14
на Земле аномалию. При температуре ниже 4°С вода расширяется. Максимум
плотности ρв = 103 кг/м3 вода имеет при температуре 4°С.
При замерзании вода расширяется, поэтому лед остается плавать на
поверхности замерзающего водоема. Температура замерзающей воды подо
льдом равна 0°С. В более плотных слоях воды у дна водоема температура
оказывается порядка 4°С. Благодаря этому может существовать жизнь в воде
замерзающих водоемов.
Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие
свободной поверхности. Жидкость, в
отличие от газов, не заполняет весь
объем сосуда, в который она налита. Между жидкостью и газом (или паром)
образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению
с остальной массой жидкости. Молекулы в пограничном слое жидкости, в
отличие от молекул в ее
глубине, окружены другими молекулами той же
жидкости не со всех сторон. Силы межмолекулярного взаимодействия,
действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних
молекул, в среднем взаимно скомпенсированы. Любая молекула в
пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости
(силами, действующими на данную молекулу жидкости со стороны молекул газа
(или пара) можно пренебречь). В
результате появляется некоторая
равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости (рис. 1)
Если молекула переместится с поверхности внутрь жидкости, силы
межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу. Наоборот,
чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на
поверхность (т.е. увеличить площадь поверхности жидкости), надо затратить
положительную работу внешних сил ΔAвнеш, пропорциональную изменению
ΔS площади поверхности:
ΔAвнеш = σΔS.
15
Коэффициент σ называется
коэффициентом поверхностного натяжения (σ
> 0). Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения равен работе,
необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной
температуре на единицу.
В СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на
метр квадратный (Дж/м2) или в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м2).
Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают
избыточной по сравнению с
молекулами внутри жидкости потенциальной
энергией. Потенциальная энергия Ep поверхности жидкости пропорциональна
ее площади:
Ep = Aвнеш = σS
Из механики известно, что равновесным состояниям системы
соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Отсюда
следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою
площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает
шарообразную форму.
Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности
действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы
называются силами поверхностного натяжения.
Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости
похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие
силы в
пленке зависят от площади ее поверхности (т.е. от того, как пленка
деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади
поверхности жидкости.
16
Так как всякая система самопроизвольно переходит в состояние, при
котором ее потенциальная энергия минимальна, то жидкость должна
самопроизвольно переходить в такое состояние, при котором площадь ее
свободной поверхности имеет наименьшую величину. Это
можно показать с
помощью следующего опыта.
На проволоке, изогнутой в виде буквы П, укрепляют подвижную
поперечину / (рис. 3). Полученную таким образом рамку затягивают мыльной
пленкой, опуская рамку в мыльный раствор. После вынимания рамки из раствора
поперечина / перемещается вверх, т.е. молекулярные силы действительно
уменьшают площадь свободной поверхности жидкости.
Поскольку при одном и том же объеме наименьшая площадь
поверхности имеется у шара, жидкость в состоянии невесомости принимает
форму шара. По этой же причине маленькие капли жидкости имеют
шарообразную форму. Форма мыльных пленок на различных каркасах всегда
соответствует наименьшей площади свободной поверхности жидкости.