1 °. Общее и отличное между жидкостями и тв. телами и газами.
В твердом агрегатном состоянии вещества молекулы (атомы) размещаются, как известно, вплотную друг к другу.
Из-за значительных межатомные (межмолекулярные) взаимодействия атомы (молекулы) в твердых телах осуществляют только колебательное движение относительно положений равновесия (в кристаллах относительно узлов кристаллической решетки). Поэтому потенциальная энергия взаимодействия молекул значительно больше их кинетической энергии.
Ближний порядок жидкости (1-вода) и дальний порядок тв.тила (2-лед)
В жидкостях силы взаимодействия между молекулами слабее, чем в твердых телах и значительно сильнее, чем в газах. Молекула воды, колеблясь около определенного положения равновесия, меняет со временем это положение, перескакивая к другим молекулам. Молекулы жидкости совершают колебательное, поступательное и вращательное движения. В жидкостях расстояния между молекулами соизмеримы с их эффективным диаметром, поэтому силы взаимодействия молекул являются значительными. В целом кинетическая энергия молекул жидкостей примерно равна их потенциальной энергии. Каждая молекула в жидкости, как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и осуществляет тепловые колебания вокруг положения равновесия. Однако, время от времени молекула может перескочить в соседнее вакантное место. Такие перемещения в жидкости происходят довольно часто, ибо жидкость сохраняет свой объем, но не сохраняет формы (легко принимает форму, которую имеет сосуд). Это объясняет текучесть жидкости. Молекулы жидкости могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, состоящие из нескольких молекул. Это явление называют ближним порядком.
Любое химическое однородное вещество может быть при одних условиях в газообразном состоянии, а при других - в жидком. Вместе по своим свойствам газы и жидкости существенно отличаются. Жидкости, как и газы, не имеют определенной формы и принимают форму того сосуда, в котором находятся, но газ, в отличие от жидкости, не имеет собственного объема и занимает любой предоставленный ему объем. Объем же жидкости - устойчивое. Газ относительно легко сжимается, а жидкости почти несжимаемости. Возможность свободного перемещения молекул жидкости друг относительно друга обусловливает их текучесть (текучесть).
2 °. Поверхностное натяжение жидкостей.
Наиболее характерным свойством жидкости отличает ее от газа, является то, что на границе с газом жидкость образует свободную поверхность. На каждую молекулу жидкости действуют силы притяжения соседних молекул. Эти силы для молекул, находящихся внутри жидкости, взаимно скомпенсированы. Равнодействующая же сил притяжения, действующая на молекулы, находящиеся на поверхности раздела, направленная вниз (внутрь жидкости), т.е. молекулы поверхности имеют так называемую избыточную поверхностную энергию. На поверхности образуется дефицит молекул, из-за чего расстояние между молекулами намного больше нормы, поэтому поверхностный слой жидкости растянут и между молекулами на поверхности действуют силы притяжения или силы поверхностного натяжения. Минимальная поверхность среди тел определенного объема имеет шар. Поэтому при отсутствии (или очень малой) действия сил жидкость принимает форму шара. Подтверждением этого является опыт Плато из движения капли анилина в сосуде с жидкостью, плотность которой равна плотности анилина.
Действие сил поверхностного натяжения
Пусть L - длина линии, которая ограничивает поверхность раздела (см. рисунок).
Коэффициентом поверхностного натяжения называть отношение силы поверхностного натяжения Fпов к длине линии L, ограничивает поверхность раздела и вдоль которой она действует по касательной в каждой точке, перпендикулярно любого элемента линии раздела сред:
σ = Fпов / L
3 °. Поверхностная энергия жидкости.
Мы рассмотрели поверхностное натяжение с точки зрения сил, действующих между молекулами поверхностного слоя жидкости. Но возможна и энергетическая характеристика поверхностного слоя жидкости. Если под действием сил поверхностного натяжения уменьшается площадь поверхностного слоя жидкости, энергия этого слоя тоже уменьшается. При этом силы поверхностного натяжения выполняют работу, равную по модулю и противоположна по знаку изменению энергии поверхностного слоя ΔE:
A = - ΔE = - σΔS,
где ΔS - изменение площади поверхностного слоя жидкости; σ-коэффициент поверхностного натяжения.
Из последнего уравнения находим:
σ = А / ΔS
Следовательно, коэффициент поверхностного натяжения жидкости численно равна работе изотермического образования единицы поверхности жидкости с ее постоянного объема.
В этих условиях в международной системе единиц СИ: [σ] = Дж/м2 = Н / м.
Этот коэффициент, определенный для всех жидкостей и занесен в таблицы, не зависит от длины контура, а определяется физическими свойствами жидкости, ее состоянием. Вследствие повышения температуры коэффициент σ уменьшается. По критической, для определенной жидкости, температуры ее коэффициент поверхностного натяжения равна нулю. На значение коэффициента также влияет наличие в жидкости примесей. Вещества, небольшие количества которых снижают σ, называют поверхностно-активными веществами. Поверхностно-активные вещества входят в состав всех моющих средств.
Для воды поверхностно-активными веществами являются этиловый спирт, эфир, мыло, различные стиральные порошки. В процессе стирки белья значение σ уменьшается как из-за нагрева жидкости, так и в результате введения моющих средств. Если жидкость граничит с ее паром, то взаимодействия между молекулами слабее и их можно не учитывать.
4 °. Давление под искривленной поверхностью жидкости.
Благодаря действию сил поверхностного натяжения в каплях жидкости и внутри мыльных пузырей, появляется избыточное давление Δp. Если воображение разрезать сферическую каплю радиуса R на две половины, то каждая из них должна находиться в равновази благодаря действию сил поверхностного натяжения, приложенных к границе разрезаемые 2πR, и сил избыточного давления, действующего на площадь πR2 сечения.
К определения давления Лапласа
Запишем условие равновесия:
σ ∙ 2πR = ДР ∙ πR2.
Отсюда избыточное давление внутри капли равен (так называемый давление Лапласа):
ДР = 2σ / R
Внутри мыльного пузыря давление Лапласа вдвое больше, поскольку пузырь имеет две поверхности.
5 °. Явление смачивания и несмачивание жидкости.
Когда поверхностный слой жидкости граничит с твердым телом, то взаимодействие молекул жидкости и твердого тела следует учитывать. В повседневной жизни можно наблюдать, что капля воды растекается по чистой поверхности стекла, но не расплывается по загрязненной жиром поверхности и имеет при этом форму почти правильного шара. В первом случае говорят, что вода смачивает поверхность, во втором - не смачивает.
Если взаимодействие молекул жидкости меньше, чем их взаимодействие с молекулами контактной твердого тела, то имеем случай смачивания и наоборот, когда это взаимодействие больше - несмачивание.
Явление смачивания (1) и несмачивание (2) жидкости.
Интенсивность смачивания характеризуется углом смачивания Θ, который образуется между касательной к поверхности жидкости и поверхностью твердого тела. Отсчет угла выполняют в сторону жидкости.
Если 0 ≤ Θ <π / 2 - поверхность тела смачиваемой, а если π / 2 <Θ ≤ π - незмочувана.
Если граница раздела вертикальная, поверхность жидкости (мениск) в случае смачивания имеет вогнутую форму. Поверхность жидкости в вертикальной ориентации тела вследствие несмачивание имеет выпуклую форму.
Явления смачивания и несмачивание играют важное значение в быту и технике, если бы вода не смачивала тело человека, то бесполезным было бы купания. Хорошо смачивания требуется во время окрашивания и стирки, пайки, обогащения руд ценных пород и других технических процессов.
6 °. Капиллярные явления.
Явление смачивания и несмачивание оказывается в поднятии и спуске жидкости в тонких трубках (капиллярах). Рассмотрим капиллярные явления.
Опустим в жидкость плотностью ρ капилляр радиусом r.
Пусть жидкость смачивает стенки капилляра вдоль поверхности раздела "жидкость - стенки - пара". По касательной в каждой ее точке будут действовать силы поверхностного натяжения.
Силы, действующие на жидкость в капилляре.
Равнодействующая этих сил направлена вверх и будет поднимать жидкость в капилляре. В широких трубках такое явление не наблюдается через малое значение равнодействующей сил поверхностного натяжения, из-за большой радиус кривизны поверхности направлены преимущественно в плоскости поверхности жидкости. Поднятие жидкости в капилляре прекратится тогда, когда сила тяжести поднятого столба жидкости уравновесит силу поверхностного натяжения:
Fпов = FТЯЖ
Подставляя значения поверхностной силы и силы тяжести получим следующее соотношение:
2πRσ ∙ cosΘ = ρgh ∙ πR2
С последнего равенства находим высоту подъема жидкости в цилиндрическом капилляре:
h = (2σ ∙ cosΘ) / ρgR,
где h - высота подъема жидкости в цилиндрическом капилляре; σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости; ρ - плотность жидкости, R - радиус капилляра; g - ускорение свободного падения.
Если жидкость не смачивает капилляр, то в этом случае уровень жидкости в нем будет ниже уровня жидкости в сосуде. Разница этих уровней, которую также обозначают через h, имеет такую же зависимость от ρ, σ и R, как и в случае смачивания.
Капиллярные явления имеют большое значение в природе и технике. Благодаря этим явлениям происходит проникновение влаги из почвы в стебли и листья растений. Именно в капиллярах происходят основные процессы, связанные с дыханием и питанием организмов. В теле взрослого человека примерно 160.109 капилляров, общая длина которых достигает 60 - 80 тыс. км.
В строительстве учитывают возможность поднятия влаги по капиллярным порах строительных материалов. Для защиты фундамента и стен от воздействия грунтовых вод и влаги применяют гидроизоляционные материалы: толь, смолы и т.п..
Благодаря капиллярному поднятию удается красить ткани.
Часто капиллярные явления используют и в быту. Применение полотенец, салфеток, гигроскопической ваты, марли, промокательной бумаги возможно благодаря наличию в них капилляров.
Загрузка...