Будова і властивості рідин. Поверхневий натяг план

1. Характеристика рідкого стану речовини.

2. Поверхневий шар рідини.

3. Енергія поверхневого шару рідини. Поверхневий натяг.

4. Сила поверхневого натягу*

5. Змочування. Крайовий кут.

6. Меніск. Тиск, який створює викривлена поверхня рідини.

7. Капілярність. Капілярні явища в побуті, природі і техніці.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА РІДКОГО СТАНУ РЕЧОВИНИ. Як відомо, речовина в рідкому стані зберігає свій об'єм, але набуває форми посудини, в яку її налито. З'ясуємо, як це можна пояснити з точки зору молекулярно-кінетичної теорії.

Збереження об'єму рідини доводить, що між її молекулами діють сили притягання. Отже, відстані між молекулами рідини мають бути меншими за радіус молекулярної дії. Якщо навколо якоїсь молекули рідини описати сферу молекулярної дії, то всередині цієї сфери міститимуться центри багатьох інших молекул, які будуть взаємодіяти з вибраною нами молекулою. Ці сили взаємодії утримують молекулу рідини біля її тимчасового положення рівноваги приблизно протягом 10~¹²—10"¹⁰ с, після чого вона перескакує в нове тимчасове положення рівноваги приблизно на відстань свого діаметра. Молекули рідини між перескоками здійснюють коливальний рух навколо тимчасового по­ложення рівноваги. Час між двома перескоками молекули з одного положення в інше називається часом осілого життя. Цей час залежить від виду рідини і температури. При нагріванні рідини середній час осілого життя молекул зменшується.

Протягом часу осілого життя (порядку 10"¹¹ с) більшість молекул рідини перебуває в своїх положеннях рівноваги, і лише невелика ча­стина їх встигає за цей час перейти в нові положення рівноваги. За довший час уже більшість молекул рідини встигне змінити своє місце­положення. Тому рідина має текучість і набуває форми посудини, в якій вона міститься.

Отже, у невеликому об'ємі рідини спостерігається упорядковане розміщення її молекул, а у великому об'ємі воно хаотичне. У цьому розумінні кажуть, що в рідині існує ближній порядок у розміщенні молекул і немає далекого порядку. Таку будову рідини називають квазікристалічною (кристалоподібною).

Рідина може виявляти механічні властивості, притаманні твердому тілу. Якщо час дії сили на рідину малий, то рідина проявляє пружні властивості. Наприклад, при різкому ударі палицею об поверхню води палиця може вилетіти з руки або зламатись; камінь можна кинути так, що він при ударі об поверхню води відскакує від неї, і лише здійснивши кілька стрибків, тоне у воді. Якщо час дії на рідину великий, то замість пружності виявляється текучість рідини. Наприклад, рука легко проникає всередину води.

При короткочасній дії сили на струмину рідини остання проявляє крихкість. Міцність рідини на розрив хоч і менша, ніж у твердих речовин, але мала. Поступається їм за величиною. Для води вона становить 2,5 ■ 10⁷ Па. Стисливість рідини також дуже мала, хоч вона і більша, ніж у тих самих речовин в твердому стані. Наприклад, від збільшення тиску на 1атм об'єм води зменшується на 50 мільйонних часток.

Отже, рідини мають багато властивостей, спільних з властивостями твердих тіл. Проте, чим вищою стає температура рідини, тим більше її властивості наближаються до властивостей густих газів і більше відрізняються від властивостей твердих тіл. Це означає, що рідкий стан є проміжним між твердим і газоподібним станом речовини.

Зазначимо, що при переході речовини з твердого стану в рідкий властивості не так різко змінюються, як при переході з рідкого в газоподібний. Це означає, що, взагалі кажучи, властивості рідкого стану речовини ближчі до властивостей твердого стану, ніж до властивостей газоподібного.

2. ПОВЕРХНЕВИЙ ШАР РІДИНИ. З'ясуємо, чим відрізняються дії молекулярних сил всередині рідини і на її поверхні.

Середнє значення рівнодійної молекулярних сил притягання, прикладених до молекули Му, розміщеної всередині рідини, близьке до нуля. Випадкові флуктуації цієї рівнодійної змушують молекулу М_г здійснювати лише хаотичний рух всередині рідини. Дещо інакша справа з молекулами М₂ і М₃, які лежать у поверхневому шарі рідини.

О пишемо навколо молекули сфери молекулярної дії радіусом г_м порядку 10~⁹ м. Тоді для молекули М₂ у нижній півсфері буде багато молекул, а у верхній — значно менше, бо внизу рідина, а зверху — пара і повітря. Тому для молекули М₂ рівнодійна молекулярних сил притягання в нижній півсфері набагато більша за рівнодійну молекулярних сил у верхній півсфері

Отже, всі молекули рідини, розміщені в поверхневому шарі товщиною, яка дорівнює радіусу молекулярної дії , втягуються всередину рідини. Але простір всередині рідини зайнятий іншими молекулами, тому поверхневий шар створює тиск на рідину, який називають молекулярним тиском.

Якщо всередину рідини потрапляє яке-небудь тіло, то між рідиною і тілом утворюється шар рідини, в якому молекулярні сили напрямлені від тіла всередину рідини, тобто стискають рідину, а на тіло не діють. Звідси випливає, що визначити величину молекулярного тиску на досліді не можна, оскільки він не діє на тіла, занурені в рідину. Теоретичні розрахунки показали, що молекулярний тиск дуже великий, наприклад, для води він порядку 11 • 10⁸ Па, а для ефіру 1,4 • ІО⁸ Па.

Зрозуміло, чому за допомогою зовнішнього тиску важко значно стиснути рідину. Справді, для цього треба створити тиск такого самого порядку, що й молекулярний тиск самої рідини. Оскільки останній дуже великий, то це зробити нелегко. Отже, при не дуже високих тисках практично рідину можна вважати нестискуваною.