Поверхностные явления

Жидкости

Молекулярные силы взаимодействия в жидкостях играют большую роль, так как молекулы находятся на достаточно близких расстояниях друг от друга. Особенно ярко эти силы проявляются на границе раздела двух сред – жидкости и газа. Явления этого типа называются поверхностными явлениями.

В поверхностных явлениях участвуют только те молекулы, которые находятся вблизи поверхности. Так как с ростом объема тела площадь поверхности растет медленнее чем объем, то ясно, что относительное число молекул, находящихся у поверхности, в больших телах меньше, чем в малых. Поэтому поверхностные явления играют особенно большую роль в телах (жидкость) малых объемов.

Энергия поверхностных молекул отличается от энергии молекул, находящихся внутри жидкости. Разность между энергиями всех поверхностных молекул и энергией, которой они бы все обладали, находясь внутри жидкости, называется поверхностной энергие, которая, по своей природе, является потенциальной. Очевидно, что поверхностная энергия () пропорциональна площади поверхности ():

где зависит от природы соприкасающихся сред и называется коэффициентом поверхностного натяжения.

или .

Так как любая система стремится перейти в состояние с минимальной потенциальной энергией, то жидкость, предоставленная самой себе, например, в условиях невесомости, принимает форму сферы (для данного объема фигурой с минимальной площадью поверхности является сфера). Этот факт можно также объяснить и тем, что только на сферической поверхности все точки неотличимы одна от другой, нет измерения кривизны, нет тангенциальных сил, вызванных не скомпенсированным воздействием поверхностных молекул друг на друга.

Поверхностная энергия определяет поверхностные силы, стремящиеся сжать жидкость, которые проявляются в поверхностном натяжении.

Пример. Пусть у нас есть проволочная рамка с подвижной стенкой (рис. 14.1). На рамке создадим пленку (мыльная пленка). Эта пленка будет действовать на подвижную стенку с силой

где - площадь поверхности пленки,

но поэтому

.

Знак минус показывает, что эта сила стремится уменьшить площадь поверхности.

Поверхностное натяжение определяет наличие поверхностного давления.

Рассмотрим каплю жидкости находящуюся в воздуха. Очевидно, давление внутри капли будет больше, чем давление в окружающей ее среде, т.к. поверхностные силы стремятся сжать ее. Это избыточное давление называется поверхностным давлением ().

Вычислим величину поверхностного давления для сферической капли жидкости.

Работа, совершаемая поверхностными силами для уменьшения площади поверхности на , определяется выражением:

или

С другой стороны, , где - изменение объема капли за счет сжатия. Поэтому можем записать:

.

Для сферической капли имеем: и поэтому , при этом и

После подстановки в уравнение этих величин получаем:

,

где - радиус кривизны сферы. Если , что соответствует плоской поверхности, .

Взаимодействие молекул жидкости между собой и с частицами поверхности, на которой она находится, определяет явление смачиваемости поверхностей.

Рассмотрим каплю воды на очищенной стеклянной поверхности и каплю воды на парафине. В первом случае капля стремится расплыться по поверхности, во втором – достаточно хорошо локализована. Другой пример – капля ртути на очищенной стеклянной поверхности - это хорошо локализованный объект.

В чем причина смачиваемости? Причина в характере взаимодействия молекул жидкости с частицами вещества, на поверхности которого она находится. Если силы молекулярного взаимодействия между молекулами (атомами) жидкости доминируют над силами взаимодействия молекул (атомов) жидкости с частицами поверхности то смачиваемости нет, капля жидкости не расплывается. Если наоборот, то капля как бы «расстаскивается» во все стороны по поверхности.

Явление смачиваемости проявляет себя в капиллярных явлениях.

Дата добавления: 2014-01-05