Fiecare moleculă din interiorul lichidului are forțe de atracție din toate moleculele situate în sfera de acțiune a acestor forțe. După cum știm, această sferă are o rază. Egal cu toate forțele. care acționează asupra moleculei de-a lungul moleculelor în sfera de rază. este aproape de zero, adică ..
Această forță poate fi exact egală cu zero dacă moleculele înconjurătoare sunt situate perfect simetric și la distanțe egale față de aceasta. Cu toate acestea, o schimbare aleatorie a aranjamentului relativ al moleculelor învecinate datorită mișcării lor termice face ca această sumă să fie diferită de zero. Astfel, fiecare moleculă de fluid se mișcă tot timpul sub influența rezultatului. schimbând în timp în magnitudine și direcție. Acest rezultat este îndreptat spre partea în care sa întâmplat o concentrație mare de molecule și moleculele vecine sunt mai aproape. În consecință, forțele moleculare ale atracției reciproce contribuie la concentrarea moleculelor.
Acum permiteți-mi să fie localizată atât de aproape de suprafața moleculei j, încât sfera acțiunii moleculare a forțelor să traverseze suprafața lichidului (Fig. 69, a).
În acest caz, o parte din sfera de acțiune a forțelor moleculare, situată deasupra suprafeței lichidului, conține molecule semnificativ mai puțin fluid (abur) decât situate sub suprafața (lichid), în care molecula de trase mai mult în sus. Prin urmare, rezultanta este non-zero, datorită simetriei și direcționată perpendicular pe suprafața în lichid.
Alegem o anumită zonă S pe suprafața fluidului, de exemplu, sub forma unui cerc (Fig. 69, b). Moleculele acoperite de acest site sunt interconectate de forțele interne și, prin urmare, acest disc monomolecular poate fi considerat un anumit corp (film). Să presupunem că moleculele N sunt plasate pe acest sit. Apoi, magnitudinea forței totale care acționează asupra tuturor moleculelor discului va fi
deoarece toate forțele sunt paralele și au aceeași valoare. Dacă cantitatea (5.2.1) este împărțită la suprafața S a discului, obținem așa-numita presiune moleculară p # 924 ;. cu care stratul de suprafață acționează asupra masei rămase a lichidului:
Fiecare dintre factorii din ultima expresie este proporțional cu densitatea lichidului (- masa molară, V # 924; - volumul molar). prin urmare
unde a este un coeficient de proporționalitate care caracterizează forțele atractive între moleculele lichidului. Presiunea moleculară în lichid (5.2.3) are aceeași formă ca și pentru gaze (3.4.8). Singura diferență este în mărimea volumului molar V # 924; care pentru lichide este mult mai mică decât pentru gaze. Să estimăm presiunea moleculară pentru apă. Se cunoaște din experiență că a = 0,555 J # 8729; m 3 / mol 2. V # 924; = 18 # 8729; 10 -3 / 10 3 = 18 # 8729; 10 -6 m 3 / mol. Înlocuind aceste cantități în (5.2.3), obținem
p # 924; = 1,7 # 8729; 10 9 Pa 17000 atm.
Din exemplul dat, este clar de ce lichidele sunt greu de comprimat. Ele sunt întotdeauna într-o stare comprimată la o presiune moleculară foarte mare și, prin urmare, o scădere considerabilă a volumului necesită aplicarea unei presiuni care este de aceeași ordine ca presiunea moleculară. Observăm că este imposibilă măsurarea directă a presiunii moleculare, deoarece orice manometru măsoară presiunea externă și hidrostatică.
Atracția reciprocă a moleculelor nu este doar un strat de suprafață pe restul presiunii lichidului, dar, de asemenea, tinde să reducă suprafața lichidului, adică. E. Pentru că o forță îndreptată de-a lungul suprafeței, similar cu ceea ce avem într-un film de cauciuc întinse. Această forță de tensionare superioară este strâns legată de presiunea moleculară. Într-adevăr, fiecare moleculă situată pe suprafața suferă o forță îndreptată în lichid, astfel încât fiecare astfel de molecule tind să scape de suprafață și se arunca cu capul în lichid. Prin urmare, soldul lichid va fi realizat cu un astfel de aranjament de molecule, atunci când pe suprafața este numărul minim posibil de molecule, adică. E. Suprafața lichidă are cea mai mică valoare. Această dorință de a avea cea mai mică suprafață lichidă creează similitudinea suprafeței lichidului cu un film elastic care este întins, are tendința de a trage împreună și pentru a reduce suprafața sa. Din toate corpurile dintr-un volum dat, mingea are cea mai mică suprafață. Prin urmare, picături mici de lichide iau forma unei sfere.
