Формула поверхностной энергии жидкости. Энергия поверхностного слоя жидкости

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.

Почти все физические и химические процессы в природе связаны с взаимодействием между атомами. Величиной межатомных сил определя­ются физико-химические свойства газообразных, жидких и твердых ве­ществ. Процессы смачивания и капиллярного течения жидкостей по поверх­ности твердого или жидкого тела также обусловлены наличием в них внут­ренних и поверхностных силовых полей. Проявление этих сил вызывает взаимодействия между молекулами внутри и на поверхности жидкости. Изо­лированная молекула, находящаяся внутри жидкости на расстоянии радиу­са действия молекулярных сил, притягивает окружающие молекулы и одно­временно находится под воздействием этих молекул. Равнодействующая всех сил равна нулю, в результате молекула внутри жидкости находится в равновесии. При перемещении молекулы к поверхности на расстояние, меньшее радиуса действия молекулярных сил, условие ее равновесия бу­дет другим.

Молекулы жидкости, находящиеся на поверхности ее раздела с газом, испытывают значительно большее притяжение со стороны жидкости, чем со стороны газовой среды, отличающейся малой плотностью. Вследствие это­го возникает направленная внутрь жидкости сила, стремящаяся перемес­тить ее молекулы с поверхности в глубину. Поверхность жидкости ведет себя подобно туго натянутой резиновой пленке. Образуется поверхностный слой, который оказывает давление на жидкость. Толщина этого слоя составляет приблизительно 10 А. Энергия молекул вблизи поверхности раз­дела выше, чем внутри жидкости. Свободная энергия поверхностного слоя направлена во всех точках перпендикулярно к поверхности и стремится со­кратить ее до минимума. Если другие силы не действуют на жидкость, она принимает форму шара, т.е. тела с наименьшей поверхностью при данном объеме.

При решении практических задач сложно оперировать с поверхностной энергией жидкости, поэтому введено более простое понятие о коэффициен­те поверхностного натяжения s, численно равном силе поверхностного на­тяжения, приходящейся на единицу длины ПС жидкости и действующей в направлении, перпендикулярном к этой линии

s = F / L (5.1)

где F - сила поверхностного натяжения, Н; L - длина свобод­ной поверхности жидкости, на которой действует сила поверх­ностного натяжения F, м.

Неравноценность молеку­лярного взаимодействия на гра­нице раздела фаз и втягивания поверхностных молекул внутрь жидкости вызывают появление силы. Эта сила действует тан­генциально, рассчитывается на единицу длины периметра, ог­раничивающего поверхность жидкости, и называется поверх­ностным натяжением.

Поскольку поверхностное натяжение действует тангенциально к по­верхности жидкости, ее поверхностный слой (ПС) всегда будет ровный и гладкий, на нем отсутствуют выступы. Поверхностное натяжение имеет раз­мерность Н/м или дин/см. Для воды оно равно при 20°С 72,75*10 -3 Н/м, или 72,75 мН/м (миллиньютон на метр).

Нескомпенсированность молекулярного взаимодействия, стремление молекул ПС втягиваться во внутрь жидкости, а также вызванное этим по­верхностное натяжение жидкости на границе с другой жидкостью (s жж) или с газовой средой (s жг), стремятся сократить поверхность жидкости до мини­мальных размеров. Наименьшей поверхностью при данном объеме облада­ет сфера. Сферическую поверхность можно наблюдать у относительно ма­лых капель некоторых жидкостей, например, ртути, на стекле, покрытом па­рафином. Это явление используется для получения сферических частиц металлических порошков путем распыления жидкого металла. Для того, чтобы увеличить поверхность жидкости, то из ее объема следует вытяги­вать на поверхность новые частицы, т.е. совершать работу против сил, которые заставляют поверхность жидкости уподобляться пленке и носят на­звание сил поверхностного натяжения. Из этого следует, что уменьшение поверхности жидкости должно сопровождаться и уменьшением свободной энергии, т.е. оно является самопроизвольным процессом. Этим объясняется то, что свободная взвешенная в воздухе жидкость стремится принять форму шарообразных капель, т.к. шар при заданном объеме имеет наименьшую величину поверхности. По этой же причине мелкие капли жидкости при со­прикосновении сливаются в более крупные - при одинаковом объеме по­верхность крупной капли меньше, чем нескольких мелких. Значение по­верхностной энергии жидкости и изменение под действием ее формы капли зависит от природы взаимодействующих веществ, соприкасающихся на гра­нице раздела фаз. Чем ближе по величине значения их поверхностной энергии, тем меньше результирующая межфазная поверхностная энергия.

Поверхностное натяжение может проявляться как сила.

Как видно, величину s жг можно рассматривать как энергию, отнесенную к единице поверхности (площади), и как силу, отнесенную к единице длины периметра поверхности. С точки зрения размерностей это одно и то же. Действительно,

s = E / S = m l 2 t -2 / l 2 = m l t -2 / l = F / l (5.2)

Здесь E - энергия; S - площадь; m - размерность массы; l - размер­ность длины; t - размерность времени.

Таким образом, размерность удельной свободной поверхностной энер­гии - Дж/м 2 , а размерность поверхностного натяжения - Н/м. Для однокомпонентной жидкости, например воды, численные значения поверхностного натяжения и удельной свободной поверхностной энергии равны между со­бой. У жидкостей, в состав которых входит несколько веществ, подобное совпадение отсутствует. Различие между поверхностным натяжением и удельной свободной поверхностной энергией незначительно, и в большин­стве случаев эти понятия отождествляют. Иногда для подчеркивания энер­гетического аспекта в образовании новой поверхности размерность поверх­ностного натяжения дают в мДж/м 2 .

Необходимо заметить, что удельная свободная поверхностная энергия не является особой формой энергии, а представляет тот избыток энергии в расчете на единицу поверхности, которым обладают молекулы на поверх­ности в связи с их положением. Помимо удельной различают свободную поверхностную энергию. Если термин "удельная" относится к единице пло­щади поверхности, то термин "свободная" - ко всей поверхности. При этом слово "поверхностная" обычно опускают, подразумевая, что свободная энергия относится к поверхности раздела фаз.

Поверхностное натяжение можно также выразить как работу, которую необходимо затратить, чтобы увеличить поверхность жидкости на 1 единицу поверхности. Величина поверхностного натяжения жидкости зависит от при­роды среды, с которой она граничит. Поверхностное натяжение часто отно­сят к границе с воздухом и обозначают s.

Поверхностное натяжение является вектором, модуль которого имеет размерность Н/м. Поверхностная же энергия является величиной скалярной и выражает работу, необходимую для образования новой поверхности. В отношении жидкости понятия поверхностного натяжения и поверхностной энергии в количественном смысле равны.

Поверхностное натяжение, или, в общем случае, межфазное натяже­ние обусловлено тем, что частицы жидкости испытывают преимуществен­ное притяжение одной из фаз. В рассмотренном взаимодействии молекул основное влияние на ПС оказывает сама жидкость, в то время как вторая фаза, в данном случае газовая атмосфера, оказывает на ПС незначитель­ное влияние. Чем резче выражена эта ассиметрия силовых полей, тем больше величина поверхностного натяжения. В тех случаях, когда различие в силовых полях проявляется в меньшей степени, поверхностное натяжение имеет низкие значения. В растворах частицы с сильными силовыми полями вытесняют на поверхность частицы с более слабыми силовыми полями. Повышение концентрации их в ПС вызывает снижение поверхностного на­тяжения. Если отдельные компоненты взаимодействующих систем, напри­мер, легирующие элементы в сплавах, имеют силовое поле, близкое по зна­чению силовому полю основы сплава, то эти компоненты практически рас­пределены равномерно и представляют собой растворы, свойства которых близки к идеальным.

Для однокомпонентных систем коэффициент поверхностного натяже­ния на границе твердое тело - вакуум имеет максимальное значение, на границе жидкость - насыщенный пар - более низкое значение, на границе твердое тело - жидкость коэффициент поверхностного натяжения имеет наименьшее значение.

Растекание жидкости и смачивание ими поверхности твердого тела со­провождается увеличением поверхности, связанным с преодолением сил поверхностного натяжения.

Интенсивность процесса смачивания поверхности металлов приблизи­тельно можно оценить количеством выделяемой при этом энергии.

Смачивание оказывает существенное влияние на процессы сцепления между двумя металлами, один из которых находится в твердой, а другой в жидкой фазе. Это является отличительным признаком пайки, однако и в условиях сварки оказывает большое влияние на качество сварных соедине­ний. Так, от смачиваемости металла расплавом зависит форма шва, а, сле­довательно, и вибропрочность сварных соединений. Нежелательным явле­нием служит сцепление жидких капель с основным металлом - налипание брызг. Это явление особенно часто наблюдается при сварке в углекислом газе, порошковой проволокой без флюса, при ручной дуговой сварке. Ре­шающую роль играет сцепление между жидким расплавом и твердым ме­таллом в процессах, занимающих промежуточное положение между сваркой и пайкой - омеднении, алитировании и др. Необходимым условием установления металлической связи между атомами твердого и жидкого металла является сближение атомов, которое достигается при смачивании твердого тела жидким. С энергетической точки зрения самопроизвольно такое смачи­вание будет происходить только в том случае, если работа сил притяжения между жидкостью и твердым металлом (работа адгезии) будет равна или больше работы сил притяжения частиц жидкости друг к другу (работа когезии).

Смачивание зависит от химического сродства между контактирующими металлами, и в первую очередь, от их взаимной растворимости. Металлы, образующие взаимные растворы или химические соединения и имеющие общие фазы на диаграмме состояний, обычно обладают хорошей взаимной смачиваемостью. Как правило, металлы хорошо смачиваются собственным расплавом. Нерастворимые друг в друге металлы чаще всего обладают пло­хой взаимной смачиваемостью (Fe - Pb, Al - Pb, Cu - Pb). Смачивание улучшается также при меньшей разнице температур плавления.

Особенности жидкого состояния вещества

Свойства жидкостей

Как известно, вещество в жидком состоянии сохраняет свой объем, но принимает форму сосуда, в котором оно находится. Сохранение объема жидкости объясняется наличием сил притяжения между молекулами. Эти силы межмолекулярного взаимодействия удерживают молекулу жидкости около её временного положения равновесия примерно в течение с, после чего она перескакивает в новое временное положение равновесия приблизительно на расстоянии своего диаметра. Время между двумя перескоками молекулы из одного положения равновесия в другое называется временем оседлой жизни . Это время зависит от вида жидкости и температуры. При нагревании среднее время оседлой жизни уменьшается. Благодаря возможности довольно свободного перемещения молекул относительно друг друга жидкости обладают текучестью, поэтому они не имеют постоянной формы, а принимают форму сосуда.

Если выделить в жидкости очень малый объем, то в течение времени оседлой жизни в нем существует упорядоченное расположение молекул, как бы зародыш кристаллической решетки. Затем это расположение распадается, но возникает в другом месте. Поэтому принято говорить, что в жидкости существует ближний порядок в расположении молекул , но отсутствует дальний порядок.

Жидкости проявляют ряд механических свойств, сближающих их в большей мере с твердыми телами, чем с газами. К ним можно отнести упругость (при кратковременном воздействии), хрупкость (т.е. способность к разрыву), низкая сжимаемость. Еще одно существенное отличие от газов: в газах кинетическая энергия молекул значительно больше их потенциальной энергии, тогда как в жидкостях потенциальная и кинетическая энергии примерно равны.

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 . 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 потенциальную энергию одной молекулы в поверхностном слое, - потенциальную энергию молекулы в объеме жидкости, – число молекул в поверхностном слое жидкости. Тогда поверхностная энергия равна

Коэффициентом поверхностного натяжения (или просто поверхностным натяжением ) жидкости называют изменение поверхностной энергии при изотермическом увеличении площади поверхности на одну единицу:

где – 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 – длина периметра смачивания, – сила поверхностного натяжения, действующая на длине 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 коэффициент s 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.

Поскольку молекулы жидкости, находящиеся в ее поверхностном слое, втягиваются внутрь жидкости, их потенциальная энергия больше, чем у молекул внутри жидкости. К этому выводу можно также прийти, если вспомнить, что потенциальная энергия взаимодействия молекул отрицательна (§ 2.4), и учесть, что молекулы в поверхностном слое жидкости на рис. 10.1) взаимодействуют с меньшим числом молекул, чем молекулы внутри жидкости

Эту дополнительную потенциальную энергию молекул поверхностного слоя жидкости называют свободной энергией; за счет нее может быть произведена работа, связанная с уменьшением свободной поверхности жидкости. Наоборот, для того чтобы вывести молекулы, находящиеся внутри жидкости, на ее поверхность, нужно преодолеть противодействие молекулярных сил, т. е. произвести работу, которая нужна для увеличения свободной энергии поверхностного слоя жидкости. Нетрудно сообразить, что при этом изменение свободной энергии прямо пропорционально изменению площади свободной поверхности жидкости

Так как то имеем

Итак, работа молекулярных сил А при уменьшении площади свободной поверхности жидкости прямо. пропорциональна Но эта работа должна еще зависеть от рода жидкости и внешних условий, например от температуры. Эту зависимость и выражает коэффициент .

Величина а, характеризующая зависимость работы молекулярных сил при изменении площади свободной поверхности жидкости от рода жидкости и внешних условий, называется коэффициентом поверхностного натяжения жидкости (или просто поверхностным натяжением), а измеряется работой молекулярных сил при уменьшении площади свободной поверхности жидкости на единицу:

Выведем единицу поверхностного, натяжения в СИ:

В СИ за единицу а принимается такое поверхностное натяжение, при котором молекулярные силы совершают работу в 1 Дж, уменьшая площадь свободной поверхности жидкости на .

Так как всякая система самопроизвольно переходит в состояние, при котором ее потенциальная энергия минимальна, то жидкость должна самопроизвольно переходить в такое состояние, при котором площадь ее свободной поверхности имеет наименьшую величину. Это можно показать с помощью следующего опыта.

На проволоке, изогнутой в виде буквы П, укрепляют подвижную поперечину I (рис. 10.2). Полученную таким образом рамку затягивают мыльной пленкой, опуская рамку в мыльный раствор. После вынимания рамки из раствора поперечина I перемещается вверх, т. е. молекулярные силы действительно уменьшают площадь свободной поверхности жидкости. (Подумайте, куда девается при этом освободившаяся энергия.)

Поскольку при одном и том же объеме наименьшая площадь поверхности имеется у шара, жидкость в состоянии невесомости принимает форму шара. По этой же причине маленькие капли жидкости имеют шарообразную форму. Форма мыльных пленок на различных каркасах всегда соответствует наименьшей площади свободной поверхности жидкости.

Тема: «Характеристика жидкого состояния вещества»

Характеристика жидкого состояния вещества

Жидкость – агрегатное состояние вещества, промежуточное между газообразным и жидким. Сохранение объема у жидкости доказывает, что между её молекулами действуют силы притяжения, т.е. расстояние между молекулами жидкости меньше, чем радиус молекулярного действия.

Если вокруг какой-либо молекулы жидкости описать сферу молекулярного действия, то внутри этой сферы окажутся центры многих других молекул, которые будут взаимодействовать с этой молекулой. Эти силы взаимодействия удерживают молекулу жидкости около её временного положения равновесия примерно 10 -12 – 10 -10 , после чего она перескакивает в новое временное положение равновесия приблизительно на расстояние своего диаметра.

Молекулы жидкости между переходами совершают колебательное движение около временного положения равновесия. Время между двумя переходами молекулы из одного положения равновесия в другое называется временем осёдлой жизни (≈ 10 -11 с). Это время зависит от вида жидкости и температуры.

Чем выше температура жидкости, тем меньше время оседлой жизни. В течение времени осёдлой жизни большинство молекул удерживается в своих положениях равновесия и лишь немногие успевают за это время перейти в новое положение равновесия. За более длительное время уже большинство молекул жидкости успевают переменить своё местоположение.

Если в жидкости выделить малый объём, то в течение времени осёдлой жизни в нём существует упорядоченное расположение молекул, подобно их расположению в кристаллической решетке твердого тела. Затем оно распадается и возникает в другом месте.

Таким образом, всё пространство, занятое жидкостью, как бы состоит из множества зародышей кристаллов, которые распадаются в одних местах, но возникают в других. Значит, в небольшом объёме жидкости наблюдается упорядоченное расположение молекул, а в большом объёме оно оказывается хаотическим.

Т.е. в жидкости существует ближний порядок в расположении молекул и отсутствует дальний порядок. Такое строение жидкости называется квазикристаллическим (кристаллоподобным).

Свойства жидкости:

1. упругость (если время воздействия силы на жидкость мало). При резком ударе палкой о поверхность воды палка может сломаться или вылететь из руки, или отскакивание камня от поверхности воды.

2. текучесть (если время воздействия на жидкость велико) Например, рука легко проникает внутрь воды.

3. хрупкость при кратковременном воздействии силы на струю воды.

4. прочность (немного меньше, чем у твердых тел). Прочность воды на разрыв составляет 2,5∙10 7 Па.

5. сжимаемость очень мала. При увеличении давления на 1 атм. объём воды уменьшается на 50 миллионных долей.

6. кавитация – резкое захлопывание пустот внутри жидкости при интенсивном воздействии на неё, например, при вращении гребных винтов или распространении в жидкости ультразвуковых волн. Кавитация служит причиной быстрого износа гребных винтов.

При переходе вещества из твердого состояния в жидкое происходит менее резкое изменение свойств, чем при переходе из жидкого в газообразное.

Значит, свойства жидкого состояния вещества ближе к свойствам твердого состояния, чем к свойствам газообразного.

Поверхностный слой жидкости

Выясним, чем отличаются действия молекулярных сил внутри жидкости и на её поверхности. Среднее значение равнодействующей молекулярных сил, приложенных к молекуле М 1 , которая находится внутри жидкости, близко к нулю.

Иначе обстоит дело с молекулами М 2 и М 3 , находящимися в поверхностном слое жидкости. Опишем вокруг молекул сферы молекулярного действия радиусом r м (≈ 10 -9 м). Тогда для молекулы М 2 в нижней полусфере окажется много молекул (так как снизу находится жидкость), а в верхней – значительно меньше (т.к. сверху – пар и воздух).

Значит для молекулы М 2 равнодействующая молекулярных сил притяжения в нижней полусфере R Ж много больше равнодействующей молекулярных сил в верхней полусфере R П .

Сила R П мала и ей можно пренебречь. Равнодействующая молекулярных сил притяжения, приложенных к молекуле М 3 меньше, чем для молекулы М 2 , так как определяется только действием молекул в зачерненной области. Существенно, что равнодействующие для молекул М 2 и М 3 направлены внутрь жидкости перпендикулярно к её поверхности.

рис. 20

Таким образом, все молекулы, находящиеся в поверхностном слое толщиной, равной радиусу молекулярного действия (рис. 20) втягиваются внутрь жидкости.

Но пространство внутри жидкости занято другими молекулами, поэтому поверхностный слой создаёт давление на жидкость, которое называется молекулярным давлением. Определить молекулярное давление опытным путем нельзя, т.к. оно действует не на тело, погруженное в жидкость, а на неё саму.

Теоретические расчёты показали, что молекулярное давление велико (для воды оно равно 11∙10 6 Па, а для эфира – 1,4∙10 8 Па). Теперь понятно, почему трудно сжать жидкость. Действительно, для этого надо создать давление того же порядка, что и молекулярное давление самой жидкости. А это очень трудно.