Жидкое состояние вещества
Характеристика жидкого состояния.
Ближний порядок (текучесть, несжимаемость, квазикристаличность, потенциальная энергия молекул).
Поверхностное натяжение.
Давление под искривленной поверхностью.
Смачивание.
Капиллярные явления.
Поверхностное натяжение.
Потенциальная энергия молекулы внутри жидкости меньше, чем вне жидкости. Поверхностный слой находится в иных условиях. Для перевода молекул на поверхность надо преодолеть некоторый потенциальный барьер.
R - радиус молекулярного действия (сфера молекулярного действия).
Результирующая сила внутри жидкости равна 0. На поверхности газ - его действием можно пренебречь. Результирующая сила уменьшается. На весь слой, лежащий у поверхности жидкости, действуют силы, направленные нормально внутрь жидкости. Поверхностный слой оказывает на жидкость давление - молекулярное давление.
Масса жидкости, на которую не действуют внешние силы, должна принять сферическую форму. Из всех геометрических тел сфера имеет при данном объеме наименьшую поверхность. Поверхность жидкости как натянутая пленка. Чтобы растянуть пленку, нормально к ее границы надо приложить силу , касательную к поверхности жидкости, называемую силой поверхностного натяжения. Эти силы тем больше, чем больше длина границы пленки:
- коэффициент поверхностного натяжения. С Т и . При Т Т крит. 0. Пусть – некоторая площадка. - работа по ее созданию силы F.
Тогда
Эта работа идет на увеличение энергии пленки:
Энергия поверхностного натяжения.
Энергия - это часть внутренней энергии пленки, которая превращается в работу при изотермическом процессе.
Свободная энергия
Поверхностное натяжение объясняет: образование капель:
Для капли:
Давление под искривленной поверхностью
Рассмотрим поверхность жидкости, опираясь на плоский контур.
Если поверхность жидкости не плоская, то стремление ее к сокращению приведет к дополнению давления по отношении к плоской жидкости.
В случае выпуклой поверхности это давление положительно, в случае вогнутой - отрицательно.
Вычислим для сферической поверхности жидкости.
Из- за поверхностного натяжения оба полушария притягиваются.
Эти силы прижимают оба полушария по поверхности, и они обуславливают дополнительное давление:
Кривизна поверхности:
В геометрии доказано, что полусумма обратных радиусов кривизны любой пары взаимно перпендикулярных сечений имеет одно и тоже значение Н:
Для сферы: R1=R2=R:
Лаплас доказал, что формулы справедливы для поверхности любой формы, если под Н подразумевается средняя кривизна поверхности в той точке, под которой определяется дополнительное давление.
Средняя кривизна
Формула Лапласа
Добавочное давление изменяет уровень жидкости в узких трубках (капиллярах), которое иногда называют капиллярное давление.
Плавание небольших тел на поверхности объясняется лапласовым давлением.
Смачивание
При рассматривании явлений на границе жидкость – твердое тело, нужно рассматривать суммарную поверхностную энергии двух веществ.
Если граничат три вещества: жидкое, твердое и газ. То вся конфигурация соответствует минимуму суммарной энергии (поверхностной, в поле жидкости).
Угол, между поверхностью твердого тела и касательной к жидкости - краевой угол.
Если меньше π/2 жидкость смачивает тело.
Если больше π/2 жидкость не смачивает тело.
При равное нулю полное смачивание.
При полное несмачивание.
Несмачивание может приводить к любопытным явлениям: иголка в жире не тонет. Аналогично, можно носить воду в решете, если решето не смачивается водой (покрыть парафином нити решета), если воды немного.
Капиллярные явления
Существование краевого угла приводит к тому, что вблизи стенок сосуда наблюдается искривление поверхности жидкости. В узкой трубке капилляре искривленной оказывается поверхность.
Жидкость смачивает поверхность:
Если жидкость не смачивает:
Если поверхность жидкости искривлена, то силы поверхностного натяжения создают дополнительное давление на жидкость:
Таким образом, суммарное давление равно: