- •Концепции современного естествознания
- •Оглавление
- •1. Естествознание в мировой культуре
- •1.1. Естествознание, как единая наука о природе
- •1.2. Естественнонаучная и гуманитарная культура, их взаимодействие
- •1.3. Естественнонаучная картина мира
- •2. Структурные уровни организации материи и типы материальных систем
- •3. Концепции современной физики в макромире
- •3.1. Новые технологии и прогресс цивилизации
- •3.2. Механическое движение
- •3.3. Динамика материальной точки и поступательного движения твердого тела
- •3.3.1. Классическая механика и границы ее применения
- •3.3.2. Законы динамики
- •3.3.3. Виды взаимодействия и их учет
- •3.4. Динамика вращательного движения твердого тела
- •3.5. Элементы механики жидкостей
- •3.6. Колебательные и волновые процессы
- •3.6.1. Колебания
- •3.6.2. Свободные, запухающие и вынужденные колебания
- •3.6.3. Автоколебания
- •3.6.4. Волновое движение
- •3.6.5. Звук
- •3.7. Молекулярная физика и термодинамика
- •3.7.1. Основные характеристики и законы молекулярно-кинетической теории идеального газа
- •3.7.2. Основные понятия и законы термодинамики
- •3.7.3. Реальные газы
- •3.7.4. Некоторые свойства жидкостей
- •3.7.4.1. Диффузия в жидкости
- •3.7.4.2. Осмотическое давление
- •3.7.4.3. Поверхностное натяжение, капиллярность и испарение
- •3.8. Электрические и магнитные явления
- •3.8.1. Электрические заряд и поле
- •3.8.2. Постоянный электрический ток
- •3.8.3. Сопротивление однородного проводника. Сверхпроводимость
- •3.8.4. Высокотемпературная сверхпроводимость
- •3.8.5. Ток в жидкостях. Электролиз. Законы Фарадея
- •3.8.6. Газовые разряды. Плазма
- •3.8.7. Магнитное поле
- •3.8.8. Действие магнитного поля на проводник с током и движущийся заряд
- •3.8.9. Электромагнитная индукция
- •3.8.10. Электромагнитные волны и их свойства
- •3.9. Оптические процессы
- •3.9.1.Фотометрические понятия и единицы
- •3.9.2. Основы геометрической оптики
- •3.9.3. Волоконная оптика
- •3.9.4. Интерференция света
- •3.9.5. Дифракция и рассеивание света
- •3.9.6. Поляризация света
- •4. Микромир: концепции современной физики
- •4.1. Тепловое излучение
- •4.1.1. Некоторые примеры использования законов теплового излучения
- •4.2. Фотоэлектрический эффект
- •4.3. Давление света
- •4.4. Модели атома
- •4.5. Основы квантовой механики. Уравнение Шредингера
- •4.6. Принцип неразличимости одинаковых частиц. Принцип Паули. Распределение электронов в многоэлектронных атомах
- •4.7. Поглощение света
- •4.8. Вынужденное излучение
- •4.8.1. Лазерная технология
- •4.9. Понятие о зонной теории твердых тел
- •4.10. Основные характеристики и состав ядра атома
- •4.11. Реакции деления и синтеза атомных ядер
- •4.12. Понятие и типы взаимодействий элементарных частиц
- •5. Мегамир - современные концепции
- •5.1. Современные космологические модели Вселенной и Галактики
- •5.2. Строение и эволюция звезд. Солнечная система. Земля
- •Библиографический список
- •Алфавитно-предметный указатель
- •Часть I
- •644099, Омск, ул. Красногвардейская, 9
3.7.4. Некоторые свойства жидкостей
Для жидкостей характерны свойства, связанные с ее молекулярным строением: диффузия, относительная несжимаемость, внутреннее давление, текучесть, внутреннее трение (вязкость) и, так называемые, поверхностные явления — поверхностное натяжение, смачиваемость и капиллярность и другие.
3.7.4.1. Диффузия в жидкости
Процесс диффузии в жидкостях протекает гораздо медленнее, чем в газах. Однако в случаях больших градиентов концентрации, которые часто имеют место в жидкостях, диффузия может проходить довольно интенсивно в жидкостях, несмотря на малое значение коэффициента диффузии, порядка () м2/с.
Явления диффузии играют важную роль в природе и технике. Благодаря диффузии осуществляется, например, питание растений. Ввиду перепада концентрации питательных веществ внутри корней и вне их поддерживается непрерывный диффузный поток питательных веществ из окружающей почвенной воды в корневую систему. Аналогичную роль играет диффузия в процессах поглощения и проницаемости: крашения, склеивания, отделки текстильных материалов.
3.7.4.2. Осмотическое давление
При растворении в жидкости твердого вещества его молекулы равномерно распределяются во всем объеме жидкости, образуя среду, называемую раствором; жидкость называется растворителем, твердое вещество - растворенным веществом. Концентрацией раствора называется отношение массы растворенного вещества к объему раствора.
Явление диффузии растворителя через полупроницаемую перегородку, отделяющую раствор от чистого растворителя, называется осмосом, а возникающее при этом в растворе избыточное давление (равное парциальному давлению растворенного вещества) — осмотическим давлением., откуда следует что осмотичское давление пропорционально концентрации и температуре раствора и обратно пропорционально молярной массе растворенного вещества (закон Вант-Гоффа).
Явление осмоса играет исключительную роль в жизни растительных и животных организмов. Оболочки живых клеток представляют собой полупроницаемые перегородки; они проницаемы для молекул воды и непроницаемы для молекул сложных органических соединений, создающихся внутри клетки в процессе ее жизнедеятельности. Благодаря этому внутри клетки образуется раствор и возникает осмотическое давление, делающее клетку упругой, как надутый резиновый мяч.