Să luăm din nou în considerare un disc monomolecular al zonei S aflat pe suprafața unui lichid. Molecula jth situată în interiorul acestui disc acționează ca un fan al forțelor. situată într-un plan tangent la suprafața lichidului. Pentru toate moleculele situate în interiorul sitului S, toate aceste forțe Fij sunt reciproc echilibrate. Doar în moleculele situate de-a lungul circumferinței, care limitează forțele zonei S. Direcțiile spre exterior vor rămâne neechilibrate și vor da forța rezultantă. perpendicular pe cerc și tangent la suprafața lichidului. Suma modulelor acestor forțe externe. straturile de acoperire acoperite de o suprafață S. se numește forța de tensionare a suprafeței. Forța de tensionare de suprafață, care este pe unitatea de lungime a circumferinței, care leagă zona S. Se numește coeficientul de tensiune superficială a unui fluid dat:
Unitatea de măsură a coeficientului de tensiune superficială în sistemul SI este N / m.
Coeficientul de tensiune superficială depinde de temperatură. Cu creșterea temperaturii, scade pe măsură ce lichidul cu încălzire crește distanța medie dintre molecule, rezultând o reducere a forțelor de atracție și, prin urmare, forța rezultantă F. care acționează pe unitatea de lungime a circuitului dispus pe suprafața lichidului.
Folosind formula (5.2.4), putem introduce o altă definiție echivalentă a coeficientului de tensiune superficială. În acest scop, luați în considerare următorul experiment. Îndreptați carcasa cu un film lichid (Figura 70).
Șina de alunecare CD poate să alunece liber de-a lungul firelor de ghidare AC și BD. Filmul constă din suprafețele inferioare și superioare, între care există lichid. Lungimea stratului este influențată de forța de tensionare superficială. Pentru ca jumperul să fie în echilibru, forța trebuie aplicată. Sub acțiunea forței F1 (mai precis F1 + dF1), jumperul se va deplasa la distanța dx. În acest caz, suprafața filmului va crește cu o sumă. Creșterea suprafeței filmului se datorează tranziției moleculelor de la adâncimea lichidului la stratul de suprafață. În această tranziție, moleculele consumă energia lor cinetică pentru a lucra împotriva forței R. a lichidului direcționat spre interior, reducând astfel temperatura lichidului. Pentru ca temperatura lichidului să nu se schimbe, jumperul trebuie mutat infinit încet. Apoi, lichidul va avea timp să primească căldură din mediul extern și să mențină temperatura constantă.
Astfel, forța forței F1 + dF1 cu o creștere izotermică a suprafeței lichidului este egală cu:
Din ultima expresie rezultă că coeficientul de tensiune superficială este numeric egal cu munca cu o creștere izotermică a suprafeței lichidului pe unitate de suprafață. Coeficientul este o cantitate pozitivă. Prin urmare, dacă tensiunea superficială a lichidului face o treabă pozitivă. apoi puntea se mișcă astfel încât suprafața lichidului să scadă, adică .. și apoi pe baza (5.2.5). În schimb, dacă forța exterioară F1 funcționează, atunci. iar puntea se mișcă astfel încât suprafața lichidului crește, adică, din nou.
Știm că lucrul cu un proces izotermic este egal cu pierderea energiei libere, adică,
Prin urmare, expresia (5.2.5) poate fi scrisă sub forma:
adică, coeficientul de tensiune superficială este numeric egal cu schimbarea energiei libere a fluidului cu o creștere a suprafeței sale cu una. Expresia (5.2.7) este cea mai comună definiție a coeficientului de tensiune de suprafață. Din această expresie rezultă că se poate măsura, de asemenea, în sistemul SI în J / m 2 = N / m.
Deoarece coeficientul de tensiune superficială este o funcție a temperaturii lichidului și nu depinde de suprafața acestuia, rezultă din (5.2.7) că
adică energia de suprafață liberă a unui lichid este egală cu produsul suprafeței S.
Având în vedere că munca făcută de film ,. Ecuația de bază a termodinamicii pentru procesele reversibile poate fi scrisă în formă
Deoarece, prin definiție, energia liberă.
Din relațiile (5.2.9-5.2.10) găsim
Substituim expresiile (5.2.8) și (5.2.12) în formula pentru energia internă. Ca rezultat, ajungem
Deoarece coeficientul de tensiune superficială este o funcție descrescătoare a temperaturii, atunci. și, așa cum se poate vedea din (5.2.13), energia internă a lichidului este mai mare decât energia de suprafață liberă, adică. Acest lucru este clar, de exemplu, din faptul că atunci când se apropie punctul critic, când diferența dintre lichid și gaz dispar, tensiunea superficială ar trebui să devină zero.
Căldura primită de lichid din mediul extern la formarea unei unități a suprafeței filmului,
Din ultima expresie este clar că. așa cum. Nu este greu de observat că valoarea q este mai mică decât creșterea energiei suprafeței, deoarece (lucrarea este negativă, deoarece lucrarea nu este realizată de un film ci de o forță exterioară când suprafața este mărită).
Trimiteți-le prietenilor: