3.5. Властивості рідин. Поверхневий натяг

  1. Головна онлайн підручники База репетиторів Росії Тренажери з фізики Підготовка до ЄДІ 2017 онлайн

Головна онлайн підручники База репетиторів Росії Тренажери з фізики Підготовка до ЄДІ 2017 онлайн


Глава 3. Молекулярна фізика і термодинаміка

Молекулярно-кінетична теорія

3.5. Властивості рідин. Поверхневий натяг

Молекули речовини в рідкому стані розташовані майже впритул один до одного. На відміну від твердих кристалічних тіл, в яких молекули утворюють впорядковані структури у всьому об'ємі кристала і можуть здійснювати теплові коливання близько фіксованих центрів, молекули рідини мають більшу свободу. Кожна молекула рідини, також як і в твердому тілі, «затиснута» з усіх боків сусідніми молекулами і робить теплові коливання близько деякого положення рівноваги. Однак, час від часу будь-яка молекула може переміститися в сусіднє вакантне місце. Такі переходи в рідинах відбуваються досить часто; тому молекули не прив'язані до певних центрам, як в кристалах ( см. §3.6 ), І можуть переміщатися по всьому об'єму рідини. Цим пояснюється плинність рідин. Через сильний взаємодії між близько розташованими молекулами вони можуть утворювати локальні (нестійкі) впорядковані групи, що містять кілька молекул. Це явище називається ближнім порядком (рис. 3.5.1).

Малюнок 3.5.1.

Приклад ближнього порядку молекул рідини і далекого порядку молекул кристалічної речовини: 1 - вода; 2 - лід

Мал. 3.5.2 ілюструє відміну газоподібної речовини від рідини на прикладі води. Молекула води H2O складається з одного атома кисню і двох атомів водню, розташованих під кутом 104 °. Середня відстань між молекулами пара в десятки разів перевищує середню відстань між молекулами води. На відміну від рис. 3.5.1, де молекули води зображені у вигляді кульок, рис. 3.5.2 дає уявлення про структуру молекули води.

Малюнок 3.5.2.

Водяна пара (1) і вода (2). Молекули води збільшені приблизно в 5 · 107 раз

Внаслідок щільної упаковки молекул стисливість рідин, т. Е. Зміна обсягу при зміні тиску, дуже мала; вона в десятки і сотні тисяч разів менше, ніж в газах. Наприклад, для зміни обсягу води на 1% потрібно збільшити тиск приблизно в 200 разів. Таке збільшення тиску в порівнянні з атмосферним досягається на глибині близько 2 км.

Рідини, як і тверді тіла, змінюють свій об'єм при зміні температури. Для не дуже великих інтервалів температур відносне зміна обсягу Δ V / V0 пропорційно зміні температури Δ T:

Коефіцієнт β називають температурним коефіцієнтом об'ємного розширення. Цей коефіцієнт у рідин в десятки разів більше, ніж у твердих тіл. У води, наприклад, при температурі 20 ° С βв ≈ 2 · 10-4 К-1, у сталі βст ≈ 3,6 · 10-5 К-1, у кварцового скла βкв ≈ 9 · 10-6 К-1.

Теплове розширення води має цікаву і важливу для життя на Землі аномалію. При температурі нижче 4 ° С вода розширюється при зниженні температури (β <0). Максимум щільності ρв = 103 кг / м3 вода має при температурі 4 ° С.

При замерзанні вода розширюється, тому лід залишається плавати на поверхні замерзаючого водойми. Температура замерзлої води під льодом дорівнює 0 ° С. У більш щільних шарах води у дна водойми температура виявляється близько 4 ° С. Завдяки цьому життя може існувати у воді замерзаючих водойм.

Найцікавішою особливістю рідин є наявність вільної поверхні. Рідина, на відміну від газів, не заповнює весь об'єм посудини, в який вона налита. Між рідиною і газом (або парою) утворюється межа розділу, яка знаходиться в особливих умовах у порівнянні з рештою маси рідини. Молекули в прикордонному шарі рідини, на відміну від молекул в її глибині, оточені іншими молекулами тієї ж рідини не з усіх боків. Сили міжмолекулярної взаємодії, які діють на одну з молекул усередині рідини з боку сусідніх молекул, в середньому взаємно скомпенсовані. Будь-яка молекула в прикордонному шарі притягається молекулами, що знаходяться всередині рідини (силами, що діють на дану молекулу рідини з боку молекул газу (або пара) можна знехтувати). В результаті з'являється деяка рівнодіюча сила, спрямована вглиб рідини. Поверхневі молекули силами міжмолекулярної тяжіння втягуються всередину рідини. Але все молекули, в тому числі і молекули прикордонного шару, повинні перебувати в стані рівноваги. Ця рівновага досягається за рахунок деякого зменшення відстані між молекулами поверхневого шару і їх найближчими сусідами всередині рідини. Як видно з рис. 3.1.2, при зменшенні відстані між молекулами виникають сили відштовхування. Якщо середня відстань між молекулами всередині рідини дорівнює r0, то молекули поверхневого шару упаковані кілька більш щільно, а тому вони мають додатковим запасом потенційної енергії в порівнянні з внутрішніми молекулами (див. Рис. 3.1.2). Слід мати на увазі, що внаслідок вкрай низькою стисливості наявність більш щільно упакованого поверхневого шару не приводить до скільки-небудь помітної зміни об'єму рідини. Якщо молекула переміститься з поверхні всередину рідини, сили міжмолекулярної взаємодії здійснять позитивну роботу. Навпаки, щоб витягнути кілька молекул з глибини рідини на поверхню (т. Е. Збільшити площу поверхні рідини), зовнішні сили повинні зробити позитивну роботу Δ Aвнеш, пропорційну зміні Δ S площі поверхні:

Коефіцієнт σ називається коефіцієнтом поверхневого натягу (σ> 0). Таким чином, коефіцієнт поверхневого натягу дорівнює роботі, необхідної для збільшення площі поверхні рідини при постійній температурі на одиницю.

В СІ коефіцієнт поверхневого натягу вимірюється в джоулях на метр квадратний (Дж / м2) або в ньютонах на метр (1 Н / м = 1 Дж / м2).

Отже, молекули поверхневого шару рідини мають надлишкову порівняно з молекулами всередині рідини потенційною енергією. Потенційна енергія Eр поверхні рідини пропорційна її площі:

З механіки відомо, що рівноважним станам системи відповідає мінімальне значення її потенційної енергії. Звідси випливає, що вільна поверхня рідини прагне скоротити свою площу. З цієї причини вільна крапля рідини приймає кулясту форму. Рідина поводиться так, як ніби по дотичній до її поверхні діють сили, що скорочують (стягують) цю поверхню. Ці сили називаються силами поверхневого натягу.

Наявність сил поверхневого натягу робить поверхню рідини схожою на пружну розтягнуту плівку, з тією лише різницею, що пружні сили в плівці залежать від площі її поверхні (т. Е. Від того, як плівка деформована), а сили поверхневого натягу не залежить від площі поверхні рідини.

Деякі рідини, як, наприклад, мильна вода, мають здатність утворювати тонкі плівки. Всім добре відомі мильні бульбашки мають правильну сферичну форму - в цьому теж проявляється дія сил поверхневого натягу. Якщо в мильний розчин опустити дротяну рамку, одна зі сторін якої рухома, то вся вона затягнеться плівкою рідини (рис. 3.5.3).

Сили поверхневого натягу прагнуть скоротити поверхню плівки. Для рівноваги рухомий боку рамки до неї потрібно прикласти зовнішню силу Якщо під дією сили перекладина переміститься на Δ x, то буде проведена робота Δ Aвн = FвнΔ x = Δ E p = σΔ S, де Δ S = 2 LΔ x - приріст площі поверхні обох сторін за мильну плівку. Так як модулі сил і однакові, можна записати:

Таким чином, коефіцієнт поверхневого натягу σ може бути визначений як модуль сили поверхневого натягу, що діє на одиницю довжини лінії, яка обмежує поверхню.

Через дії сил поверхневого натягу в краплях рідини і всередині мильних бульбашок виникає надлишковий тиск Δ p. Якщо подумки розрізати сферичну краплю радіусу R на дві половинки, то кожна з них повинна знаходитися в рівновазі під дією сил поверхневого натягу, прикладених до кордону розрізу довжиною 2π R і сил надлишкового тиску, що діють на площу π R2 перетину (рис. 3.5.4) . Умова рівноваги записується у вигляді

Звідси надлишковий тиск усередині краплі одно

Малюнок 3.5.4.

Перетин сферичної краплі рідини

Надмірний тиск усередині мильної бульбашки в два рази більше, так як плівка має дві поверхні:

Поблизу кордону між рідиною, твердим тілом і газом форма вільної поверхні рідини залежить від сил взаємодії молекул рідини з молекулами твердого тіла (взаємодією з молекулами газу (або пара) можна знехтувати). Якщо ці сили більше сил взаємодії між молекулами самої рідини, то рідина змочує поверхню твердого тіла. У цьому випадку рідина підходить до поверхні твердого тіла під деяким гострим кутом θ, характерним для даної пари рідина - тверде тіло. Кут θ називається крайовим кутом. Якщо сили взаємодії між молекулами рідини перевершують сили їх взаємодії з молекулами твердого тіла, то крайової кут θ виявляється тупим (рис. 3.5.5). У цьому випадку говорять, що рідина не змочує поверхню твердого тіла. При повному змочуванні θ = 0, при повному несмачіванія θ = 180 °.

Малюнок 3.5.5.

Крайові кути смачивающей (1) і несмачіваемих (2) рідин

Капілярними явищами називають підйом або опускання рідини в трубках малого діаметра - капілярах. Змочуючі рідини піднімаються по капілярах, несмачіваемих - опускаються.

На рис. 3.5.6 зображена капілярна трубка деякого радіуса r, опущена нижнім кінцем в смачивающую рідина щільності ρ. Верхній кінець капіляра відкритий. Підйом рідини в капілярі триває до тих пір, поки сила тяжіння діюча на стовп рідини в капілярі, не стане рівною за модулем результуючої Fн сил поверхневого натягу, що діють уздовж кордону зіткнення рідини з поверхнею капіляра: Fт = Fн, де Fт = mg = ρ hπ r2 g, Fн = σ2π r cos θ.

Звідси випливає:

Малюнок 3.5.6.

Підйом смачивающей рідини в капілярі

При повному змочуванні θ = 0, cos θ = 1. У цьому випадку

При повному несмачіванія θ = 180 °, cos θ = -1 і, отже, h <0 Рівень несмачіваемих рідини в капілярі опускається нижче рівня рідини в посудині, в яку опущено капіляр.

Вода практично повністю змочує чисту поверхню скла. Навпаки, ртуть повністю не змочує скляну поверхню. Тому рівень ртуті в скляному капілярі опускається нижче рівня в посудині.



Новости

Цена гидроизоляции крыши
Во-1-х, этот комплекс действий защищает сооружение от разрушительного воздействия осадков. Без гидроизоляции в строении возникают протечки (а гидроизолирующее покрытие держит воду даже при резких перепадах

Гидроизоляция пола в ванной
Процесс выполнения гидроизоляции Гидроизоляционный раствор следует наносить в 2 этапа: первый слой раствора следует нанести на пол, а через 4-6 часов второй . Как правило, выполняется она специальными

Гидроизоляционная пленка для кровли
Основные разновидности пленочных гидроизоляционных материалов Для защиты крыши от негативного воздействия влаги, могут применяться следующие виды материалов: Именно мембраны считаются оптимальным выбором

Гидроизоляция пола перед стяжкой
В повседневной жизни рано или поздно все сталкиваются с «несанкционированным» проникновением воды из или в помещения проживания. Мы топим, нас топят, или в своем доме на первом этаже появляются непредусмотренные

Гидроизоляционная пленка: Что это, какие бывают пленки, инструкция по монтажу, цены за рулон
Гидроизоляционная пленка – это материал, который используется для защиты здания от влаги, конденсата и атмосферных осадков. Позволяет существенно продлить эксплуатацию не только здания, но и его основных

Организация кровельного пирога - пароизоляция, утепление, гидроизоляция кровли
Принципиально увидеть, что, беря во внимание подобные тенденции, строй компании сразу строят новые дома с мансардой жилого плана, но и обладатели уже построенных особняков также хотят переоборудовать

Обмазочная гидроизоляция для бетона: виды, требование и применение
Задачей строительства является не просто построить здание, но и защитить поверхности от проникновения воды. Фундамент, подвал, полы, крыша всегда соприкасаются с водой. Защиты требуют не только места,

Пароизоляция и гидроизоляция: отличие и назначение
Каждому человеку хочется, чтобы условия проживания в доме были одинаково комфортны как в летний зной, так и в зимнюю стужу. Но что нужно, чтобы создать в доме благоприятную атмосферу? Конечно же, в условиях

Мастика гидроизоляционная: история появления, многообразие видов
Нет необходимости говорить, что гидроизоляция продлевает срок эксплуатации конструктивных элементов зданий и сооружений. Видов защиты от проникновения влаги большое количество. Нас же в этой статье

Гидроизоляция стен от фундамента: материалы, правила
Так как фундамент является основой всего дома, то особое внимание необходимо уделить его гидроизоляции. Она будет надежно защищать строение от попадания внутрь как грунтовых вод, так и поверхностных вод