В жидком состоянии вещество сохраняет свой объем и принимает форму сосуда, в котором оно находится.

В небольшом объеме жидкости наблюдается упорядоченное расположение молекул, а в большом объеме оно оказывается хаотическим. Иначе говоря, в жидкости существует ближний порядок в расположении молекул, но отсутствует дальний порядок. Такое строение называется квазикристаллическим. Свойства жидкого состояния вещества ближе к свойствам твердого состояния, чем к свойствам газообразного.

Молекулярное давление поверхностного слоя жидкости

Выясним, чем отличаются действия молекулярных сил внутри жидкости от действия молекулярных сил на ее поверхности. Среднее значение равнодействующей молекулярных сил, действующих на молекулу , равно 0 (рисунок 25), т.к. она со всех сторон окружена молекулами. Радиус действия молекулярных сил . Снизу от молекулы находится много молекул, а сверху мало.

 

 

Пар, находящийся над жидкостью, практически не влияет на результирующую силу молекулярных сил .

Равнодействующая молекулярных сил, действующих на молекулу

, значительно меньше, чем на молекулу .

Результирующие силы направлены во внутрь жидкости перпендикулярно ее поверхности.

Под действием результирующих сил все молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое толщиной , втягиваются внутрь жидкости. Поэтому поверхностный слой создает давление. Величина этого давления очень велика. Для воды она порядка 10⁹ Па (11 тысяч атмосфер).

Поэтому с помощью внешнего давления сжать жидкость очень трудно. При относительно малых давлениях, с которыми мы имеем дело в жизни и технике, жидкость можно считать несжимаемой.

Энергия поверхностного слоя жидкости.

Молекулы поверхностного слоя жидкости имеют большую потенциальную энергию, чем молекулы, распложенные внутри жидкости. Эту дополнительную энергию называют свободной энергией. За счет ее может быть совершена работа, связанная с уменьшением свободной поверхности жидкости.

где Δ – изменение площади свободной поверхности. Коэффициент поверхностного натяжения () измеряется работой молекулярных сил при уменьшении площади свободной поверхности жидкости на единицу. Его размерность: [ ]=1 .

Т.к. любая система стремится к минимуму энергии, то жидкость стремится к минимуму площади поверхности – к шару. Поэтому капли и мыльные пузыри круглые.

Поверхностное натяжение

Сила поверхностного натяжения , обусловленная взаимодействием молекул жидкости, вызывающая сокращение площади ее свободной поверхности и направлена по касательной к этой поверхности, называется силой поверхностного натяжения (рисунок 26).

Работа силы поверхностного натяжения:

Коэффициент поверхностного натяжения σ численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины границы свободной поверхности жидкости.

На величину влияет температура жидкости и среда, находящаяся над поверхностью жидкости.

Смачивание

 

Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют смачивающей.

Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твердых веществ, то жидкость называют не смачивающей.

Например, вода, – смачивающая жидкость для стекла (рисунок 27а), и не смачивающая для парафина (рисунок 27б).

Угол Θ называют краевым углом. Для

смачивающих жидкостей угол Θ острый, а для не смачивающих – тупой. Мерой смачиваемости служит Θ. Он положителен для смачивающих жидкостей и отрицателен для не смачивающих жидкостей. При полном смачивании , при полном не смачивании cosQ = -1.

Мениск

Искривление поверхности жидкости у краев сосуда отчетливо видно в тонких трубках. В трубке с круглым сечением эта поверхность является частью поверхности сферы и называется мениском. У смачивающей жидкости мениск вогнутый (рисунок 28а), а у не смачивающей выпуклый (рисунок 28б).

Искривленная поверхность жидкости стремится выпрямиться под действием давления Лапласа . Французский ученый Лаплас определил величину этого давления. Для сферической формы свободной поверхности жидкости с радиусом r это давление выражается:

=

	Рисунок 28. Образование мениска в трубках малого диаметра

Капиллярность

Если в воду опустить тонкую стеклянную трубку, то вода втягивается в трубку и ее уровень поднимается на высоту .

На очень большую высоту поднимается жидкость в трубке, диаметр которой меньше диаметра волоса. Такие трубки называют капиллярными трубками, от греческого “капиллярис” - волос, тонкий. Смачивающая жидкость поднимается по трубке вверх, а не смачивающая опускается вниз (рисунок 29). Это объясняется тем, что давление Лапласа Р_Л в случае смачивающей жидкости направлено вверх. Оно втягивает воду до тех пор, пока гидростатическое давление Р_Г столба воды высотой h не уравновесит систему.

При этом ; ; ® Отсюда: и высота подъема жидкости , где: =9,81 , а - плотность жидкости.

Высота подъема жидкости тем больше, чем меньше радиус трубки .

Формула справедлива при краевом угле Θ=0. Если Θ отличается от нуля, то .

Высота подъема жидкости h в капилляре зависит от температуры. Чем выше температура, тем меньше , а значит и h.

Капиллярные явления играют большую роль в природе и технике. Мельчайшие капилляры имеются в растениях. По ним влага поднимается из почвы до вершины. В почве тоже есть капилляры, осушающие почву. В домах между фундаментом и стеной обязательно укладывают слой материала, не обладающего капиллярной структурой. Тогда вода из земли не попадает в стены здания.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение жидкого состояния вещества.

2. Расскажите о молекулярном давлении поверхностного слоя жидкости.

3. Расскажите об энергии поверхностного слоя жидкости. Что такое коэффициент поверхностного натяжения?

4. Что такое смачивающая и не смачивающая жидкость? Что служит мерой смачиваемости?

5. Что такое мениск и под действием какого давления он образуется?

6. Что такое капиллярная трубка и как вычислить высоту, на которую поднимается жидкость по капиллярной трубке?