Характеристика рідкого стану речовини.

Речовина в рідкому стані:

· зберігає свій об'єм,

· приймає форму посудини, в якій вона знаходиться.

Пояснення з точки зору молекулярно-кінетичної теорії:

Збереження об'єму у рідини доводить, що між її молекулами діють сили тяжіння. Отже, відстані між молекулами рідини повинні бути менше радіусу молекулярної дії. Отже, якщо навкруги якої-небудь молекули рідини описати сферу молекулярної дії, то усередині цієї сфери виявляться центри багатьох інших молекул, які взаємодіятимуть з цією молекулою. Ці сили взаємодії утримують молекулу рідини біля її тимчасового положення рівноваги приблизно протягом 10^-12 – 10^-19с, після чого вона перескакує в нове тимчасове положення рівноваги приблизно на відстань свого діаметра Молекули рідини між переходами здійснюють коливальний рух біля тимчасового положення рівноваги.

Час між двома переходами молекули з одного положення в інше називається часом осілого життя.

Цей час залежить від виду рідини і від температури. При нагріванні рідини середній час осілого життя молекул зменшується.

Протягом часу осілого життя більшість молекул рідини утримується в своїх положеннях рівноваги, і лише невелика частина їх встигає за цей час перейти в нові положення рівноваги. За більш довгий час вже більшість молекул рідини встигне змінити своє місцеположення. Тому рідина володіє текучістю і приймає форму судини, в якій вона знаходиться.

Оскільки молекули рідини розташовані майже впритул одна до одної, то, отримавши достатньо велику кінетичну енергію вони хоча і можуть подолати тяжіння своїх найближчих сусідів і вийти з сфери їх дії, але потраплять в сферу дії інших молекул і опиняться в новому тимчасовому положенні рівноваги. Лише ті молекули, що знаходяться на вільній поверхні рідини можуть вилетіти за межі рідини, чим і пояснюється процес її випаровування.

Отже, якщо в рідині виділити дуже малий об'єм, то протягом часу осілого життя в ньому існує впорядковане розташування молекул, подібне їх розташуванню в кристалічній решітці твердого тіла. Потім воно розпадається, але виникає у іншому місці.

Таким чином, весь простір, зайнятий рідиною, як би складається з безлічі зародків кристалів, які, проте, нестійкі, тобто розпадаються в одних місцях, але знову виникають в інших.

Отже, в невеликому об'ємі рідини спостерігається впорядковане розташування її молекул, а у великому об'ємі воно виявляється хаотичним.

В рідині існує ближній порядок в розташуванні молекул і відсутній дальній порядок.

Таку будову рідини називають квазікристалічною (кристалоподібним). Відзначимо, що при достатньо сильному нагріванні час осілого життя стає дуже маленьким і ближній порядок в рідині практично зникає.

Рідина може проявляти механічні властивості, властиві твердому тілу.

Якщо час дії сили на рідину мало, то рідина проявляє пружні властивості.

Наприклад, при різкому ударі палицею об поверхню води палиця може вилетіти з руки або зламатися; камінь можна кинути так, що він при ударі об поверхню води відскакує від неї, і лише вчинивши декілька стрибків, тоне у воді.

Якщо ж час дії на рідину великий, то замість пружності виявляється текучість рідини.

Наприклад, рука легко проникає всередину води.

При короткочасній дії сили на струмінь рідини остання знаходить крихкість.

Міцність рідини на розрив хоча і менше ніж у твердих речовин, але не набагато. Для води вона складає 2,5∙10⁷ Па.

Стисливість рідини теж дуже мала, хоча вона і більше, ніж у цих же речовин в твердому стані.

Розриви усередині рідини, в якій немає сторонніх речовин, наприклад повітря, можуть виходити тільки при інтенсивній дії на рідину, наприклад при обертанні корабельних гвинтів у воді, при розповсюдженні в рідині ультразвукових хвиль. Такого роду порожнини усередині рідини довго існувати не можуть і різко закриваються, тобто зникають. Це явище називають кавітацією (від грецького «кавитас» — порожнина). Кавітація служить причиною швидкого зносу корабельних гвинтів.

Отже, у рідин є багато властивостей, загальних з властивостями твердих тел. Проте чим вище стає температура рідини, тим більше її властивості наближаються до властивостей щільних газів і сильніше відрізняються від властивостей твердих тел. Це означає, що рідкий стан є проміжним між твердим і газоподібним станами речовини.

Взагалі кажучи, властивості рідкого стану речовини ближче до властивостей твердого стану, ніж до властивостей газоподібного.

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 (рис.3.3.7). 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.

Нехай l - довжина лінії, вздовж якої обмежена поверхня розділу.

Коефіцієнт поверхневого натягу дорівнює відношенню 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:

У СІ [s] = Н/м.

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 DE:

A = - DE = - sDS, (3)

де DS - зміна площі поверхневого шару рідини; s - коефіцієнт поверхневого натягу. З рівності (3) знаходимо:

Отже, коефіцієнт поверхневого натягу рідини чисельно дорівнює роботі ізотермічного утворення одиниці поверхні рідини за її незмінного об'єму. За цих умов у СІ [s] = Дж/м².

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 s зменшується. За критичної для певної рідини температури її поверхневий натяг дорівнює нулю. На значення коефіцієнта також впливає наявність у рідині домішок. Речовини, невеликі кількості яких значно зменшують s, 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 s 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. 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 (рис. 3.3.8, а), але не розпливається по забрудненій жиром поверхні і має при цьому форму майже правильної кулі (рис. 3.3.8, б). 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.

Інтенсивність змочування характеризується кутом змочування Q, який утворюється між дотичною до поверхні рідини і поверхнею твердого тіла. Відлік кута виконують у бік рідини (рис.3.3.9, а, б). Якщо - поверхня тіла змочувана, а якщо - незмочувана.

Якщо межа розділу вертикальна, поверхня рідини (меніск) у разі змочування має увігнуту форму (рис. 3.3.9, а). Поверхня рідини за вертикального розміщення тіла внаслідок незмочування має опуклу форму (рис. 3.3.9, б).

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.

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

Опустимо в рідину густиною r капіляр радіусом r 1 мм (рис. 3.3.10).

Нехай рідина змочує стінки капіляра вздовж поверхні розділу "рідина - стінки - пара". По дотичній в кожній її точці будуть діяти сили поверхневого натягу. 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. (4)

Сила поверхневого натягу F_пов = 2prs. Сила тяжіння F_т = mg. Оскільки m = rV = rpr²h, рівність (4) набуде вигляду:

2prs = rpr²hg. (5)

Із рівності (5) знаходимо висоту підняття рідини для циліндричного капіляра:

де h - висота підняття рідини в циліндричному капілярі; s - коефіцієнт поверхневого натягу рідини; r - 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 s, r 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.

Запитання для закріплення матеріалу

1. Які властивості має поверхневий шар рідини?

2. Що називають поверхневим натягом?

3. Виконавши рисунок, установіть фізичний зміст поверхневого натягу як величини, пов'язаної з енергією поверхневого шару рідини.

4. Наведіть приклади дії сил поверхневого натягу.

5. Що називають коефіцієнтом поверхневого натягу? Від чого він залежить? У яких одиницях виміряється коефіцієнт поверхневого натягу в СІ?

6. Що являє собою сила поверхневого натягу? Яка формула виражає зміст цього поняття?

7. Як зміниться сила поверхневого натягу води у разі розчинення в ній мила?

8. Якої форми набувають краплі рідини в умовах невагомості? Чому?

9. Виконавши пояснювальний рисунок, розкрийте фізичну сутність явищ змочування і незмочування.

10. Чому жирові плями на одязі не вдається змити водою?

11. Що називають меніском?

12. Що таке крайовий кут? Яким є його значення у разі змочування? Незмочування?

13. Що називають капілярністю?

14. Обґрунтуйте, у якому випадку рідина в капілярі піднімається, а в якому опускається.

15. Чому фундамент цегляних будинків покривають гарячим бітумом чи обкладають толем?

16. Виведіть формулу, за якою визначають висоту піднімання чи опускання рідини в капілярі.

17. Наведіть приклади врахування і використання капілярних систем у повсякденному житті.