- •4.2.3.Основное уравнение молекулярно-кинетической теории
- •4.2.4.Внутренняя энергия идеального газа.
- •4.2.4.1. Число степеней свободы молекулы
- •4.2.4.2.Теорема о равнораспределении энергии по степеням свободы молекулы
- •4.2.4.3.Внутренняя энергия идеального газа
- •4.3.1.2.Термодинамическая система
- •4.3.1.3.Термодинамические параметры.
- •4.3.1.4. Равновесное состояние. Равновесные процессы.
- •4.3.2.2. Законы и уравнения термодинамики идеального газа
- •4.3.3. Внутренняя энергия термодинамической системы.
- •4.3.4.Первое начало термодинамики.
- •4.3.5.Теплоемкость идеального газа.
- •4.3.5.1.Понятие теплоемкости.
- •4.3.5.2. Изохорическая теплоемкость.
- •4.3.5.3. Изобарическая теплоемкость.
- •4.3.5.4.Теплоемкость в других изопроцессах
- •4.3.5.5.Трудности классической теории теплоемкости.
- •4.4.5.2.Изобарический процесс
- •4.7.Конденсированное состояние вещества.
- •4.7.1.Жидкости
- •4.7.2.Поверхностное натяжение
- •4.7.3.Смачивание. Капиллярные явления
4.7.3.Смачивание. Капиллярные явления
Поверхностное натяжение твердых тел можно обнаружить косвенным путем, наблюдая явления, происходящие на границе твердого тела с жидкостью.
Если при соприкосновении жидкости с твердым телом взаимодействие между их молекулами более сильно, чем взаимодействие между молекулами самой жидкости, то жидкость будет стремиться увеличить поверхность соприкосновения и растечется по твердому телу. В этом случае говорят, что жидкость смачивает твердое тело. Когда взаимодействие между молекулами твердого тела и молекулами соприкасающейся с ним жидкости более слабое, чем между молекулами самой жидкости, то жидкость будет стремиться сократить поверхность соприкосновения с твердым телом. В этом случае говорят, что жидкость не смачивает твердое тело.
Одна и та же жидкость смачивает одни твердые тела и не смачивает другие. Например, вода смачивает стекло и не смачивает парафин; ртуть не смачивает стекло и смачивает чистую поверхность железа.
Рассмотрим каплю жидкости на поверхности твердого тела (рис. 4.7.6.).
Рис. 4.7.6.
Для мелкой капли в первом приближении можно не учитывать действия силы тяжести и считать, что ее форма устанавливается под влиянием взаимодействия трех сред: жидкости Ж, твердого тела Т, воздуха или газа Г. Эти три среды имеют общую границу - окружность, ограничивающую каплю. На единицу длины этой окружности будут действовать сила поверхностного натяжения α12 между твердым телом и жидкостью, сила поверхностного натяжения α13, между жидкостью и воздухом и сила поверхностного натяжения α23 по границе между твердым телом и воздухом. Равнодействующая этих сил, когда капля находится в равновесном состоянии, равна нулю. Условием равновесия капли, как следует из рис. 4.7.6, будет равенство
α23 = α12 + α13·cosθ (4.7.13)
Угол θ между касательными к поверхности твердого тела и к поверхности жидкости, отсчитываемый внутри жидкости, называют краевым.
Если α23 > (α12 + α13), то ни при каком значении краевого угла θ равновесия быть не может и капля будет растекаться по поверхности твердого тела, покрывая ее тонкой пленкой (рис. 4.7.7, а).
Рис. 4.7.7.
Это явление называют полным смачиванием. Другой крайний случай имеет место для α12 > (α23 + α13). При этом окружность, ограничивающая каплю, стягивается, и капля приобретает эллипсоидальную форму (рис. 4.7.7, б) или сферическую, если она достаточно мала. Это явление полного несмачивания. Равновесное значение краевого угла определяется из соотношения:
(4.7.14)
Если α23>α12, то угол θ - острый. В этом случае имеет место частичное смачивание. При α23<α12 угол θ - тупой. В этом случае имеет место частичное несмачивание.
Поверхность смачивающей жидкости, находящейся в узких трубочках (капиллярах), принимает вогнутую форму (рис. 4.7.8, а), а несмачивающей жидкости — выпуклую (рис. 4.7.8, б). Такие изогнутые поверхности жидкости называют менисками.
Рис. 4.7.8.
Рассмотрим случай, когда капилляр погружен одним концом в жидкость, налитую в широкий сосуд. Если капилляр представляет собой круглую цилиндрическую трубку с радиусом канала r и жидкость смачивает его стенки, то мениск в нем будет иметь сферическую форму (рис. 4.7.9).
Рис. 4.7.9.
Под этим мениском давление жидкости будет на Δр меньше, чем в широком сосуде, где поверхность жидкости практически плоская. Поэтому в капилляре жидкость поднимается на высоту h, при которой вес столба жидкости в нем уравновесит отрицательное дополнительное давление, обусловленное кривизной мениска:
(4.7.15)
где .
Из рис. 4.7.9 видно, что и, следовательно,
(4.7.16)
Тогда из (4.7.15) и (4.7.16) имеем
(4.7.17)
Таким образом, высота поднятия смачивающей жидкости в капилляре тем больше, чем меньше его радиус, т. е. чем уже капилляр. Очевидно, эта же формула позволяет определить и глубину опускания в капилляре несмачивающей жидкости.
1 Для реального газа (см.п.4.6) уравнение изотермы представляется уравнением Ван-дер-Ваальса:, где добавка к давлению учитывает взаимное притяжение реальных молекул, а величина « b » - учитывает собственный объем реальных молекул.