Особенности молекулярного строения жидкостей
Обычные жидкости изотропны, структурно они являются аморфными телами. Для внутреннего строения жидкостей характерен ближний порядок в расположении молекул (упорядоченное расположение ближайших частиц). Расстояния между молекулами невелики, силы взаимодействия значительны, что приводит к 1 малой сжимаемости жидкостей: небольшое уменьшение расстояния между молекулами вызывает появление больших сил межмолекулярного отталкивания.
Подобно твердым телам, жидкости мало сжимаемы и обладают большой плотностью, подобно газам, принимают форму сосуда, в котором находятся. Такой характер свойств жидкостей связан с особенностями теплового движения их молекул. В газах молекулы движутся беспорядочно, на малых отрезках пути — поступательно, в расположении частиц отсутствует какой-либо порядок. В кристаллических телах частицы колеблются около определенных положений равновесия — узлов кристаллической решетки. По теории Я. И. Френкеля молекулы жидкости, подобно частицам твердого тела, колеблются около положений равновесия, однако эти положения равновесия не являются постоянными. По истечении некоторого времени, называемого временем «оседлой жизни», молекула скачком переходит в новое положение равновесия на расстояние, равное среднему расстоянию между соседними молекулами.
Вычислим среднее расстояние между молекулами жидкости. Можно мысленно представить весь объем жидкости разделенным на небольшие одинаковые кубики с ребром 8. Пусть в среднем в каждом кубике находится одна молекула. В этом случае 5 можно рассматривать как среднее расстояние между молекулами жидкости. Объем жидкости равен V = δ3N, где N — общее количество молекул жидкости. Если n — концентрация молекул (количество молекул в 1 м3), то N = nV. Из этих уравнений получаем
 |
Порядок величины 5 составляет 10 -10 м, например, для воды δ= 3 • 10-10 м.
Среднее время «оседлой жизни» молекулы называют временем, релаксации τ. С повышением температуры и понижением давления время релаксации сильно уменьшается, что обусловливает большую подвижность молекул жидкости и меньшую ее вязкость.
 |
Для того чтобы молекула жидкости перескочила из одного положения равновесия в другое, должны нарушиться связи с окружавшими ее молекулами и образоваться связи с новыми соседями. Процесс разрыва связей требует затраты энергии Еа (энергии активации), выделяемой при образовании новых связей. Такой переход молекулы из одного положения равновесия в другое является переходом через потенциальный барьер высотой Еа. Энергию для преодоления потенциального барьера молекула получает за счет энергии теплового движения соседних молекул. Зависимость времени релаксации от температуры жидкости и энергии активации выражается формулой, вытекающей из распределения Больцмана (см. § 2.4).
Где τ0 — средний период колебаний молекулы около положения равновесия.
 |
Зная среднее перемещение молекулы, равное расстоянию между молекулами δ, и среднее время τ, можно определить среднюю скорость движения молекул в жидкости:
Эта скорость мала по сравнению со средней скоростью движения молекул в газе. Так, например, для молекул воды она в 20 раз меньше, чем для молекул пара при той же температуре.
Поверхностное натяжение
На поверхностях раздела жидкости и ее насыщенного пара, двух несмешиваемых жидкостей, жидкости и твердого тела возникают силы, обусловленные различным межмолекулярным взаимодействием граничащих сред.
Каждая молекула, расположенная внутри объема жидкости, равномерно окружена соседними молекулами и взаимодействует с ними, но равнодействующая этих сил равна нулю. На молекулу, находящуюся вблизи границы двух сред, вследствие неоднородности окружения действует сила, не скомпенсированная другими молекулами жидкости. Поэтому для перемещения молекул из объема в поверхностный слой необходимо совершить работу.
Поверхностное натяжение (коэффициент поверхностного натяжения) определяется отношением работы, затраченной на создание некоторой поверхности жидкости при постоянной температуре, к площади этой поверхности:
Условием устойчивого равновесия жидкостей является минимум энергии поверхностного слоя, поэтому при отсутствии внешних сил или в состоянии невесомости жидкость стремится иметь Минимальную площадь поверхности при данном объеме и принимает форму шара.
Поверхностное натяжение может быть определено не только энергетически. Стремление поверхностного слоя жидкости сократиться означает наличие в этом слое касательных сил — сил поверхностного натяжения. Если выбрать на поверхности жидкости некоторый отрезок длиной l (рис. 7.8), то можно условно изобразить эти силы стрелками, перпендикулярными отрезку.
Поверхностное натяжение равно отношению силы поверхностного натяжения к длине от
 |
резка, на котором действует эта сила:
Из школьного курса физики известно, что оба определения, (7.21) и (7.22), тождественны. Приведем значения поверхностного натяжения для некоторых жидкостей при температуре 20 °С ((табл. 15).
Таблица 15
| Жидкость | σ, Н/м | Жидкость | σ, Н/м |
| Вода Желчь Молоко Моча | 0,0725 0,048 0,05 0,66 | Ртуть Спирт Сыворотка крови Эфир | 0,47 0,022 0,06 0,017 |
Поверхностное натяжение зависит от температуры. Вдали от критической температуры значение его убывает линейно при увеличении температуры. Снижения поверхностного натяжения Можно достигнуть введением в жидкость поверхностно-активных веществ, уменьшающих энергию поверхностного слоя.