18.3 Поверхневий натяг. Формула Лапласа. Надплинність

В рідинах молекули всередині розташовані таким чином, що рівнодійна всіх сил дорівнює нулю. На поверхні рідин ця рівнодійна відмінна від нуля (див. рис. 43).

Для рідин характерним є те, що вони не мають своєї форми, а приймають форму посудини, в якій знаходяться, мають великий коефіцієнт поверхневого натягу та мало стискаються в порівнянні з газами.

Молекули на поверхні рідини мають енергію, яка перевищує енергію тих, що в об’ємі. Звідси поверхневий шар рідини має більшу потенціальну енергію молекул, ніж будь-який інший шар. Різниця між енергією всіх молекул поблизу поверхні тіла, і тою, що ці молекули мали б, якщо б знаходились в середині тіла, називається поверхневою енергією.

Поверхнева енергія , де  - коефіцієнт поверхневого натягу. Він залежить від природи і стану рідини. По загальних правилах механіки похідна від поверхневої енергії по кординаті х вздовж напрямку дії сили є силою поверхневого натягу.

.

При , , де  - довжина контуру.

Сила, віднесена до одиниці довжини контуру, направлена перпендикулярно до цієї лінії, по дотичній до поверхні, називається коефіцієнтом поверхневого натягу , []=Н/м=Дж/м².

Специфіка поверхневого шару: крім появи поверхневого натягу є викривлення поверхні внаслідок взаємодії молекул поверхні з молекулами стінок посудини, в якій знаходиться рідина.

Викривлення поверхні рідини приводить до появи додаткового тиску р, поскільки при цьому рідина прагне скоротитись. Вигнуті поверхні рідини, що змочують стінки посудини, називаються менісками.

Якщо поверхня опукла, то р>0 і навпаки для вгнутої поверхні р<0.

-

формула Лапласа, де:  - коефіціент поверхневого натягу; R₁ та R₂ - радіуси кривизни поверхні в двох взаємноперпендикулярних перерізах, що проходять через цю поверхню. Для сферичної поверхні , тому

.

Задача: Яку силу треба прикласти, щоб відірвати (без зсуву) одну від другої дві змочені фотопластинки розміром 9х12 см? Вважати, що змочування є повним, товщину водяного прошарку вважати рівною 50 мкм.

Розв’язок:

Поверхня рідини, що змочує фотопластинки, має циліндричну форму із радіусом кривизни R=d/2, де d – відстань між пластинками (рис. 45). Додатковий тиск р, під циліндричною вгнутою поверхнею є від’ємним і рівним . В нашому випадку, для циліндричної поверхні, R₁=, R₂=d/2,. р – надлишок зовнішнього тиску. Звідси сила, яку треба прикласти, щоб відірвати пластинки,

.

Явище відсутності в’язкості в рідині називається надплинністю. Воно не пояснюється класичною фізикою. Спостерігається в рідкому гелії-2, який є так званою “квантовою рідиною”. Із надплинністю гелію-2 пов’язане його швидке перетікання з однієї посудини в іншу, коли посудини розділені перегородкою.

18.4 Дальній та ближній порядок

Кожний агрегатний стан характеризується своїм порядком в розташуванні атомів.

Кристали відрізняються від інших тіл дальнім порядком в розташуванні атомів і анізотропією.

При дальному порядку велика кількість атомів розташована впорядковано навколо будь-якого вибраного нами атома.

Дальній порядок означає, що кристал можна побудувати шляхом переміщення (трансляції) найменшої або елементарної одиниці, яка називається елементарною коміркою.

Для рідкого стану характерним є ближній порядок розташування атомів. При цьому відносно невелика кількість атомів навколо будь-якого розташована впорядковано. Найважливішою властивістю рідини є також плинність.

Для газів характерним є хаотичне розташування атомів.

Існують рідини, які мають дальній порядок розташування атомів. До того ж молекули певним чином орієнтовані в таких рідинах. Тому такі рідини називаються рідкими кристалами. Для рідких кристалів характерною особливістю є також анізотропія властивостей до них відносяться деякі органічні сполуки, а також декілька тисяч неорганічних сполук. Застосовуються в електроніці, медицині, системах відтворення інформації.