Когато вода от обърната чаша се разлее на пода или когато издухаме сапунен мехур, повърхността на течността се увеличава. В този случай се появяват нови участъци от разреден повърхностен слой. Средното разстояние между молекулите се увеличава с преминаването им от дълбочината на течността към нейната повърхност. В този случай силите на привличане между молекулите на течността вършат отрицателна работа. В съответствие със законите на механиката това означава увеличаване на потенциалната енергия на молекулите, преминали от дълбочината на течността към повърхността.
Молекулите на повърхностния слой на течността имат излишък от потенциална енергия в сравнение с енергията, която тези молекули биха имали, ако бяха вътре в течността.
Излишната потенциална енергия, притежавана от молекулите на повърхността на течност, се нарича повърхностна енергия.
От макроскопска (термодинамична) гледна точка повърхностната енергия е един от видовете вътрешна енергия, която липсва в газовете, но е налична в течности *.
* Твърдите тела също имат повърхностна енергия. В крайна сметка специалните условия, при които молекулите се намират на повърхността на течност, също са характерни за повърхността на твърдите тела.
Когато водата се разпространява от обърната чаша на пода, се получава увеличаване на енергията на молекулите на повърхностния слой поради работата на гравитацията. И когато сапунен мехур се издуха, се получава увеличаване на потенциалната енергия на молекулите на повърхностния слой поради работата на силите на въздушното налягане в мехура. Всъщност, за да може балонът да се надуе, налягането на въздуха в него трябва да е по-голямо от атмосферното.
Повърхностно напрежение
Молекулите във всички области на повърхностния слой на течността са в еднакви условия и две области от една и съща площ имат еднаква повърхностна енергия. Означава, че повърхностната енергия е право пропорционална на повърхността на течността.Следователно съотношението на повърхностната енергия У н площта на повърхността на течността спрямо площта S на тази област е постоянна стойност, независима от площта С. Тази стойност се нарича коефициент на повърхностно напрежение или просто повърхностно напрежение и се обозначава с буквата σ:
Повърхностното напрежение е специфична повърхностна енергия,тоест енергията на повърхност на единица площ.
В SI повърхностното напрежение се изразява в джаули на квадратен метър (J / m2). Тъй като 1 J = 1 Nm, повърхностното напрежение може да бъде изразено в нютони на метър (N / m).
Повърхностното напрежение a зависи от естеството на съседната среда и от температурата. С повишаване на температурата разликата между течността и нейната наситена пара постепенно изчезва и при критичната температура изчезва напълно. Съответно, повърхностното напрежение за границата течност - наситена пара намалява с повишаване на температурата и става равно на нула при критичната температура.
От формула (7.3.1) следва, че
(7.3.2)
Следователно, с намаляване на повърхността, повърхностната енергия намалява. В този случай молекулярните сили извършват положителна работа, тъй като разстоянията между молекулите намаляват, когато преминават от повърхностния слой във вътрешността на течността. В състояние на равновесие на течността повърхностната енергия има минимална стойност. Това съответства на минималната повърхност за даден обем. Следователно, както е споменато в § 7.1, течността приема формата на топка, ако няма други сили, които нарушават естествената й сферична форма.
Енергията, съхранявана в повърхностния слой на течността, е право пропорционална на повърхността. Повърхностна енергия- една от формите на вътрешна енергия.
Характеристики на течното състояние на материята
Свойства на течностите
Както знаете, веществото в течно състояние запазва обема си, но приема формата на съд, в който се намира. Задържането на обема на течността се обяснява с наличието на привличащи сили между молекулите. Тези сили на междумолекулно взаимодействие задържат течната молекула близо до нейното временно равновесно положение за около s, след което тя прескача в ново временно равновесно положение приблизително на разстояние от нейния диаметър. Времето между два скока на молекула от едно равновесно положение в друго се нарича заседнал... Това време зависи от вида на течността и температурата. При нагряване средният заседнал живот намалява. Поради възможността за по-скоро свободно движение на молекулите една спрямо друга, течностите имат течливост, така че нямат постоянна форма, а приемат формата на съд.
Ако изолирате много малък обем в течност, тогава по време на уреден живот в нея има подредено подреждане на молекули, като ембрион на кристална решетка. Тогава тази подредба се разпада, но възниква на друго място. Затова е прието да се казва, че има близък ред в подреждането на молекулитено липсва далечна поръчка.
Течностите проявяват редица механични свойства, които ги доближават до твърдите вещества, отколкото газовете. Те включват еластичност (при краткотрайна експозиция), крехкост (т.е. способност за счупване), ниска свиваемост. Друга съществена разлика от газовете: в газовете кинетичната енергия на молекулите е много по-голяма от тяхната потенциална енергия, докато в течностите потенциалната и кинетичната енергия са приблизително равни.
На повърхността на течност, близо до границата, разделяща течността и нейната пара, взаимодействието между течните молекули се различава от взаимодействието на молекулите в обема на течността. За да илюстрирате това твърдение, разгледайте фиг. двадесет . Молекула 1, заобиколена от всички страни от други молекули на същата течност, изпитва средно същото привличане към всички свои съседи. Резултатът от тези сили е близък до нула. Молекула 2 изпитва по-малко издърпване нагоре от молекулите на парите и повече надолу от течните молекули. В резултат на това насочената надолу резултат действа върху молекулите, разположени в повърхностния слой Рсили, които обикновено се отнасят към единичната площ на повърхностния слой.
За да прехвърлите молекули от дълбочината на течността към нейния повърхностен слой, е необходимо да се извърши работа за преодоляване на силата Р.Тази работа ще се увеличи повърхностна енергия, т.е. излишната потенциална енергия, притежавана от молекулите в повърхностния слой в сравнение с тяхната потенциална енергия в останалата част от обема на течността.
Нека да обозначим потенциалната енергия на една молекула в повърхностния слой, - потенциалната енергия на молекула в обема на течност, – броя на молекулите в повърхностния слой на течността. Тогава повърхностната енергия е
Коефициент на повърхностно напрежение(или просто повърхностно напрежение) течност се нарича промяна в повърхностната енергия с изотермично увеличение на повърхността с една единица:
където е броят на молекулите на единица площ от повърхността на течността.
Ако повърхността на течността е ограничена от периметъра на омокряне, тогава коефициентът на повърхностно напрежение е числено равен на силата, действаща на единица дължина на периметъра на омокряне и насочена перпендикулярно на този периметър:
къде е дължината на периметъра на омокряне, – сила на повърхностно напрежение, действаща по дължината на периметъра на омокряне. Силата на повърхностно напрежение се намира в равнина, допирателна към повърхността на течността.
Намаляването на повърхностната площ на течността намалява повърхностната енергия. Условието за стабилно равновесие на течност, като всяко тяло, е минимум на потенциалната повърхностна енергия. Това означава, че при липса на външни сили течността трябва да има най-малката повърхност за даден обем. Такава повърхност е сферична повърхност.
Тъй като температурата на течността се повишава и се приближава до критичната стойност, коефициентът на повърхностно напрежение клони към нула. Далеч от това коефициентът s намалява линейно с повишаване на температурата. За да се намали повърхностното напрежение на течност, към нея се добавят специални примеси (повърхностно активни вещества), които се намират на повърхността и намаляват повърхностната енергия. Те включват сапуни и други почистващи препарати, мастни киселини и др.
Тема: "Характеристики на течното състояние на материята"
Характеризиране на течното състояние на материята
Течност - състояние на агрегиране на вещество, междинно между газообразно и течно. Задържането на обем в течност доказва, че между нейните молекули действат сили на привличане, т.е. разстоянието между течните молекули е по-малко от радиуса на молекулярното действие.
Ако опишем сфера на молекулярно действие около която и да е течна молекула, тогава вътре в тази сфера ще има центрове на много други молекули, които ще взаимодействат с тази молекула. Тези сили на взаимодействие поддържат молекулата на течността близо до нейното временно равновесно положение приблизително 10 -12 - 10 -10, след което тя прескача в ново временно равновесно положение приблизително на разстоянието от диаметъра си.
Молекулите на течността между преходите извършват осцилаторно движение около временно положение на равновесие. Времето между два прехода на молекула от едно равновесно положение в друго се нарича заседнал живот(≈ 10 -11 s). Това време зависи от вида на течността и температурата.
Колкото по-висока е температурата на течността, толкова по-кратък е заседналият живот. По време на уреден живот повечето от молекулите се държат в равновесните си позиции и само няколко имат време да се преместят в ново равновесно положение през това време. За по-дълго време повечето от молекулите на течността имат време да променят местоположението си.
Ако в течност е изолиран малък обем, тогава през времето на уреден живот в нея има подредено подреждане на молекулите, подобно на подреждането им в кристалната решетка на твърдо вещество. След това се разпада и се появява другаде.
Така цялото пространство, заето от течността, като че ли се състои от множество кристални ядра, които се разпадат на едни места, но възникват на други. Това означава, че в малък обем течност се наблюдава подредено подреждане на молекули, но в голям обем се оказва хаотично.
Тези. в течност има ред на къси разстояния в подреждането на молекулите и няма далечен ред.Тази структура на течността се нарича квазикристална(подобен на кристал).
Свойства на течността:
1.еластичност(ако времето на действие на силата върху течността е кратко). Ако пръчка удари рязко повърхността на водата, пръчката може да се счупи или да излети от ръката, или камъкът да отскочи от повърхността на водата.
2.течност(ако времето на излагане на течността е дълго) Например ръката лесно прониква във водата.
3.крехкостс краткотрайно действие на сила върху воден поток.
4.сила(малко по-малко от твърдите вещества). Якостта на опън на водата е 2,5 ∙ 10 7 Pa.
5.компресируемостмного малък. С повишаване на налягането с 1 атм. обемът на водата се намалява с 50 ppm.
6.кавитация- рязко срутване на кухини вътре в течността при интензивно въздействие върху нея, например, когато витлата се въртят или в течността се разпространяват ултразвукови вълни. Кавитацията причинява бързо износване на витлото.
Когато веществото преминава от твърдо в течно състояние, настъпва по-малко драстична промяна в свойствата, отколкото когато веществото преминава от течно в газообразно състояние.
означава, свойствата на течното състояние на веществото са по-близки до свойствата на твърдото състояние, отколкото до свойствата на газообразното състояние.
Повърхностен слой течност
Нека открием разликата между действията на молекулярните сили вътре в течността и върху нейната повърхност. Средната стойност на получените молекулни сили, приложени към молекула М 1, който е вътре в течността, е близо до нула.
При молекулите ситуацията е различна М 2и М 3разположени в повърхностния слой на течността. Ние описваме около молекулите сфера на молекулярно действие с радиус r m(≈ 10 -9 m). След това за молекулата М 2 в долното полукълбо ще има много молекули (тъй като отдолу има течност), а в горното полукълбо ще има много по-малко (защото парата и въздухът са отгоре).
Средства за молекула М 2резултат от молекулярните сили на привличане в долното полукълбо R Жмного повече от резултантните молекулярни сили в горното полукълбо Р П.
Сила Р Пе малък и незначителен. Резултатът от молекулярните сили на привличане, приложени към молекула М 3по-малко, отколкото за една молекула M 2,тъй като се определя само от действието на молекулите в почернената зона. От съществено значение е резултантите за молекули М 2и М 3насочен вътре в течността перпендикулярно на нейната повърхност.
ориз. двадесет
Така всички молекули в повърхностния слой с дебелина, равна на радиуса на молекулярно действие (фиг. 20), се изтеглят в течността.
Но пространството вътре в течността е заето от други молекули, така че повърхностният слой създава натиск върху течността, което се нарича молекулярно налягане . Невъзможно е да се определи емпирично молекулярното налягане, т.к действа не върху тяло, потопено в течност, а върху самото него.
Теоретичните изчисления показаха, че молекулярното налягане е високо (за водата е 11 ∙ 10 6 Pa, а за етера - 1,4 ∙ 10 8 Pa). Сега е ясно защо е трудно да се компресира течност. Всъщност за това е необходимо да се създаде налягане от същия порядък като молекулярното налягане на самата течност. А това е много трудно.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Повърхностно напрежение- желанието на течността да намали свободната си повърхност, т.е. намалява излишъка от потенциалната му енергия на границата с газовата фаза.
Да опишем механизъм за повърхностно напрежениев течности. Течността, за разлика от газовете, не запълва целия обем на съда, в който се излива. Между течността и газа (или парата) се образува интерфейс, който е в специални условия в сравнение с останалата течна маса. Да разгледаме две молекули A и B. Молекула A е вътре в течността, молекула B е на нейната повърхност (фиг. 1). Молекула А е равномерно заобиколена от други течни молекули, следователно силите, действащи върху молекула А от страната на молекулите, попадащи в сферата на междумолекулното взаимодействие, се компенсират, или, с други думи, тяхната резултатна е нула. Молекула В е заобиколена от едната страна от течни молекули, а от другата страна от газови молекули, чиято концентрация е много по-ниска от концентрацията на течните молекули. Тъй като много повече молекули действат върху молекула В от страната на течността, отколкото от страната на газа, резултатната от всички междумолекулни сили вече няма да е нула и ще бъде насочена към обема на течността. По този начин, за да влезе молекула в повърхностния слой от дълбочината на течността, трябва да се работи срещу некомпенсирани междумолекулни сили. Това означава, че молекулите на близкоповърхностния слой, в сравнение с молекулите вътре в течността, имат излишна потенциална енергия, която се нарича повърхностна енергия.
Очевидно, колкото по-голяма е повърхностната площ на течността, толкова повече такива молекули имат излишна потенциална енергия и следователно по-голяма е повърхностната енергия. Този факт може да се запише като следното съотношение:
където е повърхностната енергия на течността, площта на свободната повърхност на течността и коефициентът на пропорционалност, който се нарича коефициент на повърхностно напрежение.
Коефициент на повърхностно напрежение
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Коефициент на повърхностно напрежениее физическа величина, която характеризира дадена течност и е числено равна на отношението на повърхностната енергия към площта на свободната повърхност на течността:
Мерната единица SI за повърхностно напрежение е.
Коефициентът на повърхностно напрежение на течността зависи: 1) от естеството на течността (за „летливи течности като етер, алкохол, бензин, коефициентът на повърхностно напрежение е по-малък от този за“ нелетливи течности - вода, живак); 2) от температурата на течността (колкото по-висока е температурата, толкова по-ниско е повърхностното напрежение); 3) за свойствата на газа, който граничи с дадената течност; 4) от наличието на повърхностноактивни вещества като сапун или прах за пране, които намаляват повърхностното напрежение. Трябва също да се отбележи, че коефициентът на повърхностно напрежение не зависи от площта на свободната повърхност на течността.
От механиката е известно, че равновесните състояния на една система съответстват на минималната стойност на нейната потенциална енергия. Поради повърхностното напрежение течността винаги приема форма с минимална повърхност. Ако други сили не действат върху течността или тяхното действие е малко, течността ще има тенденция да приеме формата на сфера, като капка вода, сапунен мехур. Водата също ще се държи при нулева гравитация. Течността се държи така, сякаш силите действат тангенциално към нейната повърхност, намалявайки (дърпайки) тази повърхност. Тези сили се наричат сили на повърхностно напрежение.
Ето защо коефициент на повърхностно напрежениеможе също да се дефинира като модул на силата на повърхностно напрежение, действаща на единица дължина на контура, ограничаващ свободната повърхност на течността:
Наличието на сили на повърхностно напрежение прави повърхността на течност подобна на еластично разтегнато фолио, с единствената разлика, че еластичните сили във филма зависят от неговата повърхност (т.е. от това как филмът се деформира) и силите на повърхностно напрежение не зависят от повърхността на течността. Ако поставите шевна игла върху повърхността на водата, повърхността ще се огъне и ще предотврати потъването. Действието на силите на повърхностното напрежение може да обясни плъзгането на леки насекоми, като водни стрели, по повърхността на водните тела (фиг. 2). Краката на водния стридер деформира водната повърхност, като по този начин увеличава нейната площ. В резултат на това възниква сила на повърхностно напрежение, която има тенденция да намали такава промяна в площта. Получените сили на повърхностно напрежение ще бъдат насочени нагоре, като същевременно компенсират силата на гравитацията.
Принципът на действие на пипетата се основава на действието на силите на повърхностно напрежение (фиг. 3). Капката, върху която действа силата на гравитацията, се издърпва надолу, като по този начин увеличава повърхността си. Естествено възникват сили на повърхностно напрежение, чиято резултатна е противоположна на посоката на гравитацията и които предотвратяват разтягането на капката. Когато натиснете надолу гумената капачка на пипетата, се създава допълнителен натиск, който подпомага силата на гравитацията, карайки капката да падне надолу.
Примери за решаване на проблеми
ПРИМЕР 1
| Упражнение | Тънък алуминиев пръстен с радиус 7,8 см е в контакт със сапунения разтвор. Колко силно можете да издърпате пръстена от разтвора? Помислете за температурата на разтвора при стайна температура. Тегло на пръстена 7 гр. |
| Решение | Нека завършим чертежа. Върху пръстена действат следните сили: гравитация, повърхностно напрежение и външна сила. Тъй като пръстенът е в контакт с разтвора и външната и вътрешната страна, силата на повърхностно напрежение е равна на: Дължината на контура, ограничаващ повърхността на течността в този случай, е равна на обиколката на пръстена: Като се вземе предвид последното, силата на повърхностно напрежение: Условието за отделяне на пръстена от повърхността на разтвора е както следва: От таблиците, коефициентът на повърхностно напрежение на сапунен разтвор при стайна температура. Ускорение на гравитацията Нека преобразуваме единиците в системата SI: радиусът на пръстена е масата на пръстена, kg. Да изчислим: |
| Отговор | За да се откъсне пръстена от разтвора. трябва да се приложи сила от 0,11 N. |
ПРИМЕР 2
| Упражнение | Колко енергия се отделя, когато малки водни капчици с радиус от mm се слеят в една капчица с радиус 2 mm? |
| Решение | Промяната в потенциалната енергия на повърхностния слой на капките поради намаляване на повърхността на капките, когато те се сливат в една капка, е равна на: къдетоповърхностна площ на всички малки капки, повърхностна площ на големите капки, коефициент на повърхностно напрежение на водата. Очевидно е, че: където r е радиусът на малка капка, R е радиусът на голяма капка, n е броят на малките капки. Малко падащо тегло:
маса на голяма капка:
Тъй като малките капки се сливат в една голяма капка, можете да напишете:
откъде идва броят на малките капки: и повърхностната площ на всички малки капчици е:
Сега нека намерим количеството енергия, което се отделя, когато капчиците се слеят: От таблиците, коефициентът на повърхностно напрежение на водата. Нека преобразуваме единиците в SI система: радиусът на малка капка е радиусът на голяма капка. Да изчислим: |
| Отговор | Когато капките се слеят, енергията на Дж. |
ПРИМЕР 3
| Упражнение | Определете коефициента на повърхностно напрежение на маслото, чиято плътност е равна, ако се получат 304 капки при преминаване на масло през пипета. Диаметър на гърлото на пипетата 1,2 мм. |
| Решение | Капка масло се откъсва от пипетата, когато силата на гравитацията е равна на силата на повърхностното напрежение: |
Тъй като молекулите на течността в нейния повърхностен слой се изтеглят в течността, тяхната потенциална енергия е по-голяма от тази на молекулите вътре в течността. До този извод може да се стигне и ако си припомним, че потенциалната енергия на взаимодействие на молекулите е отрицателна (§ 2.4) и вземем предвид, че молекулите в повърхностния слой на течността на фиг. 10.1) взаимодействат с по-малко молекули, отколкото молекулите вътре в течност
Тази допълнителна потенциална енергия на молекулите на повърхностния слой на течността се нарича свободна енергия; поради това може да се извърши работа, свързана с намаляване на свободната повърхност на течността. Напротив, за да изведем молекулите вътре в течността до нейната повърхност, е необходимо да се преодолее противопоставянето на молекулярните сили, тоест да се извърши работата, която е необходима за увеличаване на свободната енергия на повърхностния слой на течността . Лесно е да се разбере, че в този случай промяната в свободната енергия е право пропорционална на промяната в площта на свободната повърхност на течността
Оттогава имаме
И така, работата на молекулярните сили А с намаляване на площта на свободната повърхност на течността е права. пропорционално Но тази работа трябва също да зависи от вида на флуида и външни условия, като температура. Тази зависимост се изразява с коефициента.
Величината a, която характеризира зависимостта на работата на молекулярните сили, когато площта на свободната повърхност на течността се променя от вида на течността и външните условия, се нарича коефициент на повърхностно напрежение на течността (или просто повърхност напрежение) и се измерва чрез работата на молекулярните сили, когато площта на свободната повърхност на течността намалява с едно:
Извеждаме единицата за повърхностно напрежение в SI:
В SI за единица a се приема такова повърхностно напрежение, при което молекулните сили извършват работа в 1 J, намалявайки площта на свободната повърхност на течността с.
Тъй като всяка система спонтанно преминава в състояние, в което нейната потенциална енергия е минимална, течността трябва спонтанно да премине в състояние, в което площта на свободната й повърхност има най-малка стойност. Това може да се покаже с помощта на следния експеримент.
На тел, огънат под формата на буква P, е подсилена подвижна напречна част I (фиг.10.2). Така получената рамка се затяга със сапунен филм, потапяйки рамката в сапунен разтвор. След отстраняване на рамката от разтвора, напречната греда I се придвижва нагоре, т.е. молекулярните сили всъщност намаляват площта на свободната повърхност на течността. (Помислете къде отива освободената енергия.)
Тъй като една сфера има най-малката повърхност за същия обем, течността в състояние на безтегловност приема формата на сфера. По същата причина малките течни капчици са сферични. Формата на сапунените филми върху различни рамки винаги съответства на най-малката свободна повърхност на течността.
