Лекция 21

Жидкость является агрегатным конденсированным состоянием вещества, промежуточным между газообразным и твердым, поэтому она обладает свойствами как газообразных, так и твердых веществ. Жидкости, подобно твердым телам, обладают определенным объемом, а подобно газам, принимают форму сосуда, в котором они находятся.

Характер расположения частиц жидкости является промежуточным между газом и твердым телом. В газах молекулы движутся хаотично, поэтому нет никакой закономерности в их взаимном расположении. Для твердых тел наблю­дается дальний порядок в расположении частиц, т.е. их упорядоченное расположение, повторяющееся на больших расстояниях. В жидкостях имеет место ближний порядок в расположении частиц, т.е. их упорядоченное расположение, повторяющееся на расстояниях, сравнимых с межатомными.

Тепловое движение молекул жидкости состоит из колебательного движения молекул около положения равновесия и переходов от одного равновесного положения в другое. Этим объясняется текучесть жидкости. С повышением температуры подвижность молекул возрастает, вследствие чего вязкость жидкостей уменьшается.

,

где Δ W – энергия активации молекулы – энергия, необходимая для скачка молекулы. Отметим, что вязкость газов возрастает с повышением температуры.

Поверхностный слой жидкости находится в особом состоянии, напоминающем состояние растянутой резиновой пленки. Напряженное состояние поверхностного слоя жидкости называется поверхностным натяжением. Оно вызвано силами притяжения между молекулами.

Молекула, находящаяся внутри объема жидкости, равномерно окружена соседями, поэтому результирующая сила притяжения, действующая на нее, равна нулю. На молекулы же поверхностного слоя действуют лишь молекулы, расположенные под ними, поскольку концентрация молекул газа почти в тысячу раз меньше. Поэтому равнодействующая сила, действующая на молекулу, направлена внутрь жидкости. Действие всех таких сил R_i, отнесенных к единице площади поверхности жидкости, создает на всю жидкость давление, которое называют внутренним или молекулярным.

На каждую поверхностную молекулу, кроме того, действуют силы F_i, лежащие в плоскости, касательной к поверхности жидкости. Для всех молекул, лежащих внутри поверхности S, силы скомпенсированы, для молекул же, расположенных вдоль периметра поверхности, эти силы направлены по касательной к поверхности жидкости и перпендикулярно периметру. Эти силы, стягивающие поверхность жидкости, называются силами поверхностного натяжения. Силу поверхностного натяжения F, отнесенную к единице длины контура l, ограничивающего поверхность жидкости, называют коэффициентом поверхностного натяжения σ:

.

Действие сил поверхностного натяжения на молекулы поверхностного слоя приводит к тому, что эти молекулы обладают избыточной потенциальной энергией W. Используя связь силы с потенциальной энергией F_x= -dW/dx, можно найти, что поверхностная энергия пропорциональна площади поверхности:

W= -σS.

Из этой формулы следует, что коэффициент поверхностного натяжения можно рассматривать как удельную поверхностную энергию. В системе СИ σ измеряется в Н/м или Дж/м².Знак минус показывает, что сила поверхностного натяжения направлена внутрь поверхности. Поэтому капли жидкости стремятся принять форму шара.

В индивидуальных жидкостях с ростом температуры σ уменьшается. В бинарных и многокомпонентных жидкостях имеет место конкуренция, и зависимость σ =f(Т) дает информацию об этом.

Некоторые вещества с характерным строением молекул (например, соли высших карбоновых кислот), называемые поверхностно-активными веществами (ПАВ), легко концентрируются на поверхности другого вещества, образуя на нем очень тонкий слой. Это сопровождается резким уменьшением поверхностной энергии и, следовательно, уменьшением поверхностного натяжения. С ростом концентрации ПАВ σ уменьшается.

Смачиванием называется поверхностное явление, возникающее при соприкосновении жидкости и твердого тела. Оно проявляется в растекании жидкости по твердой поверхности, пропитывании пористых тел, образовании мениска – искривленной поверхности жидкости внутри узкой (капиллярной) трубки. Форма, которую принимает жидкость, определяется действием силы тяжести, сил взаимодействия молекул жидкости и сил взаимодействия между частицами жидкости и частицами твердого тела, с которым она контактирует. Количественной мерой смачиваемости служит краевой угол θ – угол, образованный касательной к поверхности жидкости у ее границы с твердым телом и поверхностью твердого тела. Он отсчитывается внутри жидкости. Если жидкость смачивает поверх­ность, то θ<90⁰. В этом случае у стенок сосуда образуется вогнутый мениск. Если жидкость не смачивает поверхность, то θ>90⁰, при этом образуется выпуклый мениск.

Кривизна поверхности жидкости приводит к появлению сил, действующих под этой поверхностью. Дополнительное давление, обусловленное кривизной поверхности, выражается уравнением Лапласа:

,

где r₁ и r₂ – главные радиусы кривизны для данного элемента поверхности.

В узких трубках – капиллярах давление Лапласа приводит к капиллярному подъему. Пусть жидкость смачивает капилляр, т.е. жидкость образует вогнутый мениск. Вследствие давления p, вызванного кривизной поверхности, жидкость испытывает давление, направленное к центру кривизны мениска, т.е. вверх, и равное 2σ/r₀, где r₀ – радиус мениска. Под действием этого давления жидкость поднимается по трубке до уровня h, при котором гидростатическое давление ρgh уравновешивает давление р:

,

где ρ – плотность жидкости, g – ускорение свободного падения. Из чертежа следует, что r₀=r/cos θ, где r – радиус трубки, θ – краевой угол жидкости. Поэтому

.

Если жидкость не смачивает капилляр, то давление Лапласа окажется направленным вниз. Уровень жидкости в капилляре будет теперь ниже уровня в сосуде, в который опущен капилляр (отрицательный капиллярный подъем).

Список использованных источников

1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1999. - 608 с.

2. Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высшая школа, 2004. - 542 с.

3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. - М.: Наука, 2001. - Т.1. 576 с.

4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. - М.: Наука, 2001. - Т.2. 551 с.

Поиск по сайту: