Что такое свободная поверхность жидкости

Свободная поверхность

В термодинамике свободная поверхность является фазовой границей между жидкостью и находящимся над ней газом или паром.

Свободная поверхность не испытывает влияния сил со стороны стенок или русла, и, как показал Платон, в отсутствие действия силы тяжести её форма определяется только силами межмолекулярного взаимодействия.

При воздействии внешних сил свободная поверхность в состоянии равновесия жидкости приобретает такую форму, при которой поверхность перпендикулярна действию этих сил. Одновременно равновесное состояние соответствует минимуму потенциальной энергии, из-за чего площадь свободной поверхности сокращается до минимально возможной под действием сил межмолекулярного взаимодействия, получивших название сил поверхностного натяжения.

Связанные понятия

Упоминания в литературе

Связанные понятия (продолжение)

Динамическая нагрузка — нагрузка, характеризующаяся быстрым изменением во времени её значения, направления или точки приложения и вызывающая в элементах конструкции значительные силы инерции. Динамические нагрузки испытывают детали машин ударного действия, таких, как прессы, молоты и т. д. Детали кривошипно-шатунных механизмов также испытывают во время работы значительные динамические нагрузки от изменения величины и направления скоростей, то есть наличия ускорений. К динамическим нагрузкам относят.

10−3 Па) — давление насыщенного пара ртути при рабочей температуре.

Источник

свободная поверхность жидкости

3.13.2 свободная поверхность жидкости: Поверхность раздела между жидкостью и внешней газообразной средой.

Примечание. В случае аэрированного потока под свободной поверхностью понимается условная поверхность раздела между водовоздушным и газожидкостным потоками.

Смотреть что такое «свободная поверхность жидкости» в других словарях:

свободная поверхность жидкости — Поверхность раздела между жидкостью и внешней газообразной средой. Примечание В случае аэрированного потока под свободной поверхностью понимается условная поверхность раздела между водовоздушным и газожидкостным потоками. [СО 34.21.308 2005]… … Справочник технического переводчика

Свободная поверхность — поверхность жидкости в помещении корабля (в отсеке, цистерне, трюме и т. п.), способная сохранять горизонтальное положение при наклонениях корабля. Возникает при затоплении помещений до некоторого уровня по высоте или в цистернах при частичном… … Морской словарь

Свободная поверхность — поверхность, вдоль которой жидкость соприкасается с пустотой или средой существенно меньшей плотности и вязкости. На таких поверхностях выполняются условия: 1) нормальная к С. п. составляющая вектора скорости жидкости совпадает со скоростью… … Энциклопедия техники

Свободная поверхность — Свободная поверхность термин гидромеханики, обозначающий поверхность жидкости, не ограниченную стенками сосуда или русла. В термодинамике свободная поверхность является фазовой границей между жидкостью и находящимся над ней газом или паром … Википедия

свободная поверхность — свободная поверхность — поверхность, вдоль которой жидкость соприкасается с пустотой или средой существенно меньшей плотности и вязкости. На таких поверхностях выполняются условия: 1) нормальная к С. п. составляющая вектора скорости жидкости … Энциклопедия «Авиация»

свободная поверхность — свободная поверхность — поверхность, вдоль которой жидкость соприкасается с пустотой или средой существенно меньшей плотности и вязкости. На таких поверхностях выполняются условия: 1) нормальная к С. п. составляющая вектора скорости жидкости … Энциклопедия «Авиация»

Жидкости — тела, характеризующиеся, как и газы, способностью течь (см. Вязкость), особой подвижностью частиц и в то же время обладающие определенным, ограниченным собственной поверхностью тела объемом. Последнее свойство сближает Ж. с твердыми телами. Объем … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

ПОВЕРХНОСТЬ — граница разделамежду двумя контактирующими средами. В разл. ситуациях употребляются такжетермины: свободная, или атом но чистая, П. (П. твёрдого тела в вакууме … Физическая энциклопедия

Свободная струя — (a. free flow; н. Freiluftstrahl; ф. jet libre, courant libre; и. cooriente libre de aire) струя жидкости (газа), вытекающая в окружающую среду и не имеющая ограничивающих её твёрдых поверхностей. Eсли состав жидкости (газа) в струе и… … Геологическая энциклопедия

ГОСТ 15528-86: Средства измерений расхода, объема или массы протекающих жидкости и газа. Термины и определения — Терминология ГОСТ 15528 86: Средства измерений расхода, объема или массы протекающих жидкости и газа. Термины и определения оригинал документа: 26. Акустический преобразователь расхода D. Akustischer Durch flußgeber E. Acoustic flow transducer F … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Источник

свободная поверхность

свобо́дная пове́рхность — поверхность, вдоль которой жидкость соприкасается с пустотой или средой существенно меньшей плотности и вязкости. На таких поверхностях выполняются условия:
1) нормальная к С. п. составляющая вектора скорости жидкости совпадает со скоростью перемещения этой поверхности в направлении нормали к границе раздела (кинематическое условие);
2) вектор напряжения p для площадок, касательных к С. п., направлен по нормали к этим площадкам, а его численное значение определяется по формуле Лапласа
p = p₁ + α(1/R₁ + 1/R₂),
где p₁ — давление в свободном от жидкости пространстве, R₁ и R₂ — главные радиусы кривизны С. п., α — коэффициент поверхностного натяжения. Во многих задачах аэро- и гидродинамики силы поверхностного натяжения пренебрежимо малы (α = 0); в этом случае на С. п. p = p₁.

Смотреть что такое «свободная поверхность» в других словарях:

Свободная поверхность — поверхность жидкости в помещении корабля (в отсеке, цистерне, трюме и т. п.), способная сохранять горизонтальное положение при наклонениях корабля. Возникает при затоплении помещений до некоторого уровня по высоте или в цистернах при частичном… … Морской словарь

Свободная поверхность — поверхность, вдоль которой жидкость соприкасается с пустотой или средой существенно меньшей плотности и вязкости. На таких поверхностях выполняются условия: 1) нормальная к С. п. составляющая вектора скорости жидкости совпадает со скоростью… … Энциклопедия техники

Свободная поверхность — Свободная поверхность термин гидромеханики, обозначающий поверхность жидкости, не ограниченную стенками сосуда или русла. В термодинамике свободная поверхность является фазовой границей между жидкостью и находящимся над ней газом или паром … Википедия

свободная поверхность — laisvasis paviršius statusas T sritis chemija apibrėžtis Pašalinių reakcijų produktais ar adsorbatu nepadengtas paviršius. atitikmenys: angl. free surface rus. свободная поверхность … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

свободная поверхность — Поверхность раздела между жидкостью и газом или вакуумом, которая может свободно деформироваться при соблюдении кинематических и динамических условий, характерных для конкретных задач … Политехнический терминологический толковый словарь

свободная поверхность — [free surface] суммарная поверхность частиц в порошковой засыпке или пор в уплотненной заготовке (изделии). Смотри также: Поверхность Ферми поверхность поверхность текучести матовая поверхность … Энциклопедический словарь по металлургии

свободная поверхность — свободная поверхность — поверхность, вдоль которой жидкость соприкасается с пустотой или средой существенно меньшей плотности и вязкости. На таких поверхностях выполняются условия: 1) нормальная к С. п. составляющая вектора скорости жидкости … Энциклопедия «Авиация»

свободная поверхность жидкости — Поверхность раздела между жидкостью и внешней газообразной средой. Примечание В случае аэрированного потока под свободной поверхностью понимается условная поверхность раздела между водовоздушным и газожидкостным потоками. [СО 34.21.308 2005]… … Справочник технического переводчика

свободная поверхность фильтрационного потока — Поверхность раздела в пористом теле между фильтрационным потоком и заполняющей поры газообразной средой. [СО 34.21.308 2005] Тематики гидротехника … Справочник технического переводчика

свободная поверхность жидкости — 3.13.2 свободная поверхность жидкости: Поверхность раздела между жидкостью и внешней газообразной средой. Примечание. В случае аэрированного потока под свободной поверхностью понимается условная поверхность раздела между водовоздушным и… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Источник

Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение

Вещество, находящееся в жидком состоянии, характеризуется крайне плотным расположением молекул друг относительно друга. Отличаясь от твердых кристаллических тел, чьи молекулы формируют упорядоченные структуры по всему объему кристалла и ограничены в своих тепловых колебаниях фиксированными центрами, молекулы жидкости обладают значительной степенью свободы. Любая конкретная молекула жидкого вещества, как это происходит и в твердых телах, «зажата» соседними молекулами и может совершать тепловые колебания поблизости с некоторым положением равновесия. Несмотря на это, в какой-то момент, любая молекула может переместиться на соседнее вакантное место. Подобные перемещения в жидкостях происходят довольно часто, благодаря чему молекулы не привязаны к конкретным центрам, как в кристаллах, а имеют возможность перемещаться по всему объему жидкости. Именно на этом факте основывается текучесть жидкостей.

