2. Явление смачивания. Избыточное давление

Из практики известно, что капля воды растекается на стекле и принимает форму, изображенную на рис. 9.1, в то же время ртуть на той же поверхности превращается в несколько сплюснутую каплю (рис.9.2). В первом случае говорят, что жидкость смачивает твердую поверхность, во втором – не смачивает ее.

Рис. 9. 1

Рис. 9. 2

Из условия равновесия капли (рис. 9. 1) получаем:

, (9.3)

где – поверхностное натяжение относительно трех сред: твердой (1), жидкой (2), воздуха (3), - краевой угол.

Если - имеет место полное смачивание ( = 0), например: керосин на поверхности стекла.

Если - жидкость стягивается в каплю, имеет место полное не смачивание ( ), например: капля воды на поверхности парафина.

Если поверхность жидкости не плоская, а искривленная, то она оказывает на жидкость избыточное давление. Это давление, обусловленное силами поверхностного натяжения, для выпуклой поверхности, положительно, а для вогнутой поверхности, отрицательно.

Избыточное давление для произвольной поверхности жидкости двоякой кривизны определяется

, (9.4)

где - радиус кривизны, - поверхностное натяжение.

Радиус кривизны положителен, если центр кривизны соответствующего сечения находится внутри жидкости, и отрицателен, если центр кривизны находится вне жидкости. Для вогнутой сферической поверхности результирующая сила поверхностного натяжения направлена из жидкости и равна .

30.

3. Капиллярные явления

Поместим узкую трубку (капилляр) одним концом в жидкость, налитую в широкий сосуд. Если жидкость смачивает материал трубки, то мениск (поверхность жидкости) имеет вогнутую форму, если не смачивает – выпуклую форму (рис. 9. 3).

Рис. 9. 3

Под вогнутой поверхностью появится отрицательное избыточное давление, определяемое по формуле

(9.5)

Наличие этого давления приводит к тому, что жидкость в капилляре поднимается.

Явление изменения высоты уровня жидкости в капиллярах называется капиллярностью. Жидкость в капилляре поднимается или опускается на такую высоту , при которой давление столба жидкости (гидростатическое давление) уравновешивается избыточным давлением , т.е.

(9.6)

- плотность жидкости, – ускорение свободного падения.

Или

(9.7)

- радиус капилляра, - краевой угол.

В тонких капиллярах жидкость поднимается достаточно высоко. Так, при полном смачивании ( =0), вода ( =1000 кг/м³, =0,073Н/м) в капилляре диаметром 10 мкм поднимается на высоту 3 м. В биологии капиллярное явление имеет место при влагообмене в почве и растениях. Он происходит за счет поднятия воды по тончайшим капиллярам.

31.

4. Кристаллическое строение твердых тел

Твердые тела (кристаллы) характеризуются наличием значительных сил межмолекулярного взаимодействия, и сохраняют объем и форму.

Структура, для которой характерно регулярное расположение частиц с периодической повторяемостью в трех измерениях, называется кристаллической решеткой.

Точки, в которых расположены частицы или, точнее, средние равновесные положения, около которых частицы совершают колебания, называются узлами кристаллической решетки.

Кристаллические тела делятся на две группы: монокристаллы и поликристаллы.

Монокристаллы – твердые тела, частицы которых образуют единую кристаллическую решетку. Кристаллическая структура кристаллов обнаруживается по их внешней форме. Углы между соответствующими гранями остаются постоянными. Монокристаллами является большинство минералов (лед, поваренная соль, исландский шпат).

Большинство твердых тел, имеющих мелкокристаллическую структуру, называются поликристаллами (многие горные породы, металлы, сплавы).

Характерной особенностью монокристаллов является их анизотропность, т.е. зависимость физических свойств – упругих, тепловых и т.д. от направления. Поликристаллы – изотропны. В поликристаллах анизотропия наблюдается только для отдельных мелких кристалликов (зерен).

Существует два типа признаков для классификации кристаллов:

кристаллографический,

физический.

В первом случае, (кристаллографический признак кристалла) кристаллическая решетка обладает симметрией. Симметрия кристаллической решетки - ее свойство совмещаться с собой при некоторых пространственных перемещениях.

Всякая кристаллическая решетка может быть составлена повторением в разных направлениях структурного элемента – элементарной ячейки. Она представляет собой параллелепипед, построенный на ребрах с углами , , между ребрами. Эти величины называются параметрами элементарной ячейки.

Во втором случае (физический признак кристаллов) – в зависимости от рода частиц в узлах решетки и характера сил взаимодействия между ними кристаллы делятся на: ионные, атомные, металлические, молекулярные.

В ионных кристаллах в узлах кристаллической решетки находятся ионы противоположного знака. Например: (оксиды металлов). Силы взаимодействия между ионами, в основном, электростатические. Связь, обусловленная кулоновскими силами между противоположно заряженными ионами, - ионная или гетерополярная.

В атомных кристаллах в узлах кристаллической решетки расположены нейтральные атомы, удерживающиеся ковалентными связями квантово – механического происхождения. Примеры атомных кристаллов: алмаз и графит, и т.д. Ковалентные связи осуществляются парами электронов, движущимися по орбитам, охватывающим оба атома.

В узлах кристаллической решетки металлических кристаллов располагаются положительные ионы металла. Между ними движутся свободные электроны, наличие которых обеспечивает хорошую электропроводность металлов. Примерами являются: , т. е. все металлы.

В молекулярных кристаллах в узлах кристаллической решетки располагаются нейтральные молекулы вещества, силы взаимодействия между которыми обусловлены взаимным смещением электронов в электронных оболочках атомов. Молекулярными кристаллами является ряд соединений (парафин, спирт, лед).

Отклонения от упорядоченного расположения частиц в узлах решетки называются дефектами кристаллической решетки.

Наличие дефектов в кристаллической решетке влияет на свойства кристаллов.

32.