Д.В. Сивухин - Общий курс физики, Т2. Термодинамика и молекулярная физика (1106322), страница 101
Текст из файла (страница 101)
когда поверхность воды достаточно чистая. *1'онкий слой жира уменыпает поверхностное натяжение воды настолько, что растворение камфоры не может уже произвести его дальнейпюго уменыпения. Согласно Рэлею, движение камфоры прекращается, когда 8 100! 411 Пеегранос>пног нагая>к:Рнпе толпщна с.лоя масла па поверхнгх>ти воды достиев< т 2 10 ' см.
В этом случае поверхностное натяжение воды на 28% мепыпе, чем для чистой поверхности воды. Слой масла толщиной 1 10 ' см и нижо. согласно Рэлою. практически пс оказывает никакого влияния на поверхностное натяжение воды. Плато (1801-1883] обнаружил.
что колебания магнитной стрелки затухают значительно сильнее. когда она подвешена так, что лежит на поворхности воды. чел> в том случае. когда опа целиком погружена в воду. Это можно объяснить тем. что поверхность воды всегда немного загрязнена жиром. Когда стрелка дан>котся по поверхности воды. жир сосредоточивается впереди нее, а сзади поверхность воды становится более чистой. В результате возникает разность сил поверхностного натяжения, тормозящая движение стрелки. Волнение на морс можно в значительной степени ослабить. выливая на понерхность воды масло.
Ветер. действуя на поверхность воды. покрытую маслом, гонит масло вперед н оставляет за собой более чистую поверхность воды. Появляется обратно направленная сила поверхностного натяжения, стремящаяся затормозить поверхность воды. приведенную в движение. >>4аже когда волны уже образовались. слой масла создает дополнительную си.лу. стрех>я>цуюся затормозить волнение.
С волнением связано увеличение толщины масляной пленки в одних местах и уменыпепие в соседних. Это создает разность поверхностных натяжоний. стремящуюся уменыпить волнение. Насыплем на поверхность воды в сосуде споры ликоподия. Возьмем стакан.
нальем в него несколько капель эфира. которыми смочим дяо и стенки стакана. а остаток эфира выльем. В стакане останутся тяжслыс пары эфира. Вь>льел> их на поверхность воды, покрытой порошком лнкоподия. Порошок бьк;тро расходится во все стороны от того моста, на которое попали пары эфира. Явление весьма эффектно. так как пары эфира не видны. и кажется, что опыт производится с пустым стаканом. Явление объясняется тем, что пары эфира уме>п шают поверхностное натяжение воды. Возникшая разность поверхностных натяжений и заставляет порошок разбегаться к краям сосуда. Капля воды. висящая у нижнего конца вертикальной трубки, отрыва> тся и падает, сели вблизи нее поместить эфир.
5. В согп>оян>цг рпеноеесця свободная энергия системы доло>сип быть мгиннмальцой. >>!опустиьц что жидкость совершенно свободна, т. е. не о> раничена стенками сосуда и ие подвержена действию внешних силовых полей. Тогда под действием сил поверхностного натяжения оиа должна принять форму гцорот так как из всех тел заданного объема шар имеет наименьшую поверхность, а потому и наименьшую поверхностную свободную энергию. Получению шаровой формы капли жидкости мешает сила тяжести.
Потенциальная энергия силы тяжесги пропорциональна объему жидкости, тогда как энергия поверхностного натяжения пропорциональна се поверхноцги. Поэтому отиоситель>юс влияние силы тяжести по сравнению с влиянием поверхностного натяжения тем больше, чем больше обьем капли. Малые капли и в особенности капли ртути практически шарообразны.
Но в условиях невесомости капля любой жидкости, независимо от ее размеров, в состоянии равновесия имеет сферическую форму. Это действительно наблюдалось во время полета космических кораблей. В земных условиях можно полностью исключить влияние силы тяжести, погрузив определенную массу жидкости в сосуд с другой жидкостью, не смешияающойся с первой. Плотности обеих жидкостей должны быть одинаковы. Такой опыт был поставлен Плато.
Он взял смесь ггшрта и ~ Гл. !Х Пав ертнос твое и аш я жение воды и в нее погрузил болыпую каплю оливкового масла. Плотности обеих жидкостей были подобраны одинаковыми, н оливковое масло приняло форму шара, Опыт Плато можно повторить и со многими другими жидкостями. Удобно, например, взять раствор поваренной соли в воде н подобрать концентрацию так,чтобы плотность раствора сделалась равной плотности аннлнна. Анилиновая капля в растворе принимает форму шара.
Так как трудно достигнуть точного равенства плотностей обоих жидкостей, то для демонстрации явления удобно в растворе создать концентрацию соли, медленно убывающую с высотой. Центр анилиновой капли будет находиться в равновесии на такой высоте, где плотность раствора равна плотности анилина. 6. Висящая капля напоминает жидкость, подвешенную в резиновом мешочке. Однако натяжение резиновой пленки меняется с изменением количества заключенной в нен жидкости, тогда как поверхностное натяжение от размеров капля не зависит. С этим связано явленио огпрыва капе гь.
