концентрации газа вдоль того же направления, моль-лГ4; D - коэффициент диффу­ зии, м2- с х

Таким образом, диффузия происходит, если в какой-то части объема имеется по­ вышенная концентрация газа. Диффузия идет в направлении, где концентрация газа ниже или данный газ совсем отсутствует. В результате диффузии концентрация газа понижается, что отражает знак «минус» в уравнении (1.10).

Диффузия является результатом хаотического движения частиц газа. Отдельная частица мо­ жет двигаться в любом направлении, независимо от наличия градиентов концентрации газа. Если частиц много, то вероятность их движения в определенном направлении такая же, как и в любых других направлениях, но плотность потока частиц в каждом из них будет пропорциональна концен­ трации газа. Если вдоль оси х проявляется градиент концентрации газа, то с той стороны, где кон­ центрация газа выше, плотность потока частиц будет больше, а с другой стороны, где концентрация газа ниже, плотность потока частиц будет меньше. Разность между ними определит направление и интенсивность диффузии.

Если убрать перегородку между двумя газами, то их смешение за счет диффузии частиц представляется достаточно длительным процессом. Это объясняется хаотиче­ ским движением частиц газа, и каждая частица одного газа может пройти значитель­ ный путь, изменяя направление своего движения, прежде чем она окажется в той час­ ти сосуда, которую ранее занимал другой газ.

1.5.Свойства жидкостей

Кчислу наиболее важных свойств жидкостей относят поверхностное натяже­ ние и вязкость.

Поверхностное натяжение обусловлено неодинаковым состоянием молекул внутри объема жидкости и на ее поверхности. Молекулы внутри объема жидкости полностью окружены другими молекулами и подвержены действию межмолекуляр­ ных сил во всех направлениях. В отличие от них молекулы, расположенные на по­

верхности жидкости, испытывают воздействие только с боков и снизу (рис. 1.5). За счет неоднородности действия сил молекулы поверхности втягиваются в объем жид­ кости. В итоге проявляется тенденция к уменьшению площади поверхности. Она вы­ ражена, например, в стремлении капель жидкости приобрести форму шара (минимум площади поверхности при данном объеме). Это явление особенно четко проявляется в состоянии невесомости (его неоднократно демонстрировали космонавты в телевизи­ онных передачах с космической орбиты).

Чтобы увеличить поверхность жидкости, необходимо часть молекул переместить из объема на поверхность. Поскольку при этом преодолеваются силы взаимодействия между молекулами, то в систему нужно ввести энергию или, говоря точнее, совер­ шить работу. Отсюда, поверхностное натяжение а ж>г - это работа образования еди­ ницы поверхности,Дж/м2.

Поверхностное натяжение на границе жидкости с газовой фазой иначе можно представить как работу, которую необходимо совершить для разрыва столбика этой жидкости с поперечным сечением 1/2 единицы площади новой поверхности (при раз-

рыве столбика образуется новая поверхность, в два раза большая, чем площадь сече­ ния столбика).

Чем сильнее межмолекулярные силы взаимодействия в жидкости, тем выше ее поверхностное натяжение на границе с газовой фазой. Например, для воды а = 73-10-3 Дж/м2, для бензола а = 29*10"3 Дж/м2 За счет поверхно­ стного натяжения некоторые твердые предметы удержи­ ваются на поверхности жидкости.

При нагревании жидкости ее температура приближается к критической (Гк) и поверхностное натяжение стремится к нулю, т.е. при Г -» Тк а -» 0. Если Т= Тки а = 0, то исчезает граница раздела фаз жидкость - газ (пар).

Поверхностно-активные вещества влияют на вели­ чину поверхностного натяжения жидкостей. Поверхностное натяжение изменяется при переходе от чистой жидкости к

раствору. Растворенные компоненты могут концентрироваться в поверхностном слое жидкости. Самопроизвольно увеличивается содержание в поверхностном слое того компонента, который понижает поверхностное натяжение. Такой способностью обычно обладают вещества, которым в чистом состоянии свойственны низкие значе­ ния поверхностного натяжения. Вещества, концентрирующиеся в поверхностном слое воды и сильно уменьшающие ее поверхностное натяжение, называют поверхно­ стно-активными веществами (ПАВ).Типичными представителями ПАВ являются высокомолекулярные жирные спирты или кислоты, состав которых выражается фор­ мулами

/ /

R-H2C-OH и R-C

\

ОН

где R - большой неполярный углеводородный радикал. Такие соединения содержат сильнополярные гидроксильные или карбоксильные группы. Неполярные углеводо­ родные радикалы являются гидрофобными, т.е. они не обладают сродством к воде.

Полярные группы, наоборот, гидрофильны, они про­ являют сродство к воде. ПАВ концентрируются в по­ верхностном слое воды (рис. 1.6), а их молекулы ори­ ентируются своими гидрофильными частями внутрь жидкости, а гидрофобными - наружу, в слой воздуха. Чем выше концентрация ПАВ в поверхностном слое, тем ниже величина поверхностного натяжения воды.

ное натяжение раствора, но сульфат натрия несколько повышает эту величину. Дадим объяснение наблюдаемому различию влияния растворенных веществ на поверхностное натяжение воды.

Решение. Поверхностное натяжение раствора масляной кислоты (а = 0,027 Дж/м2) меньше, чем воды, т.е. кислота выступает как поверхностно-активное вещество, понижая ст воды.

давление в жидкости с плоской поверхностью. Искривление поверхности жидкости характеризуется радиусом г, и величина капиллярного давления АР = 2G /г, где а - по­ верхностное натяжение на границе двух фаз - воды и воздуха. Чем больше кривизна поверхности (меньше г), тем выше АР.

Однако существуют жидкости, которые не проявляют адгезию к стеклу, напри­ мер На*), их поверхность имеет выпуклый мениск. Давление под выпуклым мениском больше, чем в жидкости с плоской поверхностью. Жидкость, не смачивающая по­ верхность, опускается в капилляре ниже уровня свободной поверхности.

Таким образом, геометрия мениска является важным показателем смачиваемо­ сти поверхности жидкостью. Угол между краем мениска и стенкой называется крае­ вым углом или углом смачивания (раздел 1.11).

Капиллярные явления играют существенную роль в водном питании растений, передвижении влаги в почве и других пористых телах. Отрицательное капиллярное давление оказывает стягиваю­ щее действие на шраничивающие жидкость стенки, что вызывает деформацию пористых тел и при­ водит к значительной усадке материалов, например, при их сушке.

Вязкость является мерой сопротивления жидкостей перемещению одной их час­ ти относительно другой при разных видах деформации. Работа, затрачиваемая на та­ кое перемещение, рассеивается в виде тепла. Различают динамическую и кинематиче­ скую вязкости.

Под динамической вязкостью понимают силу внутреннего трения (касатель­ ное напряжение) т, действующую между слоями жидкости при сдвиге их относи­ тельно друг друга, при скорости относительного движения слоев и и при расстоя­ нии между слоями А. Отсюда динамическая вязкость г| = тА/и. Другое название этой величины - коэффициент вязкости. Кинематическая вязкость равна отноше­ нию v=r|/p, где р - плотность.

Единицы динамической вязкости и коэффициента вязкости - Пас. Следует иметь в виду, что Пас = Нсм~2. Для коэффициента вязкости часто используют вне­ системную единицу - пуаз (77). \П = 0,1 Пас. Единица кинематической вязкости - стоке (Cm), Cm = см2с~х. Вязкость жидкостей зависит от температуры, и значения вязкости приводят с указанием температуры, при которой они определены.

Динамическая вязкость разных типов веществ при 20 °С составляет: газов - от 1 до 100 мкПас, низкомолекулярных жидкостей —до 10 Пас, растворов и расплавов полимеров - до 0,1 МПа с, каучуков и резин - до 100 МПа с.

Межмолекулярные силы влияют на вязкость жидкостей. Например, если при 20 °С вязкость воды 1 мПас, то вязкость глицерина - 1500 мПас. Причиной того, что вязкость глицерина значительно больше вязкости воды, являются более развитые межмолекулярные связи в глицерине.

Н2С - С Н - С Н 2 I I I ОН ОН о н

Молекула глицерина содержит три группы ОН, что придает ей особую склон­ ность к образованию межмолекулярных водородных связей.

При понижении температуры вязкость жидкостей возрастает. Например, при ох­ лаждении глицерина от 20 до 0 °С его коэффициент вязкости увеличивается в 8 раз.

Для определения вязкости жидкости мспользуют разные методы (см. задачу 1.59).