7.1 Поверхностное натяжение

Жидкости, как и твёрдые тела, обладают большой объёмной упругостью, т.е. сопротивляются изменению своего объёма. На поверхности жидкости, действующие на поверхностные молекулы со стороны жидкости и или со стороны газа различны, но т.к. жидкость находится в равновесии, то, следовательно, возникают силы, компенсирующие разницу сил, действующих на поверхностные молекулы. Эти силы называются силами поверхностного натяжения. Сила поверхностного натяжения направлена касательно к поверхности жидкости и перпендикулярна к контуру, ограничивающему поверхность. Установлено, чтоF=αl, где α - коэффициент поверхностного натяжения; l-длина контура.

Коэффициент поверхностного натяжения α численно равен работе, которую необходимо совершить для увеличения поверхности жидкости на единицу площади. Другое определение α. Коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины контура, [α] = H/м

С ростом температуры α уменьшается и при некоторой температуре, называемой критической t_к, α = 0.

α(t)= α₀(1-at). Отсюда следует, что α = 0 при t = 1/a → 1/a=t_к.

α(t)=α₀(1-t/t_к), при t = t_к жидкое и газообразное состояние неразличимы. (о силах притяжения и отталкивания). Единица поверхностного натяжения - ньютон на метр (Н/м) или джоуль на квадратный метр (Дж/м²).

7.2 Внутреннее трение (вязкость)

Вследствие хаотического теплового движения молекул происходит обмен молекулами между слоями газа движущимися с различными скоростями, в результате чего импульс слоя, движущегося быстрее, уменьшается, а движущегося медленнее – увеличивается (происходит перенос импульса от одного слоя к другому). Это приводит к торможению слоя, движущегося быстрее, и ускорению слоя, движущегося медленнее.

Сила внутреннего трения, возникающая в плоскости соприкосновения двух скользящих относительно друг друга слоев, пропорциональна площади из соприкосновения ∆S и градиенту скорости ∆ω/∆х (закон Ньютона).

Коэффициент внутреннего трения не зависит от давления, так как пропорционален произведению <λ>ρ (<λ>- уменьшается, а ρ – увеличивается при возрастании давления).

Если в формуле принять и , то .

То есть вязкость численно равна силе внутреннего трения, действующей на 1м² площади соприкосновения параллельно движущихся слоев газа при градиенте скорости -1с^-1.

Внешнее сходство математических выражений, описывающих явления переноса, обусловлено общностью лежащего в основе явлений теплопроводности, диффузии и внутреннего трения молекулярного механизма перемешивания молекул в процессе их хаотического движения.

7.3 Теплота и температура

Беспорядочное движение микроскопических частиц связано с содержанием в веществе теплоты – особой формы энергии. Эта связь достаточно очевидна на примере зависимости броуновского движения от количества сообщенного телу тепла. Макроскопическая характеристика теплового движения – температура. Температура есть мера содержащегося в теле тепла. Она же определяет направление перехода тепла – от более нагретого тела к менее нагретому. Если температуры тел одинаковы, то передачи тепла от одного тела к другому не происходит. Рассматривая теплоту как форму энергии, необходимо связать ее с кинетической энергией частиц. Чем больше нагрето тело, тем больше и кинетическая энергия его частиц. Таким образом, кинетическую энергию движения частиц так же, как и температуру, можно рассматривать как меру теплового движения. Температура — это макроскопическая характеристика тела, т. е. термодинамическая переменная, в то время как кинетическая энергия характеризует отдельную частицу. Поэтому температура должна быть связана со средней кинетической энергией, приходящейся на одну частицу в системе большого числа частиц. Среднюю кинетическую энергию частиц в системе, состоящей из N частиц, обозначим через <E_k> и определим ее следующим образом: .Если все частицы одинаковы, массу частицы можно вынести из-под знака суммы: .Будем считать что температура T ~ 2<E_k>/3 = m<v²>/3.

Для того чтобы выразить температуру в градусах, нужно ввести коэффициент пропорциональности, показывающий, сколько джоулей соответствует одному градусу. Он называется постоянной Больцмана и, как показывают измерения, равен 1,38·10^‑23 Дж/К, где К означает градус Кельвина – единицу измерения температуры, используемую в физической шкале. Тогда соотношение между температурой в градусах и энергией в джоулях запишется в виде: или .

Принятая в физике шкала температур называется абсолютной шкалой, или шкалой Кельвина. В этой шкале температура замерзания воды, то есть 0°С, соответствует 273,15 градусов Кельвина, что обозначается 273,15 К. При T = 0 всякое тепловое движение частиц в веществе прекращается. Эта температура имеет название абсолютного нуля.Подчеркнем статистический характер определения температуры, поскольку она связана со средней энергией частиц. Поэтому можно говорить лишь о температуре системы достаточно большого числа частиц – макроскопической системы, и нельзя говорить о температуре одной или, допустим, десяти частиц. В процессе измерения температуры происходит обмен теплом между частицами– объектом измерения и измерительным прибором – термометром. Понятие температуры тела приобретает смысл в том случае, если обмен теплом между телом и прибором в процессе измерения температуры мало изменяет состояние тела.