"Физика. Молекулярная физика. Термодинамика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Поверхностный слой жидкости отличается от её внутренних слоёв расположением молекул и действующими на них силами. Из-за отсутствия соседних молекул со стороны воздуха равнодействующая сил направлена внутрь жидкости, а энергия молекул у поверхности оказывается повышенной. Поэтому жидкость стремится уменьшить площадь поверхности. Эта молекулярная картина объясняет поверхностное натяжение, шарообразность капель и действие мыльных плёнок.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Поверхностный слой — тонкий слой жидкости у свободной поверхности, где молекулы находятся в иных условиях, чем внутри жидкости. Со стороны воздуха у них меньше соседей, поэтому силы действуют несимметрично. Это понятие нужно, чтобы объяснить отличия поверхности жидкости от её внутренних областей.
Поверхностное натяжение — стремление поверхности жидкости уменьшить свою площадь под действием межмолекулярных сил. Жидкость словно сопротивляется растяжению поверхности. Явление объясняет форму капель и действие мыльных плёнок.
Поверхностная энергия — избыточная потенциальная энергия молекул поверхностного слоя по сравнению с молекулами внутри жидкости. Для увеличения поверхности молекулы приходится переводить в менее выгодное энергетическое состояние. Поэтому образование поверхности требует работы.
Коэффициент поверхностного натяжения σ показывает работу образования единицы площади поверхности и силу поверхностного натяжения на единицу длины. Для одной поверхности A = σΔS и F = σl. Единица измерения σ — Н/м, что эквивалентно Дж/м².
Молекула внутри жидкости окружена другими молекулами почти со всех сторон. Притяжение к соседям зависит от расстояния, но в среднем направления к ним распределены достаточно равномерно. Поэтому силы взаимно компенсируются, и равнодействующая для такой молекулы практически равна нулю.
Молекула у свободной поверхности окружена соседями несимметрично. В сторону воздуха молекул жидкости почти нет, а со стороны жидкости их много. Притяжение со стороны нижних и боковых соседей преобладает, поэтому равнодействующая направлена внутрь жидкости.
Чтобы увеличить площадь поверхности, часть молекул нужно переместить из глубины жидкости в поверхностный слой. При этом их приходится удалять от соседних молекул, преодолевая силы притяжения. Совершённая работа запасается как увеличение потенциальной, то есть поверхностной, энергии.
Большая площадь поверхности означает больше молекул в энергетически невыгодном поверхностном состоянии. Поэтому система стремится перейти в состояние с меньшей поверхностной энергией и уменьшить площадь свободной поверхности. При заданном объёме наименьшую площадь имеет шар, поэтому свободная капля принимает форму, близкую к сферической.
Если площадь поверхности увеличилась на ΔS, работа образования поверхности равна A = σΔS, а прирост поверхностной энергии имеет такое же значение. Коэффициент σ связывает энергетическое описание с силовым: для участка длиной l сила одной поверхности равна F = σl. У мыльной плёнки две поверхности, поэтому сила становится F = 2σl.
| Признак | Молекулы внутри жидкости | Молекулы поверхностного слоя |
|---|---|---|
| Расположение соседних молекул | Направления к соседним молекулам представлены почти равномерно | Со стороны внешней среды соседних молекул значительно меньше |
| Равнодействующая межмолекулярных сил | Практически равна нулю | Направлена внутрь жидкости |
| Потенциальная энергия | Меньше | Больше |
| Стремление системы | Состояние не связано с уменьшением площади поверхности | Уменьшить площадь поверхности |
Сначала найдите в таблице положение молекулы, а затем сравните силы и энергию. Последняя строка показывает общий результат действия межмолекулярных сил. При решении задач особенно полезно помнить различие между одной поверхностью жидкости и двумя поверхностями мыльной плёнки.
Условие: определить направление результирующей силы, действующей на молекулу у свободной поверхности воды, и объяснить отличие от силы для молекулы внутри воды.
Ответ: результирующая сила для молекулы у свободной поверхности направлена внутрь воды, а для молекулы внутри жидкости практически равна нулю.
Условие: σ = 0,073 Н/м, ΔS = 2,0·10−3 м². Найти работу увеличения свободной поверхности воды.
Ответ: для увеличения площади поверхности нужно совершить работу 1,46·10−4 Дж.
Условие: длина подвижной перемычки мыльной плёнки l = 0,10 м, σ = 0,025 Н/м, перемещение s = 0,040 м. Найти силу и работу.
Ответ: сила, действующая на перемычку, равна 5,0·10−3 Н, а работа при перемещении — 2,0·10−4 Дж.
Сила направлена наружу. Так считают, если забывают, что со стороны воздуха почти нет соседних молекул. Проверьте, где находится большинство притягивающих молекул: равнодействующая должна быть направлена внутрь жидкости.
Поверхностный слой имеет меньшую энергию. Ошибка возникает при смешении устойчивости жидкости и энергии отдельных молекул: перевод на поверхность требует работы. Проверьте знак изменения энергии: при увеличении площади поверхностная энергия возрастает.
Поверхностное натяжение путают с коэффициентом. Первое является явлением, а σ — его количественной характеристикой с единицами Н/м. Для проверки спросите себя, требуется ли описать свойство поверхности или вычислить число.
Учитывают одну поверхность мыльной плёнки. Так происходит, если плёнку рассматривают как обычную границу жидкости с воздухом. Проверьте обе стороны плёнки: в формуле силы должен появиться множитель 2.
Для понимания темы нужны строение вещества, межмолекулярное взаимодействие, работа силы и потенциальная энергия. Эти знания позволяют перейти от молекулярной картины к коэффициенту поверхностного натяжения, а затем к капиллярным явлениям и формуле Лапласа. На практике поверхностный слой объясняет образование капель, менисков, смачивание и действие мыльных плёнок.
Почему поверхность жидкости не распадается на отдельные молекулы?
Молекулы жидкости притягиваются друг к другу межмолекулярными силами. Для молекул поверхностного слоя результирующая сила направлена внутрь жидкости, поэтому они удерживаются соседними молекулами.
Почему молекулы на поверхности притягиваются внутрь жидкости?
Со стороны воздуха рядом с молекулой почти нет таких же молекул, как в жидкости. Поэтому силы притяжения от молекул внутри жидкости не компенсируются и дают равнодействующую, направленную внутрь.
Почему капля стремится принять шарообразную форму?
При заданном объёме шар имеет наименьшую площадь поверхности среди всех тел. Поэтому поверхностное натяжение стремится придать капле форму, близкую к сферической.
Чем поверхностное натяжение отличается от коэффициента поверхностного натяжения?
Поверхностное натяжение — это явление стремления поверхности жидкости уменьшить свою площадь. Коэффициент поверхностного натяжения σ — физическая величина, численно равная работе образования единицы площади и силе на единицу длины.
Почему при расчёте силы для мыльной плёнки учитывают две поверхности?
Мыльная плёнка имеет границу с воздухом с обеих сторон. Каждая поверхность действует на перемычку силой σl, поэтому общая сила равна F = 2σl.
§ 7.2. Молекулярная картина поверхностного слоя
