Поверхностный слой жидкости

18.03.2020

Задания выполняются письменно и отправляются на почту:

Tanya.1958Mich@gmail.com

В бланке ответа укажите фамилию, имя, курс, номер группы.

Лекция: Характеристика жидкого состояния вещества. Поверхностный слой жидкости. Энергия поверхностного слоя.

Жидкость — это агрегатное состояние вещества, промежуточное между газообразным и твердым.

Вещество в жидком состоянии сохраняет свой объем, но принимает форму сосуда, в котором оно находится Сохранение объема у жидкости доказывает, что между ее молекулами действуют силы притяжения.

Если вокруг молекулы жидкости описать сферу молекулярного действия, то внутри этой сферы окажутся центры многих других молекул, которые будут взаимодействовать с нашей молекулой. Эти силы взаимодействия удерживают молекулу жидкости около ее временного положения равновесия примерно в течение 10^-12-10^-10 с, после чего она перескакивает в новое временное положение равновесия приблизительно на расстояние своего диаметра. Молекулы жидкости между перескоками совершают колебательное движение около временного положения равновесия.

Время между двумя перескоками молекулы из одного положения в другое называется временем оседлой жизни.

Это время зависит от вида жидкости и от температуры. При нагревании жидкости среднее время оседлой жизни молекул уменьшается.

Итак, в небольшом объеме жидкости наблюдается упорядоченное расположение ее молекул, а в большом объеме оно оказывается хаотическим. В этом смысле говорят, что в жидкости существует ближний порядок в расположении молекул и отсутствует дальний порядок. Такое строение жидкости называют квазикристаллическим (кристаллоподобным).

СВОЙСТВА ЖИДКОСТИ

1.Если время действия силы на жидкость мало, то жидкость проявляет упругие свойства. Например, при резком ударе палкой о поверхность воды палка может вылететь из руки или сломаться; камень можно бросить так, что он при ударе о по­верхность воды отскакивает от нее, и лишь совершив несколько скачков, тонет в воде.

2. Если же время воздействия на жидкость велико, то вместо упругости проявляется текучесть жидкости. Например, рука легко проникает внутрь воды.

3. При кратковременном действии силы на струю жидкости последняя обнаруживает хрупкость. Прочность жидкости нд разрыв хотя и меньше, чем у твердых веществ, но мало уступает им по величине. Для воды она составляет 2,5-10⁷ Н/м².

4.Сжимаемость жидкости тоже очень мала, хотя она и больше, чем у этих же веществ в твердом состоянии. Например, при увеличении давления на 1 атм объем воды уменьшается на 50 миллионных долей.

Разрывы внутри жидкости, в которой нет посторонних веществ, например воздуха, могут получаться только при интенсивном воздействии на жидкость, например при вращении гребных винтов в воде, при распространении в жидкости ультразвуковых волн. Такого рода пустоты внутри жидкости долго существовать не могут и резко захлопываются, т. е. исчезают. Это явление называют кавитацией (от греческого «кавитас» – полость). Оно служит причиной быстрого износа гребных винтов.

ПОВЕРХНОСТНЫЙ СЛОЙ ЖИДКОСТИ

Среднее значение равнодействующей молекулярных сил притя­жения, приложенных к молекуле, которая находится внутри жидкости (рис. 2), близко к нулю. Случайные флуктуации этой равнодействующей заставляют молекулу совершать лишь хаотическое движение внутри жидкости. Несколько иначе обстоит дело с молекулами, находящимися в поверхностном слое жидкости.

Опишем вокруг молекул сферы молекулярного действия радиусом R(порядка 10^-8 м). Тогда для верхней молекулы в нижней полусфере окажется много молекул, а в верхней – значительно меньше, так как снизу находится жидкость, а сверху – пар и воздух. Поэтому для верхней молекулы равнодействующая молекулярных сил притяжения в нижней полусфере много больше равнодействующей молекулярных сил в верхней полусфере.

Таким образом, все молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое толщиной, равной радиусу молекулярного действия, втягиваются внутрь жидкости. Но пространство внутри жидкости занято другими молекулами, поэтому поверхностный слой создает давление на жидкость, которое называют молекулярным давлением.

