Как выталкивает поверхностное натяжение

[Rusit8800]

После прочтения учебника Мякишева я узнал, что молекулы воды в поверхностном слое более разрежены, чем во внутреннем. Представляя в голове потенциал Леннарда- Джонса я представляю, почему это связано с повышенной потенциальной энергией.
Но вот я не могу понять, как это связанно с тем, что если положить на поверхность воды бритву, то поверхностный слой будет ее держать. Самые верхние молекулы неустойчивы, они стремятся вниз, внутрь жидкости, из-за повышенной потенциальной энергии, а когда мы кладем, ко всему прочему, еще какой-то дополнительный груз, то он только помогает верхним молекулам проникнуть внутрь жидкости.
Вот если бы поверхностные молекулы наоборот бы находились плотнее, чем внутренние, то существование выталкивающей поверхностной силы было бы очень логично - в соответствии с потенциалом Леннарда- Джонса, силы отталкивания очень быстро растут с уменьшением расстояния.

[Andrey_Kireew]

Поверхностный слой подобен упругой мембране. Если его поверхность искривляется, например погруженным в него несмачиаемым предметом, то этот слой стремится в исходное состояние, т.е. "пытается распрямиться" и выталкивает предмет. Это на пальцах.
Более строго - потенциальная энергия поверхностного натяжения пропорциональна площади поверхности. Погружение несмачиваемого предмета вызывает увеличение площади поверхности и увеличению потенциальной энергии. Как известно, потенциальная энергия стремится к минимуму и возникает выталкивающая сила.

Ошибка в том, что верхние молекулы не стремятся в низ. Это их тянут в низ нижние молекулы. Поэтому считается, что сила поверхностного натяжения направлена внутрь. А они то сами, как раз стремятся вверх, но не могут преодолеть межмолекулярные связи (иначе начинается испарение). Сила поверхностного натяжения действует на поверхностный слой, а не на погруженное в жидкость тело. На тело же действует как раз поверхностный слой, который стремиться наружу и может только выталкивать.

PS: Если поверхностный слой нарушается (смачивание) то выталкивание уже не происходит, тело заменяет собой поверхностный слой и внутренние молекулы уже притягивают его к себе, порою так, что трудно оторвать.

[Xey]

Rusit8800 в сообщении #1307074 писал(а):

Самые верхние молекулы неустойчивы, они стремятся вниз, внутрь жидкости,

Andrey_Kireew в сообщении #1307127 писал(а):

Ошибка в том, что верхние молекулы не стремятся в низ. Это их тянут в низ нижние молекулы.

Выделенное не согласуется с фактом , что в капле воды имеется избыточное давление.

По-моему, это избыточное давление следствие обжатия капли поверхностным слоем молекул, которые притягиваются друг к другу сильнее, чем внутренние молекулы.
Почему-то в учебниках такого не встречал, пишут, что поверхностное натяжение действует так, будто на поверхности растянутая пленка.

[se-sss]

Xey
Просто у Andrey_Kireew под поверхностным слоем подразумеваются не только выглядывающие наружу верхние молекулы, но и непосредственно примыкающие к ним на некоторую глубину "нижние" молекулы. Это позволяет ввести удобную модель мембраны, которая всё сжимает.
Сами по себе верхние молекулы действительно не смогут ничего сжать.

[Andrey_Kireew]

Xey в сообщении #1307204 писал(а):

Выделенное не согласуется с фактом , что в капле воды имеется избыточное давление.

Вполне согласуется, если рассматривать не отдельный фрагмент поверхности, а замкнутый объём в жидкости в целом.
Дело в том, что не поверхностный слой сжимает жидкость, а она сама себя сжимает, притягивая к себе со всех сторон поверхностный слой. Так что здесь противоречий никаких нет.

-- 25.04.2018, 14:29 --

Поверхностные молекулы притягиваются друг к другу сильнее, чем внутренние. Потому что у них есть нескомпенсированные связи. Вот они и стягивают жидкость как резиновый чехол.

[Xey]

Andrey_Kireew в сообщении #1307210 писал(а):

Потому что у них есть нескомпенсированные связи.

Мне кажется , это те связи, которые торчали бы из жидкости наружу. Они замкнулись на соседние молекулы наружного слоя, и натянули его.
Почему-то не видел этого в учебниках (не очень и искал).

[Andrey_Kireew]

Xey Да я как раз об этом. Помню на лекции нам препод так пояснял, но там с картинками и с расчётами было. В общем мне, по молодости, тогда показалось весьма правдоподобно. Да и сейчас кажется. Впрочем, любое объяснение - суть модель. Если она не противоречит действительности, значит она и верна.

PS: В учебнике я тоже этого не видел, да и никогда не искал, если честно.

[arseniiv]

(Оффтоп)

Тут говорили про нескомпенсированные связи. Если имелись в виду химические, то это не совсем верно. Достаточно взять жидкость, состоящую из неполярных молекул типа какого-нибудь ненасыщеного углеводорода — никакого фиксированного числа связей, которое можно не скомпенсировать, не будет.

Кроме того, надо заметить, что испарение не начинается (как было написано во втором посте; вот с кипением всё иначе) и не кончается — у вещества, которое вообще может испаряться, у любой молекулы поверхностного слоя есть вероятность быть вытолкнутой, и в непосредственной близости к нему она может быстренько вернуться назад, оттолкнувшись опять какой-то молекулой среды. Поверхностный слой вещества вообще место тёмное, химики с ним во всех деталях до сих пор не разобрались. Описание спасает лишь то, что его точная химия тут не так и важна.

[Andrey_Kireew]

Откуда же в жидкости некомпенсированные химические связи. В лучшем случае водородные, в худшем Ван-Дер-Вальсовы.
Испарение действительно есть всегда, тут вопрос интенсивности. Вот как пример - например греете конц. $ H_2 SO_4$ в колбе, после $250^o$ дым начинает валить, и чем дальше - тем сильнее. Если не перегревать, она вся запросто улетит паром, не успев закипеть, максимум за час.

[arseniiv]

Andrey_Kireew в сообщении #1307287 писал(а):

в худшем Ван-Дер-Вальсовы

Это разве связи?

[Andrey_Kireew]

С точки зрения терминологии возможно и не совсем корректно, но неполярные жидкости связаны в одно целое именно силами Ван-Дер-Вальса.

[arseniiv]

Ужасно некорректно. Это ведь было в контексте того, что

Andrey_Kireew в сообщении #1307210 писал(а):

Потому что у них есть нескомпенсированные связи. Вот они и стягивают жидкость как резиновый чехол.

Xey в сообщении #1307240 писал(а):

Мне кажется , это те связи, которые торчали бы из жидкости наружу. Они замкнулись на соседние молекулы наружного слоя, и натянули его.
Почему-то не видел этого в учебниках (не очень и искал).

Вот я и объяснил, почему этого нет в учебниках. Потому что они до такого уровня ещё не упали.

[Rusit8800]

Andrey_Kireew в сообщении #1307127 писал(а):

На тело же действует как раз поверхностный слой, который стремиться наружу и может только выталкивать.

В чего ему стремиться наружу если ,во-первых,все нижние молекулы тянут верхние молекулы вниз, во-вторых, если верхние молекулы стремятся вверх, то расстояние между самой верхней молекулой, и самой верхней молекулы после нее будет расти ,а значит будет расти потенциальная энергия, а она должна уменьшаться.

-- 25.04.2018, 17:48 --

И можно ли рассматривать резиновый слой ,как эквивалент поверхностного слоя воды? Неужели нет отличий? Как это вообще тогда согласуется со всем тем, что я написал по поводу того, как выталкивают верхние молекулы?

[Andrey_Kireew]

"Стремятся" они за счёт своей кинетической энергии. А нижние молекулы, действительно тянут вниз. Поэтому стремиться то они стремятся, а улететь не могут.
Вы абсолютно правы - потенциальная энергия поверхностных молекул больше чем внутренних, это известный факт.
На счёт уменьшения потенциальной энергии с высотой, это вы наверное путаете с энергией гидростатического столба, но тут уже совсем другие силы и совсем другие масштабы.

[Rusit8800]

Andrey_Kireew в сообщении #1307310 писал(а):

"Стремятся" они за счёт своей кинетической энергии.

Можно здесь поподробнее? В связи с моими утверждениями всякое стремление молекул вверх вызовет противоречие с моими выводами о потенциальной энергии.

Andrey_Kireew в сообщении #1307310 писал(а):

На счёт уменьшения потенциальной энергии с высотой, это вы наверное путаете

Вот тот самый случай про энергию. Я имел ввиду, что система должна стремиться к минимуму потенциальной энергии, а из стремления верхних молекул вверх получается наоборот, что она постоянно увеличивается, так как верхние молекулы стремятся вверх, что увеличивает среднее расстояние, а значит и потенциальную энергию.