Свойства жидкостей. Поверхностные явления

По физическим свойствам жидкости занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами. Молекулы жидкости достаточно плотно упакованы, поэтому жидкости практически не сжимаемы и их плотность близка к плотности твердых тел. Между молекулами жидкости действуют значительные силы взаимодействия, несколько меньшие, чем у твердых тел. Жидкости, подобно твердым телам, сохраняют свой объем, однако, как и газы, принимают форму сосуда, в котором находятся.

В жидкостях имеется «ближний порядок» в расположении соседних молекул, но поддерживается он лишь на расстояниях в несколько молекулярных диаметров, а «дальнего порядка», в отличие от твердых тел, в них нет.

Молекулы жидкости совершают непрерывные беспорядочные поступательные движения, энергия которых прямо пропорциональна ее температуре.

Поверхностная энергия

Наиболее характерным свойством жидкости является наличие свободной поверхности на границе с газом, что приводит к возникновению явлений особого рода, называемых поверхностными. Они обусловлены особыми физическими условиями, в которых находятся молекулы свободной поверхности жидкости. На каждую молекулу жидкости действуют силы притяжения со стороны окружающих ее молекул, расположенных от нее на расстоянии нескольких нанометров.

Рассмотрим силы, действующие на молекулу внутри объема жидкости и на ее поверхности. На молекулу М2, расположенную внутри жидкости (рис. 8.1), действуют примерно одинаковые силы со стороны окружающих ее молекул, поэтому их равнодействующая близка к нулю.

Для молекулы Мг, расположенной на поверхности жидкости, силы притяжения со стороны молекул газа очень малы по сравнению с силами притяжения молекул жидкости, поэтому равнодействующая Fx этих сил отлична от нуля и направлена внутрь жидкости, перпендикулярно ее поверхности. Вследствие этого молекулы поверхностного слоя втягиваются внутрь объема жидкости и поверхностный слой оказывает молекулярное давление на жидкость.

Молекулярные силы, действующие на молекулу Мповерхностного слоя и молекулу М внутри объема

Рис. 8.1. Молекулярные силы, действующие на молекулу Мг поверхностного слоя и молекулу М2 внутри объема

Для того чтобы переместить молекулу изнутри объема на поверхность жидкости, необходимо совершить работу против сил молекулярного давления. Аналогичную работу надо совершить и при перемещении молекулы поверхностного слоя в газовую фазу. Следовательно, каждая молекула на поверхности жидкости обладает дополнительной потенциальной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости. Эту потенциальную энергию и называют поверхностной энергией.

Очевидно, что величина поверхностной энергии Wu прямо пропорциональна количеству молекул в поверхностном слое и, следовательно, прямо пропорциональна площади S свободной поверхности жидкости

Коэффициент пропорциональности а зависит только от свойств жидкости и температуры и называется коэффициентом поверхностного натяжения. Единицей его измерения в СИ является Дж/м2 или Н/м.

Поскольку любая физическая система стремится к состоянию с наименьшей возможной в заданных условиях потенциальной энергией, свободная поверхность жидкости стремится принять наименьшую возможную площадь. По этой причине капля жидкости в состоянии невесомости принимает сферическую форму, что соответствует минимальной поверхности при заданном объеме жидкости.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >