Общий курс физики термодинамика и молекулярная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
419
ртути практически шарообразны. Но в условиях невесомости капля любой жидкости, независимо от ее размеров, 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 смешивающейся с первой. Плотности обеих жидкостей должны быть одинаковы. Такой опыт был поставлен Плато. Он взял смесь спирта и воды и в нее погрузил большую каплю оливкового масла. Плотности обеих жидкостей были подобраны одинаковыми, и оливковое масло приняло форму шара. Опыт Плато можно повторить и со многими другими жидкостями. Удобно, например, взять раствор поваренной соли в воде и подобрать концентрацию так, чтобы плотность раствора сделалась равной плотности анилина. Анилиновая капля в растворе принимает форму шара. Так как трудно достигнуть точного равенства плотностей обеих 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 ней жидкости, тогда как поверхностное натяжение от размеров капли не зависит. С этим связано явление отрыва капель. Последовательные стадии роста капли схематически показаны на рис. 115. 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, и, наконец, капля разрывается сразу в двух местах. Вследствие этого, когда отрывается большая капля, за ней всегда следует маленькая капелька, называемая шариком Плато, который первым подметил это явление. Большая капля во время своего падения обнаруживает периодические 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 образования и отрыва капель затруднена тем, что явление происходит очень быстро. Дарлинг преодолел это затруднение искусственным уменьшением силы тяжести совершенно так же, как поступил Плато в своем известном опыте. При температурах выше 80 °С плотность жидкого
О
Рис. 115.
420
ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ
[ГЛ. IX
анилина меньше, чем у воды, а при низших температурах — больше. Кроме того, анилин 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 см3 анилина. Стакан ставится на песчаную баню, подогреваемую газовой горелкой. 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 остывании капли анилина отрываются и медленно падают на дно. Здесь они снова нагреваются и поднимаются вверх. Процесс повторяется неограниченно долго, пока поддерживается необходимая разность температур между дном и поверхностью воды в сосуде
7. Принцип минимума свободной поверхностной 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 а. Величина а, а потому и свободная поверхностная энергия жидкости зависят от межмолекулярных сил, которые в свою очередь определяются строением молекул. Минимум поверхностной энергии жидкости достигается не только путем сокращения ее поверхности, но и путем укомплектования поверхностного слоя такими молекулами, чтобы величина о была минимальной. Вещества, адсорбирующиеся на поверхности раздела с соответствующим понижением свободной поверхностной энергии, называются поверхностноактивными. Их добавление даже в небольшой концентрации существенно уменьшает поверхностное натяжение. Молекулы таких веществ прежде всего поступают в поверхностный слой и лишь после того, как он окажется заполненным ими достаточно плотно, проникают в основной объем жидкости.
К поверхностно-активным веществам обычно принадлежат молекулы органических веществ, имеющие вытянутую форму. Они состоят из полярной группы (например, —ОН,—СООН, —NH2), 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 равен нулю. В поверхностном слое жидкости молекулы по-верхностно-активных веществ выстраиваются параллельно друг другу полярными группами, обращенными внутрь жидкости, а неполярными частями — наружу.
Наиболее известным примером поверхностно-активного вещества является мыло. С резким уменьшением поверхностного натяжения мыльного раствора (а также с увеличением его вязкости) связана возможность выдувать большие мыльные пузыри, чего никогда не 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.
