ТОР 5 статей: Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы КАТЕГОРИИ:
|
Поверхностное натяжение
Благодаря плотному расположению молекул жидкости между ними действуют значительные силы притяжения, быстро убывающие с расстоянием r (~ r -6). Минимальное расстояние, на котором они становятся равными нулю, называется радиусом молекулярного действия rм (r м ~10 -7 см). Каждая молекула жидкости испытывает притяжение со стороны всех соседних молекул, находящихся в пределах сферы радиуса молекулярного действия, центр которого совпадает с данной молекулой. Очевидно, результирующая всех сил, действующая со стороны соседей на молекулу В, находящуюся внутри жидкости, равна нулю, поскольку силы соседей взаимно компенсируют друг друга (рис. 21.2). На молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости толщиной 2 r м, действуют силы , направленные внутрь жидкости, величина которых тем больше, чем ближе молекула к поверхности (рис. 21.2) F1<F2<F3<.F4<F5 ….Поскольку на молекулы поверхностного слоя действуют силы, направленные внутрь жидкости, то поверхностный слой оказывает на всю жидкость давление, называемое молекулярным (молекулярное давление достигает огромных величин — до 109 Па). При отсутствии внешних сил равновесным оказывается такое состояние жидкости, при котором энергия взаимодействия молекул поверхностного слоя и молекул, находящихся вблизи него, со стороны жидкости, минимальна. Чем меньше поверхность, тем меньше потенциальная энергия молекул поверхностного слоя. Поэтому жидкость, находящаяся в невесомости, принимает форму шара — геометрическую форму с наименьшей для данного объема поверхностью. Стремление жидкости уменьшить свою поверхность под действием сил молекулярного притяжения носит название поверхностного натяжения. Переход молекул из глубины жидкости в поверхностный слой связан с работой против действующих в поверхностном слое сил, направленных внутрь жидкости. Эта работа совершается молекулами за счет их кинетической энергии и идет на увеличение потенциальной энергии поверхностного слоя. Таким образом, молекулы, находящиеся на поверхности жидкости, обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы внутри жидкости. Величина потенциальной энергии ∆ U п поверхностного слоя толщиной 2 r м пропорциональна площади поверхностного слоя ∆ S: ∆ U п = α∆ S. (20.7) Коэффициент пропорциональности α, равный потенциальной энергии единицы площади поверхностного слоя, называется коэффициентом поверхностного натяжения. Его можно связать с силами поверхностного натяжения жидкости. Проделаем следующий опыт: возьмем прямоугольный каркас ABDC из тонкой проволоки, одна сторона АВ которого подвижна (рис. 21.3). Образуем на каркасе мыльную пленку, которая, имея некоторую толщину, обтягивает каркас поверхностью ABCD с двух сторон. Если подействовать на сторону АВ каркаса силой F, то она растянет поверхностную пленку жидкости и сторона АВ займет положение А'В'. Очевидно, сила F, растягивающая обе поверхностные пленки, уравновешивается в положении А'В' силами поверхностного натяжения. Чем больше l (удвоенная длина АВ), тем больше сила F: F~l. Легко показать, что коэффициент пропорциональности между силой F и длиной l равен α. При перемещении стороны АВ на расстояние ∆ x сила F совершит работу ∆ А = F ∆ x. По закону сохранения энергии эта работа равна изменению потенциальной энергии ∆ U п поверхностного слоя: ∆ U п = ∆ А = F ∆ x. Согласно формуле (20.7), ∆ U п = α∆ S = α l ∆ x, поэтому α ∙l∙∆x=F∆x или F = α ∙l. (20.8) Таким образом, коэффициенту α можно придать и другое определение: коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе, приложенной к единице длины контура, ограничивающего поверхность жидкости. (Эта сила направлена по касательной к поверхности и перпендикулярна к линии контура.) С ростом температуры жидкости коэффициент поверхностного натяжения уменьшается и при критической температуре обращается в ноль. Существенное влияние на него оказывают примеси, которые могут как увеличить α (NaCl в воде), так и уменьшить (жирные кислоты в воде). Если силы взаимодействия между молекулами жидкости и растворенного вещества меньше сил взаимодействия молекул жидкости, то молекулы жидкости «выталкивают» молекулы растворенных веществ и они концентрируются в поверхностном слое — происходит так называемая адсорбция этого вещества. Само вещество, меняющее поверхностное натяжение жидкости называется поверхностно-активным. Явление адсорбции широко используется в технике и быту: растворы жирных кислот в воде очищают поверхности (мойка, стирка); на обогатительных фабриках флотация (концентрация в поверхностном слое интересующих нас веществ) позволяет извлекать из руды полезные компоненты; при бурении горных пород в скважину накачивается вода с поверхностно-активными веществами, проникая в микротрещины породы, влага способствует их увеличению, что обеспечивает разрушение породы, и т. д. Наблюдается и отрицательная адсорбция — когда силы взаимодействия между молекулами растворяемого вещества и жидкостью больше, чем силы взаимодействия между молекулами жидкости. В результате отрицательной адсорбции концентрация растворенного вещества в поверхностном слое оказывается меньше, чем в жидкости. Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:
|