§I.3.5 строение жидкостей. Поверхностное натяжение

Жидкое состояние, занимая промежуточное положение между газами и твердыми телами, сочетает в себе некоторые черты обоих этих состояний. Молекулы жидкости связаны силами Ван – дер – Ваальса, которые, с одной стороны, недостаточны для осуществления постоянной и прочной структуры, однако, с другой стороны, под их действием молекулы уже не могут сохранять той самостоятельности и подвижности, которые характерны для газа. Жидкое состояние представляет большие трудности для теоретического объяснения. До сих пор нет вполне законченной и общепризнанной теории жидкостей. Значительные заслуги в разработке ряда проблем теории жидкого состояния принадлежат советскому ученому Я.И. Френкелю. Тепловое движение в жидкости он объяснял тем, что каждая молекула в течение некоторого времени колеблется около определённого положения равновесия, после чего скачком переходит в новое положение, отстоящего от исходного на расстоянии порядка межатомного. Таким образом, молекулы жидкости медленно перемещаются по всей массе жидкости, и диффузия происходит медленнее, чем в газах. С повышением температуры жидкости частота колебательного движения резко увеличивается, возрастает подвижность молекул, что, в свою очередь, является причиной уменьшения вязкости жидкости.

Заметное воздействие молекул друг на друга наблюдается в пределах радиуса молекулярного действия (r), равного нескольким эффективным диаметрам молекулы. Сфера радиуса (r) называется сферой молекулярного действия.

Результирующие силы всех молекул поверхностного слоя оказывают на жидкость давление, называемое молекулярным (или внутренним). Молекулярное давление не действует на тело, помещенное в жидкость, так как оно обусловлено силами, действующими только между молекулами самой жидкости. Частицы поверхностного слоя жидкости имеют большую потенциальную энергию, чем частицы, которые находятся внутри жидкости. Это связано с тем, что для изотермического перехода молекул изнутри жидкости на её поверхность они должны совершить работу по преодолению направленных внутрь жидкости сил внутреннего давления. Эта работа увеличивает потенциальную энергию молекул, переходящих на поверхность.

Дополнительная энергия, которой обладают молекулы в поверхностном слое жидкости, называется поверхностной энергией. Наличие поверхностной энергии обусловливает стремление жидкости к сокращению своей поверхности. Жидкость ведёт себя так, как если бы она была заключена в упругую растянутую плёнку, стремящуюся сжаться. На самом деле никакой плёнки, ограничивающей жидкость снаружи, нет. Поверхностный слой состоит из тех же молекул, что и вся жидкость, и взаимодействие между молекулами имеет в поверхностном слое такой же характер, как и внутри жидкости.

Поверхностная энергия может быть рассчитана по формуле

, (I.78)

где – коэффициент поверхностного натяжения;

– приращение площади поверхностного слоя плёнки.

Коэффициентом поверхностного натяжения жидкости называется работа, необходимая для изотермического увеличения площади поверхности жидкости на одну единицу

. (I.79)

Кроме того, этот коэффициент можно вычислить также по формуле

, (I.80)

где – изменение свободной энергии поверхностного слоя.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от химического состава жидкости и её температуры. С увеличением температуры уменьшается и обращается в нуль при критической температуре. При введении в жидкости примесей поверхностно-активных веществ (например, таких как: мыло, жирных кислот и т.п.) коэффициент поверхностного натяжения уменьшается. Это связано с тем, что такие вещества абсорбируются в поверхностном слое жидкости и уменьшают свободную энергию слоя.