Свойства жидкостей

В котором коэффициент β представляет собой температурный коэффициент объемного расширения. Данный коэффициент у жидкостей в десятки раз превышает значение такого же у твердых тел.

Поверхностное натяжение

Стоит обратить внимание на то, что более плотного поверхностного слоя не приводит к сколь-нибудь заметному изменению объема жидкости по причине чрезвычайно низкой сжимаемости.

Силы межмолекулярного взаимодействия совершают положительную работу, в случае, когда молекула перемещается с поверхности внутрь жидкости. И наоборот, чтобы достать некоторое количество молекул на поверхность из глубины жидкости, то есть повысить площадь поверхности жидкости, внешним силам необходимо произвести пропорциональную изменению Δ S площади поверхности положительную работу Δ A в н е ш :

Таким образом, по сравнению с молекулами внутри жидкости молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной потенциальной энергией. Потенциальная энергия E р поверхности жидкости пропорциональна ее площади и выражается в виде следующей формулы:

Из раздела механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Следовательно, свободная поверхность жидкости стремится уменьшить свою площадь. По данной причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму.

Жидкость ведет себя таким образом, будто по касательной к ее поверхности действуют сокращающие данную поверхность силы. Такие силы называются силами поверхностного натяжения.

Силы поверхностного натяжения влияют на поверхность жидкости таким образом, что она становится похожей на упругую растянутую пленку, с той лишь разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности, то есть от степени деформированности пленки, а силы поверхностного натяжения, зависимости от площади поверхности жидкости не имеют.

Исходя из этого, можно заявить, что коэффициент поверхностного натяжения σ может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность.

Исходя из этого, можно заявить, что избыточное давление внутри капли эквивалентно:

∆ p = 2 σ R (капля жидкости).

Из-за того, что пленка обладает двумя поверхностями, величина избыточного давления внутри мыльного пузыря в два раза выше, чем в капле:

∆ p = 4 σ R (мыльный пузырь).

Пренебрегая взаимодействием с молекулами газа, можно сказать, что поблизости с границей между твердым телом, жидкостью и газом форма свободной поверхности жидкости зависима от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела.

Капиллярные явления

Капиллярными явлениями называют процесс подъема или опускания жидкости в трубках малого диаметра, другими словами, в капиллярах.

Вода почти полностью смачивает чистую поверхность стекла. Ртуть же, строго наоборот, полностью не смачивает стеклянную поверхность. По этой причине уровень ртути в стеклянном капилляре опускается ниже, чем уровень в сосуде.

Источник

Содержание:

Поверхностное натяжение жидкости:

В отличие от газов жидкости имеют свободную поверхность. Молекулы, расположенные на поверхности жидкости, и молекулы внутри жидкости находятся в разных условиях:

a) молекулы внутри жидкости окружены другими молекулами жидкости со всех сторон. Молекула 1 внутри жидкости испытывает действие соседних молекул со всех сторон, поэтому равнодействующая сил притяжения, действующих на нее, равна нулю (f; молекула 1);

b) молекулы на поверхности жидкости испытывают действие со стороны соседних молекул жидкости только сбоку и снизу. Притяжение со стороны молекул газа (пара жидкости или воздуха) над жидкостью во много раз слабее, чем со стороны молекул жидкости, поэтому не принимаются во внимание (f; молекула 2). В результате каждая из равнодействующих сил

Сила поверхностного натяжения

Коэффициент поверхностного натяжения

Значение коэффициента поверхностного натяжения зависит от вида жидкости и ее температуры, то есть с увеличением температуры жидкости коэффициент его поверхностного натяжения уменьшается и при критической температуре равен нулю. Единица коэффициента поверхностного натяжения в СИ:

Смачивающая и несмачивающая жидкость. При внимательном рассмотрении можно увидеть искривление поверхности жидкости на границе между жидкостью и твердым телом.

Значение краевого угла (тетта) зависит от того, является ли жидкость смачивающей или несмачивающей твердое тело:

Несмачивающая жидкость — это жидкость, у которой краевой угол тупой. Сила взаимного притяжения между молекулами несмачивающей жидкости и твердого тела меньше, чем сила взаимного притяжения между молекулами самой жидкости. В результате свободная поверхность жидкости в сосуде бывает выпуклой, например, ртуть в стеклянном сосуде — несмачивающая жидкость (i).

Капиллярные явления

Капиллярными явлениями называют явления подъема смачивающей и опускания несмачивающей жидкости по капилляру относительно общего уровня жидкости под действием сил поверхностного натяжения (j).

В таблице 6.4 дана зависимость между величинами, характеризующими жидкость, поднимающуюся в капилляре.

Характеристики жидкости, поднимающейся в капилляре

Где — радиус капилляра, — диаметр капилляра.

Масса жидкости, поднимающейся в капилляреВысота жидкости, поднимающейся в капилляре

Если жидкость полностью смачиваемая, то получаем в

Где — плотность жидкости, поднимающейся в капилляре. Высота подъема жидкости в капилляре зависит от рода жидкости и обратно пропорциональна радиусу капилляра.

Давление жидкости, поднимающейся в капилляре

Поверхностное натяжение жидкости

Некоторые виды пауков могут передвигаться по поверхности воды не проваливаясь, как будто эта поверхность покрыта невидимой тонкой пленкой. такое же впечатление создается, если наблюдать за вытеканием воды из маленького отверстия — вода течет не тоненькой струйкой, а образует капли. Бумажная салфетка впитывает воду, едва коснувшись ее поверхности. какая сила является причиной всех этих явлений?

Каковы особенности поверхностного слоя жидкости

На свободной поверхности жидкости молекулы находятся в особых условиях, отличающихся от условий, в которых находятся молекулы внутри жидкости. Рассмотрим две молекулы — А и Б (рис. 33.1): молекула А находится внутри жидкости, а молекула Б — на ее поверхности. Молекула А окружена другими молекулами жидкости равномерно, поэтому силы, действующие на молекулу А со стороны молекул, попадающих в сферу межмолекулярного взаимодействия, скомпенсированы, то есть их равнодействующая равна нулю.

Поверхностное натяжение жидкости — физическая величина, которая характеризует данную жидкость и равна отношению поверхностной энергии к площади поверхности жидкости:

Единица поверхностного натяжения в СИ — ньютон на метр:

Поверхностное натяжение жидкости определяется силами межмолекулярного взаимодействия, поэтому оно зависит:

Поверхностное натяжение σ некоторых жидкостей

Что такое сила поверхностного натяжения

Поскольку поверхностный слой жидкости обладает избыточной потенциальной энергией (), а любая система стремится к минимуму потенциальной энергии, то свободная поверхность жидкости стремится уменьшить свою площадь (сжаться). То есть вдоль поверхности жидкости действуют силы, которые пытаются стянуть эту поверхность. Эти силы называют силами поверхностного натяжения.

Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на натянутую резиновую пленку, однако упругие силы в резиновой пленке зависят от площади ее поверхности (от того, насколько пленка деформирована), а поверхность жидкости всегда «натянута» одинаково, то есть силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости. Наличие сил поверхностного натяжения можно доказать с помощью такого опыта. Если проволочный каркас с закрепленной на нем нитью опустить в мыльный раствор, каркас затянется мыльной пленкой, а нить приобретет произвольную форму (рис. 33.2, а).

Если осторожно проткнуть иглой мыльную пленку по одну сторону от нити, сила поверхностного натяжения мыльного раствора, действующая с другой стороны, натянет нить (рис. 33.2, б). Опустим в мыльный раствор проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна. На рамке образуется мыльная пленка (рис. 33.3). Будем растягивать эту пленку, действуя на перекладину (подвижную сторону рамки) с некоторой силой .

Таким образом, поверхностное натяжение σ численно равно силе поверхностного натяжения, которая действует на единицу длины l линии, ограничивающей поверхность:

С одним из методов определения поверхностного натяжения жидкости вы ознакомитесь, выполняя лабораторную работу № 7.

Где проявляется поверхностное натяжение

В жизни вы постоянно сталкиваетесь с проявлениями сил поверхностного натяжения. Так, благодаря ему на поверхности воды удерживаются легкие предметы (рис. 33.4) и некоторые насекомые.

Рис. 33.4. Монетка удерживается на поверхности воды благодаря силе поверхностного натяжения. (Чтобы провести такой опыт, монетку нужно потереть между пальцев и осторожно опустить на поверхность воды.)

