Жидкое состояние вещества

Жидкость занимает промежуточное положение между газом и кристаллами. На данный период нет вполне законченной и обобщенной теории жидкостей. Одна из моделей поведения молекул жидкости, предложенная Я.И.Френкелем, выглядит так. Молекула совершает колебательное движение около положения равновесия, эпизодически скачком перемещаясь в новое положение равновесия. Таким образом, молекула медленно перемещается внутри жидкости. При повышении температуры подвижность молекул сильно возрастает и вязкость жидкости уменьшается. На внутренние молекулы действуют силы со стороны соседних молекул, а так как плотность жидкости постоянная, то равнодействующая сила, действующая на внутреннюю молекулу, равно нулю. Иначе обстоит дело с поверхностными молекулами. Они взаимодействуют с молекулами жидкости и газа одновременно. А так как концентрация частиц газа меньше, чем жидкости, то равнодействующая сила будет направлена внутрь жидкости. Это приводит к тому, что на поверхности жидкости останется минимальное количество частиц, т.е. площадь свободной поверхности жидкости будет стремится к минимуму. Для выхода молекулы с глубины на поверхность необходимо совершить работу, что приводит к увеличению энергии поверхностных молекул. Стремление уме­ньшить свою поверхность проявляется в возникновении сил поверхностного натяжения, которые направлены по касательной к поверхности. Рассмотрим проволочный П–образный каркас с подвижной перемычкой дли­ны . Замкнутый контур затягивают пленкой, которая сразу же, стремясь умень­шить свою поверхность, начинает поднимать перемычку. Чтобы воспрепятствовать этому, приходится прикладывать внешнюю силу F. Сила поверхностного натяжения, приходящаяся на единицу длины, называется поверхностным натяжением и обозначается s:

, [Н/м].

Медленно перемещая перемычку вниз на расстояние dx, сила F, равная , совершает работу . Коэффициент 2 появился из-за того, что пленка имеет два поверхностных слоя. Сама жидкость совершает над перемычкой работу, равную , где dS – приращение площади поверхно­стного слоя. При этом дополнительное количество молекул пе­реходит из глубины жидкости в поверхностный слой, что со­провождается охлаждением жидкости. Однако, если этот процесс проводить медленно, он протекает изотермически, и это даёт возможность иной интерпретации поверхностного натяжения. Так как работа при изотермическом процессе совершается за счет убыли свободной энергии: , то можно сделать вывод, что поверхностное натяжение равно свободной энергии единицы свободной поверхности жидкости:

.

Следует отметить, что с ростом температуры поверхностное натяжение уменьшается, обращаясь в нуль при критической температуре.

Рассмотрим простейший случай, когда поверхность жидкости сферическая. Выделим мыс­ленно на этой поверхности с радиусом кривизны R небо­льшой кружок радиуса г (г<<R). Этот участок поверх­ности растягивают силы поверхностного натяжения, на­правленные почти радиально. Благодаря этим силам в жидкости возникает дополнительное давление, которое называется давлением Лапласа:

,

где R₁ и R₂ – радиусы кривизны в двух взаимно перпендику­лярных плоскостях, пересечение которых совпадает с норма­лью к поверхности жидкости в интересующей нас точке. Оба радиуса кривизны – величины алгебраические. Если центр кривизны О поверхности находится внутри жидкости, то R > 0, если вне жид­кости, то R < 0. Соответственно в первом случае дополнительное давление Dр > 0, а во втором Dр < 0.

Дата добавления: 2014-11-20