добра фізика 3: Поверхневі явища

Рідини - агрегатний стан речовини
Повторюємо (...вчимо) новий матеріал

1°. Спільне та відмінне між рідинами, тв. тілами і газами.

У твердому агрегатному стані речовини молекули (атоми) розміщуються, як відомо, впритул одна до одної. Через значні міжатомні (міжмолекулярні) взаємодії атоми (молекули) в твердих тілах здійснюють лише коливальний рух відносно положень рівноваги (у кристалах відносно вузлів кристалічних ґраток). Тому потенціальна енергія взаємодії молекул значно більша від їх кінетичної енергії.

Мал.1 Ближній порядок рідини (1-вода) та дальній порядок тв.тіла (2-лід)

У рідинах сили взаємодії між молекулами слабкіші, ніж у твердих тілах і значно сильніші, ніж у газах. Молекула рідини, коливаючись біля певного положення рівноваги, змінює з часом це положення, перескакуючи до інших молекул. Молекули рідини здійснюють коливальний, поступальний і обертальний рухи. У рідинах відстані між молекулами співмірні з їх ефективним діаметром, тому сили взаємодії молекул є значними. У цілому кінетична енергія молекул рідин приблизно дорівнює їх потенціальній енергії. Кожна молекула в рідині, як і в твердому тілі, «затиснута» зі всіх боків сусідніми молекулами і здійснює теплові коливання навколо положення рівноваги. Однак, час від часу молекула може перескочити в сусіднє вакантне місце. Такі переміщення в рідині відбуваються доволі часто; тому рідина зберігає свій об’єм, але не зберігає форми (легко набуває форми , яку має посудина).Це пояснює текучість рідини. Молекули рідини можуть утворювати локальні (нестійкі) впорядковані групи, які складаються з декількох молекул. Це явище називають ближнім порядком .

Будь-яка хімічна однорідна речовина може бути за одних умов у газоподібному стані, а за інших - у рідкому. Водночас за своїми властивостями гази і рідини суттєво відрізняються. Рідини, як і гази, не мають певної форми і набувають форми тієї посудини, в якій знаходяться, але газ, на відміну від рідини, не має власного об'єму і займає будь-який наданий йому об'єм. Об'єм же рідини - сталий. Газ відносно легко стискається, а рідини майже нестисливі. Можливість вільного переміщення молекул рідини одна відносно одної обумовлює їх плинність (текучість).

2°. Поверхневий натяг рідин.

Найбільш характерною властивістю рідини, що відрізняє її від газу, є те, що на межі з газом рідина утворює вільну поверхню. На кожну молекулу рідини діють сили притягання сусідніх молекул. Ці сили для молекул, що знаходяться всередині рідини, взаємно скомпенсовані. Рівнодійна ж сил притягання, що діє на молекули, які знаходяться на поверхні розділу, напрямлена вниз (всередину рідини), тобто молекули поверхні мають так звану надлишкову поверхневу енергію. На поверхні утворюється дефіцит молекул, через що відстань між молекулами набагато більша від норми, тому поверхневий шар рідини розтягнутий і між молекулами на поверхні діють сили притягання або сили поверхневого натягу. Мінімальну поверхню серед тіл певного об'єму має куля. Тому за відсутності (або дуже малої) дії сил рідина набуває форми кулі. Підтвердженням цього є дослід Плато з руху краплини аніліну в посудині з рідиною, густина якої дорівнює густині аніліну.

Мал. 2 Дія сил поверхневого натягу

Нехай L - довжина лінії, котра обмежує поверхню розділу (див. малюнок).

Коефіцієнтом поверхневого натягу називатимемо відношення сили поверхневого натягу F_пов до довжини лінії L, що обмежує поверхню розділу і вздовж якої вона діє по дотичній в кожній точці, перпендикулярно до будь-якого елемента лінії розділу середовищ:

σ = F_пов/L

3°. Поверхнева енергія рідини.

Ми розглянули поверхневий натяг з погляду сил, що діють між молекулами поверхневого шару рідини. Але можливою є і енергетична характеристика поверхневого шару рідини. Якщо під дією сил поверхневого натягу зменшується площа поверхневого шару рідини, енергія цього шару теж зменшується. При цьому сили поверхневого натягу виконують роботу, що дорівнює за модулем і протилежна за знаком зміні енергії поверхневого шару ΔE:

A = - ΔE = - σΔS,

де ΔS - зміна площі поверхневого шару рідини; σ- коефіцієнт поверхневого натягу.

З останнього рівняння знаходимо:

σ = А/ΔS

Отже, коефіцієнт поверхневого натягу рідини чисельно дорівнює роботі ізотермічного утворення одиниці поверхні рідини за її незмінного об'єму.

За цих умов у міжнародній системі одиниць СІ:

[σ] = Дж/м² = Н/м.

Цей коефіцієнт, визначений для всіх рідин і занесений до таблиць, не залежить від довжини контуру, а визначається фізичними властивостями рідини, її станом. Унаслідок підвищення температури коефіцієнт σ зменшується. За критичної, для певної рідини, температури її коефіцієнт поверхневого натягу дорівнює нулю. На значення коефіцієнта також впливає наявність у рідині домішок. Речовини, невеликі кількості яких значно зменшують σ, називають поверхнево-активними речовинами. Поверхнево-активні речовини входять до складу всіх мийних засобів.

Для води поверхнево-активними речовинами є етиловий спирт, ефір, мило, різні пральні порошки. У процесі прання білизни значення σ зменшується як через нагрівання рідини, так і внаслідок введення мийних засобів. Якщо рідина межує з її парою, то взаємодії між молекулами слабкіші і їх можна не враховувати.

4°. Явище змочування та незмочування рідини.

Коли поверхневий шар рідини межує з твердим тілом, то взаємодію молекул рідини і твердого тіла слід враховувати. У повсякденному житті можна спостерігати, що крапля води розпливається по чистій поверхні скла , але не розпливається по забрудненій жиром поверхні і має при цьому форму майже правильної кулі. У першому випадку говорять, що вода змочує поверхню, у другому - не змочує.

Якщо взаємодія молекул рідини менша, ніж їх взаємодія з молекулами контактного твердого тіла, то маємо випадок змочування і навпаки, коли ця взаємодія більша - незмочування.

Мал.4 Явище змочування (1) та незмочування (2) рідини.

Інтенсивність змочування характеризується кутом змочування Θ, який утворюється між дотичною до поверхні рідини і поверхнею твердого тіла. Відлік кута виконують у бік рідини.

Якщо 0≤Θ<π/2 - поверхня тіла змочувана,

а якщо π/2<Θ≤π - незмочувана.

Якщо межа розділу вертикальна, поверхня рідини (меніск) у разі змочування має увігнуту форму. Поверхня рідини за вертикального розміщення тіла внаслідок незмочування має опуклу форму.

Явища змочування і незмочування відіграють важливе значення в побуті і техніці, якби вода не змочувала тіло людини, то марним було б купання. Добре змочування потрібне під час фарбування і прання, паяння, збагачення руд цінних порід та інших технічних процесів.

5°. Капілярні явища.

Явище змочування і незмочування виявляється у піднятті і спусканні рідини в тонких трубках (капілярах). Розглянемо капілярні явища.

Опустимо в рідину густиною ρ капіляр радіусом r.

Нехай рідина змочує стінки капіляра вздовж поверхні розділу "рідина - стінки - пара". По дотичній в кожній її точці будуть діяти сили поверхневого натягу.

Мал.5 Сили, які діють на рідину в капілярі.

Рівнодійна цих сил напрямлена вгору і буде піднімати рідину в капілярі. У широких трубках таке явище не спостерігається через мале значення рівнодійної сил поверхневого натягу, які через великий радіус кривизни поверхні напрямлені переважно в площині поверхні рідини. Підняття рідини в капілярі припиниться тоді, коли сила тяжіння піднятого стовпа рідини зрівноважить силу поверхневого натягу:

F_пов = F_тяж

Підставляючи значення поверхневої сили та сили тяжіння отримаємо наступне співвідношення:

2πRσ∙cosΘ = ρgh∙πR²

З останньої рівності знаходимо висоту підняття рідини в циліндричному капілярі:

h = (2σ∙cosΘ)/ρgR,

де h - висота підняття рідини в циліндричному капілярі; σ - коефіцієнт поверхневого натягу рідини; ρ - густина рідини; R - радіус капіляра; g - прискорення вільного падіння.

Якщо рідина не змочує капіляр, то в цьому разі рівень рідини в ньому буде нижчим від рівня рідини в посудині. Різниця цих рівнів, яку також позначають через h, має таку саму залежність від ρ, σ і R, як і у разі змочування.

Капілярні явища мають велике значення в природі і техніці. Завдяки цим явищам відбувається проникнення вологи з ґрунту в стебла і листя рослин. Саме в капілярах відбуваються основні процеси, пов'язані з диханням і живленням організмів. У тілі дорослої людини приблизно 160·10⁹ капілярів, загальна довжина яких сягає 60 - 80 тис. км.

У будівництві враховують можливість підняття вологи по капілярних порах будівельних матеріалів. Для захисту фундаменту і стін від дії ґрунтових вод та вологи застосовують гідроізоляційні матеріали: толь, смоли тощо.

Завдяки капілярному підняттю вдається фарбувати тканини.

Часто капілярні явища використовують і в побуті. Застосування рушників, серветок, гігроскопічної вати, марлі, промокального паперу можливе завдяки наявності в них капілярів.

Варто прочитати: