Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. Мы с вами продолжаем изучать молекулярную физику, в которой мы закончили изучение раздела: "свойства паров". Ну а сейчас мы переходим к предпоследнему разделу по молекулярной физике, который мы начинаем изучать - это раздел "свойства жидкостей".
И так мы с вами приступаем к изучению жидкостей и давайте перед этим вспомним основные положения молекулярно-кинетической теории, чтобы нам можно было оттолкнуться от самого начала.
- все вещества состоят из молекул,
- молекулы находятся в состоянии непрерывного хаотического движения,
- молекулы между собой взаимодействуют.
Существует всегда какое-то равновесное состояние между молекулами вещества. Если мы молекулы немного отдалим друг от друга на расстояние большее, чем равновесное состояние, то между молекулами начинают возникать силы притяжения. Если мы расстояние между молекулами немного уменьшим, то между молекулами начнут возникать силы отталкивания. Мы учли с вами эти взаимодействия, когда выводили уравнения Ван-дер-Ваальса. И мы видим, что при температуре ниже критической возможна ситуация, когда молекулы находятся на расстоянии одного порядка с размерами самих молекул. Т.е вещество, как говорят физики, находится в конденсированной фазе. Это либо жидкость, либо твердое тело. И Ван-дер-Ваальс показал, что природа паров и жидкостей одна и та же - это, просто, два состояния в которых могут находится вещества при температуре ниже критической. Если мы попытаемся уменьшить расстояние между молекулами жидкости, то как мы уже говорили, возникают силы отталкивания. Причем, оказывается, что эти силы очень мощные. Это значит, что жидкость очень трудно сжать. Например, для того, чтобы сжать воду на 1% от ее объема необходимо приложить давление около 200 атмосфер. Молекулы воды относительно "рыхлые", потому что они состоят из атомов водорода и кислорода. А для сжатия ртути на такой же объем уже понадобится давление в 2500 атмосфер. Т.е жидкости практически не поддаются сжатию, а раз так, то у них есть свой объем. И, кстати, если мы попытаемся увеличить расстояние между молекулами жидкости, то при этом начинают возникать силы притяжения. Их можно преодолеть...ведь, испарение это ни что иное, когда ситуация когда молекулы покидают жидкость и становятся молекулами пара. Но большинство молекул имеют кинетическую энергию меньше, чем работа выхода и поэтому молекулы не разлетаются в разные стороны и у жидкостей есть свой объем, но с другой стороны в отличии от твердого тела молекулы жидкости подвижны и они могут смещать друг относительно друга, благодаря этому жидкость обладает таким свойством, как текучестью. Поэтому формы у жидкости нет, объем у жидкости есть. А если так, то когда мы наливаем жидкость в какой-то сосуд, то во-первых жидкость принимает форму сосуда. Какой бы формы бутылка не была, если мы туда наливаем жидкость, то она в любом случае примет форму этой самой бутылки. Но, поскольку, у жидкости есть свой собственный объем, то существует граница, где заканчивается жидкость. Существует свободная поверхность у жидкости - это граница между жидкостью и окружающей средой или паром, например. И вот оказывается, что эта поверхность обладает интереснейшими свойствами и к изучению этих свойств мы с вами и приступаем.
И так давайте рассмотрим жидкость, которая находится в каком-то сосуде и посмотрим в каком состоянии находятся молекулы в объеме жидкости и на поверхности жидкости.
Давайте продолжим наши рассуждения. Давайте представим себе, что мы выдавливаем из пипетки капельку жидкости, при этом объем этой капельки увеличивается. Что при этом происходит с площадью поверхности капельки? Что можно сказать о числе молекул, находящихся на поверхности в меньшей и в большей капле? На поверхности стало больше молекул. Отлично, а откуда они взялись эти молекулы? Они "пришли" из объема. Значит, когда мы увеличиваем площадь поверхности жидкости, то у нас молекулы из объема выводятся на поверхность, но, ведь их же в объем жидкости тянет? Значит, если они выводятся на поверхность, то для этого необходимо совершать работу против сил молекулярного взаимодействия. Если молекулу затягивает силами межмолекулярного взаимодействия внутрь жидкости. Значит, чтобы вытащить молекулу на поверхность жидкости необходимо совершить работу. На что идет эта работа? Эта работа идет на увеличение энергии. Какая это будет энергия? Кинетическая или потенциальная? Это потенциальная энергия - это энергия взаимодействия молекул. И так для того, чтобы увеличить площадь поверхности жидкости нужно совершить работу, которая будет идти на увеличение потенциальной энергии поверхности. Значит, молекулы на поверхности обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы в объеме. И вот этот дополнительная потенциальная энергия, которые обладают молекулы на поверхности жидкости называется поверхностной энергией. Давайте сформулируем строгое определение.
Поверхностная энергия - дополнительная потенциальная энергия, которую имеют молекулы на поверхности жидкости.
Удельная поверхностная энергия - физическая величина равная поверхностной энергии, приходящейся на единицу площади поверхности жидкости.
Ну что ж смотрите, чем больше площадь поверхности, тем больше поверхностная энергия. Чтобы увеличивать эту площадь необходимо совершать работу. Когда мы совершаем работу, мы тянем с какой-то силой и при этом поверхность жидкости увеличивает свою плотность. Давайте попробуем рассчитать величину силы, с которой мы должны тянуть границу жидкости, чтобы увеличить ее площадь и мы с вами придем к интересному выводу. И так давайте представим себе следующую ситуацию.
Коэффициент поверхностного натяжения - это физическая величина равная силе поверхностного натяжения, приходящейся на единицу длины границы поверхности жидкости.
Поверхностная энергия - это потенциальная энергия. Потенциальная энергия - это энергия взаимодействия тел, либо частей тела. Если мы, например, поднимаем кусочек тела над столом, то его потенциальная энергия увеличивается, а если мы предоставим этот кусочек мела самому себе, что будет с ним? Он начнет падать, т.е он начнет двигаться туда где его потенциальная энергия будет меньше. Точно так же, если у нас есть какой-то сложной формы жидкая пленка, то она стремится принять такую форму при которой ее поверхностная энергия будет минимальной. Т.е ее площадь будет минимальна при прочих равных условиях. Вот почему оказывается жидкость (капля) всегда стремится принять сферическую форму. Дело в том, что шар - это тело площадь поверхности которого при заданном объеме самая маленькая. Она меньше, чем у куба или какого-то эллипсойда. Поэтому капли имеют форму маленьких шариков. И дети, которые рисуют каплю в виде "слезы" они ошибаются, капля имеет сферическую форму. И для того, что бы это продемонстрировать давайте посмотрим на большие капли, которые создают на Американской космической станции Американские астронавты. Давайте посмотрим как они себя ведут.
На этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, подпишись на канал и поддержи автора