Силы, действующие в горизонтальной плоскости, стягивают поверхность жидкости. Они называются силами поверхностного натяжения

Поверхностное натяжение — физическая величина, равная отношению силы F поверхностного натяжения, приложенной к границе поверхностного слоя жидкости и направленной по касательной к поверхности, к длине l этой границы:

Единица поверхностного натяжения – ньютон на метр (Н/м).

Поверхностное натяжение различно для разных жидкостей и зависит от температуры.

Обычно поверхностное натяжение уменьшается с возрастанием температуры и при критической температуре, когда плотность жидкости и пара одинаковы, поверхностное натяжение жидкости равно нулю.

Вещества, которые уменьшают поверхностное натяжение, называют поврхностно – активными (спирт, мыло, стиральный порошок)

Чтобы увеличить площадь поверхности жидкости требуется выполнить работу против поверхностного натяжения.

Имеется другое определение коэффициента поверхностного натяжения — энергетическое. Оно исходит из того, что если площадь поверхности жидкости увеличивается, то некоторое количество молекул из ее объема поднимается на слой поверхности. С этой целью внешние силы совершают работу против молекулярных сил сцепления молекул. Величина данной работы будет пропорциональна изменению площади поверхности жидкости:

Коэффициент пропорциональности σ и называется поверхностным натяжением жидкости.

Выведем единицу поверхностного, натяжения а в СИ: о=1 Дж/1 м²= 1 Дж/м².

Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют смачивающей это вещество. Например, вода смачивает чистое стекло и не смачивает парафин. Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют несмачивающей это вещество

Расположим горизонтально плоскую пластинку из какого-либо твердого вещества и капнем на нее исследуемую жидкость. Тогда капля расположится либо так, как показано на рис. а, либо так, как показано на рис. б. В первом случае жидкость смачивает твердое вещество, а во втором — нет. Отмеченный на рис. угол θ называют краевым углом

Для смачивающих жидкостей краевой угол острый, а для несмачивающих – тупой

Искривление поверхности жидкости у краев сосуда легко обнаружить на опыте. Особенно отчетливо это видно в узких трубках, где искривляется вся свободная поверхность жидкости. В трубке с круглым сечением эта поверхность представляет собой часть поверхности сферы и называется мениском (от греческого «менискос» — лунный серп). У смачивающей жидкости образуется вогнутый мениск (рис. а), а у несмачивающей выпуклый (рис. б).

Так как площадь поверхности мениска больше, чем площадь внутреннего сечения трубки, то под действием молекулярных сил искривленная поверхность жидкости стремится выпрямиться и этим создает дополнительное давление р_л, которое при смачивании (вогнутый мениск) направлено от жидкости, а при несмачивании (вы­пуклый мениск) – внутрь жидкости. Величина этого давления была определена французским ученым П. Лапласом, поэтому его часто называют лапласовским давлением.

Для сферической формы свободной поверхности жидкости с радиусом R это давление выражается формулой:

Если в воду опустить узкую стеклянную трубку (рис. а), то вода втягивается в трубку и ее уровень располагается на высоте h над уровнем воды вне трубки. Объясняется это тем, что лапласовское давление р_л в трубке направлено вверх. Оно и втягивает воду вверх до тех пор, пока не окажется уравновешенным гидростатическим давлением р_г столба воды в трубке высотой h, равным p_г=pgh. Поскольку р_л=2σ/R, то при р_л=р имеем 2σ/R=pgh, откуда

Из формулы видно, что высота h тем больше, чем меньше внутренний радиус трубки г. Подъем воды имеет значительную величину в трубках, внутренний диаметр которых соизмерим с диаметром волоса (или еще меньше); поэтому такие трубки называют капиллярами (от греческого «капиллярно» — волосной, тонкий). Смачивающая жидкость в капиллярах поднимается вверх, а несмачивающая — опускается вниз.

Контрольные вопросы(выполняется письменно):

1. Дайте определение жидкого состояния вещества?

2. Перечислите свойства жидкости.

3. Отличие смачивающейся жидкости от несмачивающейся жидкости?

4. Как называются вещества, которые уменьшают поверхностное натяжение?(приведите примеры)