Последовательные стадии роста капли схематически Рис. Пб показаны на рис. 1!5. Когда капля достигает определенного размера, на ней образуется шейка (сужение). По мере увеличения размеров капли она становится все тоньше и тоньше. В определенный момент на шейке появляется второе сужение, н наконец, капля разрывается сразу в двух местах. Вследствие этого, когда отрывается большая капля, за ней всегда следует маленькая капелька, называемая ьяорикож Плато, который первым подметил это явление. Болыпая капля во время своего падения обнаруживает периодическио изменения формы, вызываемые поверхностным натяжением.
Она вначале имеет форму вытянутого эллипсоида вращения, затем эллипсоид переходит в шар, в сплюснутый эллипсоид и т. д, Демонстрация явления абразованвя и отрыва капель затруднительна тем.что явление происходит очень быстро. Дарлинг преодолел это затрудяснис искусственным уменьшением силы тяжести совершенно так же, как поступил Плато в своем известном опыте. При температурах выше 80'С плотность жидкого анилина меныпе. чем у воды, а при низших температурах — болыпе. Кроме того. анвлнн не смешивается с водой. Для опыта берется большой стеклянный стакан высотой 20 — 25 см и диаметром 10— 12 см.
наполненный дистиллированной водой. В воду добавляется 80. 100 смх анилнна. Нагретый анилин всплывает вверх и собирается в виде капель (диаметром 2-3 см) у свободной поверхности воды. Так как температура воды на поверхности ниже 80 =С, то при остыванин капли аннлнна отрываются н медленно падают на дно. Здесь онн снова нагреваются и поднимаются вверх.
Процесс повторяется неограниченно долго, пока полдерживвется нсобходнмая разность температур между дном н поверхностью воды в сосуде. з 107) термы!пил>иона яоверяяос«пнлао нптялкя>щя 410 7. Принцип минимума свободной поверхности энергии жидкости в применении к растворам приводит к новому интересному заключению. Состав поверхностного слоя в растворе может существенно отличаться от состава основной массы жидкости. Дело в том, что различные чистые вещества имеют различные поверхностные натяжения и. Воличина о, а потому и свободная поверхностная энергия жидкости зависят от межмолекулярных сил, которые в спою очередь определяются строением молекул.
Минимум поверхностной энергии жидкости достигается не только путем сокрап1ения ее поверхности, но и путем укомплектования поверхностного слоя такими молекулами, чтобы о была минимальной. Вещества, адсорбирующиеся на поверхности раздела с соответствующим понижением свободной поверхностной энергии, называются поверх>юстино-иктивнььип. Их добавление даже в неболыпой концентрации существенно уменыпает поверхностное натяжение. Молекулы таких веществ прежде всего поступают в поверхногтный слой и лишь после того, как он окажется заполненным ими достаточно плотно, проникают в основной объем жидкости.
!( поверхностно-активным веществам обычно принадле>кат молекулы органических веществ, имеющие вытянутую форму. Ояи состоят из полярной группы (например, — ОН, — СООН, — !х!Нз), к которой присоединяется неполярная часть молекулы (например, углеводородная цепь или кольцо). Полярная группа обладает большим дипольным моментом, который является центром силового поля молекулы. Дипольный момент неполярной части молекулы практически ранен нулю.
В поворхностном слог жидкости молекулы поверхностно-активных веществ выстраиваются параллельно друг другу полярными группами, обращенными внутрь жидкости, а нсполярными частями наружу. Наиболес известным прил«ерем поверхностно-активного вещосгва является мыло. С резким уменьшением поверхностного натяжения мыльного раствора (а также с увеличением его вязкости) связана возможность выдувать большие мыльные пузыри, <его никогда нс удается сделать с чистой водой. В последнем случае молекулы на границах пленки с силой втягиваются внутрь пленки, благодаря чему она становится слишком тонкой и лопается.
Существуют и такие вещества (солгч сахар), добавление которых к воде повьппает ее поверхностное натяжение. Благодаря этому нодсаливаннс мыльного раствора выталкивает в поверхностный слой жидкости еще больше молекул мыла, чем в пресной воде. Это используется в гехнике мыловарения для выделения мыла из раствора путем его «высаливания«. В 107. Термодинамика поверхностного натяжения Для увеличения поверхности пленки на ИР над ней надо произвести работу од г'. Сама пленка при этом совершает работу дЛ = — ад 1г.
По первому началу термодинамики дО = «111 + ЬЛ или (107.1) ) Гл. 1Х Поеерхностяое натялсение 414 Введя энтропию Я. перепишем зто равенство в виде (107мц) Свободная энергия (107.3) Ф=~I — ТЯ, а потому дФ = — 'з' г!Т + и г! Е, Отсюда л' = — !дР)ВТ)Р, и следовательно, (107.4) 'лБТ ) (107.5) Подставим сюда 6л = сг !". 1! оверхиостное натяжение зависит от температуры пленки, но не зависит от ее площади. Поэтому после подста- нонки получим ~У = (а — Т вЂ”,,) г) (107.6) Если пленка расширяется изотормически, то ей надо сообщить теплоту б) = лз!л' — пЕ = — Т вЂ” г!г) НТ Теплота, сообщенная единице поверхности пленки при изотермическом расширении, л)сл д= — Т вЂ” „. ерр ЗА) 1АЧИ 1. Получить соотношение (107.7) методом циклов. Решен не.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