Когда вы ныряете, ваши волосы расходятся во все стороны, но как только вы окажетесь над водой, волосы слипнутся, так как в этом случае площадь свободной поверхности воды намного меньше, чем при раздельном расположении прядей в воде. По этой же причине можно лепить фигуры из влажного песка: вода, обволакивая песчинки, прижимает их друг к другу.

Рис. 33.5. Капля удерживается около небольшого отверстия до тех пор, пока сила поверхностного натяжения уравновешивает силу тяжести

Стремлением жидкости уменьшить площадь поверхности объясняется и тот факт, что в условиях невесомости вода принимает форму шара, — при заданном объеме шарообразной форме соответствует наименьшая площадь поверхности. Форму шара приобретают тонкие мыльные пленки (мыльные пузыри). Поверхностным натяжением объясняется образование пены: пузырек газа, достигнув поверхности жидкости, имеет над собой тонкий слой жидкости; если пузырек мал, то архимедовой силы недостаточно, чтобы разорвать двойной поверхностный слой, и пузырек «застревает» вблизи поверхности. Благодаря поверхностному натяжению жидкость не выливается из маленького отверстия тоненькой струйкой, а капает (рис. 33.5), дождь не проливается через ткань зонта или палатки и т. д.

Почему одни жидкости собираются в капли, а другие растекаются

Наличие сил поверхностного натяжения проявляется в сферической форме мелких капелек росы, в каплях воды, разбегающихся по раскаленной плите, в капельках ртути на поверхности стекла. Однако при соприкосновении с твердым телом сферическая форма капли, как правило, не сохраняется. Форма свободной поверхности жидкости зависит также от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела.

Если силы взаимодействия между молекулами жидкости больше, чем силы взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела, жидкость не смачивает поверхность твердого тела (рис. 33.6). Например, ртуть не смачивает стекло, а вода не смачивает покрытую сажей поверхность.

Рис. 33.6. Капля несмачивающей жидкости принимает форму, близкую к сферической, а поверхность жидкости вблизи стенки сосуда является выпуклой

Если же капельку ртути поместить на цинковую пластину, то капелька будет стремиться растечься по поверхности пластины; так же ведет себя и капелька воды на стекле (рис. 33.7). Если силы взаимодействия между молекулами жидкости меньше сил взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела, жидкость смачивает поверхность твердого тела.

Рис. 33.7. Капля смачивающей жидкости стремится растечься по поверхности твердого тела, а вблизи стенки сосуда поверхность жидкости принимает вогнутую форму

Почему жидкость поднимается в капиллярах

В природе часто встречаются тела, пронизанные многочисленными мелкими капиллярами (от лат. capillaris — волосяной) — узкими каналами произвольной формы. Такую структуру имеют бумага, дерево, почва, многие ткани и строительные материалы. В цилиндрических капиллярах искривленная поверхность жидкости представляет собой часть сферы, которую называют мениском. У смачивающей жидкости образуется вогнутый мениск (рис. 33.8, а), а у несмачивающей — выпуклый (рис. 33.8, б).

Рис. 33.8. капиллярные явления: а — смачивающая жидкость поднимается по капилляру; б — несмачивающая жидкость опускается в капилляре

Поверхность жидкости стремится к минимуму потенциальной энергии, а искривленная поверхность обладает большей площадью по сравнению с площадью сечения капилляра, поэтому поверхность жидкости стремится выровняться и под ней возникает избыточное (отрицательное или положительное) давление — лапласово давление ().

Под вогнутой поверхностью (жидкость смачивает капилляр) лапласово давление отрицательное и жидкость втягивается в капилляр. Так поднимаются влага и питательные вещества в стеблях растений, керосин по фитилю, влага в почве. Вследствие лапласового давления салфетки или ткань впитывают воду, брюки в дождливую погоду сильно намокают снизу и т. д. Под выпуклой поверхностью (жидкость не смачивает капилляр) лапласово давление положительное и жидкость в капилляре опускается. Чем меньше радиус капилляра, тем больше высота подъема (или опускания) жидкости (см. задачу ниже).

Пример решения задачи

Решение:

На жидкость в капилляре действуют сила тяжести и сила поверхностного натяжения ( направлена вертикально вверх (по касательной к поверхности мениска). Подъем жидкости в капилляре будет продолжаться до тех пор, пока сила тяжести поднятого столба жидкости не уравновесит силу поверхностного натяжения: mg = ( *), где m — масса жидкости.

Поиск математической модели, решение

где R — радиус кривизны мениска (при полном смачивании r=R).

Ответ: (Данные выводы следует запомнить!)

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник