Контрольные вопросы

1. Сформулируйте законы идеального газа.

2. Почему процесс сжатия воздуха в упражнении 1 можно считать изотермическим?

3. Какие условия должны выполняться, чтобы, определяя параметры газа, можно было воспользоваться законом Бойля-Мариотта?

4. Почему процесс охлаждения воздуха в упражнении 2 можно считать изобарным?

5. Какие условия должны выполняться, чтобы, определяя параметры газа, можно было воспользоваться законом Гей-Люссака?

II. Жидкости

Жидкость является агрегатным состоянием вещества, промежуточным между газообразным и твердым, поэтому она обладает свойствами как газообразных, так и твердых веществ. Жидкости, подобно твердым телам, обладают определенным объемом, а подобно газам, принимают форму сосуда, в котором они находятся.

Для кристаллического состояния характерно упорядоченное расположение частиц (атомов и молекул), а в газах в этом смысле царит полный хаос. Согласно рентгенографическим исследованиям в отношении характера расположения частиц жидкости также занимают промежуточное положение. В расположении частиц жидкости наблюдается так называемый ближний порядок. Это означает, что по отношению к любой частице расположение ближайших к ней соседей является упорядоченным. Однако по мере удаления от данной частицы расположение по отношению к ней других частиц становится все более и более неупорядоченным, и довольно быстро порядок расположения частиц полностью исчезает.

Молекулы жидкости совершают колебания около временных положений равновесия. Побыв некоторое время в таком состоянии, молекула «перескакивает» в другое место и снова какое-то время живет в этом месте «оседлой жизнью». В таком состоянии молекулу жидкости удерживают упругие силы, обусловленные действием соседних молекул, расположенных на близком расстоянии. Молекулярные силы очень быстро убывают с увеличением расстояния.

При сближении молекул друг с другом силы взаимного притяжения до определенного расстояния возрастают, при некотором расстоянии между молекулами силы взаимодействия превращаются в нуль, если же расстояние между молекулами жидкости , то вступают в действие силы отталкивания. В жидкости молекулы в основном находятся на расстоянии друг от друга меньшем , т. е. в жидкости преобладают силы отталкивания. Этим объясняется слабая сжимаемость жидкостей.

М олекулы жидкости, расположенные на поверхности, находятся в особом состоянии, например, молекулы и (рис.2.1). Действие на эти молекулы со стороны молекул жидкости больше, чем со стороны молекул воздуха, и поэтому равнодействующая всех действующих на молекулу и молекулярных сил направлена внутрь жидкости нормально к ее поверхности. Отсюда следует, что на все молекулы, расположенные в тонком поверхностном слое, действуют силы, стремящиеся втянуть их внутрь жидкости. Благодаря этому поверхностный слой давит с силой на жидкость, создавая в ней так называемое внутреннее или молекулярное давление.

Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избытком энергии сравнительно с молекулами, находящимися внутри жидкости. Эта избыточная энергия называется свободной поверхностной энергией.

Указанными свойствами поверхностного слоя обусловлено особое его состояние, которое подобно состоянию натянутой упругой пленки, стремящейся сократить свою поверхность до малых размеров. Это стремление жидкости сократить свою свободную поверхность называется поверхностным натяжением.

Силы поверхностного натяжения направлены по касательной к поверхности жидкости и действуют нормально к любой линии, проведенной на этой поверхности.

Для количественной характеристики силы поверхностного натяжения жидкости вводят коэффициент поверхностного натяжения , который численно равен силе , действующей на единицу длины произвольной линии , мысленно проведенной на поверхности жидкости:

(Н/м).

Коэффициент поверхностного натяжения можно также определить через величину свободной поверхности энергии.

Коэффициент поверхностного натяжения численно равен свободной поверхности энергии W, рассчитанной на квадратный метр поверхности жидкости S:

(Дж/м²).

Коэффициент поверхностного натяжения различен для разных жидкостей. Он зависит от рода жидкости, температуры (уменьшается с повышением температуры) и от степени чистоты поверхности.

