2413

Энергия поверхностного слоя жидкости изменяется пропорционально площади слоя S :

E S ,

где – коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

Любое жидкое вещество сохраняет свою геометрическую форму при минимальной энергии поверхностного слоя и при заданном объёме у него должна быть наименьшая площадь поверхности. Поэтому жидкость стремится сократить площадь своей свободной поверхности. В этом случае поверхностный слой жидкости можно уподобить растянутой упругой пленке, в которой действуют силы натяжения.

Рассмотрим поверхность жидкости, ограниченную замкнутым криволинейным контуром (рис.22).

Под действием сил поверхностного натяжения, направленных по касательной к поверхности жидкости и перпендикулярно участку контура стремящихся сократить поверхность до минимума, рассматриваемый контур переместится в положение, обозначенное светло-серым цветом.

Силы, действующие со стороны выделенного участка на граничащие с участки, совершают работу

A f l x ,

где f – сила поверхностного натяжения, действующая на единицу длины

контура поверхности жидкости.

Данная работа совершается за счет уменьшения поверхностной энергииA E . Учитывая, что x l S получаем f x l = S . Отсюда

f .

Таким образом поверхностное натяжение численно равно силе поверхностного приходящейся на единицу длины контура, ограничивающего поверхность. Единица → 1 Н/м

Выводы:

Поверхностное натяжение существенным образом зависят от примесей, имеющихся в жидкостях.

Вещества, которые ослабляют поверхностное натяжение жидкости, называются поверхностно – активными.

Наиболее известными поверхностно – активными веществами по отношению к воде является мыло и различные стиральные порошки.

Смачивание

Смачивание – это явление искривления свободной поверхности жидкости при соприкосновении жидкости с поверхностьютвердого тела(рис.23, а).

51

Явление смачивания зависит от характера сил, действующих между молекулами поверхностных слоев соприкасающихся тел 1, 2 и 3.

Рис.23

Краевым углом называют угол между касательными к поверхности жидкости и твердого тела.

Капля воды растекается на стекле, а ртуть на той же поверхности превращается в несколько сплюснутую каплю.

Жидкость смачивает твердое тело, если краевой угол острый:

0 2 .

Вода смачивает стекло в связи с тем, что силы притяжения между молекуламижидкостиитвердоготелаздесьбольше, чеммеждумолекулами самой жидкости. При таких условиях жидкость стремится увеличить поверхность соприкосновения с твёрдым телом.

Жидкость не смачивает твердое тело, если краевой угол тупой (см.

рис. 23, б):

2 .

Ртуть не смачивает стекло в связи с тем, что силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела здесь меньше, чем между молекулами жидкости. При таких условиях данная жидкость стремится уменьшить поверхность своего соприкосновения с твёрдым телом.

Жидкость, смачивающая одну твердую поверхность, может не смачивать другую. Примерами являются вода смачивающая стекло и не смачивающая парафин; ртуть не смачивающая стекло и не смачивающая чистые поверхности металлов. Поэтому физические понятия «Смачивание» и «Несмачивание» являются относительными.

Капиллярные явления

Капиллярные явления – это явления, которые обусловлены изменениями высоты уровня жидкости h в узких цилиндрических трубках (капиллярах) срадиусомr ≤0,5 ммипомещённыходнимконцомвжидкостьналитую в широкий сосуд (рис.24).

Вследствие смачивания или несмачивания жидкостью стенок трубки поверхность жидкости внутри неё становится искривлённой и приобретает

52

форму мениска. Если жидкость смачивает материал трубки, то мениск поверхность жидкости имеет вогнутую форму (рис. 24, а), если не смачивает – выпуклую форму (рис. 24, б).

Рис.24

Избыточное давление p – это давление на искривленную поверхность жидкости, обусловленное силами поверхностного натяжения f .

По закону Лапласа избыточное давление оценивается из уравнения

р 2R ,

где – коэффициент поверхностного натяжения жидкости; R – радиус кривизны поверхности жидкости.

Избыточное давление p для выпуклой поверхности положительно по знаку p 0 , а для вогнутой – отрицательное по знаку p 0 .

