5. Жидкости

5. 1. Свойства и строение жидкостей. @

Жидкое состояние занимает промежуточное положение между газами и твердыми телами. 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 порядок в расположении частиц довольно быстро исчезает.

Многие вопросы теории жидкого состояния были разработаны Я.И.Френкелем. Согласно Френкелю, тепловое движение в жидкостях имеет следующий характер: каждая молекула в течение некоторого времени (10^-12–10^-10с) колеблется около определенного положения равновесия, после чего она перескакивает в новое положение равновесия, отстоящее от прежнего примерно на расстояние, равное диаметру молекулы. Средняя длительность колебаний около одного и того же положения равновесия зависит от природы жидкости и убывает с повышением температуры.

Жидкости, как и газы, обладают текучестью: любая неуравновешенная сила вызывает их течение. Текучестью объясняется горизонтальность поверхности жидкости, находящейся в широком сосуде. Жидкость, сохраняя свой объем, под воздействием силы тяжести принимает форму сосуда. Если же жидкость освободить от действия силы тяжести, то, как показывает опыт, она принимает форму шара. Это явление наблюдается, например, в условиях невесомости (в кабинах космических кораблей).

Молекулы жидкости, в отличии от газов, интенсивно взаимодействуют между собой. Силы взаимодействия зависят от природы молекул и существенно различаются по величине для разных жидкостей.

Характерным свойством жидкостей является их очень малая изотермическая сжимаемость. Так, при увеличении внешнего давления на 10⁵ Па объем жидкости уменьшается на тысячные доли процента. Это объясняется возникновением огромных сил отталкивания между молекулами жидкости при ее сжатии. Для жидкостей справедливо неравенство:pΔV<<RΔT. Мало изменяется объем жидкости и при нагревании. Если V₀– объем при 0 К, то объем жидкости при температуре Т выражается формулой:V=V₀(1+αT) где α – коэффициент теплового расширения жидкостей, зависящий от природы жидкости и температуры. Численное значениенаходится в пределах 10^-5–10^-2К-¹.

Теплоемкости жидкостей зависят от их молекулярной массы, то есть от молекулярной структуры. Чем больше молекулярная масса жидкости, тем больше, как правило, ее значение теплоемкости. Особенно отчетливо это проявляется для органических жидкостей, молекулы которых состоят из большого числа атомов легких элементов Н, О, С, N, - следовательно, они обладают большим числом степеней свободы и теплоемкость их велика. Для жидкостей теплоемкость при постоянном давлении и постоянном объеме близки по значению: С_р≈ С_v.

5. 2. Поверхностное натяжение жидкостей. @

Молекулы в жидкости располагаются настолько близко друг к другу, что силы притяжения между ними имеют значительную величину. Поскольку взаимодействие быстро убывает с расстоянием, начиная с некоторого расстояния силами притяжения между молекулами можно пренебречь. Это расстояние rназывается радиусом молекулярного действия, а сфера радиусаrназывается сферой молекулярного действия. Каждая молекула испытывает притяжение со стороны всех соседних с ней молекул, находящихся в пределах сферы молекулярного действия. Если молекула находится от поверхности жидкости на расстоянии, превышающемr, то равнодействующая всех сил притяжения для нее в среднем равна нулю. Если молекула находится на поверхности жидкости, равнодействующая сил притяжения не равна нулю, поскольку число соседей у такой молекулы уменьшается. Равнодействующая сил направлена внутрь жидкости перпендикулярно к ее поверхности и стремится втянуть эту молекулу во внутренние слои жидкости.

Переход молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой возможен при совершении работы против сил в поверхностном слое. Эта работа совершается молекулой за счет запаса ее кинетической энергии и идет на увеличение потенциальной энергии молекулы. Итак, молекулы в поверхностном слое обладают дополнительной потенциальной энергией, которая называется поверхностной энергией. Поскольку положение равновесия соответствует минимуму потенциальной энергии, жидкость, свободная от внешних воздействий, как уже отмечалось, будет принимать форму шара, то есть форму с минимальной поверхностью. При заданном объеме жидкость должна иметь наименьшую площадь свободной поверхности.

Выделим мысленно часть поверхности жидкости, ограниченную замкнутым контуром. Тенденция этого участка к сокращению приводит к тому, что он действует на граничащие с ним участки с силами, распределенными по всему контуру. Эти силы называются силами поверхностного натяжения. Направлена сила поверхностного натяжения по касательной к поверхности жидкости и перпендикулярно к участку контура, на который она действует. Величина равная отношению силы поверхностного натяжения к длине контура, называется коэффициентом поверхностного натяжения, или просто поверхностным натяжением и обозначается σ. Единица поверхностного натяжения – ньютон на метр (Н/м) или джоуль на квадратный метр (Дж/м²). С повышением температуры σ уменьшается, так как увеличиваются средние расстояния между молекулами жидкости.

Поверхностное натяжение существенным образом зависит от примесей, имеющихся в жидкостях. Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение жидкости, называются поверхностно-активными. Наиболее известным поверхностно-активным веществом по отношению, например, к воде является мыло. Существуют вещества (сахар, соль), которые увеличивают поверхностное натяжение жидкости благодаря тому, что их молекулы взаимодействуют с молекулами жидкости сильнее, чем молекулы жидкости между собой. Например, если посолить мыльный раствор, то в поверхностный слой жидкости выталкивается больше молекул мыла, чем в пресной воде. В мыловаренной технике мыло “высаливается” таким способом из раствора.