Строение жидкостей (стр. 2 )

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости зависит от температуры. В этом можно убедиться при помощи опыта. Насыпав на поверхность воды тальк, поднесем к ней накаленное металлическое тело. От этого прогреется поверхность воды, причем больше всего в непосредственной близости к нагретому телу. Мы увидим, что тальк разбежится от нагретого предмета. Следовательно, силы взаимного притяжения молекул в жидкости уменьшаются при повышении температуры.

Температура, C	Поверхностное натяжение H/м	Температура, C	Поверхностное натяжение H/м
0	0,0756	200	0,0378
20	0,0725	250	0,0261
50	0,0679	300	0,0143
100	0,0588	350	0,0036
150	0,0486	374,15	0

Температура, равная 374,15 C – критическая температура. Поверхностное натяжение жидкостей зависит только от природы жидкости и от её температуры. Оно не зависит от того, велика поверхность жидкости или мала, подвергалась она предварительному растягиванию или нет.

Рассмотрим мыльную плёнку, образованную на прямоугольнике с одной подвижной перекладиной d. Если на эту перекладину не действует внешняя сила, поверхность жидкости будет сокращаться и подвижная перекладина притянется к неподвижной. Площадь поверхности сократится до минимума. Значит, со стороны жидкой плёнки действует вдоль её поверхности сила F, касательная к поверхности и перпендикулярная участку периметра, ограничивающего поверхность жидкости.

Силой поверхностного натяжения называют силу, которая действует вдоль поверхности жидкости перпендикулярно к линии, ограничивающей эту поверхность, и стремится сократить её до минимума.

Если под действием F1 проволочка АВ сместится на ∆x то работа А1 = F1·∆x. За счёт этой работы поверхность плёнки увеличится на ∆S. Сила поверхностного натяжения совершает отрицательную работу A=-F·∆x, так как ∆S=∆x·ℓ, где  ℓ=2·d  (у пленки две поверхности). Поверхностная энергия Wp увеличивается на Wp= у·∆S= у·ℓ·∆x. Так как  A=-∆Wp. то ∆W=-A

  у·ℓW·∆x=F·∆x,

  то  у=F/ℓ 

Отношение модуля силы поверхностного натяжения к длине периметра, ограничивающего поверхность жидкости, называется коэффициентом  поверхностного натяжения жидкости у.  [у]=н/м.

у имеет не только энергетическую, но и силовую характеристику.

Определим силу поверхностного натяжения мыльного раствора. Проволочную рамку погрузим в раствор мыла, F1 – сила натяжения спирали динамометра, mg – сила тяжести, F – сила поверхностного натяжения жидкости. При равновесии сил:

для модулей сил  F1 -- mg -- 2F = 0  из этого следует

F = (F1 – mg)/2  (сила F действует с обеих сторон плёнки). Конечно, вы правы, динамометр должен быть очень «чувствительным» и измерять силу в mH.

Сила поверхностного натяжения не зависит от увеличения площади поверхности( Сила поверхностного натяжения не является силой упругости!!!). Этим она отличается от резиновых плёнок, где по мере растяжения поверхности расстояние между молекулами увеличивается и сила упругости возрастает. Поверхность жидкости не обладает упругостью. Увеличение поверхности происходит за счёт перехода новых молекул из глубины на поверхность жидкости.

§ 2

Собственная форма жидкости.

Форма капелек росы близка к сферической. Жидкость, находящаяся в невесомости, имеет форму шара. Шаровая форма – это и есть собственная форма жидкости, которую она принимает под действием межмолекулярных сил.

На жидкость действуют Fт и Fупр, с которой деформированная опора действует на прилегающей к ней слой жидкости. Внутри жидкости создаётся гидростатическое давление, максимальное у нижнего слоя и убывающее по направлению к верхнему слою. Силы гидростатического давления F1 и F2 приводят к растеканию капли. Растеканию капли препятствует сила поверхностного натяжения жидкости, которая стремится сократить площадь до минимума. Чем меньше радиус капли, тем меньше «растекание». Каков же этот радиус, чтобы капля не растекалась? Капля на опоре обладает потенциальной энергией W1, зависящей от силы тяжести и поверхностной энергией W2, связанной с молекулярными силами в поверхностном слое.

