Молекулярно – кинетическая теория жидкостей

Вещество находится в жидком состоянии, если средняя кинетическая энергия теплового движения его молекул примерно равна средней потенциальной энергии их взаимодействия.

До настоящего времени законченной количественной теории жидкого состояния нет, на качественном же уровне МКТ может объяснять явления, происходящие с жидкостями.

1. Из-за того, что расстояние между молекулами жидкости малы, увеличиваются силы притяжения молекул друг к другу, поэтому жидкости в отличие от газов обладают собственным объёмом, практически несжимаемы, плотность жидкостей при обычных условиях в сотни и тысячи раз больше плотности газов.

2. Вблизи каждой молекулы другие молекулы располагаются в определённом порядке, в целом в жидкости именно такой порядок не сохраняется, поэтому говорят, что в расположении молекул жидкости имеется ближний порядок и отсутствует дальний порядок.

3. Молекулы жидкости совершают хаотическое движение вблизи некоторого положения равновесия (колебания), изредка переходя в новое состояние равновесия (совершают перескоки), которые происходят случайным образом. Если на жидкость действует сила, например, сила тяжести, то перескоки происходят в направлении силы. Этим объясняется текучесть жидкости.

4. На границе с газом жидкость образует свободную поверхность. Поверхностный слой жидкости – резкая граница, отделяющая жидкость от газа над ней, существует из-за большого различия плотностей жидкости и газа (например, .

Поверхностный слойпредставляет собой подобие упругой плёнки из самой жидкости (можно положить осторожно, не нарушая слоя, иголку или лезвие бритвы на поверхность воды). Благодаря существованию поверхностного слоя возможно образование капли, мыльного пузыря, движение насекомых (водомерки) по поверхности воды.

Основное свойство поверхностного слоя: он стремится сократиться и принять наименьшую площадь поверхности при данном объёме. Из всех тел при данном объёме наименьшая площадь поверхности у шара, вот почему капля жидкости, мыльный пузырь в невесомости имеют форму шара.

МКТ объясняет существование поверхностного слоя так: молекулы на поверхности жидкости находятся в особых условиях по сравнению с молекулами её внутренних слоёв. Внутри жидкости результирующая сила притяжения, действующая на молекулу со стороны соседних молекул, равна нулю. У «поверхностных» молекул соседних молекул «сверху» меньше, чем «снизу». Молекулы поверхностного слоя под действием результирующей силы, втягиваются внутрь жидкости. В результате они оказывают молекулярное давление на жидкость, стягивая её поверхность до минимума. Этот эффект называется поверхностным натяжением.

Поверхностное натяжение обуславливает наличие у молекул поверхностного слоя дополнительной потенциальной энергии – поверхностной энергии.

Дополнительнаяпотенциальная энергия равна той работе, которуюнужно было бы совершить, чтобы молекулам из глубиныподняться к поверхности, преодолевая силу молекулярного давления на поверхности жидкости.

- поверхностная энергия, ,

где - площадь поверхностного слоя, - коэффициент поверхностного натяжения.

Все тела стремятся к положению устойчивого равновесия, которое определяется минимумом потенциальной энергии. Условием устойчивого равновесия жидкости является минимум потенциальной поверхностной энергии. Уменьшение поверхностной энергии достигается сокращением площади поверхностности жидкости, этим объясняется основное свойство поверхностного слоя.

В поверхностном слое действует сила поверхностного натяжения – сила, которая действует вдоль поверхности жидкости, перпендикулярно линии, ограничивающей поверхность и стремящаяся сократить её до минимума.

 

Например, поверхность жидкости в стакане цилиндрической формы (вид сверху):

 

◦

 

- сила поверхностногонатяжения

Опыт показывает, что сила поверхностного натяжения пропорциональна длине линии, ограничивающей поверхность жидкости – .

, где - коэффициент поверхностного натяжения или поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение зависит:

1. от природы граничащих сред, для двух граничащих сред величина постоянная, поскольку чаще всего жидкости граничат с воздухом, то поверхностное натяжение зависит от рода жидкости;

2. с повышением температуры поверхностное натяжение уменьшается, т.к. уменьшается плотность жидкости;

3. можно изменить, поменяв химический состав поверхности, например, капнуть на поверхность другую жидкость.

Чем меньше поверхностное натяжение, тем легче жидкость проникает в ткань. Высокая проникающая способность мыльного раствора, позволяющая очищать ткани, объясняется его малым поверхностным натяжением.

Смачивание

Капля воды на стекле растекается, вода смачивает стекло, но не смачивает парафин, промасленную бумагу, воск.

 

Капля ртути на стекле не растекается и стремится стянуться в шар, ртуть не смачивает стекло, но смачивает медь и цинк.

В сосуде поверхность жидкости искривляется. Мениск - форма поверхности жидкости в сосуде.

У смачивающей жидкости мениск вогнутый:

 

У не смачивающей жидкости мениск выпуклый:

 

Смачивание объясняется тем, что молекулы жидкости друг к другу притягиваются слабее, чем к молекулам твёрдого тела.

Не смачивание объясняется тем, что молекулы жидкости друг к другу притягиваются сильнее, чем к молекулам твёрдого тела.

Смачивание – это явление, возникающее вследствие взаимодействия молекул жидкости с молекулами твёрдого тела и приводящее к искривлению поверхности жидкости.

Смачивание поверхности твёрдого тела жидкостью используют, например, при крашении, склеивании, пайке.

Не смачивание учитывают, например, при изготовлении тканей для зонтов, плащей, упаковочного материала для жидких продуктов.

Капиллярность

Капилляры - узкие трубки.

Явления, обусловленные втягиванием смачивающей жидкости в капилляры или выталкивание не смачивающей жидкости из капилляров, называются капиллярными явлениями.

– высота подъёма или опускания жидкости в капилляре.

Искривлённая поверхность жидкости стремится выпрямиться под действием суммарной силы поверхностного натяжения и создаёт дополнительное (избыточное) давление на жидкость по сравнению с давлением под плоской поверхностью. Это давление называется лапласовским ( При полном смачивании (не смачивании), когда мениск имеет форму полусферы .

При выпуклом мениске давление на жидкость увеличивается на , а при вогнутом уменьшается на .

Подъём (опускание) жидкости происходит до тех пор, пока не установится равновесие, которое наступает при условии , в результате получаем:

Высота подъёма (опускания) зависит от свойств жидкости: её поверхностного натяжения и плотности

g – ускорение свободного падения, - радиус капилляра. Чем меньше радиус капилляра, тем больше высота подъёма (опускания) жидкости в капилляре.

Капиллярность приводит к кажущемуся нарушению закона сообщающихся сосудов.

Капиллярные явления играют важную роль в природе. Многочисленные капилляры, пронизывающие растительные и животные ткани, почву, играют важную роль в водоснабжении и обмене веществ. Капиллярные явления учитывают при изготовлении различных сортов бумаги (писчая, туалетная, пакеты), используют в фитилях (медленная подача керосина, масла) и т.д.

Капиллярные явления необходимо учитывать при градуировке шкалы термометра.

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: