ЖИДКОСТИ

5. 1. Свойства и строение жидкостей. @

Жидкое состояние занимает промежуточное положение между газами и твердыми телами. В расположении частиц жидкости наблюдается так называемый ближний порядок. Это означает, что по отношению к любой частице расположение ближайших к ней соседей является упорядоченным. Однако по мере удаления от данной частицы порядок в расположении частиц довольно быстро исчезает.

Многие вопросы теории жидкого состояния были разработаны Я.И.Френкелем. Согласно Френкелю, тепловое движение в жидкостях имеет следующий характер: каждая молекула в течение некоторого времени (10^-12–10^-10с) колеблется около определенного положения равновесия, после чего она перескакивает в новое положение равновесия, отстоящее от прежнего примерно на расстояние, равное диаметру молекулы. Средняя длительность колебаний около одного и того же положения равновесия зависит от природы жидкости и убывает с повышением температуры.

Жидкости, как и газы, обладают текучестью: любая неуравновешенная сила вызывает их течение. Текучестью объясняется горизонтальность поверхности жидкости, находящейся в широком сосуде. Жидкость, сохраняя свой объем, под воздействием силы тяжести принимает форму сосуда. Если же жидкость освободить от действия силы тяжести, то, как показывает опыт, она принимает форму шара. Это явление наблюдается, например, в условиях невесомости (в кабинах космических кораблей).

Молекулы жидкости, в отличии от газов, интенсивно взаимодействуют между собой. Силы взаимодействия зависят от природы молекул и существенно различаются по величине для разных жидкостей.

Характерным свойством жидкостей является их очень малая изотермическая сжимаемость. Так, при увеличении внешнего давления на 10⁵ Па объем жидкости уменьшается на тысячные доли процента. Это объясняется возникновением огромных сил отталкивания между молекулами жидкости при ее сжатии. Для жидкостей справедливо неравенство: pΔV<<RΔT. Мало изменяется объем жидкости и при нагревании. Если V₀ – объем при 0 К, то объем жидкости при температуре Т выражается формулой: V =V₀(1+αT) где α – коэффициент теплового расширения жидкостей, зависящий от природы жидкости и температуры. Численное значение a находится в пределах 10^-5–10^-2 К-¹.

Теплоемкости жидкостей зависят от их молекулярной массы, то есть от молекулярной структуры. Чем больше молекулярная масса жидкости, тем больше, как правило, ее значение теплоемкости. Особенно отчетливо это проявляется для органических жидкостей, молекулы которых состоят из большого числа атомов легких элементов Н, О, С, N, - следовательно, они обладают большим числом степеней свободы и теплоемкость их велика. Для жидкостей теплоемкость при постоянном давлении и постоянном объеме близки по значению: С_р ≈ С_v.

5. 2. Поверхностное натяжение жидкостей. @

Молекулы в жидкости располагаются настолько близко друг к другу, что силы притяжения между ними имеют значительную величину. Поскольку взаимодействие быстро убывает с расстоянием, начиная с некоторого расстояния силами притяжения между молекулами можно пренебречь. Это расстояние r называется радиусом молекулярного действия, а сфера радиуса r называется сферой молекулярного действия. Каждая молекула испытывает притяжение со стороны всех соседних с ней молекул, находящихся в пределах сферы молекулярного действия. Если молекула находится от поверхности жидкости на расстоянии, превышающем r, то равнодействующая всех сил притяжения для нее в среднем равна нулю. Если молекула находится на поверхности жидкости, равнодействующая сил притяжения не равна нулю, поскольку число соседей у такой молекулы уменьшается. Равнодействующая сил направлена внутрь жидкости перпендикулярно к ее поверхности и стремится втянуть эту молекулу во внутренние слои жидкости.

Переход молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой возможен при совершении работы против сил в поверхностном слое. Эта работа совершается молекулой за счет запаса ее кинетической энергии и идет на увеличение потенциальной энергии молекулы. Итак, молекулы в поверхностном слое обладают дополнительной потенциальной энергией, которая называется поверхностной энергией. Поскольку положение равновесия соответствует минимуму потенциальной энергии, жидкость, свободная от внешних воздействий, как уже отмечалось, будет принимать форму шара, то есть форму с минимальной поверхностью. При заданном объеме жидкость должна иметь наименьшую площадь свободной поверхности.

Выделим мысленно часть поверхности жидкости, ограниченную замкнутым контуром. Тенденция этого участка к сокращению приводит к тому, что он действует на граничащие с ним участки с силами, распределенными по всему контуру. Эти силы называются силами поверхностного натяжения. Направлена сила поверхностного натяжения по касательной к поверхности жидкости и перпендикулярно к участку контура, на который она действует. Величина равная отношению силы поверхностного натяжения к длине контура, называется коэффициентом поверхностного натяжения, или просто поверхностным натяжением и обозначается σ. Единица поверхностного натяжения – ньютон на метр (Н/м) или джоуль на квадратный метр (Дж/м²). С повышением температуры σ уменьшается, так как увеличиваются средние расстояния между молекулами жидкости.

Поверхностное натяжение существенным образом зависит от примесей, имеющихся в жидкостях. Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение жидкости, называются поверхностно-активными. Наиболее известным поверхностно-активным веществом по отношению, например, к воде является мыло. Существуют вещества (сахар, соль), которые увеличивают поверхностное натяжение жидкости благодаря тому, что их молекулы взаимодействуют с молекулами жидкости сильнее, чем молекулы жидкости между собой. Например, если посолить мыльный раствор, то в поверхностный слой жидкости выталкивается больше молекул мыла, чем в пресной воде. В мыловаренной технике мыло “высаливается” таким способом из раствора.

5. 3. Смачивание. Краевой угол. @

Если опустить стеклянную палочку в ртуть, а затем вынуть ее, то ртути на ней не окажется. Если же опыт повторить с водой, то палочка будет влажной и на ее конце останется капля воды. Это объясняется тем, что молекулы ртути притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам стекла, а притяжение между молекулами воды слабее, чем между молекулами стекла. Говорят, что вода смачивает стекло, а ртуть – не смачивает. Явления смачивания и поверхностного натяжения взаимосвязаны.

Поверхностное натяжение свойственно не только жидкостям, но и твердым телам. В общем же случае поверхностное натяжение на границе двух сред 1 и 2 следует характеризовать величиной σ₁₂, зависящей от свойств обеих сред. Если граничат друг с другом три различных вещества: твердое, жидкое и газообразное (рис.5.1), то система принимает конфигурацию, соответствующую минимуму поверхностной энергии. При этом равновесие для контура, ограничивающего жидкость на твердом теле, имеет место при выполнении условия σ_тг= σ_тж+ σ_жгcosθ, где σ_тг, σ_тж и σ_жг – поверхностные натяжения на границах: твердое тело – газ, твердое тело – жидкость и жидкость – газ.

Угол θ между касательными к поверхности твердого тела и к поверхности жидкости называется краевым углом. Этот угол может быть и острым, и тупым в зависимости от значений σ_тг и σ_тж. Если σ_тг > σ_тж, то cosθ>0 и угол θ острый, т.е. жидкость смачивает твердую поверхность (рис.5.1а). Если σ_тг <σ_тж, то cosθ<0 и угол θ тупой и жидкость не смачивает твердую поверхность (рис.5.1б). Если θ=0, то имеет место полное смачивание – жидкость растекается по поверхности твердого тела, покрывая его тонкой пленкой (как керосин на поверхности стекла). Полное несмачивание наблюдается, если жидкость образует на твердом теле шаровую каплю, имея с твердой поверхностью лишь одну точку соприкосновения (например, капля воды на поверхности парафина).

Смачивание и несмачивание являются понятиями относительными, т.е. жидкость может смачивать одну твердую поверхность и не смачивать другую. Ртуть, например, не смачивает стекло, но смачивает чистые поверхности металлов.

Явления смачивания и несмачивания широко используются в технике. Например, в процессе отделения руды от пустой породы ее, мелко раздробленную, взбалтывают в жидкости, смачивающей пустую породу и не смачивающей руду. Через эту смесь продувается воздух, а затем она отстаивается. При этом смоченные жидкостью частицы породы опускаются на дно, а крупинки руды “прилипают” к пузырькам воздуха и всплывают на поверхность.

5. 4. Поверхностное испарение и кипение жидкостей. @

При наличии свободной поверхности отдельные молекулы жидкости, обладающие избытком кинетической энергии, вырываются наружу и, таким образом, жидкость испаряется. Если ей не подводить тепло извне, внутренняя энергия молекул понижается и жидкость охлаждается. Над поверхностью жидкости образуется пар, часть молекул которого может переходить в жидкость. Равенство скорости испарения и скорости обратной конденсации пара соответствуют динамическому равновесию. При этом пар над поверхностью считается насыщенным и его давление зависит от температуры.

Жидкость испаряется с открытой поверхности при любой температуре, при этом испарение происходит на границе раздела жидкости и пара. Помимо поверхностного испарения жидкость может испытывать также объемное испарение, т.е. интенсивное образование при нагревании пузырьков насыщенного пара по всему объему, которое называется кипением. Кипение – это фазовый переход I рода.

Кипение начинается при равенстве внешнего давления и давления насыщенного пара в пузырьках внутри жидкости. При заданном постоянном внешнем давлении кипение происходит при определенной температуре Т_к, называемой температурой кипения, при этом парообразование происходит во всем объеме жидкости. Для кипения жидкости необходимы два условия: 1). наличие в ней парогазовых пузырьков; 2). повышение температуры до Т_к и сообщение жидкости при этой температуре теплоты. Если жидкость полностью лишена пузырьков (зародышей газовой фазы), в ней отсутствуют полости, где могли бы накапливаться пары и поэтому кипение не происходит. В процессе кипения ее температура Т_к остается неизменной, поскольку подводимая теплота полностью идет на парообразование. Чем меньше внешнее давление, тем меньше Т_к.

5. 5. Жидкие растворы. @

Многие жидкости являются хорошими растворителями (вода, бензин, скипидар и др.). В жидкостях могут растворяться твердые вещества, а также жидкости и газы. При образовании раствора молекулы растворенного вещества равномерно распределяются между молекулами растворителя, в результате образуется однородная по своим свойствам система.

Растворение является следствием взаимодействия молекул растворенного вещества с молекулами растворителя, при этом в случае растворения твердых веществ или жидкостей происходит разделение частиц растворяемого вещества и их сближение с частицами растворителя. Разделение частиц требует затраты энергии, а сближение сопровождается ее выделением. Поэтому растворение, как правило, сопровождается тепловым эффектом – поглощением или выделением теплоты. Растворение спирта в воде, например, сопровождается выделением теплоты и нагревом раствора. Растворение же сахара в воде вызывает охлаждение раствора: при растворении поглощается теплота. Это объясняется тем, что в первом случае энергия взаимодействия однородных молекул меньше, чем разнородных, а во втором случае наоборот.

Жидкие растворы находят широчайшее применение в различных областях народного хозяйства: в лакокрасочной промышленности – для приготовления красок, олиф, лаков; в производстве полимеров, клеев, синтетических волокон; в пищевой промышленности – при приготовлении сиропов, карамели, для экстракции растительных жиров и т.д. Растворение газообразных веществ, например, углекислого газа в воде, широко используется при производстве газированных напитков и минеральных вод.