Осмотическое давление в растительных клетках, окруженных водой, может быть весьма значительным. Посредством таких физиологических процессов, как питание, выделение и дыхание поддерживается постоянное осмотическое давление в клетках живых организмов (осморегулирование).
Легко наблюдать явление в следующем общеизвестном факте. Если сушеную ягоду с неповрежденной оболочкой погрузить в воду, то вскоре ягода набухнет, приняв сферическую форму, что
свидетельствует об избыточном давлении внутри ягоды.
Явление осмоса используется в мембранной технологии для очистки от вредных веществ и загрязнений.
3.7.4.3. Поверхностное натяжение, капиллярность и испарение
Напряженное состояние поверхностного слоя жидкости, вызванное силами сцепления между молекулами этого слоя, называется поверхностным натяжением.
Сила поверхностного натяжения определяется по формуле F = al, где а — коэффициент поверхностного натяжения; l - длина контура, ограничивающего поверхность жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения жидкости имеет порядок Н/м (для воды - 0,07, для спирта - 0,02).
Наличием поверхностной пленки обусловлено образование пены на воде, представляющей собой скопление мелких пузырьков воздуха под этой пленкой; пузырьки приподнимают пленку, не прорывая ее. Слипание мокрых волос, мокрых песчинок и т.п. также связано с жидкими пленками, с их стремлением приобрести минимальную поверхность.
На поверхностное натяжение большое влияние оказывают находящиеся в ней примеси. Например, мыло, растворенное в воде, уменьшает ее коэффициент поверхностного натяжения от 0,073 до 0,045 Н/м. Вещество, ослабляющее поверхностное натяжение жидкости, называется поверхностно-активным. Эти вещества находят самое широкое применение в жизни. По отношению к воде поверхностно-активными являются нефть, спирт, эфир, мыло и многие другие жидкости.
Явление поднятия или опускания уровня жидкости в узких трубках (капиллярах), в связи с действием дополнительного давления , гдеа - коэффициент поверхностного натяжения, a R - радиус кривизны трубки, обусловленной искривленной поверхностью, называется капиллярностью.
Капиллярными свойствами обладает всякое пористое тело, например, фильтрованная бумага, сухой мел, разрыхленная почва и т.д. Пористые тела легко пропитываются смачивающими жидкостями и удерживают их. Для несмачивающих жидкостей, наоборот, эти тела являются непроницаемыми. Капиллярные явления играют большую роль в природе и технике, например, для жизни растений, так как
способствуют поднятию воды и питательных растворов из почвы вдоль ствола растения. Процессы смачивания и капиллярности играют существенную роль и учитываются в текстильном производстве товаров для изготовления одежды.
Как известно, в процессе жизнедеятельности человеческого организма происходит постоянное выделение влаги, пота. Влага, (как жидкая, так и парообразная) собирается материалом одежды, а затем в зависимости от свойств этого материала перемещается внутри него и частично удерживается в нем, а частично выделяется наружу. Внутри пододежного пространства, как и в самих материалах одежды, непрерывно протекают капиллярные процессы, что решающим образом сказывается на комфортности и гигиеничности одежды.
На свободной поверхности жидкости происходит процесс испарения, при котором жидкость постепенно переходит в газообразное состояние. Процесс испарения состоит в том, что отдельные молекулы, находящиеся вблизи поверхности жидкости и имеющие более высокую, чем средняя, кинетическую энергию, преодолевают силы притяжения молекул и выходят за пределы жидкости. При этом молекула должна совершать работу против действия молекулярных сил, называемую работой выхода Ав, а также работу Ад против сил внешнего давления (работа расширения). В связи с этим кинетическая энергия молекул уменьшается и переходит в потенциальную энергию молекул пара. Молекулы пара, находящиеся вблизи поверхности жидкости, могут притягиваться ее молекулами и вновь возвращаться в жидкость. Этот процесс называется конденсацией пара. На поверхности жидкости всегда происходят оба процесса: испарение и конденсация. Если количество испаряющихся и конденсирующихся молекул в единицу времени одинаково, то пар находится в динамическом равновесии с жидкостью, и такой пар называется насыщенным. На испарение массы т жидкости при постоянной температуре затрачивается количество теплоты Qn = m, где - удельная теплота испарения. Для воды при 0°С= 2,5-106 Дж/кг. При конденсации пара такое же количество теплоты выделяется.
Для ускорения испарения жидкости весьма важное значение имеет процесс удаления образующегося пара, что в природных условиях выполняет ветер.
Быстро испаряющиеся жидкости (аммиак, этиловый эфир, хлористый этил и т.д.) называются летучими. На этом принципе работает
бытовой холодильник. Принципиальная схема холодильного агрегата представлена на рис. 2.
Рис.2
В испарителе происходит испарение хладоагента. Рабочей жидкостью (хладоагентом) является фреон. Его формула CC12F2 . Под действием компрессора пары фреона поступают из испарителя в цилиндр компрессора и сжимаются адиабатически до давления в несколько атмосфер и нагреваются до температуры 30-40°С. Сжатый пар поступает в конденсатор, проходя через который, сжатый пар охлаждается до комнатной температуры и сжижается. Жидкость снова поступает в испаритель, и рабочий цикл холодильника повторяется. Цикл испарение-конденсация поддерживается с помощью компрессора, на работу которого затрачивается энергия, потребляемая из сети его двигателем (электромотором).
Испарение и конденсация играют исключительно важную роль в процессах влагооборота и теплообмена на земном шаре.