Особливості будови рідини дивіться в першій частині лекції 20 Властивості рідин
Найцікавішою особливістю рідин є налічіесвободной поверхні.
Поверхня рідини, не стикається зі стінками посудини, називаетсясвободной поверхнею. Вона утворюється в результаті дії сили тяжіння на молекули рідини.
Рідина. на відміну від газів, не заповнює весь об'єм посудини, в який вона налита. Між рідиною і газом (або парою) утворюється межа розділу, яка знаходиться в особливих умовах у порівнянні з рештою маси рідини. Молекули в прикордонному шарі рідини, на відміну від молекул в її глибині, оточені іншими молекулами тієї ж рідини не з усіх боків. Сили міжмолекулярної взаємодії, які діють на одну з молекул усередині рідини з боку сусідніх молекул, в середньому взаємно скомпенсовані. Будь-яка молекула в прикордонному шарі притягається молекулами, що знаходяться всередині рідини (силами, що діють на дану молекулу рідини з боку молекул газу (або пара) можна знехтувати). В результаті з'являється деяка рівнодіюча сила, спрямована вглиб рідини. Якщо молекула переміститься з поверхні всередину рідини, сили міжмолекулярної взаємодії здійснять позитивну роботу.
Навпаки, щоб витягнути кілька молекул з глибини рідини на поверхню (тобто збільшити площу поверхні рідини), треба затратити позитивну роботу зовнішніх сил ΔAвнеш. пропорційну зміни ΔS площі поверхні:
Коефіцієнт σ називається коефіцієнтом поверхневого натягу (σ> 0) або просто поверхневий натяг.
Коефіцієнт поверхневого натяженіяравен роботі, необхідної для збільшення площі поверхні рідини при постійній температурі на одиницю.
В СІ коефіцієнт поверхневого натягу вимірюється в джоулях на метр квадратний (Дж / м 2) або в ньютонах на метр (1 Н / м = 1 Дж / м 2).
Отже, молекули поверхневого шару рідини мають надлишкову порівняно з молекулами всередині жідкостіпотенціальной енергією.
Потенційна енергія Ep поверхні рідини пропорційна її площі: Ep = Aвнеш = σS.
З механіки відомо, що рівноважним станам системи відповідає мінімальне значення її потенційної енергії. Тобто всяка система мимоволі переходить в стан, при якому її потенційна енергія мінімальна. Значить рідина повинна мимоволі переходити в такий стан, при якому площа її вільної поверхні має найменшу величину. Звідси випливає, що вільна поверхня рідини прагне скоротити свою площу. Оскільки при одному і тому ж обсязі найменша площа поверхні у кулі, то рідина в стані невагомості приймає форму кулі.
З цієї причини вільна крапля рідини приймає кулясту форму. Рідина поводиться так, як ніби по дотичній до її поверхні діють сили, що скорочують (стягують) цю поверхню. Ці сили називаються силами поверхневого натягу.
Сили, що діють в горизонтальній площині і стягують поверхню рідини, називаютсіламі поверхневого натягу.
Наявність сил поверхневого натягу робить поверхню рідини схожою на пружну розтягнуту плівку, з тією лише різницею, що пружні сили в плівці залежать від площі її поверхні (тобто від того, як плівка деформована), а сили поверхневого натягу не залежить від площі поверхні рідини.
Деякі рідини, як, наприклад, мильна вода, мають здатність утворювати тонкі плівки. Всім добре відомі мильні бульбашки мають правильну сферичну форму - в цьому теж проявляється дія сил поверхневого натягу.
Якщо в мильний розчин опустити дротяну рамку, одна зі сторін якої рухома, то вся вона затягнеться плівкою рідини.
Рухома сторона дротяної рамки в рівновазі під дією зовнішньої сили і результуючої сил поверхневого натягу. Сили поверхневого натягу прагнуть скоротити поверхню плівки, тому мильна плівка підніме рухливу рамку вгору на Δx. Для рівноваги рухомий боку рамки до неї потрібно прикласти зовнішню силу.
Якщо під дією сили перекладина переміститися на Δx, то буде проведена робота
де ΔS = 2LΔx - зміна площі поверхні обох сторін за мильну плівку (L - ширина рамки).
Так як модулі сил і однакові, можна записати Fк Δx = σ2LΔx або σ = Fк / 2L
Коефіцієнт поверхневого натяженіяσ чисельно дорівнює силі поверхневого натягу, що діє на одиницю довжини лінії, яка обмежує поверхню.
Поверхневе натяженіеето фізична величина, що дорівнює відношенню сили поверхневого натяженіяF, яка додається до кордону поверхневого шару рідини і спрямованої по дотичній до поверхні, до длінеLетой кордону.
Коефіцієнт поверхневого натягу σ залежить
- від роду рідини;
- від наявності домішок;
- від температури.
Сили поверхневого натягу визначають форму і властивості крапель рідини, мильної бульбашки. Ці сили утримують на поверхні води сталеву голку і комаха водомір, утримують вологу на поверхні тканини.
Чим менше поверхневий натяг, тим легше рідина проникає в тканину (у води - 72,8 мН / м, у мильного розчину - 25 мН / м).
