Частина I НАВЧАЛЬНИЙ ДОВІДНИК — З ПРИКЛАДАМИ ТА ЗАВДАННЯМИ

МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА І ТЕРМОДИНАМІКА

4. ВЛАСТИВОСТІ РІДИН

• Зберігають об'єм, але не зберігають форму (набувають форми посудини, у яку їх поміщають).

• Основна властивість — плинність.

• Характер молекулярного руху: молекули коливаються відносно положення рівноваги і «перестрибують» в інші позиції. Час «осідлого» життя більший за час переміщень.

• Молекули розташовані на порівняно невеликих відстанях, тому властивості рідини зумовлюються силами взаємодії молекул.

• Під дією сил поверхневого натягу рідина в стані невагомості чи в малій кількості (крапля) набуває форми кулі, оскільки при цьому є мінімальною площа вільної поверхні, а отже, і поверхневої енергії (адже будь-яка система прагне до стану з мінімальною потенціальною енергією).

4.1. ОСОБЛИВОСТІ ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ РІДИНИ

Найбільш характерною властивістю рідкого стану є наявність різкої межі, яка розділяє рідину та її пару.

Молекули рідини, що містяться на її поверхні, притягуються молекулами, які є всередині рідини. Притягання молекул пари, які містяться над поверхнею, є мізерно малим (рис. 4.1, а). Під виливом рівнодійної сили притягання молекули поверхневого шару втягуються всередину рідини, кількість молекул на поверхні зменшується, і вільна поверхня рідини прагне зменшити свою площу (скоротитися).

Це означає:

• вздовж вільної поверхні рідини діють сили, які намагаються скоротити (стягнути) цю поверхню;

• поверхневий шар рідини має надлишкову потенціальну енергію.

Сила поверхневого натягу це сила, яка діє по дотичній до вільної поверхні рідини, перпендикулярно до лінії, що обмежує поверхню, і напрямлена в бік скорочення цієї поверхні (рис. 4.1, б).

♦ Модуль сили поверхневого натягу обчислюють за формулою:

F_пов = ,

де — поверхневий натяг рідини, l — довжина лінії, що обмежує поверхню.

Рис. 4.1

♦ Сила поверхневого натягу не залежить від площі вільної поверхні рідини.

♦ Якщо рідина має дві вільні поверхні, наприклад мильна плівка, то сили поверхневого натягу діють вздовж кожної поверхні.

Поверхнева енергія (енергія поверхневого шару рідини) W_пов — сумарна надлишкова потенціальна енергія молекул поверхневого шару рідини.

♦ Поверхневу енергію обчислюють за формулою:

W_пов = S,

де — поверхневий натяг рідини, S — площа вільної поверхні.

♦ Робота зі зміни площі вільної поверхні рідини дорівнює зміні поверхневої енергії: А = ∆W_пов = ∆S.

Поверхневий натяг рідини а— це фізична величина, яка характеризує властивості поверхневого шару даної рідини:

= =

♦ Одиниця поверхневого натягу рідини в СІ — ньютон на метр (Н/м) або джоуль на метр квадратний (Дж/м²):

[] =

♦ Поверхневий натяг рідини залежить:

1) від роду рідини — у летких рідин (спирт, ефір, бензин) поверхневий натяг менший, ніж у нелетких (ртуть, вода, розплавлені метали);

2) від температури рідини — зі збільшенням температури поверхневий натяг зменшується;

3) від наявності в складі рідини поверхнево активних речовин — наявність таких речовин значно зменшує поверхневий натяг.