Взаимодействие молекул жидкости с молекулами стенки сосуда

Определение 1

Жидкость представляет собой вещество, пребывающее в промежуточном между твердым и газообразным состоянии. Это такое агрегатное состояние вещества, в котором прослеживается взаимосвязь молекул и атомов между собой таким образом, что это дает ему возможность сохранения своего объема, но при это, не настолько сильно, чтобы добиться сохранения еще и формы.

Рисунок 1. Взаимодействие молекул жидкостей. Автор24 – интернет-биржа студенческих работ

Молекулярно-кинетическая теория направлена на исследование строения и свойств вещества на основе представлений о существовании атомов и молекул в качестве наименьших частиц химических веществ. В основу данной теории положены три основные положения:

1. Все вещества (как жидкие, так и газообразные, и твердые) появились из мельчайших частиц (молекул, состоящих из атомов). Молекулы химического вещества существуют в виде простых и сложных (состоящих из одного либо нескольких атомов).
2. Молекулы и атомы являются электрически нейтральными частицами. При определенных условиях они способны к приобретению дополнительного электрического заряда и превращаются в положительные (отрицательные) ионы.
3. Атомы и молекулы пребывают в непрерывном хаотическом движении. Частицы между собой осуществляют взаимодействие за счет сил, обладающих электрической природой. При этом гравитационное взаимодействие между частицами оказывается пренебрежимо малым.

Свойства и строение жидкостей

Жидкости склонны к легкому изменению своей формы с сохранением объема. В стандартных условиях они привычно принимают форму емкости, в которой находятся. Поверхность жидкости, что не соприкасается со стенками сосуда, называется свободной. Ее образование происходит вследствие воздействия силы тяжести на молекулы жидкости.

Свойства жидкостей можно объяснить малыми промежутками между их молекулами малы. Так, молекулы упакованы настолько плотным образом, что расстояние между каждыми двумя из них оказывается меньше их размеров.

Объяснить поведение жидкостей на основании характера молекулярного движения, взялся советский ученый Я. И. Френкель. Согласно его исследованию, молекула жидкости будет колебаться около положения временного равновесия, при этом происходит ее столкновение с остальными молекулами из ближнего окружения. Периодически у нее получается совершить «прыжок», чтобы, покинув своих «соседей», продолжить совершать колебания уже в кругу новых.

Замечание 1

По причине малых расстояний между молекулами жидкости, попытка уменьшения объема приводит к состоянию деформации молекул, так начинается их отталкивание друг от друга, чем можно объяснить малую сжимаемость жидкости. В то же время, ее текучесть объясняют тем фактом, что «прыжки» молекул из оседлого положения в иное осуществляются, согласно всем направлениям с равной частотой. Внешняя сила не изменяет существенно число «прыжков» за секунду, а только задает их преимущественное направление, поэтому жидкость и принимает форму сосуда, в котором пребывает.

Молекулярная теория воды

Существует ряд определенных гипотез, объясняющих строение льда, пара, воды. Все они в какой-то степени опираются на молекулярно-кинетическую теорию строения вещества, чьи основы заложил М. Ломоносов.

Рисунок 2. Масса и размеры молекул. Автор24 – интернет-биржа студенческих работ

Данная теория исходит из принципов классической механики, что рассматривает молекулы (атомы) в формате шариков правильной формы, электрически нейтральных, идеально упругих. Такие молекулы склонны подвергаться исключительно механическим соударениям и не испытывать каких-либо электрических сил взаимодействия.

Водяной пар, согласно положениям молекулярно-кинетической теории, представляет собрание молекул, расстояние между ними многократно превышает размеры самих молекул. Молекулы газа, пребывающие в непрерывно-хаотическом движении, пробегают путь между стенками сосудов, где заключен газ и при этом происходит их столкновение между собой на данном пути.

При приближении температуры газа к температуре кипения (100°C) наступает уменьшение скорости молекул, и при соударении силы притяжения между ними возникает больше сил упругих отталкиваний в момент удара. По этой причине газ способен конденсироваться в жидкость.

Замечание 2

Жидкость, в отличие от газа, является совокупностью близкорасположенных между собой молекул. Это расположение настолько близкое, что между ними начинается проявление сил взаимного притяжения. Это не позволяет молекулам жидкости разлетаться в разные стороны, подобно молекулам газа, а только колебаться около собственного равновесного положения.

Наряду с тем, из-за недостаточной плотности строения жидкости, в ней присутствуют свободные места, вследствие чего (исходя из теории Френкеля), обладающие большей энергией молекулы начинают вырываться из своего привычного окружения и скачкообразно перемещаться в соседнее отверстие на расстоянии, равном размерам самих молекул.

Таким образом, молекулы в жидкости относительно редко перемещаются в иные места, большую часть времени они пребывают в «оседлом» состоянии, подвергаясь только колебаниям. При температуре в 100°C (при нормальном атмосферном давлении) вода начнет распадаться на отдельные молекулы, скорость которых уже не способна к преодолению взаимного молекулярного притяжения, поэтому вода становится паром.

В случае охлаждения жидкости можно наблюдать обратный процесс. Начинается уменьшение скоростей колебательного движения молекул, становится более прочной структура жидкости, а сама она переходит в состояние льда (кристаллическое).

Структура воды в трех ее агрегатных состояниях

Проблема оценки структуры воды пока представляет для ученых определенные сложности. Наиболее популярной считается гипотеза, предложенная в 1883 году Уайтингом.

В ней утверждается, что:

• в качестве основной строительной единицы водяного пара выступает молекула гидроль (моногидроль);
• основной строительной единицей воды будет являться двойная молекула дигидроль;
• лед считается состоящим из тройных молекул тригидроль.

