Жидкости.

Тема 2. Жидкости. 2.1. Строение жидкости. Энергия поверхностного слоя. Поверхностное натяжение. Жидкое состояние, занимает промежуточное положение между газами и кристаллами, сочетает в себе некоторые черты обоих этих состояний. В расположении частиц жидкости наблюдается так называемый ближний порядок. Это означает, что по отношению к любой частице расположение ближайших к ней соседей является упорядоченным. Однако по мере удаления от данной частицы расположение по отношению к ней других частиц становится всё менее упорядоченным и довольно быстро порядок в расположении частиц полностью исчезает. Жидкое состояние характеризуется тем, что вещество стремится сохранить свой объем, но не сохраняет форму. Молекулы жидкости находятся очень близко друг к другу. Их тепловое движение характеризуется следующим: Каждая молекула в течение некоторого промежутка времени колеблется около определенного положения равновесия. Время от времени она скачком переходит в новое положение. Т.о. молекулы медленно движутся в жидкости. Среднее время оседлой жизни молекулы при комнатной температуре τ=10-11 с. С повышением температуры, это время уменьшается. Поскольку молекулы жидкости, находящиеся в её поверхностном слое, втягиваются внутрь жидкости, их потенциальная энергия больше, чем у молекул внутри жидкости. Эту дополнительную потенциальную энергию молекул поверхностного слоя жидкости называют свободной энергией или поверхностной. Всякая система стремится перейти в состояние с наименьшей потенциальной энергией. Поэтому поверхность жидкости стремится сократиться. На линию, ограничивающую поверхность жидкости действуют силы, направленные перпендикулярно к этой линии по касательной поверхности внутрь ее. Эти силы называются силами поверхностного натяжения. Поверхностная сила, приходящаяся на единицу длины контура, называется коэффициентом поверхностного натяжения: Опыт показывает, что на на коэффициент поверхностного натяжения влияет среда и температура жидкости. При повышении температуры жидкости её поверхностное натяжение уменьшается и при критической температуре становится равной нулю. Также коэффициент поверхностного натяжения можно представить, как энергию, приходящуюся на единицу площади поверхности жидкости. 2.2. Давление под изогнутой поверхностью жидкости. Стремление поверхности жидкости к сокращению приводит к тому, что давление под искривленной поверхностью оказывается иным, чем под плоской поверхностью. Найдем дополнительное давление, обусловленное искривлением поверхности. Для этого мысленно рассечем сферическую каплю жидкости на два полушария. Из-за стремления поверхности жидкости сократиться полушария притягиваются друг к другу с силой равной: Эта сила прижимает полушария друг к другу по поверхности Т.о. Для сферической поверхности радиуса R: В общем случае, для поверхности любой формы дополнительное давление вычисляется по формуле Лапласа: R1 и R2 – радиусы кривизны двух взаимно перпендикулярных нормальных сечений. Т.е. величина дополнительного давления зависит от двух параметров - поверхностного натяжения и кривизны поверхности. 2.3. Явление на границе жидкости и твердого тела. Смачивание. Смачивание – явление, возникающее при соприкосновении жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой жидкости. Выражается, в частности, в растекании жидкости по твёрдой поверхности. Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют смачивающей это вещество. Например, вода смачивает чистое стекло и не смачивает парафин. Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют несмачивающей это вещество. Рассмотрим каплю жидкости на плоском твердом теле. Угол θ внутри жидкости между касательными к поверхности жидкости и к поверхности твердого тела называют краевым углом. В первом случае жидкость смачивает твердое вещество, а во втором — нет. Для смачивающих жидкостей краевой угол острый, а для несмачивающих – тупой. Когда θ = 0 - полное смачивание, жидкость растекается по поверхности твердого тела; когда θ =π – полное несмачивание, поверхность, по которой жидкость граничит с твердым телом стягивается в точку и жидкость отделяется от твердого тела. Смачивание имеет важное значение в промышленности. Хорошее смачивание необходимо при крашении, стирке, обработке фотоматериалов, пайке. Примеси сильно сказываются на величине поверхностного натяжения. Например, растворение в воде мыла уменьшает её коэффициент поверхностного натяжения почти в 1,5 раза (что, в частности и обуславливает использование мыла в качестве моющего средства). Несмачивание может приводить к тому, что из решета, нити которого покрыты парафином (при небольшом уровне воды), вода не выливается. 2.4.Капиллярные явления Существование смачивания и краевого угла приводит к тому, что вблизи стенок сосуда наблюдается искривление поверхности жидкости. Если жидкость смачивает стенки, поверхность имеет вогнутую форму, если не смачивает – выпуклую. Такого рода изогнутые поверхности жидкости называются мениском. Под искривлённой поверхностью в капилляре давление будет отличаться от давления под плоской поверхностью на величину . Между жидкостью в капилляре и в широком сосуде устанавливается такая разность уровней, чтобы гидростатическое давлениеуравновешивало капиллярное давление.  В случае сферической формы мениска Радиус кривизны мениска выразим через краевой угол и радиус капилляра r  , тогда Если жидкость полностью смачивает стенки капилляра, то