ГРУППА 301.  ФИЗИКА. ТЕМА   «Характеристика жидкого состояния вещества»

В отличие от газов между молекулами жидкости действуют достаточно большие силы взаимного притяжения, что определяет своеобразный характер молекулярного движения. Тепловое движение молекулы жидкости включает колебательное и поступательное движения. Каждая молекула в течение какого-то времени колеблется около определенной точки равновесия, затем перемещается и снова занимает новое равновесное положение. Это определяет ее текучесть. Силы межмолекулярного притяжения не дают молекулам при их движении далеко отходить друг от друга. Суммарный эффект притяжения молекул можно представить, как внутреннее давление жидкостей, которое достигает очень больших значений. Этим и объясняются постоянство объема и практическая  несжимаемость  жидкостей, хотя они легко принимают любую форму.

Свойства жидкостей зависят также от объема молекул, формы и полярности их. Если молекулы жидкости полярны, то происходит объединение (ассоциация) двух и более молекул в сложный комплекс. Такие жидкости называют ассоциированными жидкостями. Ассоциированные жидкости (вода, ацетон, спирты) имеют более высокие температуры кипения, обладают меньшей летучестью, более высокой диэлектрической проницаемостью. Например, этиловый спирт и диметиловый эфир имеют одинаковую молекулярную формулу (С₂Н₆О). Спирт является ассоциированной жидкостью и кипит при более высокой температуре, чем диметиловый эфир, который относится к неассоциированным жидкостям.

Жидкое состояние характеризуют такие физические свойства, как плотность, вязкость, поверхностное натяжение.

Поверхностное натяжение.

Состояние молекул, находящихся в поверхностном слое, существенно отличается от состояния молекул в глубине жидкости. 

 Для верхней молекулы в нижней полусфере окажется много молекул, а в верхней – значительно меньше, так как снизу находится жидкость, а сверху – пар и воздух. Поэтому для верхней молекулы равнодействующая молекулярных сил притяжения в нижней полусфере много больше равнодействующей молекулярных сил в верхней полусфере.

Таким образом, все молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое толщиной, равной радиусу молекулярного действия, втягиваются внутрь жидкости. Но пространство внутри жидкости занято другими молекулами, поэтому поверхностный слой создает давление на жидкость, которое называют молекулярным давлением.

Силы, действующие в горизонтальной плоскости, стягивают поверхность жидкости. Они называются силами поверхностного натяжения

Поверхностное натяжение — физическая величина, равная отношению силы F поверхностного натяжения, приложенной к границе поверхностного слоя жидкости и направленной по касательной к поверхности, к длине l этой границы

Единица поверхностного натяжения – ньютон на метр (Н/м).

Поверхностное натяжение различно для разных жидкостей и зависит от температуры.

Обычно поверхностное натяжение уменьшается с возрастанием температуры и при критической температуре, когда плотность жидкости и пара одинаковы, поверхностное натяжение жидкости равно нулю.

Вещества, которые уменьшают поверхностное натяжение, называют поверхностно – активными (спирт, мыло, стиральный порошок)

Чтобы увеличить площадь поверхности жидкости требуется выполнить работу против поверхностного натяжения.

Имеется другое определение коэффициента поверхностного натяжения — энергетическое. Оно исходит из того, что если площадь поверхности жидкости увеличивается, то некоторое количество молекул из ее объема поднимается на слой поверхности. С этой целью внешние силы совершают работу против молекулярных сил сцепления молекул. Величина данной работы будет пропорциональна изменению площади поверхности жидкости:

Коэффициент пропорциональности σ и называется поверхностным натяжением жидкости.

 

Вязкость  (Па·с) – свойство оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой. В практической жизни человек сталкивается с большим множеством жидких систем, вязкость которых различна, – вода, молоко, растительные масла, сметана, мед, соки, патока и т.д.

Вязкость жидкостей обусловлена межмолекулярным воздействием, ограничивающим подвижность молекул. Она зависит от природы жидкости, температуры, давления.

Для измерения вязкости служат приборы, называемые вискозиметрами. Выбор вискозиметра и метода определения вязкости зависит от состояния исследуемой системы и ее концентрации.

Для жидкостей с малой величиной вязкости или небольшой концентрацией широко используют вискозиметры капиллярного типа.

Значение поверхностного натяжения

Понятие поверхностного натяжения впервые ввел Я. Сегнер (1752). В 1-й половине 19 в. на основе представления о поверхностном натяжении была развита математическая теория капиллярных явлений (П. Лаплас, С. Пуассон, К. Гаусс, А.Ю. Давидов).

Во 2-й половине 19 в. Дж. Гиббс развил термодинамическую теорию поверхностных явлений, в которой решающую роль играет поверхностное натяжение. Среди современных актуальных проблем - развитие молекулярной теории поверхностного натяжения различных жидкостей, включая расплавленные металлы.

Силы поверхностного натяжения играют существенную роль в явлениях природы, биологии, медицине, в различных современных технологиях, полиграфии, технике, в физиологии нашего организма.  Без этих сил мы не могли бы писать чернилами. Обычная ручка не зачерпнула бы чернил из чернильницы, а автоматическая сразу же поставила бы большую кляксу, опорожнив весь свой резервуар. Нельзя было бы намылить руки: пена не образовалась бы. Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений. Пострадали бы важные функции нашего организма. Проявления сил поверхностного натяжения столь многообразны, что даже перечислить их все нет возможности.

В медицине измеряют динамическое и равновесное поверхностное натяжение сыворотки венозной крови, по которым можно диагностировать заболевание и вести контроль над проводимым лечением. Установлено, что вода с низким поверхностным натяжением биологически более доступна. Она легче вступает в молекулярные взаимодействия, тогда клеткам не надо будет тратить энергию на преодоление поверхностного натяжения.

Непрерывно растут объёмы печати на полимерных плёнках благодаря бурному развитию упаковочной индустрии, высокому спросу на потребительские товары в красочной полимерной упаковке. Важное условие грамотного внедрения подобных технологий — точное определение условий их применения в полиграфических процессах. В полиграфии обработка пластика перед печатью необходима для того, чтобы краска ложилась на материал. Причина заключается в поверхностном натяжении материала. Результат определяется тем, как жидкость смачивает поверхность изделия. Смачивание считается оптимальным, когда капля жидкости остается там же, где она была нанесена. В других случаях жидкость может скатываться в каплю, либо, наоборот, растекаться. Оба случая в равной степени приводят к отрицательным результатам во время переноса краски.

Некоторые выводы:

1. Жидкость может смачивать и не смачивать твёрдое тело.
2. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от рода жидкости.
3. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры .T ↑σ ↓
4. Высота подъёма жидкости в капилляре зависит от его диаметра. d ↑ h ↓
5. Сила поверхностного натяжения зависит от длины свободной поверхности жидкости. l ↑ F ↑

          При соприкосновении жидкости с твердым телом ее поверхность искривляется по-разному в зависимости от сил взаимодействия между ними.

Угол между касательной к поверхности жидкости и твердого тела называется углом смачивания θ. Если θ < π/2, то жидкость смачивающая, а если θ > π/2, то несмачивающая.

Смачивание – силы притяжения между молекулами жидкости больше, чем между жидкостью и твердым телом	Несмачивание – больше сила притяжения между молекулами жидкости и твердого тела

Смачивание и несмачивание – понятия относительные. Жидкость может смачивать одну поверхность и не смачивать другую.

Капиллярные явления

Капилляр – это тонкая трубка, в которой жидкость может подниматься или опускаться в зависимости от смачивания или несмачивания.

Капиллярные явления – явления изменения высоты жидкости в тонких трубках по сравнению с широкими сосудами.      В трубках с узким сечением поверхность жидкости имеет вид сферы (мениск). Если жидкость смачивающая поверхность сосуда, то образуется вогнутый мениск, если несмачивающая – выпуклый.

 

           Если поверхность жидкости вогнутая, то давление жидкости под ней меньше, поскольку силы поверхностного натяжения направлены из жидкости по касательной к поверхности.

Лапласово давление (давление под поверхностью жидкости) – дополнительное давление, создаваемое силами поверхностного натяжения.

.

Если узкую трубку с открытым концом поместить в жидкость, то жидкость из-за избыточного давления под поверхностью будет подниматься (если жидкость смачивающая) или опускаться (если жидкость несмачивающая), так как избыточного давления нет.

Жидкость поднимается или опускается на такую высоту, на которой выравниваются давления столба жидкости и избыточное давление поверхностного натяжения:

 

Как видим из формулы высота зависит от рода жидкости , плотности жидкости и радиуса капилляра:

  - чем больше  плотность жидкости, тем меньше высота;

  -  чем больше радиус капилляра, тем меньше высота

Тест по физике  «Поверхностное натяжение»

1 вариант

1. Чем вызвано поверхностное натяжение?

А. Притяжением молекул поверхностного слоя к мо­лекулам внутри жидкости.
Б. Отталкиванием молекул поверхностного слоя от молекул внутри жидкости.
В. Действием на молекулы жидкости силы тяжести.

2. От чего зависит коэффициент поверхностного натяже­ния жидкости?

А. Только от рода жидкости и наличия примесей.
Б. Только от температуры жидкости.
В. От рода жидкости, ее температуры и наличия в ней примесей.

3. Какую работу нужно совершить, чтобы выдуть мыль­ный пузырь диаметром 14 см? Поверхностное натяжение мыльного раствора равно 0,04 Н/м.

А. 6,9 ⋅ 10^-3 Дж
Б. 4,9 ⋅ 10^-3 Дж
В. 2,9 ⋅ 10^-3 Дж

4. В каком из сосудов вода смачивает капилляр (рис. 34)?

А. 1 и 2
Б. 3
В. 1 и 3

5. При погружении в воду ка­пиллярной стеклянной трубки радиусом r жидкость в трубке поднялась на высоту h над уровнем жидкости в сосуде. Какой будет высота подъема жидкости в стеклянной трубке радиусом 3r?

А. 3h
Б. h/3
В. Не изменится