Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение

Жидкость является агрегатным состоянием вещества, промежуточным между газообразным и твёрдым, поэтому жидкости обладают свойствами как газообразных. Так и твёрдых тел. Жидкости, подобно твёрдым телам, обладают вполне определённым объёмом, а подобно газам, принимают форму сосуда, в котором они находятся.

Молекулы газа практически не связаны между собой силами межмолекулярного взаимодействия, средняя энергия теплового движения молекул газа гораздо больше средней потенциальной энергии, обусловленной силами притяжения между ними, поэтому молекулы газа разлетаются в разные стороны и газ занимает любой предоставленный ему объём, при условии, что речь идёт о газообразном состоянии вещества.

В твёрдых и жидких телах силы притяжения между молекулами уже играют существенную роль и удерживают молекулы на определённом расстоянии друг от друга, не позволяя им " разбегаться ". В этом случае средняя энергия хаотического (теплового) движения молекул меньше средней потенциальной энергии межмолекулярного взаимодействия и её недостаточно для преодоления сил притяжения между молекулами, поэтому твёрдые тела и жидкости имеют определённый объём.

Рентгеноструктурный анализ жидкостей показывает, что характер расположения частиц в жидкостях промежуточен между газом и твёрдым телом. Если в газах молекулы движутся хаотически и в их взаимном расположении нет никакой закономерности, то для твёрдых тел наблюдается так называемый " дальний порядок " в расположении молекул (атомов), повторяющийся на больших расстояниях в упорядоченном расположении частиц (так называемая " пространственная решётка "). В жидкостях имеет место так называемый " ближний порядок " в расположении частиц, т.е. их упорядоченное расположение повторяется на расстояниях, сравнимых с межатомными.

По теории Я.И. Френкеля, тепловое движение молекул в жидкости объясняется тем, что каждая молекула в течение некоторого времени колеблется около определённого положения равновесия, после чего скачком переходит в новое положение, отстоящее от исходного на расстояние порядка межатомного. Таким образом, молекулы жидкости довольно медленно, по сравнению с молекулами газа, перемещаются по всей массе жидкости и их диффузия (об этом процессе мы будем говорить позже) происходит гораздо медленнее, чем в газах. С повышением температуры жидкости частота колебательного движения молекул резко увеличивается, возрастает подвижность молекул, что в свою очередь, является причиной уменьшения вязкости жидкости.

На каждую молекулу жидкости со стороны окружающих её молекул жидкости, действуют силы притяжения, быстро убывающие с расстоянием (см. рисунок 17.5). Следовательно, для жидкостей, начиная с некоторого минимального расстояния, можно пренебречь силами притяжения между молекулами. Это расстояние (порядка 10 ^–9 м) называется радиусом молекулярного действия r, а сфера радиуса r – сферой молекулярного действия.

Выделим внутри жидкости какую – либо молекулу А (см. рис. 17.5) и проведём вокруг неё сферу радиуса r. Тогда, согласно определения сферы молекулярного действия, достаточно будет учесть действие на эту выделенную молекулу только тех молекул, которые находятся внутри этой сферы. Силы, с которыми эти молекулы действуют на молекулу А, направлены в разные стороны, и в среднем скомпенсированы, поэтому результирующая сила, действующая на молекулу внутри объёма жидкости со стороны других молекул, равна нулю.

Рис. 17.5. Схема действия межмолекулярных сил внутри жидкости и на свободной поверхности. (Рис. 96, Трофимова, стр. 130).

Иначе обстоит дело, если молекула, например, молекула В, расположена от свободной поверхности жидкости на расстоянии меньшем, чем радиус сферы молекулярного действия r. В данном случае сфера молекулярного действия лишь частично расположена внутри жидкости. Так как концентрация молекул в расположенном над жидкостью газе (паре) мала по сравнению с их концентрацией в жидкости, то равнодействующая сил , приложенная к каждой молекуле поверхностного слоя, не равна нулю и направлена внутрь жидкости.

Таким образом, результирующие силы всех молекул поверхностного слоя оказывают на жидкость давление, называемое молекулярным (или внутренним) давлением.

Необходимо отметить, что молекулярное давление, в отличие от Архимедовой силы, не действует на тело, помещённое в жидкость, так как оно (молекулярное давление) обусловлено силами, действующими только между молекулами самой жидкости.

Суммарная энергия частиц жидкости складывается из энергии их хаотического (теплового) движения и потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия. Поскольку силы межмолекулярного взаимодействия направлены внутрь жидкости, то для перемещения молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой, надо затратить работу. Эта работа совершается за счёт кинетической энергии молекул и идёт на увеличение их (молекул) потенциальной энергии.

В связи с выше приведёнными соображениями, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы внутри жидкости. Эта дополнительная энергия, которой обладают молекулы в поверхностном слое жидкости, называется поверхностной энергией и она пропорциональна площади свободной поверхности слоя жидкости ΔS:

, (17.14)

где σ – поверхностное натяжение жидкости. [ σ ] = [ Дж/м² ].

Так как равновесное состояние жидкости (как и любой другой системы материальных тел) характеризуется минимумом потенциальной энергии (об этом мы уже говорили, см. рис. 17 а,б), то жидкость при отсутствии внешних сил (например, в условиях невесомости) будет принимать такую форму, чтобы при заданном объёме она имела минимальную поверхность (т.е. форму шара), что доказано экспериментами на космических кораблях.

Рассмотрим поверхность жидкости (см. рисунок 17.6), ограниченную замкнутым контуром. Силы поверхностного натяжения направлены по касательной к свободной поверхности жидкости и перпендикулярны к тем участкам контура, на который они действуют, поэтому они будут стремиться сократить периметр контура.

Пусть под действием сил поверхностного натяжения поверхность жидкости сократилась и рассматриваемый контур переместился из положения 1 в положение 2. При этом силы поверхностного натяжения будут совершать работу по уменьшению площади свободной поверхности жидкости:

Рис. 17.6. Действие сил поверхностного натяжения на смоченный контур (периметр). Рис. 97 из Трофимовой, стр. 130.

, (17.15)

где f – сила поверхностного натяжения, действующая на единицу длины контура поверхности жидкости, причём [ f ] = [ Н/м ].

Из рисунка 17.6 видно, что Δl*Δx =ΔS, т.е.:

. (17.16)

Поскольку эта работа совершается за счёт уменьшения поверхностной энергии, то:

, (17.17)

т.е. поверхностное натяжение σ равно силе поверхностного натяжения f, приходящейся на единицу длины контура, ограничивающего свободную поверхность жидкости.

Поверхностное натяжение жидкостей с повышением температуры уменьшается, так как увеличиваются расстояния между молекулами жидкости. Оно обращается в нуль при достижении критической температуры жидкости, когда существует только газообразная фаза (об этом - далее).

Поверхностное натяжение также существенным образом зависит от примесей, имеющихся в жидкости. Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение жидкости, называются поверхностно – активными веществами (мыло, масла, высокомолекулярные соединения). Пример технического применения – флотация ценных компонентов из смеси мелкораздробленных частиц горных пород (руды).

Существуют также вещества (сахар, соль), которые увеличивают поверхностное натяжение жидкости благодаря тому, что их молекулы взаимодействуют с молекулами жидкости сильнее, чем молекулы жидкости между собой. Пример технического применения – " высаливание " жирных кислот из растворов в мыловаренном производстве.

Дата добавления: 2014-01-20