Поблизу кордону між рідиною, твердим тілом і газом форма вільної поверхні рідини залежить від сил взаємодії молекул рідини з молекулами твердого тіла (взаємодією з молекулами газу (або пара) можна знехтувати).
Якщо краплі води помістити на поверхню чистого скла, то вони будуть розтікатися, а якщо на жирну поверхню, то вони візьмуть форму, близьку до форми кулі.
Якщо сили взаємодії молекул рідини з молекулами твердого тіла більше сил взаємодії між молекулами самої рідини, то жідкостьсмачівает поверхню твердого тіла. (Випадок з краплями води на склі)
У цьому випадку рідина підходить до поверхні твердого тіла під деяким гострим кутом θ, характерним для даної пари рідина - тверде тіло. Кут θ називається крайовим кутом.
Крайовий кут -кут між поверхнею твердого тіла і дотичній до поверхні рідини в точці дотику.
Крайові кути смачивающей (1) і несмачіваемих (2) рідин.
Якщо сили взаємодії між молекулами рідини перевершують сили їх взаємодії з молекулами твердого тіла, то жідкостьне змочує поверхню твердого тіла. (Випадок з краплями води на жирній поверхні, ртуттю на склі)
В цьому випадку крайової кут θ виявляється тупим (рис. 1).
При змочуванні θ <0 (острый), при несмачивании θ> 0 (тупий). При повному смачіванііθ = 0. при повному несмачіванііθ = 180 °.
Викривлена поверхня рідини у вузьких циліндричних трубках або близько стінок посудини називаетсяменіском.
Поверхня смачивающей рідини поблизу твердого тіла піднімається, і меніск - увігнутий. У несмачіваемих рідини її поверхню поблизу твердого тіла кілька опускається, і меніск - опуклий.
Особливо добре спостерігається викривлення меніска рідини в тонких трубках, званих капілярами.
Якщо в посудину з рідиною опустити капіляр, то рідина в ньому підніметься або опуститься на деяку висоту h.
Так як площа поверхні меніска більше, ніж площа внутрішнього перерізу трубки, то під дією молекулярних сил іскревленія поверхню рідини прагне випрямитися і цим створює додатковий тиск Pл. яке при змочуванні (увігнутий меніск) направлено від рідини, а при несмачіванія (опуклий меніск) - всередину рідини. Величина цього тиску була визначена французьким фізиком Лапласом, тому його називають лапласовскім тиском.
Лапласовское тиск -додаткове тиск, який створюється викривленою поверхнею рідини.
При змочуванні (увігнутий меніск) воно спрямоване від рідини, а при несмачіванія (опуклий меніск) - всередину рідини.
Для сферичної форми вільної поверхні рідини з радіусом R лапласовское довленіе виражається формулою Pл = 2σ / R
Капілярними явленіяміназивают підйом або опускання рідини в трубках малого діаметра - капілярах.
Змочуючі рідини піднімаються по капілярах, несмачіваемих - опускаються.
Підйом смачивающей рідини в капілярі.
На малюнку зображена капілярна трубка деякого радіуса r. опущена нижнім кінцем в смачивающую рідина щільності ρ.
Верхній кінець капіляра відкритий. Підйом рідини в капілярі триває до тих пір, поки сила тяжіння Fт діюча на стовп рідини в капілярі, не стане рівною за модулем результуючої Fн сил поверхневого натягу, що діють уздовж кордону зіткнення рідини з поверхнею капіляра: Fт = Fн. де сила тяжіння Fт = mg. маса m = ρV = ρh πr 2. тоді Fт = ρh πr 2 g. а значить і сила натягу Fн = σlcosθ = σ2πrcosθ (l = 2πr)
При повному змочуванні θ = 0, cos θ = 1. У цьому випадку h> 0.
При повному несмачіванія θ = 180 °, cos θ = -1 і, отже, h <0.
Рівень несмачіваемих рідини в капілярі опускається нижче рівня рідини в посудині, в яку опущено капіляр.
Вода практично повністю змочує чисту поверхню скла. Навпаки, ртуть повністю не змочує скляну поверхню. Тому рівень ртуті в скляному капілярі опускається нижче рівня в посудині. А рівень води в скляному капілярі піднімається.
Капілярні явища відіграють велику роль в природі і техніці. Безліч дрібних капілярів є в рослинах. В деревах по капілярах волога з грунту піднімається до вершин дерев, де через листя випаровується в атмосферу. У грунті є капіляри, які тим вужче, ніж щільніше грунт. Вода по цих капілярах піднімається до поверхні і швидко випаровується, а земля стає сухою. Рання весняна оранка землі руйнує капіляри, тобто зберігає грунтову вологу і збільшує урожай.
Процес кровообігу пов'язаний з капиллярностью. Кровоносні судини є капілярами.
У техніці капілярні явища мають величезне значення, наприклад, в процесах сушіння капілярно-пористих тіл і т.п. Велике значення капілярні явища мають в будівельній справі. Наприклад, щоб цегляна стіна не сирів, між фундаментом будинку і стіною роблять прокладку з речовини, в якому немає капілярів. У паперовій промисловості доводиться враховувати капілярність при виготовленні різних сортів паперу. Наприклад, при виготовленні паперу її просочують спеціальним складом, закупорюють капіляри. У побуті капілярні явища використовують у гніт, в промокальним папері, в пір'ї для подачі чорнила тощо