Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение

Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, молекулы жидкости обладают большей свободой. Каждая молекула жидкости время от времени может переместиться в соседнее вакантное место. Молекулы могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей.

Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком.

Любая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости. В результате появляется некоторая равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости. Если молекула переместиться с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу. Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (т.е. увеличить площадь поверхности жидкости), надо затратить положительную работу внешних сил , пропорциональную изменению площади поверхности:

.

Коэффициент называется коэффициентом поверхностного натяжения ( ). Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу.

В СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м²) или в ньютонах на метр (1 Н/м=1 Дж/м²).

Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией.

Потенциальная энергия E_p поверхности жидкости пропорциональна ее площади:

Свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости 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.

Если в мыльный раствор опустить проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна, то вся она затянется пленкой жидкости.

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 , то будет произведена работа , где - приращение площади поверхности обеих сторон мыльной пленки. Так как модули сил и одинаковы, можно записать:

Коэффициент поверхностного натяжения может быть определен как 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 . 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 разреза, и сил избыточного давления, действующих на площадь сечения. Условия равновесия записываются в виде:

.

Отсюда, избыточное давление внутри капли равно

Избыточное давление внутри мыльного пузыря в два раза больше, так как пленка имеет две поверхности:

Смачивание. Если силы взаимодействия с твердым телом 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 , характерным для данной пары жидкость - твердое тело.

Угол называется краевым углом. Если силы взаимодействия между молекулами жидкости превосходят силы их взаимодействия с молекулами твердого тела, то краевой угол оказывается тупым. В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность твердого тела. При полном смачивании , при полном несмачивании .

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 . 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 F_н сил поверхностного натяжения, действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра:

F_т=F_н, где , .

Отсюда следует:

При полном смачивании , . В этом случае

При полном несмачивании , и, следовательно, h<0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в который 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.

Контрольные вопросы и задания.

Вопрос 1. Что называется коэффициентом поверхностного натяжения?

Вопрос 2. Что называют силой поверхностного натяжения?

Вопрос 3. Какие жидкости смачивают поверхности твердых тел, а какие нет?

Вопрос 4. Что такое капиллярные явления?

Вопрос 5. Почему свободная капля жидкости принимает шарообразную форму?

Вопрос 6. Почему некоторые жидкости поднимаются по капиллярам, а другие опускаются?

Вопрос 7. До каких пор продолжается подъем жидкости в капилляре?

Вопрос 8. В каком случае уровень жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в который опущен капилляр?

Пример. Сферическую каплю ртути радиусом r₁=4 мм разделили на две одинаковые капли. Какую работу совершили при этом внешние силы? Поверхностное натяжение ртути Дж/м².

Решение.
Затраченная работа равна увеличению поверхностной энергии где S₁ и S₂ - площади поверхности капель до и после разделения, r₁ и r₂ - радиусы капель. ,

Так как масса ртути осталась неизменной, то не изменился и ее объем

.

Следовательно, Дж.

Задача 1. В сосуд с маслом, хорошо смачивающим стекло, погружена стеклянная трубка с внутренним радиусом r=1 мм. Определите, насколько отличается от атмосферного давление в столбе масла в капиллярной трубке на уровне h/2, где h - высота столба масла в капилляре. Коэффициент поверхностного натяжения масла Дж/м².

Подъем жидкости в капилляре Задача 2. Капля ртути массой m=1 г помещена между двумя параллельными стеклянными пластинками. С какой силой нужно сжимать пластинки, чтобы ртуть приобрела форму круглой лепешки радиусом R=5 см? Поверхностное натяжение ртути Дж/м². Ртуть абсолютно не смачивает стекло. Плотность ртути кг/м³.

Задача 3. Определите, насколько отличается от атмосферного давление воздуха в воздушном пузырьке диаметром d=0.2 мм, находящемся на глубине h=20 см под поверхностью воды. Коэффициент поверхностного натяжения воды Дж/м².

Задача 4. Спирт поднялся по капиллярной трубке на высоту 55 см, а вода – на высоту 146 мм. Определить плотность спирта.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: