Когда вода из опрокинутого стакана разливается по полу или когда мы выдуваем мыльный пузырь, поверхность жидкости увеличивается. При этом возникают новые участки разреженного поверхностного слоя. Среднее расстояние между молекулами при их переходе из глубины жидкости на ее поверхность возрастает. Силы притяжения между молекулами жидкости совершают при этом отрицательную работу. В соответствии с законами механики это означает увеличение потенциальной энергии молекул, перешедших из глубины жидкости на поверхность.
Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избытком потенциальной энергии по сравнению с энергией, которой эти молекулы обладали бы, находясь внутри жидкости.
Избыточную потенциальную энергию, которой обладают молекулы на поверхности жидкости, называют поверхностной энергией.
С макроскопической (термодинамической) точки зрения поверхностная энергия - это один из видов внутренней энергии, отсутствующая у газов, но имеющаяся у жидкостей*.
* Поверхностной энергией обладают также твердые тела. Ведь особые условия, в которых находятся молекулы на поверхности жидкости, характерны и для поверхности твердых тел.
При растекании воды из опрокинутого стакана по полу увеличение энергии молекул поверхностного слоя происходит за счет работы силы тяжести. А при выдувании мыльного пузыря увеличение потенциальной энергии молекул поверхностного слоя происходит за счет работы сил давления воздуха в пузыре. Ведь для того чтобы пузырь раздувался, давление воздуха в нем должно быть больше атмосферного.
Поверхностное натяжение
Молекулы на всех участках поверхностного слоя жидкости находятся в одинаковых условиях, и два участка одинаковой площади обладают одинаковой поверхностной энергией. Это означает, что поверхностная энергия прямо пропорциональна площади поверхности жидкости. Поэтому отношение поверхностной энергии U n участка поверхности жидкости к площади S этого участка есть величина постоянная, не зависящая от площади S . Эту величину называют коэффициентом поверхностного натяжения или просто поверхностным натяжением и обозначают буквой σ:
Поверхностное натяжение представляет собой удельную поверхностную энергию, т. е. энергию, приходящуюся на поверхность единичной площади.
В СИ поверхностное натяжение выражается в джоулях на квадратный метр (Дж/м 2). Так как 1 Дж = 1 Н · м, то поверхностное натяжение можно выражать ив ньютонах на метр (Н/м).
Поверхностное натяжение а зависит от природы граничащих сред и от температуры. По мере повышения температуры различие между жидкостью и ее насыщенным паром постепенно стирается и при критической температуре исчезает совсем. Соответственно поверхностное натяжение для границы жидкость - насыщенный пар с повышением температуры уменьшается и при критической температуре становится равным нулю.
Из формулы (7.3.1) следует, что
(7.3.2)
Следовательно, при уменьшении площади поверхности поверхностная энергия уменьшается. Молекулярные силы совершают при этом положительную работу, так как расстояния между молекулами при переходе их из поверхностного слоя в глубь жидкости уменьшаются. В состоянии равновесия жидкости поверхностная энергия имеет минимальное значение. Это соответствует минимальной при заданном объеме площади поверхности. Поэтому, как говорилось в § 7.1, жидкость принимает форму шара, если нет других сил, искажающих ее естественную сферическую форму.
В поверхностном слое жидкости запасена энергия, прямо пропорциональная площади поверхности. Поверхностная энергия - одна из форм внутренней энергии.
На поверхности жидкости, вблизи границы, разделяющей жидкость и ее пар, взаимодействие между молекулами жидкости отличается от взаимодействия молекул внутри объема жидкости. Для иллюстрации этого утверждения рассмотрим рис. 20 .
Рис. 20. Взаимодействие между молекулами внутри и на поверхности жидкости
Молекула 1, окруженная со всех сторон другими молекулами той же жидкости испытывает в среднем одинаковые притяжения ко всем своим соседям. Равнодействующая этих сил близка к нулю. Молекула 2 испытывает меньшее притяжение вверх со стороны молекул пара и большее притяжение вниз со стороны молекул жидкости. В результате на молекулы, расположенные в поверхностном слое действует направленная вниз равнодействующая R сил, которую принято относить к единице площади поверхностного слоя.
Для перенесения молекул из глубины жидкости в ее поверхностный слой необходимо совершить работу по преодолению силы R . Эта работа идет на увеличение поверхностной энергии, т.е. избыточной потенциальной энергии, которой обладают молекулы в поверхностном слое по сравнению с их потенциальной энергией внутри остального объема жидкости.
Обозначим W s потенциальную энергию одной молекулы в поверхностном слое, W v - потенциальную энергию молекулы в объеме жидкости, N – число молекул в поверхностном слое жидкости. Тогда поверхностная энергия равна:
W пов =(W s -W v)·N (75)
Коэффициентом поверхностного натяжения (или просто поверхностным натяжением) жидкости называют изменение поверхностной энергии при изотермическом увеличении площади поверхности на одну единицу:
σ=ΔW пов /ΔS=(N/S)·(W s -W v)=n·(W s -W v) (76)
Где n – число молекул на единице площади поверхности жидкости.
Если поверхность жидкости ограничена периметром смачивания, то коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе, действующей на единицу длины периметра смачивания и направленной перпендикулярно к этому периметру:
Где l – длина периметра смачивания, F – сила поверхностного натяжения, действующая на длине l периметра смачивания. Сила поверхностного натяжения лежит в плоскости, касательной к поверхности жидкости.
Сокращение площади поверхности жидкости уменьшает поверхностную энергию. Условием устойчивого равновесия жидкости, как и любого тела, является минимум потенциальной поверхностной энергии. Это значит, что в отсутствие внешних сил жидкость должна иметь при заданном объеме наименьшую площадь поверхности. Такой поверхностью является сферическая поверхность.
С повышением температуры жидкости и приближением ее к критической коэффициент поверхностного натяжения стремится к нулю. Вдали от T кр коэффициент σ линейно убывает при возрастании температуры. Для уменьшения поверхностного натяжения жидкости к ней добавляют специальные примеси (поверхностно-активные вещества), которые располагаются на поверхности и уменьшают поверхностную энергию. К ним относятся мыло и другие моющие средства, жирные кислоты и т.п.
Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?
Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).
Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.
Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик , уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.
Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.
Молекулы в жидкости обладают кинетической энергией теплового движения и потенциальной энергией межмолекулярного взаимодействия. Для перемещения молекулы из глубины жидкости к поверхности надо совершить работу по преодолению силы молекулярного давления. Эта работа совершается молекулой за счет запаса кинетической энергии и идет на увеличение ее потенциальной энергии. Поэтому молекулы поверхностного слоя обладают дополнительной потенциальной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости. Эта дополнительная потенциальная энергия, которой обладают молекулы поверхностного слоя, называется поверхностной энергией .
Если поверхность жидкости растянуть, то на поверхность будут выходить все новые молекулы, и потенциальная энергия поверхностного слоя будет увеличиваться. Следовательно, поверхностная энергия пропорциональна площади самой поверхности жидкости (рис.4).
где А – работа силы поверхностного натяжения; F – сила поверхностного натяжения; Dx – растяжение пленки; DS – изменение площади поверхности пленки.
Из этого выражения можно дать еще одно определение коэффициента поверхностного натяжения.
Коэффициент поверхностного натяжения равен свободной поверхностной энергии, приходящейся на единицу площади поверхности. В этом случае единица измерения [a]=[Дж/м 2 ].
Большое влияние на поверхностное натяжение оказывают находящиеся в жидкости примеси. Например, мыло, растворенное в воде, уменьшает коэффициент поверхностного натяжения до 0,045 Н/м, а сахар или соль повышают. Изменяющие поверхностное натяжение вещества называют поверхностно – активными . К ним можно отнести нефть, мыло, спирт.. Это явление объясняется межмолекулярным взаимодействием между молекулами. Если взаимодействие между молекулами самой жидкости больше, чем между молекулами жидкости и примеси, то молекулы примеси выталкиваются на поверхность и концентрация примеси на поверхности оказывается больше; чем в объеме, что и приводит к уменьшению поверхностного натяжения.
Поверхностно–активные вещества широко применяют при резке металлов, бурении горных пород, и т.д., так как разрушение горных пород в их присутствии происходит легче, адсорбируясь на поверхности твердого тела, они проникают внутрь микротрещин и способствуют дальнейшему развитию этих трещин вглубь.
Поверхностное натяжение жидкости.
Поверхностный слой жидкости.
Все жидкости и твёрдые тела ограничены внешней поверхностью, на которой они соприкасаются с фазами другого состава и структуры, например, с паром, другой жидкостью или твёрдым телом.
Свойства вещества в этой межфазовой поверхности , толщиной в несколько поперечников атомов или молекул, отличаются от свойств внутри объёма фазы .
Внутри объёма чистого вещества в твёрдом, жидком или газообразном состоянии любая молекула окружена себе подобными молекулами.
В пограничном слое молекулы находятся во взаимодействии или с другим числом молекул (другим в сравнении с взаимодействием внутри объёма вещества). Это происходит, например, на границе жидкости с их паром.
Среднее значение равнодействующей молекулярных сил притяжения, приложенных к молекуле, которая находится внутри жидкости, близко к нулю. На рисунке ниже эта молекула обозначена М1 .
Случайные флуктуации этой равнодействующей заставляют молекулу М1 совершать лишь хаотическое движение внутри жидкости.
Иначе обстоит дело с молекулами, находящимися в поверхностном слое жидкости .
Рассмотрим молекулу, находящуюся непосредственно на границе раздела фаз . На рисунке обозначим её М2 .
Если вокруг молекулы М2 описать сферу молекулярного действия, то внутри этой сферы окажутся центры многих других молекул, которые будут взаимодействовать с нашей молекулой. Радиус такой сферы составляет примерно 10 -9 м .
Для молекулы М2 в нижней полусфере окажется много молекул, а в верхней – значительно меньше, так как снизу находится жидкость, а сверху – пар или воздух.
Поэтому для молекулы М2 равнодействующая молекулярных сил притяжения в нижней полусфере много больше равнодействующей молекулярных сил в верхней полусфере. Силы, действующие в верхней полусфере так малы, что ими можно пренебречь.
Если рассмотреть ещё одну молекулу, которая, в сравнении с М2 будет немного больше «утоплена» в жидкость, но также находится в поверхностном слое. Обозначим её М3 .
Поскольку в верней полусфере М3 будут находиться другие молекулы жидкости, то они будут притягивать М3 к себе и частично уравновешивать силы притяжение молекул, находящихся в нижней полусфере М3 .
В результате общая равнодействующая сил, действующих на М3 окажется меньше общей равнодействующей М2 .
Обе равнодействующие будут направлены внутрь жидкости перепендикулярно к её поверхности.
Таким образом, все молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое толщиной, равной радиусу молекулярного действия, втягиваются внутрь жидкости .
Но пространство внутри жидкости занято другими молекулами, поэтому поверхностный слой создаёт давление на жидкость, которое называют молекулярным давлением .
Энергия поверхностного слоя жидкости.
Поскольку молекулы жидкости, находящиеся в её поверхностном слое, втягиваются внутрь жидкости, их потенциальная энергия больше, чем у молекул внутри жидкости .
Эту дополнительную потенциальную энергию молекул поверхностного слоя жидкости называют свободной энергией . За счёт неё может быть произведена работа, связанная с уменьшением свободной поверхности жидкости.
И, наоборот, для того, чтобы вывести молекулы, находящиеся внутри жидкости, на её поверхность, нужно преодолеть противодействие молекулярных сил, т.е. произвести работу, которая нужна для увеличения свободной энергии поверхностного слоя жидкости.
При этом, изменение свободной энергии прямо пропорционально изменению площади поверхности жидкости.
Так как всякая система самопроизвольно переходит в состояние, при котором её потенциальная энергия минимальна, то жидкость должна самопроизвольно переходить в такое состояние, при котором площадь её свободной поверхности имеет наименьшую величину .
Например, капля дождя или тумана в воздухе приобретают форму шара, форму, соответствующую наименьшему уровню свободной энергии.
Коэффициент поверхностного натяжения
Коэффициент поверхностного натяжения – это величина, характеризующая зависимость работы молекулярных сил, идущих на изменение площади свободной поверхности жидкости и самой площади изменения этой поверхности.
σ = А/ΔS
σ - коэффициент поверхностного натяжения
А – работа молекулярных сил по изменению площади поверхности жидкости
ΔS - изменение площади поверхности жидкости
σ измеряется работой молекулярных сил при уменьшении площади свободной поверхности жидкости на единицу.
Коэффициент поверхностного натяжения зависит от рода жидкости и внешних условий, например, температуры.
Молекула М1 , которая расположена на поверхности жидкости, взаимодействует не только с молекулами, находящимися внутри жидкости, но и с молекулами на поверхности жидкости, расположенными в пределах сферы молекулярного действия.
Для молекулы М1 равнодействующая R молекулярных сил, направленных вдоль поверхности жидкости, равна нулю, а для молекулы М2 , расположенной у края поверхности, R отлична от нуля.
Из рисунка видно, что сила R направлена перпендикулярно к границе свободной поверхности и по касательной к самой поверхности.
Молекулярные силы, направленные вдоль поверхности жидкости, действуют на любую замкнутую линию на свободной поверхности жидкости по нормали к этой линии таким образом, что стремятся сократить площадь поверхности жидкости, ограниченную замкнутой линией.
Это можно показать на следующем опыте.
На проволочном кольце укрепляется нитка длиной L .
Если затянуть кольцо мыльной плёнкой, то нитка свободно расположится на этой плёнке (Рис. А). Площадь поверхности мыльной плёнки будет определяться контуром рамки.
Если прорвать мыльную плёнку с нижней стороны нитки, то молекулярные силы сократят поверхность, огрниченную теперь верхней частью контура и ниткой. При этом нитка натянется (Рис. В).
Сила, обусловленная взаимодействием молекул жидкости, вызывающая сокращение площади её свободной поверхности и направленная по касательной к этой поверхности, называется силой поверхностного натяжения .
Силы молекулярного давления втягивают молекулы с поверхности внутрь жидкости, а сокращают площадь свободной поверхности, т.е. закрывают образовавшиеся «окна» на этой поверхности.
Итак, поверхностный слой жидкости всегда находится в состоянии натяжения. Однако, это состояние нельзя сравнивать с натяжением упругой растянутой плёнки. Упругие силы возрастают по мере увеличения площади растянутой плёнки, а силы поверхностного натяжения от площади поверхности жидкости не зависят.
Опыт показывает, что на на коэффициент поверхностного натяжения влияет среда и температура жидкости. При повышении температуры жидкости её поверхностное натяжение уменьшается и при критической температуре становится равной нулю.
