3.7.4. Некоторые свойства жидкостей

Для жидкостей характерны свойства, связанные с ее молекулярным строением: диффузия, относительная несжимаемость, внутреннее давление, текучесть, внутреннее трение (вязкость) и, так называемые, поверхностные явления — поверхностное натяжение, смачиваемость и капиллярность и другие.

3.7.4.1. Диффузия в жидкости

Процесс диффузии в жидкостях протекает гораздо медленнее, чем в газах. Однако в случаях больших градиентов концентрации, которые часто имеют место в жидкостях, диффузия может проходить довольно интенсивно в жидкостях, несмотря на малое значение коэффициента диффузии, порядка () м²/с.

Явления диффузии играют важную роль в природе и технике. Благодаря диффузии осуществляется, например, питание растений. Ввиду перепада концентрации питательных веществ внутри корней и вне их поддерживается непрерывный диффузный поток питательных веществ из окружающей почвенной воды в корневую систему. Аналогичную роль играет диффузия в процессах поглощения и проницаемости: крашения, склеивания, отделки текстильных материалов.

3.7.4.2. Осмотическое давление

При растворении в жидкости твердого вещества его молекулы равномерно распределяются во всем объеме жидкости, образуя среду, называемую раствором; жидкость называется растворителем, твердое вещество - растворенным веществом. Концентрацией раствора называется отношение массы растворенного вещества к объему раствора.

Явление диффузии растворителя через полупроницаемую перегородку, отделяющую раствор от чистого растворителя, называется осмосом, а возникающее при этом в растворе избыточное давление (равное парциальному давлению растворенного вещества) — осмотическим давлением., откуда следует что осмотичское давление пропорционально концентрации и температуре раствора и обратно пропорционально молярной массе растворенного вещества (закон Вант-Гоффа).

Явление осмоса играет исключительную роль в жизни растительных и животных организмов. Оболочки живых клеток представляют собой полупроницаемые перегородки; они проницаемы для молекул воды и непроницаемы для молекул сложных органических соединений, создающихся внутри клетки в процессе ее жизнедеятельности. Благодаря этому внутри клетки образуется раствор и возникает осмотическое давление, делающее клетку упругой, как надутый резиновый мяч.

Осмотическое давление в растительных клетках, окруженных водой, может быть весьма значительным. Посредством таких физиологических процессов, как питание, выделение и дыхание поддерживается постоянное осмотическое давление в клетках живых организмов (осморегулирование).

Легко наблюдать явление в следующем общеизвестном факте. Если сушеную ягоду с неповрежденной оболочкой погрузить в воду, то вскоре ягода набухнет, приняв сферическую форму, что

свидетельствует об избыточном давлении внутри ягоды.

Явление осмоса используется в мембранной технологии для очистки от вредных веществ и загрязнений.

3.7.4.3. Поверхностное натяжение, капиллярность и испарение

Напряженное состояние поверхностного слоя жидкости, вызванное силами сцепления между молекулами этого слоя, называется поверхностным натяжением.

Сила поверхностного натяжения определяется по формуле F = al, где а — коэффициент поверхностного натяжения; l - длина контура, ограничивающего поверхность жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения жидкости имеет порядок Н/м (для воды - 0,07, для спирта - 0,02).

Наличием поверхностной пленки обусловлено образование пены на воде, представляющей собой скопление мелких пузырьков воздуха под этой пленкой; пузырьки приподнимают пленку, не прорывая ее. Слипание мокрых волос, мокрых песчинок и т.п. также связано с жидкими пленками, с их стремлением приобрести минимальную поверхность.

На поверхностное натяжение большое влияние оказывают находящиеся в ней примеси. Например, мыло, растворенное в воде, уменьшает ее коэффициент поверхностного натяжения от 0,073 до 0,045 Н/м. Вещество, ослабляющее поверхностное натяжение жидкости, называется поверхностно-активным. Эти вещества находят самое широкое применение в жизни. По отношению к воде поверхностно-активными являются нефть, спирт, эфир, мыло и многие другие жидкости.

