Слое жидкости и в глубине.

 

Возникают эти особые условия потому, что молекулы пограничного слоя жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены молекулами той же жидкости не со всех сторон(рис. 2). Часть «соседей» поверхностных молекул - это частицы второй среды, с которой жидкость граничит. Она, эта среда, может отличаться от жидкости, как природой, так и плотностью частиц. Имея же разных соседей, молекулы поверхностного слоя и взаимодействуют с ними различным образом. Поэтому силы, действующие на каждую молекулу в этом слое, оказываются неуравновешенными: существует некоторая равнодействующая сила, направленная либо в сторону объема жидкости, либо в сторону объема граничащей с ней среды. Вследствие этого перемещение молекулы из поверхностного слоя вглубь жидкости или вглубь среды, с которой она граничит, сопровождается совершением работы (внутри жидкости молекулы, со всех сторон окруженные точно такими же частицами, находятся в равновесии, и их перемещение не требует затраты работы). Величина и знак этой работы зависят от соотношения между силами взаимодействия молекул поверхностного слоя со «своими» же молекулами и с молекулами второй среды.

В случае если жидкость граничит со своим собственным паром (насыщенным), т. е. в случае, когда мы имеем дело с одним веществом, сила, испытываемая молекулами поверхностного слоя, направлена внутрь жидкости. Это объясняется тем, что плотность молекул в жидкости много больше, чем в насыщенном паре над жидкостью, и поэтому сила притяжения, испытываемая молекулой поверхностного слоя со стороны молекул жидкости, больше, чем со стороны молекул пара.

Поверхностные явления – совокупность явлений, обусловленных тем, что силы взаимодействия между частицами, составляющими тело, не скомпенсированы на его поверхности [13].

Представим себе, что по тем или иным причинам поверхность жидкости увеличивается (растягивается). Это значит, что некоторое количество молекул переходит из объема жидкости в поверхностный слой. Для этого, надо затратить внешнюю работу, другими словами, увеличение поверхности жидкости сопровождается отрицательной работой. Наоборот, при сокращении поверхности совершается положительная работа.

Если при постоянной температуре обратимым путем изменить поверхность жидкости на бесконечно малую величину, то необходимая для этого работа

                           (1).

Знак минус указывает на то, что увеличение поверхности ( >0) сопровождается отрицательной работой.

Коэффициент σ является основной величиной, характеризующей свойства поверхности жидкости, и называется коэффициентом поверхностного натяжения (σ>0). Следовательно, коэффициент поверхностного натяжения измеряется работой, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу. Очевидно в системе СИ он имеет размерность Дж/м².

Из сказанного ясно, что молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами, находящимися в объеме жидкости, потенциальной энергией. Обозначим ее U_s. Эта энергия, как всегда, измеряется работой, которую могут совершить молекулы поверхности, перемещаясь внутрь жидкости под действием сил притяжения со стороны молекул в объеме жидкости.

Поскольку энергия U_s обязана своим происхождением наличию поверхности жидкости, то она должна быть пропорциональна площади S поверхности жидкости

                                     (2)

тогда изменение площади поверхности dS повлечет за собой изменение потенциальной энергии

                                                  (3)

которое сопровождается работой

                          (4)

в полном соответствии с (3)[3].

Это выражение можно получить, приравнивая работу, совершаемую внешними силами при увеличении площади поверхности горизонтальной пленки (рис.3), приращению поверхностной энергии

Fx= 2σlx= ∆U_s.                                                 (5)

При перемещении перемычки на рис.3 площадь свободной поверхности жидкости возрастает на ∆S = 2lx, так как пленка имеет две свободные поверхности. Поскольку рассматриваемое медленное изменение поверхности, при котором в каждый момент имеется равновесие сил, является обратимым, то поверхностную энергию можно считать потенциальной[2].

Если, изменение поверхности S осуществляется при постоянной температуре, т.е. изотермически (и обратимо), то, потребная для этого работа равна изменению свободной энергии F поверхности

dA= - dF.                                             (6)

 

Рис. 3. Силы поверхностного натяжения.

 

Если изменение поверхности жидкости произвести адиабатно, то ее температура изменится, например, увеличение поверхности приведет к ее охлаждению. Значит, избыточная потенциальная энергия поверхности жидкости, о которой говорилось выше, является свободной энергией поверхности и, следовательно,

                        (7)

т.е. коэффициент поверхностного натяжения жидкости можно определить как свободную энергию единицы площади этой поверхности(3).

Теперь ясно, в чем заключаются указанные выше особые условия, в которых находится поверхность жидкости. Они заключаются в том, что поверхность жидкости обладает избыточной по сравнению с остальной массой жидкости потенциальной (свободной) энергией.

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: