9.7. СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ. ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖНИЕ

Жидкость – агрегатное состояние вещества, промежуточное между газообразным и твердым, поэтому обладает свойствами как газов, так и твердых тел. В отличие от газов, жидкости сохраняют свой объем. Силы притяжения между молекулами жидкости уже существенны и удерживают молекулы на определенном расстоянии друг от друга. В этом случае   Uk< U .

Для взаимного расположения молекул жидкости характерен так называемый ближний порядок, то есть упорядоченное расположение частиц, повторяющееся на расстояниях, сравнимых с межатомными. Молекула жидкости в течение некоторого времени колеблется около определенного положения равновесия, а затем скачком переходит в новое положение, отстоящее от исходного на расстоянии порядка межатомного. Молекулы жидкости довольно медленно перемещаются по всей массе жидкости. С увеличением температуры жидкости подвижность молекул увеличивается, что является причиной уменьшения вязкости жидкости.

Силы притяжения, действующие на молекулу со стороны других молекул, быстро убывают с расстоянием. Начиная с некоторого минимального расстояния между молекулами, силами притяжения можно пренебречь. Это расстояние называется радиусом молекулярного действия (r ) и имеет порядок 10-9 м. Сфера радиуса  r – сфера  молекулярного действия.

Рассмотрим две молекулы жидкости. Молекула А находится внутри жидкости, молекула В – на ее поверхности (рис.9.4). Вокруг молекул проведена середина молекулярного действия радиуса r. Из рисунка видно, что результирующая сил, действующих на молекулу А со стороны всех других молекул, равна нулю.

Сфера молекулярного действия молекулы В лишь частично расположена в жидкости. Сверху она не испытывает действия других молекул, поэтому результирующая сил, действующих на молекулу В, отлична от нуля и направлена внутрь жидкости (сила F).Таким образом, результирующие силы молекул поверхностного слоя оказывают давление на жидкость.


Это явление называется молекулярным (или внутренним). Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы внутри жидкости. Эта дополнительная энергия молекул поверхностного слоя называется поверхностной энергией. Она пропорциональна площади слоя ΔS:

,                                                      (9.2)

где σ – поверхностное натяжение; σ = , то есть поверхностное натяжение является плотностью поверхностной энергии.

Равновесное состояние характеризуется минимумом потенциальной энергии, поэтому при отсутствии внешних сил площадь поверхности заданного объема жидкости должна быть минимальной. Этим объясняется сферическая форма капель жидкости. Жидкость стремится сократить площадь свободной поверхности, и вследствие этого поверхностный слой подобен растянутой упругой пленке, в которой действуют силы натяжения. Работу этой силы можно представить формулой:

,                                                       (9.3)

где  ΔS – площадь поверхности жидкости,  – сила поверхностного натяжения, действующая на единицу длины контура поверхности жидкости. Эта работа совершается за счет уменьшения поверхностной энергии:

ΔА = ΔЕ .

Из сравнения выражений (9.2) и (9.3) видно, что  σ = f. Поверхностное натяжение (σ) равно силе поверхностного натяжения, приходящейся на единицу длины контура, ограничивающего поверхность. Единица поверхностного натяжения – джоуль на квадратный метр (Дж/ м2)  или ньютон на метр (Н/м). С повышением температуры поверхностное натяжение уменьшается, так как увеличивается среднее расстояние между молекулами жидкости.