Фізика § 7
§ 7. Рідке стан.
1. Поверхневий шар рідини. Рівнодіюча молекулярних сил, що діють на молекули, що знаходяться всередині рідини, дорівнює нулю. На молекули в поверхневому шарі діє рівнодіюча молекулярних сил, спрямована всередину рідини (рис. 7.1). У зв'язку з цим молекули в поверхневому шарі мають надлишкову потенційної енергією, званої вільної енергією. в порівнянні з молекулами, що знаходяться всередині рідини.
Як і всі системи рідина прагне зайняти положення з мінімальною потенційною енергією, тобто зменшити площу вільної поверхні. Це проявляється, наприклад, в тому, що крапля рідини в стані невагомості приймає форму кулі, оскільки куля має мінімальну площу поверхні при заданому значенні обсягу (рис. 7.2).
При скороченні площі поверхні молекулярні сили здійснюють роботу, яка пропорційна зміні площі:
A = S,
тут # 150; коефіцієнт поверхневого натягу.
2. Поверхневий натяг. Прагнення рідини скоротити площу вільної поверхні призводить до виникнення сил поверхневого натягу, що діють на кордон вільної поверхні перпендикулярно до неї, спрямованих по дотичній до поверхні. Найбільш яскраво поверхневий натяг виявляється у мильних плівок.
Нехай на замкнутому контурі, утвореному двома напрямними і рухомий перемичкою, натягнута мильна плівка (рис. 7.3). Прагнучи скоротити площу вільної поверхні, плівка діє на перемичку з силою натягу Fн. яка змушує перемичку переміститися на відстань h. При цьому відбувається робота, яка дорівнює добутку діючої сили на переміщення:
A = Fн h.
З іншого боку, як було показано вище, ця робота дорівнює:
A = S.
На малюнку видно, що зміна площі поверхні плівки дорівнює площі прямокутника:
S = l h,
тоді маємо:
A = l h.
Прирівнюємо отримані для роботи вирази:
Fн h = l h
і після скорочення обох частин на h отримуємо формулу для обчислення сили поверхневого натягу:
Таким чином, сила поверхневого натягу прямо пропорційна довжині кордону вільної поверхні. Отримана формула дозволяє сформулювати наступне визначення:
Коефіцієнт поверхневого натягу чисельно дорівнює силі поверхневого натягу, що діє на одиницю довжини кордону вільної поверхні.
[] = Н / м.
З ростом температури коефіцієнт поверхневого натягу лінійно убуває, а при критичній температурі стає рівним нулю (рис. 7.4).
З торони подібних трикутників ABO і CBD пропорційні, тому можна записати:
Встановлюючи по осях довжини даних відрізків, отримуємо:
Застосовуємо властивість пропорції:
і, висловивши звідси, отримуємо формулу залежності коефіцієнта поверхневого натягу від температури:
Для води, наприклад, в формулу входять параметри:
0 = 0,0756 Н / м. tкр = 374 ° C.
3. Змочування. Якщо молекули рідини притягуються один до одного слабкіше, ніж до молекул твердого речовини, то кажуть, що рідина змочує ця речовина. Наприклад, вода змочує скло і не змочує парафін, ртуть змочує мідь, цинк і не змочує скло.
Змочування можна характеризувати крайовим кутом # 150; кутом між плоскою поверхнею твердого тіла і площиною, дотичною до поверхні рідини, що проходить через точку, що лежить на кордоні вільної поверхні (рис. 7.5). Якщо рідина змочує тверду речовину, то крайової кут гострий, якщо не змочує # 150; тупий.
Зазвичай мірою змочування служить косинус крайового кута, який позитивний в разі, коли рідина змочує тверду речовину, і негативний, коли не змочується. При повному змочуванні, cos = 1, в цьому випадку рідина розтікається по всій поверхні твердого тіла. При повному несмачіванія cos = # 150; 1, крапля рідини на горизонтальній поверхні в цьому випадку повинна мати форму кулі.
4. Капілярні явища. Явище змочування, а також поверхневий натяг є причиною виникнення капілярних явищ.
Капіляр це трубка з вузьким каналом, діаметром менше 1 мм.
Якщо рідина змочує каппіляри, то вона піднімається усередині нього вище рівня вільної поверхні, якщо не змочує, то опускається нижче рівня (рис. 7.6).
Якщо рідина змочує капіляр, то поверхня рідини всередині нього викривляється (ріс.7.7). Прагнення рідини скоротити площу вільної поверхні призводить до виникнення лапласовского тиску. що викликає підйом рідини:
де r # 150; радіус капіляра, cos # 150; міра змочування.
Очевидно, що підйом триває до тих пір, поки тиск стовпа рідини не компенсує лапласовское тиск, тому:
Звідси можна висловити висоту підйому рідини по капіляри:
5. Внутрішнє тертя в рідині. При русі частин рідини один отностительно одного між шарами рідини виникають сили внутрішнього тертя. Причиною їх виникнення є взаємодія молекул.
Сила внутрішнього тертя, що виникає між шарами рідини, що рухаються з різними швидкостями (рис. 7.8), прямо пропорційна різниці швидкостей, площі шарів S і відстані між ними x:
Коефіцієнт в'язкості висловлює залежність сили внутрішнього тертя від роду рідини і чисельно дорівнює силі внутрішнього тертя, що виникає між шарами площею 1 м 2. мають різницю швидкостей 1 м / с, віддаленими на відстань 1 м один від одного.
[] = Па · с.
З ростом температури коефіцієнт в'язкості рідини зменшується.
Наслідком теорії в'язкості є кілька формул, що мають практичне застосування.
1. Сила опору, що діє на кулю радіуса R. рухається у в'язкому середовищі зі швидкістю:
2. Стала швидкість падіння кулі радіуса R. має щільність, в в'язкому середовищі щільністю ж.
3. Обсяг рідини, яка витікає через трубу радіуса r і довжиною l за час t при різниці тиску на кінцях труби p (формула Пуазейля):