Методические указания к лабораторным занятиямпо дисциплине «Молекулярная физика» для студентов специальности «5В011000, 5В060400-физика»
жүктеу/скачать 7,07 Mb.
|
| Краткие сведения из теории
Поверхность жидкости находится в особых условиях по сравнению с остальной ее массой, характеризующихся избыточной потенциальной энергией. Эти особые условия возникают из-за неэквивалентности межмолекулярных взаимодействий молекул, находящихся у поверхности жидкости и в ее глубине. Например, молекул А, находящейся внутри жидкости (Рис.1), окружена молекулами той же жидкости со всех сторон. Силы, с которыми соседние молекулы действуют на молекулу А, направлены в разные стороны, поэтому результирующая, действующая на молекулу внутри жидкости со стороны других молекул, равна нулю. Иначе обстоит дело для других молекул (молекулы В и С), находящихся внутри поверхностного слоя жидкости. В данном случае молекулы, находящиеся в тонком слое вблизи поверхности жидкости, окружены молекулами той же жидкости не со всех сторон, т.е. часть взаимодействующих молекул – это молекулы газа над жидкостью. Так как концентрация молекул в расположенном над жидкостью газа мала по сравнению с их концентрацией в жидкости, то равнодействующая F, приложенных к каждой молекуле поверхностного слоя, не равна нулю и направлена внутрь жидкости. Суммарная энергия частиц жидкости складывается из кинетической энергии их теплового движения и потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия. Для перемещения молекулы из глубиын жидкости в поверхностный слой надо совершить работу против действующих в этом слое сил. Эта работа совершается молекулой за счет запаса кинетической энергии и идет на увеличение ее потенциальной энергии. Поэтому молекулы поверхностного слоя жидкости обладают большей потенциальной энергией, чем частицы внутри жидкости. Эта допольнительная энергия, которой обладают молекулы в поверхностном слое жидкости, называемая поверхностной энергией, пропорционально площади слоял ∆S: (1) где –коэффициент поверхностного натяжения, определяемого допольгительной энергией единицы поверхности слоя. Из-за наличия поверхностной энергии поверхность жидкости стремится сократиться. Поэтому для увеличения поверхности жидкости за счет перехода некоторого количества молекул из глубины жидкости в поверхностный слой, необходимо совершить работу против сил поверхностного натяжения. Увеличение поверхности жидкости сопровождается отрицательной работой, а сокращение – положительной. Поэтому (2) где Fl – сила поверхностного натяжения, действующая на единицу длины контура поверхности жидкости. Это работа совершается одновременно с увеличением поверхностной энергии, т.е. (3) Из сравнения выражениий (1) и (3) видно, что (4) Т.е коэффициент поверхностного натяжения равен силе поверхностного натяжения, приходящейся на единицу длины контура, органичивающего поверхность. Силы поверхностного натяжения направлены по касательной к поверхности жидкости и перпендикулярно участку контура, на который они действуют. Единица коэффициента поверхностного натяжения в СИ – ньютон на метр (Н/м), или джоуль на квадратный метр (Дж/м2). Большинство жидкостей при температуре 300К имеют поверхностное натяжение порядка 10-2 –10-1 Н/м. Поверхностное натяжение с повышением температуры уменьшается, так как увеличиваются средние расстояния между молекулами жидкости. Поверхностное натяжение также существенно зависит от примесей, имеющихся в жидкостях. Это объясняется следующим образом. Поверхностное натяжение , потому и поверхностная энергия жидкости зависят от межмолеклярных сил, которые в свою очередь определябтся строением молекул. Минимум поверхностной энергии жидкости достигается не только путем сокращения ее поверхности, но и путем укомплектования поверхностного слоя такими молекулами, чтобы величина была минимальной. Вещества, адсорбирующиеся на поверхности раздела с соответствующим понижением поверхностной энергии, называются поверхностно-активными. Их добавление даже в небольшой концентрации существенно усеньшает поверхностное натяжение. Молекулы таких веществ прежде всего поступают в поверхностный слой и лишь после того, как он окажется заполненным ими достаточно плотно, проникают в основной объем жидкости. К поверхностно-активным веществам обычно принадлежат молекулы органических веществ, имебщие вытянутую форму (например, –ОН, -СООН, -NH2). Наиболее известным примером поверхностно-активного вещества является мыло. Существуют также вещества (соль, сахар), добавление которых к воде повышает ее поверхностное натяжение. Если известна длина контура l, ограничивающая поверхность жидкости, то силы поверхностного натяжения определяются из соотношения (5) жүктеу/скачать 7,07 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|