Система «Жидкость – газ» и явления на ее границе. Внутреннее давление.

Система «Жидкость – газ» представляет собой неоднородную систему, включающую жидкость, газ и границу раздела между ними. Каждая молекула жидкости взаимодействует с другими молекулами в пределах радиуса сферы молекулярного действия. Если молекула находится в глубине жидкости (2), то она со всех сторон окружена другими такими же молекулами. При этом силы взаимодействия между ними взаимоуравновешены и их равнодействующая равна нулю.

Если молекула находится в поверхностном слое (1), то она взаимодействует как с молекулами жидкости, так и молекулами газа. Взаимодействием с молекулами газа пренебрегают, так как оно мало, и учитывают только взаимодействие с молекулами жидкости. При этом силы не будут скомпенсированы, и их равнодействующая не равна нулю.

Молекулы поверхностного слоя обладают специфическими свойствами. Разложим каждую силу, действующую на молекулу поверхностного слоя, на составляющие: касательную (ОХ) и нормальную (ОУ). (См. рисунок)

а) Характеристика нормальных составляющих.

Эти составляющие при геометрическом сложении приводят к возникновении - силы молекулярного давления.

Она направлена перпендикулярно поверхностному слою внутрь жидкости, следовательно, молекулы поверхностного слоя давят на соседние нижние слои жидкости и это давление называется молекулярным давлением. Fд уравновешивается силой молекулярного отталкивания Fот.

Особенности молекулярного давления.

1. Силы молекулярного давления действуют только на молекулы самой жидкости в радиусе r = 10 ^–9м.

2. Они не действуют на тело, погруженное в жидкость.

3. Рассчитываются силы только теоретически.

4. Молекулярное давление велико.

для воды – 1100 МПа

этилового спирта – 240 Мпа

эфира – 140 Мпа

б) Характеристика касательных составляющих.

Они направлены вдоль поверхностного слоя жидкости и под действием этих составляющих молекулы поверхностного слоя сближаются на расстояние, несколько меньшее, чем среднее расстояние между молекулами внутри жидкости – в итоге поверхностный слой оказывается в состоянии натяжения, т.е. наблюдается явление поверхностного натяжения. Сами касательные составляющие («-F_х», «+F_х») называют силами поверхностного натяжения.

2. Поверхностное натяжение жидкости.
Коэффициент поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение жидкости – это физическое явление, которое состоит в стремлении жидкости сохранить свободную поверхность. Существуют два подхода для объяснения этого явления.

1. Энергетический подход.

Для того, чтобы перенести молекулу из глубины жидкости в поверхностный слой и тем самым увеличить площадь поверхности жидкости, нужно совершить работу против сил молекулярного давления «F_д». Эта работа идет на увеличение Е_n молекулы, следовательно молекулы поверхностного слоя имеют дополнительную внутреннюю энергию ( поверхностную энергию) Е_n.

– const для данной жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения (о), оценивается той работой, которую нужно затратить, чтобы увеличить свободную поверхность жидкости на 1 м².

2. Силовой подход.

За счет горизонтальных составляющих, направленных вдоль поверхностного слоя, этот слой оказывается в состоянии натяжения, т.е. эти составляющие стремятся сократить свободную поверхность жидкости. Эти силы называются силами поверхностного натяжения. Внутри поверхностного слоя они уравновешены. Эти силы перпендикулярны линии, ограничивающей свободную поверхность жидкости.

где – длина контура, ограничивающего свободную поверхность жидкости.

;

зависит от:

· природы жидкости. Плотность упаковки частиц у каждой жидкости неодинакова, поэтому возникают различия и в величине молекулярных сил

· температуры. С увеличением температуры увеличивается среднее расстояние между молекулами жидкости и межмолекулярные силы уменьшаются, следовательно при увеличении температуры - уменьшается.

· наличие примесей. Примеси уменьшают . Вещества, снижающие поверхностное натяжение, называются поверхностно–активными веществами. Для воды – эфир, спирт, мыло

В медицине определяют желчи и спинномозговой жидкости. При возникающих в организме патологиях изменяется, и это используется в диагностике.

3. Явления на границе трехфазной системы
«жидкость–газ–твердое тело».
Явление смачивания. Краевой угол. Мениски.

Молекулы жидкости, находящиеся на границе с твердым телом, взаимодействуют как с молекулами самой жидкости, так и с частицами твердого тела.

– равнодействующая сила со стороны молекул твердого тела на молекулу поверхностного слоя.

– равнодействующая сила со стороны молекул жидкости на молекулу поверхностного слоя.

а). - молекулы жидкости «прилипают» к твердому телу, т.е. происходит смачивание твердого тела жидкостью. б). - молекулы смещаются вверх по стенке цилиндра. Свободная поверхность смачивающей жидкости искривляется и принимает форму - вогнутый мениск.

а). - молекулы жидкости «отталкиваются» от поверхности твердого тела, т.е. происходит несмачивание твердого тела жидкостью. б). - молекулы движутся по стенке сосуда, одновременно смещаясь вниз, следовательно поверхность жидкости искривляется и образует выпуклую форму - выпуклый мениск.

Таким образом: у смачивающей жидкости – вогнутый мениск,
у несмачивающей жидкости – выпуклый мениск.

Определить смачивание или несмачивание можно по значению краевого угла (θ) – это угол между поверхностью твердого тела, соприкасающегося с жидкостью, и касательной к мениску в точке его пересечения с твердым телом.

Смачивающая	Несмачивающая

Если θ =0 – идеальное смачивание ( сферически вогнутый мениск).

θ =π – идеальное несмачивание ( сферически выпуклый мениск).

θ= отсутствие смачивания или несмачивания (свободная плоская поверхность).

4. Добавочное давление. Формула Лапласа. Капиллярность.

Если поверхность жидкости искривляется, то площадь поверхности мениска больше площади внутреннего сечения сосуда, следовательно под действием молекулярных сил искривленная поверхность жидкости стремится выпрямиться и создает тем самым добавочное давление ΔР, дополнительное ко внешнему атмосферному давлению. При этом силы поверхностного натяжения « » будут направлены по касательной к поверхности жидкости в данной точке.

а) При смачивании - силы поверхностного натяжения.

– их равнодействующая направлена в сторону газовой фазы (воздух) и вызывает поднятие жидкости в вертикальном сосуде.

ΔР – добавочное давление под мениском действует в направлении F.

Р_ж(м) – общее давление жидкости уменьшается на Р под мениском.

Р_ж(м)=Р_атм - Р , Р - добавочное давление считается условно отрицательным.

б) При несмачивании , равнодействующая сил поверхностного натяжения, направлена в сторону жидкой фазы, вызывает опускание жидкости в вертикальном сосуде.

ΔР – добавочное давление под мениском, действует в направлении силы F.

Р_ж(м) – общее давление жидкости увеличивается на Р под мениском.

Р_ж(м) = Р_атм + р, где +р - добавочное давление считается условно положительным.

Расчет ΔР:

где r - радиус трубки.

Формула Лапласа.

Эта формула справедлива при полном смачивании. Если смачивание частично, то

Капиллярность.

Капилляр – это узкая трубка или щель с малым внутренним диаметром. Капиллярность – явление поднятия или опускания жидкости в широком сосуде.

Смачивание. Несмачивание.

h - Высота поднятия или опускания жидкости по капиляру.

ρ – плотность жидкости [ кг/м³]

g – const = 9.8 (м/с²) – ускорение свободного падения.

r – радиус капиляра (м)

Явление капиллярности распространено в природе, а так же применяется в медицине. Сосуды растений, по которым происходит сокодвижение, имеют капиллярное строение, следовательно, соки по ним могут подниматься на высоту в несколько метров. В почве образуются капилляры, по которым подпочвенная вода поднимается к поверхности земли и там испаряется. Многие окружающие нас предметы состоят отдельных волокон, образующих систему тончайших капиллярных трубок и в этих телах происходят капиллярные явления (вата, ткани, бетон и т.д.).

Эти тела гигроскопичны, т.е. хорошо впитывают влагу за счет своих свойств.