Жидкостьвкапилляреподнимаетсяилиопускаетсяподдействиемэтого

Отсюда высота поднятия (или глубина опускания) жидкости в капилляре равна:

h 2 2 cos ,

gR gr

где – плотность жидкости;

r – радиус капилляра;

R – радиус кривизны поверхности жидкости; g – ускорение свободного падения.

Из анализа последнего уравнения следует, что высота поднятия (опускания) жидкости в капилляре изменяется обратно пропорционально радиусу капилляра r.

53

Если жидкость смачивает твёрдое тело, то высота его поднятия в капиллярах достаточно большая. Например, вода в капилляре диаметром d=2r=10 мкм с учётом её плотности =1000 кг/м и коэффициента поверх-

ностного натяжения =0,073 Н/м поднимается при условии смачивания ( =0) на высоту h 3 м.

Твёрдые тела: кристаллические и аморфные

Твёрдые тела следует рассматривать как агрегатные состояния вещества, характеризующиеся постоянством формы и объёма. Структурные элементы (атомы, молекулы, ионы) из которых состоят твёрдые тела, участвуют в тепловых движениях. Тепловые движения представляют собой хаотические колебания частиц относительно положений равновесия.

Кристаллические тела – это твёрдые тела, имеющие упорядоченное, периодически повторяющееся расположение частиц (атомов, молекул, ионов).

Кристаллическая решётка – это пространственная структура, для которой характерно регулярное расположение частиц с периодической повторяемостью в трёх измерениях x, y, z.

Узлы кристаллической решётки – это точки, в которых расположены частицы. Колебания в твердых телах происходят относительно частиц, расположенных в узлах.

Аморфные тела – это твёрдые тела, физические свойства которых одинаковы по всем направлениям ( i , j , k ) в пространстве. Поэтому у этих тел

наблюдается изотропия свойств.

Для аморфных тел и жидкостей, характерен ближний порядок в расположении частиц. В отличие от жидкостей подвижность частиц в них довольно мала.

Особенностью аморфных тел является отсутствие у них определенной точки плавления. Поэтому невозможно определить температуру, выше которой можно было бы наблюдать жидкое состояние вещества, а ниже – твердое состояние вещества.

Экспериментально установлено, что в аморфных телах с течением временем может наблюдаться процесс кристаллизации. Например, в стекле появляются кристаллики и оно, теряя пластичность, начинает мутнеть и превращаться в поликристаллическое тело.

Полимеры – это органические аморфные тела. Молекулы у этих тел имеют довольно сложное строение, состоящее из большого числа одинаковых длинных молекулярных цепочек, объединённых химическими связями. К полимерам относятся каучук, клетчатка, пластмасса, резина и другие искусственные пластмассы.

Полимерыимеютвысокуюпрочностьиэластичность. Некоторыеизних выдерживают удлинение в 5 10 раз превышающее их первоначальную длину l0 .

54

Моно- и поликристаллы

Моно- и поликристаллы – это твёрдые тела, частицы которых образуют единую кристаллическую решетку. К монокристаллам относится большинство минералов.

По закону постоянства углов внешняя форма монокристаллов одного вида может быть различной, но углы между соответствующими гранями у них остаются постоянными.

Крупными монокристаллами в природе являются лёд, поваренная соль, исландский шпат, а другие из них встречаются довольно редко.

В настоящее время разработана технология по выращиванию многих монокристаллов. Такие кристаллы названы искусственными.

Анизотропиямонокристалловобусловленазависимостьюихупругих, механических, тепловых, электрических, магнитных и оптических свойств

от направлений ( i , j , k ) в пространстве.

Объясняется это явление неодинаковой плотностью расположения частиц по граням кристаллической решетки по разным направлениям указанным пунктирными линиями на рис.25. В связи с этим свойства кристаллов вдоль этих направлений различаются и в этом состоит проявление анизотропии.

кристаллических зерен.

Анизотропия в поликристаллах наблюдается только для отдельных кристалликов, но их различная ориентация приводит к тому, что свойства поликристалла по всем направлениям в среднем одинаковы.

Поэтому можно считать, что поликристаллы обладают свойством изотропии.

Изотропны аморфные твердые тела представляют собой переохлаж-

денные жидкости.

Классификация кристаллов проводится по двум признакам:

1.Кристаллографический признак учитывает периодичность в пространственном расположении частиц. Каждая из частиц рассматривается как точка в пространстве;

2.Физический признак учитывает природу частиц, расположенных в узлах кристаллической решетки и характер сил взаимодействия между ними.

55

Кристаллографический признак кристаллов

Согласно кристаллографическому признаку, кристаллическая ре-

шетка может обладать различными видами симметрии.

Симметрия кристаллической решетки связана с её свойством совме-

щаться с собой при некоторых пространственных перемещениях. Примерами таких перемещений являются параллельные переносы, повороты, отражения или их комбинации и т.д.

Кристаллической решетке присущи 230 комбинаций элементов симметрии, или 230 различных пространственных трупп.

С переносной симметрией в трехмерном пространстве связывают понятие трехмерной периодической структуры названной пространственной решеткой или решеткой Бравэ.

Всякая пространственная решетка может быть составлена повторением в трех различных направлениях одного и того же структурного элемента названного элементарной ячейкой.

Вкристаллофизикеиспользуют14 типоврешетокБравэ, которыеразличаются по виду переносной симметрии. Решётки Бравэ распределяются по семи кристаллографическим системам или сингониям, представленным в порядке возрастающей симметрии в табл. 3.

Таблица 3

56

Типы кристаллов согласно физическому признаку

Согласно физическому признаку, кристаллы подразделяют на сле-

дующие типы:

1.Ионные кристаллы

Вузлах кристаллической решетки ионных кристаллов поочередно располагаются ионы с противоположными знаками зарядов. Типичный представитель таких кристаллов поваренная

соль NaCl с ионами Na и Cl изображён на рис.26.

Связь в ионных кристаллах обусловлена кулоновскими силами притяжения между разноименно заряженными ионами. По этой причине данная связь называется ионной связью.

2.Атомные кристаллы

Вузлах кристаллической решетки атомных кристаллов располагаются нейтральные атомы. Атомы удерживаются в узлах решётки ковалентными связями квантово-механического происхождения. У соседних атомов кристалла обобществлены валентные электроны, наименее связанные с

атомом. Типичными представителями атомных кристаллов являются алмаз, графит, германий и т.д. Структура кристаллической решетки алмаза изображена на рис.27.

Металлические кристаллы

В узлах кристаллической решетки металлических кристаллов располагаются положительные ионы металла. При образовании кристаллической решетки валентные электроны, слабо связанные с атомами, отделяютсяотатомовиколлективизируются. При таких условиях они уже принадлежат не

одному атому, как в случае ионной связи, и не соседним атомам, как в случае ковалентной связи, а всему кристаллу в целом.

Молекулярные кристаллы

В узлах кристаллической решетки молекулярных кристаллов располагаются нейтральные молекулы вещества. Силы взаимодействия

между нейтральными молекулами обусловлены незначительным взаимным смещением электронов в электронных оболочках атомов.

57

Эти силы, названные ван-дер-ваальсовыми, имеют такую же природу, что и силы притяжения, действующие между молекулами приводящими к отклонению газов от идеальности.

Дефекты в кристаллах

Дефекты кристаллической решетки, представляют собой отклонения частиц от их упорядоченного расположения в узлах кристаллической решетки.

Существуют следующие типы дефектов:

Макроскопические дефекты возникающие в процессе образования

ироста кристаллов. К ним относятся трещины, поры, инородные макроскопические включения.

Микроскопические дефекты, обусловленные микроскопическими отклонениями от периодичности в расположении частиц (рис.28).

К микроскопическим дефектам отнесены:

I. Точечные дефекты нарушают ближний порядок в расположении частиц. К таким дефектам отнесены:

1) «Вакансия» при условии отсутствия атома в узле кристаллической решетки (рис. 28, а).

2) «Междоузельный атом», когда атом внедряется в междоузельное пространство (рис. 28, б).

3) «Примесный атом», когда атом примеси замещает атом основного вещества в кристаллической решетке (рис. 28, в), либо внедряется в междоузельное пространство (рис. 28, б).

Рис.28

II. Линейные дефекты нарушают дальний порядок в расположении частиц. К таким дефектам отнесены:

1) «Дислокации», которые связаны с нарушением правильного чередования атомных плоскостей (рис.29).

Рис.29

58

Еслиоднаизатомныхплоскостейобрываетсявнутрикристалла, токрай этойплоскостиобразуеткраевуюдислокацию(рис.29, а). Вслучаевинтовой дислокации (рис.29, б) ни одна из атомных плоскостей внутри кристалла не обрывается, а сами плоскости лишь приблизительно параллельны и смыкаются друг с другом. При таких условиях кристалл состоит из одной атомной плоскости, изогнутой по винтовой поверхности.

Дислокации никогда не обрываются. Они либо выходят наповерхность, либо разветвляются. Поэтому в реальном кристалле образуются плоские или пространственные сетки дислокаций.

Испарение, сублимация, плавление и кристаллизация

Парообразование вещества – это процесс перехода вещества из жидкого агрегатного состояния в газообразное.

Испарение вещества – это парообразование происходящее со свободной поверхности жидкости при любой температуре Т.

Сублимация (возгонка) вещества – это испарение твёрдых тел.

Конденсация вещества – это переход вещества вследствие его охлаждения или сжатия их газообразного состояния в конденсированное (жидкое или твердое). В процессе конденсации происходит компенсация испарения.

Плавление вещества – это переход вещества из кристаллического (твёрдого) состояниевжидкоеагрегатноесостояние. Плавлениепроисходит при определенной температуре плавления Tпл (рис. 30, а). Данная температура зависит от внешнего давления р. При увеличением внешнего давления р температура плавления Tпл. возрастает.

Кристаллизация (затвердевание) вещества – это переход вещества из жидкого агрегатного состояния в кристаллическое (твёрдое). Для химически чистой жидкости этот процесс (рис. 30, б) идёт при постоянной температуре кристаллизации Tкр. Температура кристаллизации равна температуре плавления Tкр = Tпл.

Для возникновения кристаллизации необходимо наличие примесей и пылинок. Все они выполняют функцию центров кристаллизации.

Переход твёрдого вещества в жидкое агрегатное состояние осуществляется при подводе тепловой энергии Q . Этот процесс описывается зависи-

мостью температуры вещества Т Т(Q) количество теплоты, полученной

телом.

Переход жидкого вещества в твёрдое агрегатное состояние осуществляется при отводе тепловой энергии Q ' . Этот процесс описывается зави-

симостью температуры вещества T от количества теплоты Q ' , отданной телом Т Т(Q ) .

Типичная зависимость температуры твёрдого кристаллического вещества T от подводимой к твёрдому веществу тепловой энергии Q , а

59

также температуры жидкого вещества T от отводимой от него тепловой энергии Q представлена на рис.30 а и б.

Рис.30

Фаза вещества представляет собой термодинамически равновесное состояние вещества. Данное состояние вещества отличается по физическим свойствам от других возможных равновесных состояний того же вещества.

Например, вода в закрытом сосуде является двухфазной системой, содержащей жидкую фазу (вода) и газообразную фазу (смесь воздуха с водяными парами).

Когда в воду бросают кусочек льда, то такая система становится трехфазной. В этой системе лед является твердой фазой.

Следует усвоить, что понятие «фаза вещества», используется в смысле агрегатного состояния вещества, Однако необходимо учитывать, что понятие «фаза вещества» более широкое, чем понятие «агрегатное состояние вещества».

Фазовый переход означает переход вещества из одной фазы в другую. Фазовые переходы всегда связаны с качественными изменениями

свойств вещества. Примерами фазовых переходов являются:

изменения агрегатного состояния вещества в процессах плавления твёрдых тел, испарения жидких тел, конденсации газообразных тел, затвердевании жидких тел и сублимации твёрдых тел (рис.31);

Рис.31

60