W1=mgh=сVшgr

(Vш – объём шара, с – плотность жидкости, h – высота центра тяжести,),

W1=  W2 = уSш  = 4урr2

Потенциальная энергия W1 ~ r4, W2 ~ r2. Растекание капли прекратится, когда сумма обоих видов энергии будет минимальна. При r→0 вклад W1 ~ r4 будет очень мал и минимум общей энергии будет определятся W2 ~ r2.

Рассчитаем радиус капли при условии W1=W2

  =4урr2

  сgr2=3у  , то есть радиус капли зависит от g, с.

Пример:  для воды  с=103 кг/м3,  g=9,8 м/с2,  у=7,3·10-2 Дж/м2

  , 

Таким образом, капли воды, радиусом приблизительно 0,5см. будут немного сплющены, так как вклад обоих видов потенциальной энергии одинаков.

Для практического применения интересен опыт Плато (анилиновая капля в растворе поваренной соли). Если каплю анилина поместить в раствор поваренной соли, плотность которого подогнана к плотности анилина, то капля держится внутри жидкости, не опускаясь на дно и не всплывая. Это значит, что сила тяжести и сила Архимеда, действующие на каплю взаимно уравновешиваются. В этом случае капля принимает форму шара.

§ 3

Явления смачивания и несмачивания.

В повседневной жизни вы замечали, что капля воды на чистой стеклянной поверхности растекается, покрывая её тонкой пленкой. На пластинке парафина и на поверхности листьев многих растений эта же капля принимает форму шарика. Капля расплавленного олова на стеклянной поверхности принимает форму шара, а если разогретым паяльником с каплей олова провести по чистой меди, то олово растечётся по листу тонкой плёнкой.

Жидкость, которая растекается тонкой плёнкой по твёрдому телу, называют смачивающей это твёрдое тело.

Жидкость, которая не растекается, а стягивается в каплю, называется не смачивающей это тело.

Смачивание – явление, возникающее вследствие взаимодействия молекул жидкости с молекулами твёрдого тела и приводящее к искривлению поверхности жидкости у поверхности твёрдого тела. Рассмотрим жидкость, находящуюся на поверхности твёрдого тела. Г – газ, Ж – жидкость, Т – твёрдое тело, Fж. т. – сила поверхностного натяжения жидкости и твёрдого тела, Fж. г. – сила поверхностного натяжения на границе жидкость – газ, Fт..г.. – сила поверхностного натяжения на границе тело – газ. При смачивании угол И → 0є, при несмачивании И → 180є. И – краевой угол, он всегда отсчитывается внутрь жидкости.

Если Fт. г.> Fж. т.+ Fж. г.∙cosИ, то жидкость смачивает твёрдое тело.

При условии Fт. г.,< Fж. т.+ Fж. г.∙cosИ  жидкость не будет смачивать твёрдое тело. При условии равновесия 

Явления смачивания и не смачивания широко применяются в быту и технике.

Примеры применения смачивания и несмачивания:

  1.  Пайка металлов.

2.  Лужение.

3.  Моющее действие мыла.

4.  Пятновыводители, растворители.

5.  Флотационный процесс.

Сделаем опыт. На поверхность чистой горячей воды поместим небольшой кусок парафина (воска, нафталина). Парафин расплавится и растечется тонкой пленкой по поверхности воды. Дадим воде остыть. Парафин затвердеет в виде тонкой пластинки. Осторожно вынем эту пластинку, стараясь не касаться ее поверхности, и, разделив на две части, поместим горизонтально, предварительно перевернув одну из частей. Теперь при помощи пипетки нанесем на поверхности пластинок капли чистой воды. Мы увидим, что капли поведут себя различно. На той поверхности парафина, которая соприкасалась с воздухом, капля воды не растечется и будет иметь такую же форму, как ртуть на стекле; в этом случае вода не смачивает парафин. На поверхности, соприкасавшейся с водой, капля воды немедленно растечется, образуя тонкую пленку; в этом случае вода смачивает парафин.

Почему же одно и то же твердое вещество в одних случаях смачивается жидкостью, а в других не смачивается?

Объяснение в следующем. Молекулы многих веществ довольно сложны; благодаря этому различные части такой молекулы могут обнаруживать различные силы сцепления при взаимодействии с другими молекулами. Если каким-либо образом расположить подобные молекулы так, что в одну сторону будут обращены концы, сильно взаимодействующие с водой, а в другую — слабо взаимодействующие, то получится пластинка, одна поверхность которой будет смачиваться водой, а другая не будет.