§ 17. ИСПАРЕНИЕ И КИПЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ; КОНДЕНСАЦИЯ ПАРОВ

Рассмотрим явления, в которых происходит изменение свободной поверхности жидкости. Прежде всего заметим, что под действием одних только молекулярных сил притяжения жидкость принимает форму, имеющую при данном объеме минимальную поверхность, т. е. форму

шара. Действительно, силы, приложенные к молекулам в поверхностном слое жидкости, имеют равнодействующую, отличную от нуля и направленную внутрь жидкости; поэтому число молекул, которые «вынуждены» оставаться в поверхностном слое жидкости, должно быть минимальным, следовательно, вся поверхность жидкости (при данном объеме) должна иметь наименьшее возможное значение. При отсутствии внешних сил форма жидкости будет шарообразной. Наличие различных внешних сил, в частности земного тяготения, искажает форму жидкости. Для больших масс поверхностные молекулярные силы оказываются незначительными по сравнению с объемными силами тяготения, поэтому форма жидкости определяется главным образом силой тяжести: жидкость принимает форму сосуда, в который она налита, а свободная поверхность перпендикулярна направлению силы тяжести. По мере уменьшения массы жидкости значение поверхностных сил возрастает, форма капель, находящихся на поверхности твердых и жидких тел (см. рис. 11.36), определяется уже главным образом поверхностными силами. Очень маленькие капельки жидкости (ртуть, вода) имеют почти правильную шарообразную форму.

ИЗМЕНЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

При увеличении свободной поверхности жидкости необходимо перенести соответствующее количество молекул из глубины жидкости на поверхность. При этом должны быть преодолены силы, действующие со стороны остальных молекул: внутри жидкости они в среднем уравновешены, но на поверхности дают равнодействующую (см. рис. 11.35). Работа, которая при этом совершается молекулярными силами, имеет отрицательный знак. Напомним, что работа внутренних сил равна изменению потенциальной энергии системы. Поэтому, если внутренние молекулярные силы совершают отрицательную работу, то это означает увеличение потенциальной энергии жидкости. Наоборот, при уменьшении свободной поверхности жидкости, когда молекулы переходят из поверхностного слоя жидкости в ее глубину, молекулярные силы взаимодействия совершают положительную работу, вследствие чего потенциальная энергия жидкости должна уменьшаться.

Рис. 11.44.

Из суммарной потенциальной энергии взаимодействия всех молекул жидкости можно выделить ту потенциальную энергию, которая приходится на долю только поверхностного слоя жидкости. Обозначим эту энергию через она изменяется при увеличении или уменьшении поверхности жидкости. Для расчета этой энергии рассмотрим простой опыт с мыльным пузырем (рис. Наружная (выпуклая) и внутренняя (вогнутая) поверхности сжимают воздух в пузыре с давлением (так как поэтому давление воздуха в пузыре должно быть больше наружного на

Допустим, что, впуская воздух в пузырь, мы увеличим его радиус на если мало, то и тогда работа расширения пузыря будет равна произведению на изменение объема:

Найдем отношение этой работы к изменению поверхности мыльной пленки (наружной и внутренней)

Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения численно равен работе, совершаемой при изменении поверхности жидкости на единицу площади; а выражается в или

Заметим, что при перемещении молекул жидкости из глубины на поверхность преодолеваются силы, препятствующие этому движению, поэтому средняя кинетическая энергия переносимых на поверхность молекул уменьшается, и жидкость несколько охлаждается. Наоборот, при уменьшении поверхности жидкости молекулярные силы, совершающие положительную работу, вызывают увеличение средней кинетической энергии молекул, переходящих с поверхности в глубину, и жидкость нагревается.

Таким образом, увеличение или уменьшпие поверхностного слоя жидкости на сопровождается не только совершением внешней работы но и переходом потенциальной энергии взаимодействия молекул в кинетическую энергию их теплового движения и обратно. Обозначим изменение энергии теплового движения молекул жидкости в этих процессах через Тогда

Если, например, происходит сокращение поверхности жидкости и ее энергия уменьшается на то часть расходуется на совершение внешней работы, а остальная часть переходит в энергию теплового движения молекул. При расширении поверхности жидкости увеличение ее потенциальной энергии на частично происходит за счет работы внешних сил частично — за счет кинетической энергии теплового движения молекул.

Внешняя работа может быть совершена при различных тепловых режимах, в которых находится жидкость; в частности, изменение поверхностного слоя жидкости можно произвести адиабатически (тогда температура жидкости, а следовательно, и а будут изменяться) или изотермически Та часть полной потенциальной энергии поверхностного слоя жидкости которая превращается в механическую работу при изотермическом сокращении поверхности, называется свободной энергией этого слоя. Иногда коэффициент поверхностного натяжения а определяют как свободную энергию одного квадратного сантиметра поверхностного слоя жидкости.