Жидкости сохраняют объем, но принимают форму контейнера Жидкости не имеют собственной формы и принимают форму контейнера, но при этом сохраняют практически постоянный объем. Межмолекулярные расстояния невелики — больше, чем в твердых телах, и намного меньше, чем в газах. Поскольку молекулы уже находятся близко друг к другу, сжатием можно пренебречь: при их сближении возникает сильное кратковременное отталкивание.
Порядок на небольшом расстоянии и свобода перемещения в жидкостях Во льду молекулы занимают упорядоченные позиции в кристаллической решетке и только колеблются; в жидкой воде они плотно упакованы без дальнего порядка. Молекулы движутся мимо друг друга, сохраняя порядок только на коротких расстояниях, поскольку они постоянно обмениваются соседями. На границе вода–воздух отсутствующие соседи со стороны газа создают общее молекулярное притяжение внутрь.
Поверхностное натяжение: Растянутая пленка и сферические капли Это притяжение внутрь образует плотный поверхностный слой — поверхностное натяжение, которое ведет себя как растянутая пленка. Свободная капля становится сферической, поскольку такая форма минимизирует потенциальную энергию. Внутренние молекулы притягиваются одинаково со всех сторон, в то время как поверхностные молекулы испытывают более сильное притяжение внутрь.
Плавающие иглы и водометы: как работает поверхностное натяжение Аккуратно уложенная скрепка для бумаги, лезвие бритвы или игла могут всплыть, потому что поверхностная пленка выдерживает их вес. При добавлении моющего средства пленка разрушается, и предметы тонут. Водолазы используют ту же пленку для скольжения по водоемам.
Количественная оценка поверхностного натяжения: F = σL вдоль линии контакта Поверхностное натяжение действует вдоль линии контакта, касательной к границе раздела, с величиной F = σL. Коэффициент σ специфичен для каждой жидкости (вода, керосин, ртуть и т.д.). Для кругового контакта L = 2nr; в экспериментах с весами эта сила может противодействовать весу, F = Mg.
Сетка и давление воздуха задерживают воду через поверхностные пленки Если наполнить банку, закрытую сеткой, и перевернуть ее, вода остается на месте: пленки, закрывающие отверстия, и атмосферное давление не дают ей пролиться. Внешнее давление воздуха воздействует на поверхность через сетку и удерживает жидкость. Если при таком расположении уменьшается площадь, на которую воздействует атмосферное давление, вода выливается наружу.
Смачивание против несмачивания и угол контакта Смачивание происходит, когда притяжение между жидкостью и твердым веществом превышает сцепление внутри жидкости; капля растекается, а угол соприкосновения составляет менее 90°. Отсутствие смачивания происходит, когда преобладает сцепление; капля остается округлой, а угол соприкосновения превышает 90°. Вода растекается по гидрофильным поверхностям, в то время как ртуть обычно собирается в шарики; на восковых листьях вода образует капельки, а промасленные перья проливают воду.
Мениски, краевые эффекты и работа по подъему мокрой пластины Прикосновение тарелки к воде и последующий ее подъем требуют дополнительного усилия для преодоления поверхностной пленки. Капли, которые остаются на нижней стороне, указывают на увлажнение. В емкостях для увлажнения мениск поднимается по стенкам, в то время как в тех, которые не смачиваются, он вдавлен.
Капиллярное действие: Повышается в смачивающих трубках, понижается в несмачивающих Капилляры — очень тонкие трубки - заставляют жидкости подниматься или опускаться из-за поверхностного натяжения и изогнутого мениска. Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам; несмачивающие жидкости опускаются ниже свободной поверхности. Эффект усиливается с уменьшением радиуса, что особенно заметно при использовании труб разного диаметра.
Формула капиллярного подъема и ее последствия в природе и жизни Соотношение поверхностного натяжения σ·2πr и веса pgnr^ 2h дает h = 2σ/(pgr) для полного смачивания. Таким образом, высота увеличивается с увеличением σ, уменьшается с увеличением плотности жидкости и радиуса трубки и является наибольшей в самых тонких капиллярах. Капиллярность повышает содержание сока в сосудах растений (r ≈ 0,1–0,3 мм), оживляет срезанные цветы, пропитывает полотенца и губки, питает фитили свечей и обеспечивает работу примерно 150 миллиардов капилляров организма.