Reklama

Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение

Молекулы вещества в водянистом состоянии размещены практически впритирку друг к другу. В отличие от жестких кристаллических тел, в каких молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать термические колебания около фиксированных центров, молекулы воды владеют большей свободой. Любая молекула воды, также как и в жестком теле, «зажата» со всех боков примыкающими молекулами и совершает термические колебания около некого положения равновесия. Но, временами неважно какая молекула может переместиться в примыкающее свободное место. Такие перескоки в жидкостях происходят достаточно нередко; потому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах (см. §3.6), и могут передвигаться по всему объему воды. Этим разъясняется текучесть жидкостей. Из-за сильного взаимодействия меж близко расположенными молекулами они могут создавать локальные (неуравновешенные) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. Это явление именуется ближним порядком (рис. 3.5.1).

1
Набросок 3.5.1. Пример близкого порядка молекул воды и далекого порядка молекул кристаллического вещества: 1 – вода; 2 – лед.

Рис. 3.5.2 иллюстрирует отличие газообразного вещества от воды на примере воды. Молекула воды H2O состоит из 1-го атома кислорода и 2-ух атомов водорода, расположенных под углом 104°. Среднее расстояние меж молекулами пара в 10-ки раз превосходит среднее расстояние меж молекулами воды. В отличие от рис. 3.5.1, где молекулы воды изображены в виде шариков, рис. 3.5.2 дает представление о структуре молекулы воды.

2
Набросок 3.5.2. Водяной пар (1) и вода (2). Молекулы воды увеличены приблизительно в 5·107 раз.

Вследствие плотной упаковки молекул сжимаемость жидкостей, другими словами изменение объема при изменении давления, очень мала; она в 10-ки и сотки тыщ раз меньше, чем в газах. Воды, как и твердые тела, изменяют собственный объем при изменении температуры. Для не очень огромных интервалов температур относительное изменение объема ΔV / V0 пропорционально изменению температуры ΔT:

  Коэффициент β именуют температурным коэффициентом большого расширения. Этот коэффициент у жидкостей в 10-ки раз больше, чем у жестких тел. У воды, к примеру, при температуре 20 °С βв ≈ 2·10–4 К–1, у стали βст ≈ 3,6·10–5 К–1, у кварцевого стекла βкв ≈ 9·10–6 К–1. Термическое расширение воды имеет увлекательную и важную для жизни на Земле аномалию. При температуре ниже 4 °С вода расширяется при снижении температуры (β < 0). Максимум плотности ρв = 103 кг/м3 вода имеет при температуре 4 °С. При замерзании вода расширяется, потому лед остается плавать на поверхности замерзающего водоема. Температура замерзающей воды подо льдом равна 0 °С. В более плотных слоях воды у дна водоема температура оказывается порядка 4 °С. Благодаря этому может существовать жизнь в воде замерзающих водоемов.

Более увлекательной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности. Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Меж жидкостью и газом (либо паром) появляется граница раздела, которая находится в особенных критериях по сопоставлению с остальной массой воды. Молекулы в пограничном слое воды, в отличие от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же воды не со всех боков.

Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул снутри воды со стороны примыкающих молекул, в среднем взаимно скомпенсированы. Неважно какая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися снутри воды (силами, действующими на данную молекулу воды со стороны молекул газа (либо пара) можно пренебречь).

В итоге возникает некая равнодействующая сила, направленная вглубь воды. Если молекула переместится с поверхности вовнутрь воды, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу. Напротив, чтоб вынуть некое количество молекул из глубины воды на поверхность (другими словами прирастить площадь поверхности воды), нужно затратить положительную работу наружных сил ΔAвнеш, пропорциональную изменению ΔS площади поверхности:

ΔAвнеш = σΔS.

  Коэффициент σ именуется коэффициентом поверхностного натяжения (σ > 0). Таким макаром, коэффициент поверхностного натяжения равен работе, нужной для роста площади поверхности воды при неизменной температуре на единицу. В СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м2) либо в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м2). Как следует, молекулы поверхностного слоя воды владеют лишней по сопоставлению с молекулами снутри воды возможной энергией. Возможная энергия Ep поверхности воды пропорциональна ее площади:

Ep = Aвнеш = σS.

  Из механики понятно, что сбалансированным состояниям системы соответствует малое значение ее возможной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность воды стремится уменьшить свою площадь. По этой причине свободная капля воды воспринимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, будто бы по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы именуются силами поверхностного натяжения.

Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность воды похожей на упругую растянутую пленку, с той только различием, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (другими словами от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности воды. Некие воды, как, к примеру, мыльная вода, владеют способностью создавать тонкие пленки. Всем отлично известные мыльные пузыри имеют правильную сферическую форму – в этом тоже проявляется действие сил поверхностного натяжения. Если в мыльный раствор опустить проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна, то вся она затянется пленкой воды (рис. 3.5.3).

3
Набросок 3.5.3. Подвижная сторона проволочной рамки в равновесии под действием наружной силы и результирующей сил поверхностного натяжения .

Силы поверхностного натяжения стремятся уменьшить поверхность пленки. Для равновесия подвижной стороны рамки к ней необходимо приложить внешнюю силу Если под действием силы перекладина переместиться на Δx, то будет произведена работа ΔAвнеш = FвнешΔx = ΔEp = σΔS, где ΔS = 2LΔx – приращение площади поверхности обеих сторон мыльной пленки. Потому что модули сил и схожи, можно записать:

 Характеристики жидкостей. Поверхностное натяжение

  Коэффициент поверхностного натяжения σ может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины полосы, ограничивающей поверхность. Из-за деяния сил поверхностного натяжения в каплях воды и снутри мыльных пузырей появляется лишнее давление Δp. Если на уровне мыслей разрезать сферическую каплю радиуса R на две половинки, то любая из их должна находиться в равновесии под действием сил поверхностного натяжения, приложенных к границе 2πR разреза, и сил лишнего давления, действующих на площадь πR2 сечения (рис. 3.5.4). Условие равновесия записывается в виде

σ2πR = ΔpπR2.

  Отсюда лишнее давление снутри капли равно

 

4
Набросок 3.5.4. Сечение сферической капли воды.

Лишнее давление снутри мыльного пузыря вдвое больше, потому что пленка имеет две поверхности:

  Поблизости границы меж жидкостью, жестким телом и газом форма свободной поверхности воды находится в зависимости от сил взаимодействия молекул воды с молекулами твердого тела (взаимодействием с молекулами газа (либо пара) можно пренебречь). Если эти силы больше сил взаимодействия меж молекулами самой воды, то жидкость смачивает поверхность твердого тела. В данном случае жидкость подходит к поверхности твердого тела под неким острым углом θ, соответствующим для данной пары жидкость – жесткое тело. Угол θ именуется краевым углом. Если силы взаимодействия меж молекулами воды превосходят силы их взаимодействия с молекулами твердого тела, то краевой угол θ оказывается тупым (рис. 3.5.5). В данном случае молвят, что жидкость не смачивает поверхность твердого тела. При полном смачивании θ = 0, при полном несмачивании θ = 180°.

5
Набросок 3.5.5. Краевые углы смачивающей (1) и несмачивающей (2) жидкостей.

Капиллярными явлениями именуют подъем либо опускание воды в трубках малого поперечника – капиллярах. Смачивающие воды подымаются по капиллярам, несмачивающие – опускаются. На рис. 3.5.6 изображена капиллярная трубка некого радиуса r, опущенная нижним концом в смачивающую жидкость плотности ρ. Верхний конец капилляра открыт. Подъем воды в капилляре длится до того времени, пока сила тяжести действующая на столб воды в капилляре, не станет равной по модулю результирующей Fн сил поверхностного натяжения, действующих повдоль границы соприкосновения воды с поверхностью капилляра: Fт = Fн, где Fт = mg = ρhπr2g, Fн = σ2πr cos θ. Отсюда следует:

 Характеристики жидкостей. Поверхностное натяжение

 

6
Набросок 3.5.6. Подъем смачивающей воды в капилляре.

При полном смачивании θ = 0, cos θ = 1. В данном случае

 Характеристики жидкостей. Поверхностное натяжение

  При полном несмачивании θ = 180°, cos θ = –1 и, как следует, h < 0. Уровень несмачивающей воды в капилляре опускается ниже уровня воды в сосуде, в которую опущен капилляр. Вода фактически стопроцентно смачивает чистую поверхность стекла. Напротив, ртуть стопроцентно не смачивает стеклянную поверхность. Потому уровень ртути в стеклянном капилляре опускается ниже уровня в сосуде.

Reklama