На данных представлениях основывается гидрольная теория структуры воды, согласно которой водяной пар считается состоящим из комплекса простейших молекул моногидроля, их ассоциаций и также из незначительного числа молекул дигидроля.

В жидком виде вода считается смесью молекул моногидроля, дигидроля и тригидроля. Соотношение количества таких молекул в воде будет различным и зависимым от температуры. Поскольку молекула воды сама по себе несимметрична, центры тяжести положительных и отрицательных зарядов у нее не будут совпадать.

Рисунок 3. Полярные молекулы. Автор24 – интернет-биржа студенческих работ

Молекулы обладают двумя полюсами – положительным и отрицательным, создающими, подобно магниту, силовые молекулярные поля. Такие молекулы называются полярными (диполями). Количественная характеристика полярности при этом определяется электрическим моментом диполя.

Источник

6.9. Давление Лапласа под искривленной поверхностью жидкости

Форма поверхности жидкости, налитой в сосуд, определяется тремя факторами: силами взаимодействия между молекулами жидкости, силами взаимодействия между молекулами жидкости и молекулами, входящими в состав стенок сосуда, и действием силы тяжести.

Если достаточно большое количество жидкости налито в широкий сосуд, то жидкость вследствие преобладающего действия силы тяжести в этом случае имеет плоскую горизонтальную поверхность. Однако непосредственно у стенок сосуда поверхность жидкости несколько искривлена. Если молекулы жидкости, соприкасающиеся со стенкой сосуда, взаимодействуют с молекулами твердого тела сильнее, чем между собой, в этом случае жидкость стремится увеличить площадь соприкосновения с твердым телом. При этом поверхность жидкости изгибается вниз и говорят, что она смачивает стенки сосуда, в котором находится.

Если же молекулы жидкости взаимодействуют между собой сильнее, чем с молекулами стенок сосуда, то жидкость стремится сократить площадь соприкосновения с твердым телом, ее поверхность искривляется вверх, имеет место несмачивание жидкостью стенок сосуда.

Рис. 6.13

В узких трубочках, диаметр которых составляет доли миллиметра, искривленные края жидкости охватывают весь поверхностный слой, и вся поверхность жидкости в таких трубочках имеет вид, напоминающий полусферу. Это так называемый мениск. Он может быть вогнутым, как на рис. 6.13а, в случае смачивания, и выпуклым, как на рис. 6.13б, при несмачивании. Радиус кривизны поверхности жидкости при этом того же порядка, что и радиус трубки. Явления смачивания и несмачивания характеризуются краевым углом θ между смоченной поверхностью твердого тела и мениском в точках их соприкосновения (рис. 6.13а, б).

Наличие сил поверхностного натяжения и кривизны поверхности жидкости в капиллярной трубочке ответственно за дополнительное давление под искривленной поверхностью, называемое давлением Лапласа.

Рис. 6.14

Для вывода формулы, определяющей величину давления Лапласа, рассмотрим случай, когда поверхность жидкости в сосуде принимает форму выпуклого мениска (рис. 6.14). Пусть – сила поверхностного натяжения, действующая по касательной к поверхности жидкости, R – радиус кривизны поверхности мениска, r – радиус кривизны сечения мениска горизонтальной плоскостью. Силу можно разложить на две составляющие и . Очевидно, что при суммировании по периметру мениска все составляющие дадут ноль, и давление Лапласа будет обусловлено суммарным действием составляющих . Найдем составляющую и проведем суммирование по контуру, ограничивающему мениск в горизонтальном сечении, имея в виду, что сила поверхностного натяжения , где Δl – элемент длины контура.

Действие этой силы приходится на круговое сечение мениска площадью (рис. 6.14). Следовательно, избыточное давление Лапласа, обусловленное кривизной поверхности и действием сил поверхностного натяжения, равно

Можно обобщить полученную формулу на случай более сложной поверхности. В общем случае давление Лапласа определяется соотношением

где R1 и R2 – радиусы кривизны двух взаимно перпендикулярных сечений мениска.

Рис. 6.15

Радиусы кривизны, входящие в последнюю формулу, являются алгебраическими величинами. Если центр кривизны нормального сечения мениска находится под его поверхностью, то соответствующий радиус кривизны является положительной величиной (рис. 6.15а). В случае, когда центр кривизны находится над поверхностью мениска, R – отрицательно (рис. 6.15б). Отсюда следует, что под выпуклой поверхностью мениска давление Лапласа положительно (оно добавляется к атмосферному давлению Р0), под вогнутой поверхностью мениска давление Лапласа отрицательно (оно меньше атмосферного давления Р0 на величину РЛ). Очевидно, что давление Лапласа тем больше, чем меньше радиус кривизны сечения, поэтому оно играет наиболее важную роль в капиллярных явлениях.

Применяя формулу Лапласа для частного случая сферической капли , находим:

Если поверхность мениска имеет цилиндрическую форму, то один из радиусов кривизны сечения можно считать равным бесконечности. Для этого частного случая давление Лапласа равно

В случае мыльного пузырька дополнительное давление, которое испытывает находящийся внутри него газ, равно , так как у пузырька две поверхности – наружная и внутренняя, каждая из которых создает дополнительное давление Лапласа.

Убедительной иллюстрацией существования лапласовского давления служит описанный ниже опыт.

Рис. 6.16

С помощью двух сообщающихся трубочек выдуваются мыльные пузыри (рис. 6.16), после этого трубочка С закрывается. Вследствие неизбежных случайных обстоятельств радиусы пузырей будут отличаться друг от друга. Внутри пузырька меньшего радиуса давление Лапласа больше, и воздух из него начнет перемещаться в пузырек большего радиуса. В результате большой пузырек будет увеличиваться в размерах, а маленький спустя непродолжительное время исчезнет.

Источник