1. Система жидкость – газ и явления на её границе. Внутреннее давление.

Каждая молекула взаимодействует с другими молекулами в пределах радиуса сферы молекулярного взаимодействия. Система «жидкость-газ» включает жидкость, газ и границу раздела между ними. Межмолекулярное взаимодействие, испытываемое молекулами на поверхности жидкости и в глубине различно.

Если молекула находится в глубине жидкости, то она со всех сторон окружена другими такими же молекулами. При этом равнодействующая всех сил, действующих на молекулу в глубине, равняется нулю.

Если молекула находится в поверхностном слое, то на нее действуют силы притяжения со стороны других молекул жидкости, расположенных ниже границы раздела и силы притяжения со стороны молекул газа. Но силы взаимодействия с молекулами столь незначительны, что ими можно пренебречь. В результате силы оказываются не уравновешенными, и равнодействующая всех сил, действующих на молекулу на поверхности не равна нулю.

Разложим каждую из сил, действующих на молекулы поверхностного слоя, на две составляющие: нормальную и касательную.

1. Нормальная составляющая. (Перпендикуляр на границе раздела).

Нормальные составляющие в сумме дают силу, направленную перпендикулярно поверхностному слою вглубь жидкости. Вследствие этого молекулы поверхностного слоя давят на соседний нижележащий слой жидкости. Создаваемое давление называется молекулярным или внутренним. Эта сила внутримолекулярного давления уравновешивается силами отталкивания со стороны нелетучих молекул.

Внутреннее давление зависит от вида жидкости. Например, давление воды 1100 мПа, спирта 240 мПа, эфира 140 мПа. Внутреннее давление не измеряется приборами, а рассчитывается теоретически. Сила, создающая молекулярное давление, действует на молекулы, но не на тела, погруженные в жидкость.

2) Касательная составляющая направлена вдоль поверхности раздела,- это силы поверхностного натяжения.

.

2. Поверхностное натяжение. Коэффициент поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение- физическое явление, которое состоит в стремлении жидкости сократить свою свободную поверхность.

а) Силовой подход: Под действием касательной составляющих молекулярных сил, молекулы поверхностного слоя сближаются на расстояние меньшее, чем среднее расстояние внутри жидкости, в результате чего поверхностный слой натягивается. Силы, стремящиеся сократить свободную поверхность жидкости, называются силами поверхностного натяжения.

Внутри поверхностного слоя они уравновешены. Эти силы перпендикулярны линии, ограничивающую свободную поверхность.

Разложим силы f₁ u f₂ на горизонтальные составляющие. Равнодействующие всех сил по горизонтали, направленных в разные стороны от молекулы называются силами поверхностного натяжения.

F_п.н.=∑f

Касательные силы – силы поверхностного натяжения – сумма составляющих сил вдоль горизонтальной оси. Они прямо пропорциональны линии, ограничивающей свободную поверхность.

F_{п.н. } ℓ F_п.н. = σ ℓ

σ = F_п.н./ℓ [ H /м ]

где σ – коэффициент поверхностного натяжения, численно равный силе поверхностного натяжения, приходящегося на единицу линии контура, ограничивающей свободную поверхность жидкости.

Длина контура – это линия соприкосновения жидкости со стенками сосуда.

ℓ=2πR (для цилиндра – окружности)

б) Энергетический подход: Чтобы перенести молекулу из глубины жидкости в поверхностный слой, необходимо совершить работу против сил молекулярного давления. Следовательно, молекулы в поверхностном слое будут обладать большей энергией, чем в глубине жидкости.

∆Е = А соверш.

Для изотермического изменения площади поверхности жидкости нужно совершить работу (т.е. затратить энергию).

∆Е ~ ∆S ∆Е = σ ∆S

σ=∆F/∆S [Дж/м²]

С энергетической точки зрения коэффициент поверхностного натяжения численно равен работе (энергии), которую нужно совершить (затратить), чтобы изменить свободную поверхность на 1 кв.метр.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит:

1. От вида жидкости (плотность упаковки частиц у различных жидкостей разная, возникают различия и в величине молекулярных сил).

2. От температуры ( с повышением температуры увеличивается среднее расстояние между молекулами жидкости, следовательно, коэффициент поверхностного натяжения снижается)

3. От наличия примесей (примеси, снижающие коэффициент поверхностного натяжения, называются поверхностноактивными ).Для воды это спирт, эфир, мыло.

В медицине определяют коэффициент поверхностного натяжения желчи и спинномозговой жидкости. При патологии он изменяется, что используют при диагностике.