Равновесие молекул жидкости в поверхностном слое

[SleeplessRose]

У меня есть вопрос, касательно темы поверхностного натяжения. Во многих источниках говорится "...равнодействующая всех сил, действующих на молекулу поверхностного слоя, не равна нулю." Насколько я понимаю, действующая на молекулу сила тяжести уравновешивается силой упругости со стороны нижележащих молекул, поэтому под равнодействующей всех сил понимают равнодействующую сил притяжения со стороны других молекул. Мой вопрос таков: каким образом молекула жидкости в поверхностном слое находится в равновесии (то есть колеблется около положения равновесия, время от времени совершая скачки), если на нее действует ничем не скомпенсированная сила?

[Pphantom]

Интересно, получается, что при отсутствии тяжести поверхностного натяжения не бывает...

Других сил в жидкости нет?

[wrest]

SleeplessRose в сообщении #1260835 писал(а):

равнодействующая всех сил, действующих на молекулу поверхностного слоя, не равна нулю

Это, очевидно, просто не верно. Равнодействующая всех сил, конечно, равна нулю (в среднем, т.к. молекулы, конечно, колеблются и перемещаются). В этом тексте, вероятно, под равнодействующей понимают только сумму сил притяжения, которая для поверхностных молекул не равна нулю и направлена внутрь. Межмолекулярные силы притяжения компенсируются межмолекулярными силами отталкивания.

Силы межмолекулярного отталкивания в жидкостях растут очень быстро при уменьшении расстояния между молекулами: из-за этого жидкости очень трудно сжать, вода например практически несжимаемая жидкость при разумных условиях - в самом глубоком месте океана, на дне Марианской впадины, вода сжата всего примерно на 5% "нормального" объема (то есть литр воды на поверхности океана сжимается до 950 миллилитров на дне Марианской впадины).

Но силы отталкивания и очень быстро падают, т.е. если вы разведете молекулы совсем чуть-чуть, то силы отталкивания пропадут почти совсем, а силы притяжения останутся. И поэтому оторвать молекулу от поверхности трудно: как только вы немножко отодвинули молекулу которая находилась в равновесии на поверхности, силы отталкивания быстро уменьшатся и на молекулу будут действовать только силы притяжения, равнодействующая которых направлена внутрь жидкости.

[prikhozhanin]

Руки нужно отрубать за написание подобных учебников, я щетаю!
Имеется в виду, что если из объёмной фазы мгновенно вырезать шарик, то на границе этого шарика силы, действующие на молекулы, на мгновение не будут скомпенсированы. А в следующее мгновение - эти молекулы чуть подожмутся к центру шарика - и силы опять будут скомпенсированы. Но если вы захотите оторвать эту молекулу - то вам нужно будет совершить работу против этой дополнительной силы сжатия шарика.

[wrest]

prikhozhanin в сообщении #1260911 писал(а):

Руки нужно отрубать за написание подобных учебников, я щетаю!

Похоже, что именно так написано в большинстве учебников.

[SleeplessRose]

Всем огромное спасибо за ответы!

[Xey]

wrest в сообщении #1260908 писал(а):

вероятно, под равнодействующей понимают только сумму сил притяжения, которая для поверхностных молекул не равна нулю и направлена внутрь.

prikhozhanin в сообщении #1260911 писал(а):

в следующее мгновение - эти молекулы чуть подожмутся к центру шарика - и силы опять будут скомпенсированы.

Вопрос о происхождении этой силы (сдвигающей молекулы внутрь) уже поднимался.
Если наружные молекулы притягиваются внутренними, то давление внутри должно бы снижаться, но это не так, давление в капле повышается.
Наружные молекулы должны притягиваться друг к другу сильнее, чем к внутренним, и обжимать внутренние.
Усиленное притяжение наружных молекул можно объяснить замыканием свободно болтающихся водородных связей наружных молекул.
(если и перепутал, то кажется не все).

[DimaM]

Xey в сообщении #1261108 писал(а):

Усиленное притяжение наружных молекул можно объяснить замыканием свободно болтающихся водородных связей наружных молекул.

Поверхностное натяжение бывает не только у воды, а, например, у ртути. Причем у ртути коэффициент заметно больше, а вот водородными связями даже не пахнет.

[Xey]

DimaM в сообщении #1261112 писал(а):

даже не пахнет.

Пониманием не пахнет.

madschumacher в сообщении #1141715 писал(а):

Поэтому термодинамикой легко все формулы получить, а вот понять "на пальцах" -- немного сложновато... По-сути же поверхностное натяжение -- это коэффициент, связывающий увеличения свободной энергии системы с изменением площади поверхности этой самой системы

Вот здесь нет про втягивание наружных молекул внутрь

Цитата:

Это равновесие достигается за счет некоторого уменьшения расстояния между молекулами поверхностного слоя и их ближайшими соседями внутри жидкости.
...
Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.
http://www.its-physics.org/svoystva-zhi ... atyazhenie

Может это и есть собака, раз она повизгивает, виляет хвостом и похожа собаку?

[Degen1103]

Разница температур заставила каплю левитировать над жидкостью

Очень красивый опыт, чёткое объяснение эффекта.

Непонятно только - совершают ли здесь силы поверхностного натяжения работу, либо благодаря им кинетическая энергия падающей капли преобразуется в течения жидкости и газа, приводящие к эффекту, но сами работу они не совершают?

[fred1996]

Жидкость вообще сама по себе хитрая штука. И для многих веществ в равновесном состоянии невозможна без внешнего давления паров. Привет тройной точке. Кто-нибудь мне объяснит, как себя ведет поверхностное натяжение без или с очень слабым давлением паров газа этой самой жидкости? Для меня все эти фазовые переходы темный лес.

[DimaM]

fred1996 в сообщении #1265692 писал(а):

Кто-нибудь мне объяснит, как себя ведет поверхностное натяжение без или с очень слабым давлением паров газа этой самой жидкости?

Если давление пара ниже насыщенного, жидкость испаряется.

[fred1996]

То есть получается, что результирующей силы уже не хватает, чтобы удержать молекулы. Ну и как тогда быть с поверхностным натяжением? Или там уже нет четкой картины? Уже нет четкой границы жидкость-газ? И что происходит например со смачиванием стенок сосуда?

[DimaM]

fred1996 в сообщении #1265698 писал(а):

То есть получается, что результирующей силы уже не хватает, чтобы удержать молекулы.

При любом давлении пара есть динамическое равновесие: какие-то молекулы переходят из жидкости в пар, какие-то наоборот.

fred1996 в сообщении #1265698 писал(а):

Ну и как тогда быть с поверхностным натяжением?

При температурах ниже критической поверхностное натяжение есть.

fred1996 в сообщении #1265698 писал(а):

Или там уже нет четкой картины? Уже нет четкой границы жидкость-газ?

При температурах ниже критической граница есть.

fred1996 в сообщении #1265698 писал(а):

И что происходит например со смачиванием стенок сосуда?

Зависит от материала стенок и жидкости. Собственно, относительная влажность воздуха обычно ниже 100%, поэтому все можно увидеть собственными глазами. Вода в стакане имеет четкую границу, и при некоторой аккуратности ее можно налить несколько выше среза стенок (особенно если залапать край жирными руками).

[druggist]

DimaM в сообщении #1265701 писал(а):

При любом давлении пара есть динамическое равновесие: какие-то молекулы переходят из жидкости в пар, какие-то наоборот.

Это явно неверное утверждение: динамическое равновесие есть только при давлении равном давлению насыщенного пара, в противном случае либо жидкость испаряется либо осаждается пар.