Свойства жидкости

Газ оказывает давление на стенки сосуда, в котором он находится. Это давление обусловлено ударами движущихся молекул. Благодаря хаотическому движению молекул давление газа одинаково во всех направлениях. Нагревание газа приводит к увеличению давления газа, т. к. удары молекул о стенки сосуда становятся более частыми и сильными. Давление газа зависит также от степени сжатия газа, т. е. от того, сколько молекул газа находится в данном объеме. В системе СИ за единицу давления принята единица, называемая паскалем (Па).

1 Па = ; Р = ; 1 Бар = 10Па. В СГС - .

Во многих случаях поверхность жидкости часто оказывается искривленной. Кривизна поверхности жидкости приводит к появлению сил, действующих на жидкость под этой поверхностью. Рассмотрим три случая (рис. 19).

Рисунок 19.

Если поверхность жидкости не плоская, то стремление ее к сокращению давления приводит к возникновению давления ∆Р, дополнительно к тому, которое испытывает жидкость с плоской поверхностью (Р). В случае выпуклой поверхности это дополнительное давление положительно, в случае вогнутой – отрицательно. Поверхностный слой, стремясь сократиться, растягивает жидкость. В случае выпуклой поверхности поверхностный слой сжимает жидкость. Величина добавочного давления, очевидно должна возрастать с увеличением КПН и кривизны поверхности.

Дополнительное давление пропорционально КПН и обратно пропорционально радиусу кривизны поверхности жидкости:

∆Р ~ (6)

Французский математик и физик Лаплас (1749-1827) теоретически вывел более строгую формулу для определения дополнительного давления любой формы, которая имеет вид:

∆Р = ± α(+) (7),

где знак (+) соответствует выпуклой поверхности, знак (-) – вогнутой поверхности; Rи R- радиусы кривизны двух нормальных взаимноперпендикулярных сечений поверхности (рис. 20).

АВи АВ- дуги. Если поверхность жидкости сферическая, радиусы Rи Rравны, тогда

∆Р = ± (8)

В случае цилиндрической поверхности R=R и R=∞, то дополнительное давление равно:

∆Р = ± (9)

Когда поверхность плоская, то R= R=∞,

то ∆Р = ± α (+) = 0.

При рассмотрении явлений на границе раздела различных сред надо иметь ввиду, что молекулярные силы притяжения действуют не только, например, между молекулами жидкости, но и между молекулами жидкости и, например, твердого тела. Величина этих сил зависит от природы, соприкасающихся сред. Если каплю жидкости поместить на

Рисунок 20 поверхность твердого тела, то возможны два случая:

1) силы притяжения между молекулами жидкости больше, чем между молекулами жидкости и твердого тела, то данная жидкость стремится уменьшить границу (площадь) своего соприкосновения с твердым телом. Капля жидкости принимает на горизонтальной поверхности твердого тела форму приплюснутой сферы (рис. 21а), которая обусловлена действием силы тяжести. В этом случае жидкость не смачивает твердое тело. Угол θ между касательными к поверхности жидкости и к поверхности твердого тела называется краевым углом. Для несмачивающей жидкости θ > 90.

Рисунок 21.

2) Когда силы притяжения между молекулами меньше, чем силы сцепления между молекулами жидкости и твердого тела. В этом случае жидкость смачивает твердое тело и угол θ < 90(рис. 24б). Одна и та же жидкость смачивает одни и не смачивает другие твердые тела. Например, вода смачивает стекло, но не смачивает парафин. Ртуть смачивает медь, не смачивает стекло. Роль смачивания и несмачивания в технике огромна: обогащение руд и т. д.

Рассмотрим явление, связанное со смачиванием, - явление капиллярности.

Существование краевого угла приводит к тому, что вблизи стенок сосуда наблюдается искривление поверхности жидкости. В капиллярах (capillus – латынь – «волос») или в узком зазоре между двумя стенками искривленной оказывается вся поверхность. Когда жидкость смачивает стенки, поверхность имеет вогнутую форму, если не смачивает – выпуклую (рис. 22). Такого рода изогнутая поверхность жидкости

называется мениском.

Рисунок 22.

Нальем жидкость в широкий сосуд и опустим в нее капиллярную трубку, стенки которой смачивают жидкость. Поверхность жидкости в капилляре примет вогнутую сферическую форму. Жидкость в капилляре поднимается до некоторой высоты h (см. рис. 23). Под вогнутой поверхностью внутреннее давление меньше, чем под плоской поверхностью вне трубки на величину дополнительного давления под сферической поверхностью.

∆P = , где R – радиус кривизны мениска, -

Рисунок 23. коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

Гидростатическое давление столба жидкости в капилляре уравновешивает капиллярное давление ∆P: gh = (10).

Отсюда h = . Как видно из рисунка 10 R = ,

r – радиус капилляра. И окончательно:h = (11) – формула Жюрена (англ. 1718 г.) Борели (итал. 1670 г.) «Высота поднятия смачивающей жидкости в капилляре обратно пропорционально радиусу капилляра».

Величина называется капиллярной постоянной.

Формула Жюрена применима и к случаю опускания несмачивающей жидкости в капилляре. Очевидно, что высота поднятия тем больше, чем меньше радиус капилляра. При данном радиусе капиллярной трубки поднятие тем больше, чем больше К.П.Н., чем сильнее происходит смачивание (чем меньше краевой угол θ) и чем меньше плотность жидкости ρ.

Явление капиллярности играет большую роль в природе и в практической жизни: прикатка и боронование почвы, жизнь растений, флотация и т. п. Процессы, связанные с кровообращением, тоже вызваны капиллярностью. Кровеносные сосуды являются капиллярами.

На каждую молекулу жидкости действуют силы притяжения молекул, находящихся от нее на расстоянии 1,5*10см (R = 1,5*10см). Это расстояние называется радиусом молекулярного действия, а сфера, в центре которой находится рассматриваемая молекула, называется сферой молекулярного действия (рис 24).

Радиус молекул r 5*10см, то R 3r, следовательно, каждая молекула испытывает взаимодействие со стороны всех соседних с ней молекул, находящихся в пределах сферы молекулярного действия. Результатирующая сил притяжения, действующих на молекулу, находящуюся от поверхности жидкости на расстоянии, превышающем R, в среднем равна нулю (см. рис. 25 а и б).

Рисунок 24

Иначе обстоит дело с молекулой, находящейся на поверхностном слое жидкости. Толщину этого слоя будем считать равной радиусу сферы действия молекулярных сил. Плотность пара или газа, с которым граничит жидкость в 1000 раз меньше плотности жидкости. Молекула «в» окружена молекулами

Рисунок 25 жидкости с нижней стороны, а с верхней – она

взаимодействует с молекулами газа – воздуха, силы притяжения которых ничтожны. То результатирующая сил, действующих на молекулу (например, в), расположенную в поверхностном слое, не равна нулю. Следовательно, результатирующая сила f направлена внутрь жидкости нормально к ее поверхности, т. е. на каждую молекулу, находящуюся в поверхностном слое будет действовать сила, направленная внутрь жидкости. Таким образом поверхностный слой жидкости оказывает на всю жидкость давление, равное сумме результатирующих сил, действующих на все молекулы, лежащие в одном квадратном метре. Это давление называется внутренним или молекулярным. Это давление велико (например, для воды 11*10).

Большой величиной молекулярного давления объясняется ничтожно малая сжимаемость жидкостей, т. е. жидкость очень незначительно реагирует на изменение внешнего давления в десятки и даже сотни атмосфер. Масса жидкости, на которую не действуют внешние силы молекулярного давления, принимает сферическую форму (например, малые капли жидкости), т. к. действие силы тяжести пренебрежимо мало.

Поверхностный слой жидкости подобен эластичной растянутой пленке. Силы поверхностного натяжения вызывают стремление жидкости сократить свою поверхность.«Напряженное состояние поверхностного Рисунок 26. слоя жидкости называют поверхностным натяжением».Оно вызвано

силами сцепления между молекулами этого слоя. Поверхностное натяжение характеризуют силой, приложенной к контуру, ограничивающему поверхность жидкости (рис. 26).Эта сила называется силой поверхностного натяжения. Она направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует. Сила пропорциональна числу молекул, прилегающих к контуру:

F = αl (1),

где α – коэффициент пропорциональности, коэффициент поверхностного натяжения.

Необходимо помнить, что с такой же силой поверхностного натяжения действуют на контур и молекулы, расположенные вне него, т. е. контур находится в равновесии. Для обнаружения действия силы поверхностного натяжения проделаем опыт с петлей (рис.27)

Рисунок 27.

Из формулы (1) находим, что α = (2) «Коэффициент поверхностного натяжения жидкости равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины контура, ограничивающего поверхность жидкости».

Измеряется α в (===) – система СИ и - система СГС (для воды 0,073 , для ртути 0,54 ).

Величина α для разных жидкостей различна и зависит от природы жидкости, от температуры (уменьшается с повышением температуры и при критической температуре равна нулю) и от степени чистоты поверхности. Примеси сильно сказываются на величине поверхностного натяжения. Так, например, растворение в воде мыла снижает ее коэффициент поверхностного натяжения до 0,045 . В этом случае силы притяжения между молекулами растворенного вещества и растворителя меньше сил притяжения между молекулами растворителя. Такие вещества называются поверхностно-активными. По отношению к воде такими веществами являются нефть, спирт, эфир, мыло, ряд жирных кислот и многие другие. Так как молекулы растворенного вещества притягиваются слабее, чем молекулы самого растворителя, поэтому молекулы растворителя уходят из поверхностного слоя внутрь жидкости и поверхностный слой оказывается обогащенным молекулами растворенного вещества, в итоге происходит уменьшение поверхностного натяжения воды.

Пример: Борьба с малярийными комарами.

Некоторые вещества увеличивают поверхностное натяжение (например, NaCl, сахар, соль по отношению к воде). Их молекулы взаимодействуют с молекулами воды сильнее, чем молекулы ее между собой. Молекулы таких примесей втягиваются внутрь жидкости.

При растяжении (увеличении) поверхности жидкости совершается работа против молекулярных сил. Когда же происходит сокращение поверхности, тогда молекулярные силы сами совершают работу по затягиванию «лишних» молекул с поверхности вглубь жидкости. Таким образом, при растяжении поверхности жидкости ее потенциальная энергия увеличивается, а при сокращении – уменьшается.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Дата добавления: 2014-01-04