидкости

Выясним, чем отличаются действия молекулярных сил внутри жидкости и на её поверхности. Среднее значение равнодействующей молекулярных сил, приложенных к молекуле М₁, которая находится внутри жидкости, близко к нулю.

Иначе обстоит дело с молекулами М₂ и М₃, находящимися в поверхностном слое жидкости. Опишем вокруг молекул сферы молекулярного действия радиусом r_м (≈ 10^{-9 м). Тогда для молекулы М}₂ в нижней полусфере окажется много молекул (так как снизу находится жидкость), а в верхней – значительно меньше (т.к. сверху – пар и воздух).

Значит для молекулы М₂ равнодействующая молекулярных сил притяжения в нижней полусфере R_Ж много больше равнодействующей молекулярных сил в верхней полусфере R_П.

Сила R_П мала и ей можно пренебречь. Равнодействующая молекулярных сил притяжения, приложенных к молекуле М₃ меньше, чем для молекулы М₂, так как определяется только действием молекул в зачерненной области. Существенно, что равнодействующие для молекул М₂ и М₃ направлены внутрь жидкости перпендикулярно к её поверхности.

рис. 20

Таким образом, все молекулы, находящиеся в поверхностном слое толщиной, равной радиусу молекулярного действия (рис. 20) втягиваются внутрь жидкости.

Но пространство внутри жидкости занято другими молекулами, поэтому поверхностный слой создаёт давление на жидкость, которое называется молекулярным давлением. Определить молекулярное давление опытным путем нельзя, т.к. оно действует не на тело, погруженное в жидкость, а на неё саму.

Теоретические расчёты показали, что молекулярное давление велико (для воды оно равно 11∙10⁶ Па, а для эфира – 1,4∙10⁸ Па). Теперь понятно, почему трудно сжать жидкость. Действительно, для этого надо создать давление того же порядка, что и молекулярное давление самой жидкости. А это очень трудно.

Энергия поверхностного слоя жидкости. Поверхностное натяжение

Так как молекулы жидкости, которые находятся в её поверхностном слое, втягиваются внутрь жидкости, их потенциальная энергия больше, чем у молекул внутри жидкости. Эту дополнительную потенциальную энергию молекул поверхностного слоя жидкости называют свободной энергией; за её счет может быть совершена работа, связанная с уменьшением свободной поверхности жидкости.

Наоборот, чтобы вывести молекулы, находящиеся внутри жидкости, на её поверхность, надо преодолеть противодействие молекулярных сил, т.е. произвести работу, нужную для увеличения свободной энергии поверхностного слоя жидкости. При этом, изменение свободной энергии прямо пропорционально изменению площади свободной поверхности жидкости .

(83),

но

(84) -работа молекулярных сил А при уменьшении площади свободной поверхности жидкости прямо пропорциональна .

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: