Рідкий стан речовини

Рідина займає проміжне положення між газом і кристалами. На даний період немає цілком закінченої та узагальненої теорії рідин. Одна з моделей поводження молекул рідини, запропонована Я.І.Френкелєм, виглядає так. Молекула виконує коливальний рух біля положення рівноваги, епізодично стрибком переміщаючись в нове положення рівноваги. Таким чином, молекула повільно переміщається усередині рідини. При підвищенні температури рухливість молекул сильно зростає і в'язкість рідини зменшується. На внутрішні молекули діють сили з боку сусідніх молекул, а оскільки густина рідини майже не змінюється, то рівнодіюча сила, що діє на внутрішню молекулу, дорівнює нулю. Інакше обстоїть справа з поверхневими молекулами. Вони взаємодіють з молекулами рідини і газу одночасно. А оскільки концентрація частинок газу менше, ніж рідини, то рівнодіюча сила буде спрямована усередину рідини. Це приводить до того, що на поверхні рідини залишиться мінімальна кількість частинок, тобто площа вільної поверхні рідини буде прагнути до мінімуму. Для виходу молекули з глибини на поверхню необхідно виконати роботу, що приводить до збільшення енергії поверхневих молекул. Прагнення зменшити свою поверхню виявляється у виникненні сил поверхневого натягу, які спрямовані по дотичній до поверхні. Розглянемо дротовий П–образный каркас з рухливою перемичкою довжини . Замкнутий контур затягують плівкою, яка відразу ж, прагнучи зменшити свою поверхню, починає піднімати перемичку. Щоб перешкодити цьому, приходиться прикладати зовнішню силу F. Сила поверхневого натягу, що приходиться на одиницю довжини, називається поверхневим натягом і позначається s:

, [Н/м].

Повільно переміщаючи перемичку вниз на відстань dx, сила F, яка дорівнює , виконує роботу . Коефіцієнт 2 з'явився через те, що плівка має два поверхневих шари. Сама рідина здійснює над перемичкою роботу, яка дорівнює , де dS – збільшення площі поверхневого шару. При цьому додаткова кількість молекул переходить із глибини рідини в поверхневий шар, що супроводжується охолодженням рідини. Однак, якщо цей процес проводити повільно, він протікає ізотермічно, і це дає можливість іншої інтерпретації поверхневого натягу. Оскільки робота при ізотермічному процесі відбувається за рахунок збитку вільної енергії: , то можна зробити висновок, що поверхневий натяг дорівнює вільної енергії одиниці вільної поверхні рідини:

.

Слід зазначити, що з ростом температури поверхневий натяг зменшується, звертаючи в нуль при критичній температурі.

Розглянемо найпростіший випадок, коли поверхня рідини сферична. Виділимо думкою на цій поверхні з радіусом кривизни R невелике коло радіуса r (r<<R). Цю ділянку поверхні розтягують сили поверхневого натягу, які спрямовані майже радіально. Завдяки цим силам у рідині виникає додатковий тиск, який називається тиском Лапласа:

,

де R₁ і R₂ – радіуси кривизни в двох взаємно перпендикулярних площинах, перетинання яких збігається з нормаллю до поверхні рідини в цікавлячій нас точці. Обидва радіуси кривизни – величини алгебраїчні. Якщо центр кривизни О поверхні знаходиться усередині рідини, то R > 0, якщо поза рідиною, то R < 0. Відповідно в першому випадку додатковий тиск р > 0, а в другому р < 0.

Явища на межі між середовищами.

Розглянемо краплю рідини на поверхні твердого тіла. Для рівноваги необхідно, щоб усі сили, що діють на елемент контуру, що перпендикулярний малюнкові в точці О, врівноважувалися. Ці сили складаються із сил поверхневого натягу , що діють уздовж границь розділу між середовищами. Рівнодіюча цих сил врівноважується молекулярними силами твердого тіла, що спрямовані вниз. Тому рівновага забезпечується рівністю нулю сумарної проекції сил на горизонтальний напрямок: . Звідки отримаємо:

,

де q – крайовий кут. Його вибирають в області, зайнятою рідиною. Якщо , то говорять, що рідина змочує поверхню твердого тіла. При q ® 0 має місце повне змочування. Якщо , то рідина не змочує поверхню. При q ® p маємо повне незмочування. Наявність крайового кута приводить до скривлення поверхні рідини поблизу стінок посудини. Вигнуті поверхні називають менісками. Усі явища, які зв'язані зі скривленням поверхні рідини, називають капілярними. Якщо капіляр занурити одним кінцем у рідину, то в результаті змочування рівень рідини в ній буде вище, ніж у посудині, а при незмочуванні – нижче. Знайдемо різницю рівнів між рідиною в капілярі радіуса г и в посудині, вважаючи відомими поверхневий натяг s рідини, її густину r і крайовий кут q. Різниця рівнів h повинна бути такою, щоб гідростатична вага стовпа рідини одиничного перетину врівноважувався додатковим тиском Dр під меніском. Будемо вважати, що меніск у капілярі має сферичну форму. Тоді згідно формули Лапласа, з урахуванням того, що , одержимо: , і при рівновазі , тому:

.

Звідси випливає, що різниця рівнів: . Для змочувальної рідини h > 0, тобто рівень рідини піднімається, для незмочувальної h < 0, значить рівень у капілярі опускається.

Дата добавления: 2014-01-04