Явление поднятия или опускания уровня жидкости в узких трубках (капиллярах), в связи с действием дополнительного давления , гдеа - коэффициент поверхностного натяжения, a R - радиус кривизны трубки, обусловленной искривленной поверхностью, называется капиллярностью.

Капиллярными свойствами обладает всякое пористое тело, например, фильтрованная бумага, сухой мел, разрыхленная почва и т.д. Пористые тела легко пропитываются смачивающими жидкостями и удерживают их. Для несмачивающих жидкостей, наоборот, эти тела являются непроницаемыми. Капиллярные явления играют большую роль в природе и технике, например, для жизни растений, так как

способствуют поднятию воды и питательных растворов из почвы вдоль ствола растения. Процессы смачивания и капиллярности играют существенную роль и учитываются в текстильном производстве товаров для изготовления одежды.

Как известно, в процессе жизнедеятельности человеческого организма происходит постоянное выделение влаги, пота. Влага, (как жидкая, так и парообразная) собирается материалом одежды, а затем в зависимости от свойств этого материала перемещается внутри него и частично удерживается в нем, а частично выделяется наружу. Внутри пододежного пространства, как и в самих материалах одежды, непрерывно протекают капиллярные процессы, что решающим образом сказывается на комфортности и гигиеничности одежды.

На свободной поверхности жидкости происходит процесс испарения, при котором жидкость постепенно переходит в газообразное состояние. Процесс испарения состоит в том, что отдельные молекулы, находящиеся вблизи поверхности жидкости и имеющие более высокую, чем средняя, кинетическую энергию, преодолевают силы притяжения молекул и выходят за пределы жидкости. При этом молекула должна совершать работу против действия молекулярных сил, называемую работой выхода А_в, а также работу Ад против сил внешнего давления (работа расширения). В связи с этим кинетическая энергия молекул уменьшается и переходит в потенциальную энергию молекул пара. Молекулы пара, находящиеся вблизи поверхности жидкости, могут притягиваться ее молекулами и вновь возвращаться в жидкость. Этот процесс называется конденсацией пара. На поверхности жидкости всегда происходят оба процесса: испарение и конденсация. Если количество испаряющихся и конденсирующихся молекул в единицу времени одинаково, то пар находится в динамическом равновесии с жидкостью, и такой пар называется насыщенным. На испарение массы т жидкости при постоянной температуре затрачивается количество теплоты Q_n = m, где - удельная теплота испарения. Для воды при 0°С= 2,5-10⁶ Дж/кг. При конденсации пара такое же количество теплоты выделяется.

Для ускорения испарения жидкости весьма важное значение имеет процесс удаления образующегося пара, что в природных условиях выполняет ветер.

Быстро испаряющиеся жидкости (аммиак, этиловый эфир, хлори­стый этил и т.д.) называются летучими. На этом принципе работает

бытовой холодильник. Принципиальная схема холодильного агрегата представлена на рис. 2.

Рис.2

В испарителе происходит испарение хладоагента. Рабочей жидкостью (хладоагентом) является фреон. Его формула CC1₂F₂ . Под действием компрессора пары фреона поступают из испарителя в цилиндр компрессора и сжимаются адиабатически до давления в несколько атмосфер и нагреваются до температуры 30-40°С. Сжатый пар поступает в конденсатор, проходя через который, сжатый пар охлаждается до комнатной температуры и сжижается. Жидкость снова поступает в испаритель, и рабочий цикл холодильника повторяется. Цикл испарение-конденсация поддерживается с помощью компрессора, на работу которого затрачивается энергия, потребляемая из сети его двигателем (электромотором).

Испарение и конденсация играют исключительно важную роль в процессах влагооборота и теплообмена на земном шаре.