Строение жидкостей. Поверхностное натяжение

По своим физическим свойствам жидкости занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами. Так же как и газы, жидкости не сохраняют формы, передают производимое на них давление по всем направлениям без изменения. Подобно газам, свойства жидкостей не зависят от направления действия. Говорят, что жидкостям, как и газам, присуща изотропия.

Однако, так же как и твердые тела, жидкости сохраняют свой объем, практически не поддаются сжатию, образуют границу раздела. Так, если увеличить давление на жидкость на 1 атм, то объем каждого кубического сантиметра уменьшится для воды на ΔV = 4,7·10^-5 см³, для ртути — на ΔV = 2,95·10^-6 см³, для глицерина — на ΔV = 2,70·10^-6 см³.

В то же время жидкости обладают свойством текучести, которого нет ни у твердых тел, ни у газов — при сохранении объема они принимают форму «предоставленного сосуда». Таким образом, жидкости обладают некоторыми общими свойствами как с газами, так и с твердыми телами.

Различия во внутренних строениях веществ проявляются при сравнении параметров фазовых переходом твердое тело ↔ жидкость и жидкость ↔ пар. Удельная теплота плавления вещества λ, как правило, мала по сравнению с удельной теплотой парообразования L. Это говорит о том, что процесс плавления требует меньших энергетических затрат, чем процесс парообразования, т. е. по своим свойствам жидкости (при температурах меньше температуры кипения) «ближе» к твердым телам, чем к газам. Этот вывод подтверждает и факт слабого различия между удельными теплоемкостями с веществ в жидком и твердом состояниях.

Р ассмотрим две молекулы покоящейся жидкости. Молекула 1 находится в глубине жидкости, а молекула 2 — вблизи ее границы раздела (рис. 75). На молекулу 1 силы межмолекулярного притяжения действуют равномерно со всех сторон и, следовательно, взаимно уравновешиваются. Силы же, действующие на молекулу 2, значительно сильнее со стороны окружающих ее молекул жидкости, чем со стороны пара или газа, с которым граничит жидкость. Таким образом, результирующая всех сил, действующих на молекулу 2, не равна нулю и направлена «в глубь» жидкости. Иными словами, поверхностный слой жидкости производит на нее молекулярное давление, под действием сил которого молекулы жидкости стремятся перейти из поверхностного слоя в глубь жидкости. Таким образом, поверхностный слой жидкости представляет собой как бы эластичную растянутую пленку, охватывающую всю жидкость и стремящуюся собрать ее в одну «большую каплю». Это явление, характерное только для жидкостей, получило название поверхностного натяжения.

Вследствие поверхностного натяжения жидкость стремится сократить площадь своего поверхностного слоя (свободной поверхности), в результате чего его площадь становится минимальной для данных условий. Поскольку из всевозможных фигур данного объема наименьшую площадь поверхности имеет шар, то под действием сил поверхностного натяжения жидкость стремится принять форму шара. Действительно, шарообразную форму имеют маленькие капельки росы, капли жидкости при свободном падении в воздухе или в невесомости внутри космического корабля. Заметим, что поверхность жидкости в широких сосудах на земле имеет плоскую форму вследствие действия силы тяжести.

Вследствие поверхностного натяжения для перемещения молекулы из глубины жидкости на ее поверхность необходимо совершить некоторую работу A против сил молекулярного давления поверхностного слоя. Эта работа идет на увеличение потенциальной энергии ΔU_пов поверхностного слоя данной жидкости. Другими словами, каждой частице, перемещаемой в поверхностный слой, нужно сообщить дополнительную энергию по сравнению с ее энергией внутри жидкости. Поэтому поверхностное натяжение а количественно характеризуется работой A, необходимой для увеличения площади свободной поверхности жидкости на S = 1 м² при постоянной температуре:

Пусть под действием внешней силы F, приложенной к подвижной перемычке АВ длиной l, поверхность некоторой жидкости увеличилась на величину S = 2lΔx (рис. 76). По определению совершенная работа A = FΔx. С другой стороны, ее можно выразить через поверхностное натяжение:

A = σS = 2σlΔx

Сравнивая полученные выражения, находим, что

F = 2σl.

Е сли движение равномерное, то внешняя сила F равна силе 2F_пов, действующей на перемычку со стороны двух поверхностей жидкости.

Таким образом, можно считать, что поверхностное натяжение жидкости а численно равно силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины границы раздела жидкости:

.

Э та сила лежит в плоскости, касательной к свободной поверхности жидкости.

Благодаря силам поверхностного натяжения F_пов, на поверхности воды удерживаются насекомые водомерки, не тонут осторожно положенные металлические скрепки (рис. 77).

Поверхностное натяжение зависит от рода жидкости, ее температуры, наличия примесей. С ростом температуры оно уменьшается и исчезает вовсе (σ → 0) при критической температуре, что приводит к исчезновению границы раздела между жидкостью и ее насыщенным паром. В случае границы двух разнородных жидкостей или жидкости и твердого тела поверхностное натяжение может заметно отличаться границы раздела между жидкостью и ее насыщенным паром.