Сила разуплотнения поверхностного слоя воды и ее роль в геологических процессах (стр. 3 )

«С молекулярно-кинетической точки зрения причина погло­щения теплоты при изотермическом расширении поверхности за­ключается в том, что молекулы должны двигаться к поверхности, преодолевая молекулярное притяжение, направленное внутрь. При этом их скорость замедляется этим притяжением, так что тем­пература поверхностного слоя понижается по сравнению с темпе­ратурой внутренних слоев, если теплота не подводится извне» (с. 25).

«С точки зрения молекулярной теории, положительная сво­бодная поверхностная энергия (или поверхностное натяжение) обусловлена силами притяжения между молекулами, находящи­мися внутри жидкости и на ее поверхности. Между поверхност­ными молекулами не существует никакой особой силы, действую­щей тангенциально к поверхности» (с. 15).

Из книги (1975), первое издание которой было опубликовано в 1945 г.:

«Поверхностное натяжение жидкости измеряется, как из­вестно, свободной энергией ее поверхности, отнесенной к единице площади. Таким образом, оно связано с поверхностной энергией w и поверхностной энтропией s соотношением .

Поверхностная энергия жидкости может быть определена, во­обще говоря, как избыточная потенциальная энергия единицы по­верхности, обусловленная недостатком соседей у частиц поверх­ностного слоя. Таким образом, ее можно считать практически не­зависимой от температуры. Температурная зависимость поверх­ностного натяжения определяется, следовательно, вторым членом формулы» (с. 351).

Из книги А. Адамсона (1979):

«Как уже отмечалось, поверхностную энергию можно рас­сматривать как работу переноса молекулы из объема жидкости на поверхность. Возникновение этой работы связано с тем, что внутри фазы сумма сил, действующих на молекулу, равна нулю, тогда как при движении молекулы к поверхности эти силы стано­вятся несбалансированными. Зная функцию потенциальной энер­гии взаимодействия между молекулами, модно рассчитать полную поверхностную энергию… Если же зависимость потенциальной энергии от температуры известна. то можно найти также поверхно­стную свободную энергию.

Результирующая сила, действующая на молекулу вблизи по­верхности, направлена внутрь фазы. <…> Ясно, что для жидкости растяжение поверхности приводит к переносу молекул из объема в поверхностный слой.

Следующий интересный вопрос – какова глубина поверхност­ного слоя или области заметно несбалансированных сил? Прежде всего она зависит от радиуса действия межмолекулярных сил. Если только на поверхности жидкости не присутствуют ионы, взаимодействие молекул в основном обусловлено  так называе­мыми вандерваальсовыми силами… Силы этого типа уменьша­ются про­порционально приблизительно седьмой ступени расстоя­ния между молекулами и, следовательно, для данной молекулы имеет значе­ние только взаимодействие с одним-двумя слоями ближайших со­седей. Иными словами, силы, действующие на мо­лекулу, симмет­ричны уже на расстоянии нескольких молекулярных диаметров от поверхности. Толщина поверхностного слоя имеет тот же порядок. Эту оценку толщины поверхностного слоя под­тверждает слабая степень эллиптичности отраженного света при угле падения, рав­ном брюстеровскому углу…

Следует также помнить, что тонкий поверхностный слой нахо­дится в турбулентном состоянии. Поскольку жидкость равновесна со своим паром, то ясно, что существует двухсторонний сбаланси­рованный перенос молекул из газовой фазы на поверхность (бом­бардировка поверхности и конденсация) и обратно (испарение). Из кинетической теории газов известно, что число молей соударяю­щихся с 1 см2 поверхности, равно

При комнатной температуре для паров, насыщенных относи­тельно жидкой воды, Z составляет около 0,02 моль/см2⋅с или около 1,2⋅1022 молекул/см2⋅с. В равновесных условиях скорость испаре­ния должна быть равна скорости конденсации, отличающейся от Z на множитель немногом меньше единицы (так называемый коэф­фициент конденсации). Таким образом, на каждом квадратном сантиметре поверхности воды ежесекундно принимается и отда­ется по 1,2⋅1022 молекул. На площадку в 10 Е2, соответствующую площади, занимаемой одной молекулой воды, за одну секунду па­дает 1,2⋅107 молекул, и, следовательно, время жизни молекулы на поверхности должно быть порядка десятой доли микросекунды.

Между поверхностным слоем и смежными слоями также имеет место перенос молекул. При комнатной температуре коэф­фициент  диффузии  большинства  жидкостей  примерно  равен 10–5 см2/с. Коэффициент D связан с временем t и суммарным смеще­нием x уравнением Эйнштейна

Если принять х равным расстоянию, например, 100 Е, то t со­ставляет около 10–6 с; таким образом, благодаря броуновскому движению имеет место очень быстрый взаимный обмен между по­верхностью и прилегающим к ней слоем жидкости.

Итак, из сказанного выше следует, что на молекулярно уровне „покоящаяся“ поверхность жидкости фактически находится в сильно возмущенно состоянии, при котором молекулы без конца „снуют“ между поверхностью и газовой и жидкой фазами. Средняя плотность поверхностного переходного слоя непрерывным обра­зом меняется от плотности жидкой к плотности паровой фаз, и под микроскопом с соответствующим увеличением поверхность должна была бы выглядеть как бы в дымке».

Из учебника молекулярной физики и др. (1976):

«Поверхность жидкости, соприкасающаяся с другой средой, например, с ее собственным паром <…> находится в особых усло­виях по сравнению с остальной массой жидкости. Возникают эти особые условия потому, что молекулы пограничного слоя жидкости в отличие от молекул в ее глубине, окружены молекулами той же жидкости, но не со всех сторон. Имея разных соседей, молекулы поверхностного слоя взаимодействуют с ними различным образом. Поэтому силы, действующие на каждую молекулу в этом слое, ока­зываются неуравновешенными: существует сила, направленная в сторону объема жидкости. <…> Вследствие этого перемещение молекулы из поверхностного слоя в глубь жидкости сопровожда­ется совершением работы (внутри жидкости молекулы, со всех сторон окруженные точно такими же молекулами, находятся в рав­новесии и их перемещение не требует работы) . <…> В случае если жидкость граничит с собственным паром (насыщенным), то сила испытываемая молекулами поверхностного слоя, направлена внутрь жидкости. Это объясняется тем, что плотность молекул в жидкости много больше, чем в насыщенном паре над жидкостью (вдали от критической температуры) и поэтому сила притяжения, испытываемая молекулой поверхностного слоя, со стороны моле­кул жидкости больше, чем со стороны молекул пара. Отсюда сле­дует, что, перемещаясь из поверхностного слоя внутрь жидкости, молекула совершает положительную работу. Наоборот, переход молекул из объема жидкости к поверхности сопровождается отри­цательной работой, т. е. требует затраты внешней энергии. Пред­ставим себе, что 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. <…> Поэтому особые условия, в которых находится поверхность жидко­сти, заключается в том, что поверхность жидкости обладает избы­точной по сравнению с остальной массой жидкости потенциальной (свободной энергией). <…> Посмотрим, к чему это приводит. Из­вестно, что всякая система при равновесии находится в том из возможных для нее состояний, при котором ее энергия имеет ми­нимальное значение. Применительно к рассматриваемому случаю это означает, что жидкость в равновесии должна иметь мини­мально возможную поверхность. Это в свою очередь означает, что должны существовать силы, препятствующие увеличению поверх­ности жидкости, т. е. стремящиеся сократить эту поверхность. Очевидно, что эти силы должны быть направлены вдоль самой поверхности, по касательной к ней. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокра­щающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения. Нужно, однако, помнить, что первопричиной возникновения сил поверхностного натяжения яв­ляются силы, испытываемые молекулами поверхностного слоя, направленные внутрь жидкости. Для разрыва или, как говорят, для раздела поверхности необходимо приложить внешние силы, па­раллельные к поверхности и перпендикулярные к той линии, вдоль которой предполагается разрыв <…>. Если изменение поверхно­сти жидкости произвести адиабатично, то ее температура изме­нится, например, увеличение поверхности приведет к ее охлажде­нию, а уменьшение – к нагреванию».

Из учебника физики Д. Джанколи (1989):

«Молекула внутри жидкости находится в равновесии, так как силы со стороны других молекул действуют на нее во всех на­правлениях и взаимно компенсируются. Молекула на поверхности тоже находится в равновесии (жидкость покоится), даже если на молекулу действуют силы со стороны молекул, находящихся под нею или на одном с ней уровне. Следовательно, возникает на­правленная в глубь жидкости результирующая сила, приводящая к небольшому стягиванию поверхностного слоя, но лишь до такой степени, когда силы притяжения компенсируются силами отталки­вания, возникающими при более тесном сближении молекул. Та­кое стягивание поверхности можно истолковать в том смысле, что жидкость стремится к состоянию, в котором площадь ее поверхно­сти минимальна. Вот почему капли воды имеют сферическую форму. На молекулу, переходящую изнутри жидкости на поверх­ность, при увеличении площади поверхности действуют значи­тельные силы со стороны глубинных молекул. В свою очередь, по третьему закону Ньютона на молекулу действует противоположно направленная сила, равная силе поверхностного натяжения» (с. 361).