Лабораторные работы Взаимодействие между молекулами Диффузия Молекулярная физика Структура твердых тел Кинетическая теория газа Измерение вакуума

Молекулярная физика и основы термодинамики Лабораторные работы

Понятие о поверхностном натяжении жидкостей

Молекулы жидкости, расположенные у ее границы, находятся в совершенно иных условиях, чем молекулы внутри жидкости. Молекула внутри жидкости находится под воздействием всех остальных молекул.

Однако силы взаимодействия между молекулами быстро убывают с расстоянием. Поэтому практически достаточно лишь учесть действие молекул, расположенных довольно близко к рассматриваемой молекуле. Расстояние r, на котором проявляются силы взаимодействия между молекулами, называют радиусом молекулярного действия, а сферу радиуса r – сферой молекулярного действия.

Внутри жидкости в сферу молекулярного действия молекулы А (рис. 5) попадает большое число других молекул. Силы, с которыми эти молекулы действуют на молекулу А направлены во все стороны равномерно и взаимно компенсируются так, что результирующая сила, действующая на молекулу А, равна нулю. Иначе обстоит дело с молекулами вблизи поверхности жидкости. Сфера молекулярного действия молекулы В (см. рис.5) лишь частично находится внутри жидкости. Обычно над поверхностью жидкости находится газ (или пары жидкости). Концентрация молекул в газе настолько мала, что действием молекул газа на молекулу В можно пренебречь и принимать во внимание только силы, действующие со стороны молекул жидкости, входящих в сферу молекулярного действия. Таким образом, на молекулу В с разных сторон действуют неодинаковые сады и возникает результирующая сила, направленная внутрь жидкости. Однако существенны и другие составляющие сил взаимодействия между молекулами, расположенными на поверхностном слое жидкости. Если силы, действующие на молекулу поверхностного слоя жидкости, сгруппировать по квадратам (рис.6), то эти силы дадут составляющие как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. Силы в вертикальных плоскостях – это рассмотренные силы, стремящиеся втянуть молекулы внутрь жидкости. Силы в горизонтальной плоскости (называемые силами поверхностного натяжения) вызывают стремление жидкости сократить свою поверхность.

Мысленно рассечем поверхность жидкости линией АВ. К этому отрезку (вернее, к молекулам) приложены силы, лежащие в плоскости поверхности и перпендикулярные к элементам отрезка (на рис.7 указаны векторами), равнодействующая сил, направленных в одну сторону от отрезка, тем больше, чем больше длина отрезка АВ, т.е.

  (9)

Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом поверхностного натяжения. Он выражает силу, приложенную к единице длины поверхностного слоя жидкости. Для данной жидкости коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры (убывает с ее ростом). При приближении температуры жидкости к критической  стремится к нулю.

Определим работу, которую необходимо затратить, чтобы увеличить площадь поверхности жидкости на некоторую величину (рис.8). Для этого с помощью силы F передвинем границу пленки на отрезок  параллельно самой себе. Совершенная работа равна

так что . Эта работа идет на увеличение энергии пленки . Поэтому , откуда

  (10)

Энергия Е представляет собой ту часть внутренней энергии пленки, которая может быть превращена в работу при ее изотермическом растяжении. В термодинамике эта энергия называется свободной энергией. Отсюда следует иное определение коэффициента поверхностного натяжения. Он численно равен изменению свободной энергии поверхности жидкости при изменении ее площади на единицу.


Определение коэффициента внутреннего трения жидкости