Р астворение в жидкости различных веществ изменяет коэффициент поверхностного натяжения. Некоторые из них адсорбируются (повышенная концентрация) на свободной поверхности и уменьшают коэффициент поверхностного натяжения. Такими веществами являются жирные кислоты, их соли, спирты, эфиры, они называются поверхностно-активными веществами.

Рассмотрим явления на границе жидкости и твердого тела.

рис.2.3.

На поверхности твердого тела форма капли может быть разной. Капля может растекаться по поверхности твердого тела (рис.2.2), это означает, что сила взаимодействия между молекулами жидкости меньше, чем между молекулами жидкости и твердого тела, в этом случае жидкость смачивает поверхность твердого тела. Угол (краевой угол) между плоскостью, касательной к поверхности жидкости в точке А, и поверхностью твердого тела меньше .

Капля может собираться на поверхности твердого тела (рис.2.3). В этом случае силы взаимодействия между молекулами жидкости больше, чем между молекулами жидкости и твердого тела (  ), т. е. жидкость не смачивает поверхность твердого тела. Если , то наблюдается полное смачивание, а при , наблюдается полное несмачивание.

В узких стеклянных трубках, капиллярах, опущенных в жидкость, хорошо заметно поднятие или опускание жидкости (рис.2.4). Поверхностная пленка жидкости в трубке под действием молекулярных сил жидкости и стекла может принимать как вогнутую, так и выпуклую форму (вогнутый или выпуклый мениск). На такой искривленной поверхности силы поверхностного натяжения вызывают добавочное давление , обусловленное кривизной поверхности, направленное всегда в сторону вогнутости поверхн ости. Величина добавочного давления над произвольной поверхностью вычисляется по формуле Лапласа:

,

где R₁ и R₂ –радиусы кривизны поверхности и жидкости. Если поверхность сферическая, то и , где – радиус кривизны поверхности.

Этим добавочным давлением, т.е. давлением, обусловленным кривизной мениска, вызываются явления поднятия (а в случае несмачивающий жидкости – опускание) жидкости в капиллярах. Жидкость поднимается или опускается в капилляре до тех пор, пока добавочное давление не сравняется с гидростатическим давлением поднявшегося или опустившегося столба жидкости (рис.2.4).

Если считать, что жидкость полностью смачивает поверхность трубки, то радиус кривизны мениска совпадет с внутренним радиусом трубки . По равенству добавочного и гидростатического давлений можно написать: , где – плотность жидкости, – высота ее поднятия.

Из этого равенства определяем коэффициент поверхностного натяжения: .

Капиллярные явления играют большую роль в природе и технике. Например, влагообмен в почве и в растениях осуществляется за счет поднятия воды по тончайшим капиллярам. На капиллярном явлении основано действие фитилей, впитывание влаги бетоном и т. д.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Существует ряд методов определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости. В настоящей работе определение коэффициента поверхностного натяжения проводится тремя методами, которые предлагаются для выполнения как три упражнения.

Вопросы к допуску:

1. Почему поверхностный слой жидкости обладает особыми свойствами?

2. Какая физическая величина называется коэффициентом поверхностного натяжения?

3. Как определяется коэффициент поверхностного натяжения в каждом из упражнений данной лабораторной работы?

Упражнение 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ МЕТОДОМ ОТРЫВА КОЛЬЦА

Оборудование: весы Жоли, кольцо на подвесе, набор грузов, линейка.

Содержание и метод выполнения работы

На рис.2.5 изображена установка для определения коэффициента поверхностного натяжения – весы Жоли.

Тонкостенное кольцо А, изготовленное из хорошо смачиваемого материала исследуемой жидкостью, подвешивается на пружине В. Подвеска кольца осуществляется таким образом, чтобы его ось была вертикальна. Пружина В прикрепляется к кронштейну К жестко связанному со штангой Б. Вдоль штанги Б при помощи винта М передвигается столик Р. На столике устанавливается стеклянная кювета С, с исследуемой жидкостью (в данном случае с водой). Удлинение пружины В (и тем самым силу ее поверхностного натяжения) можно измерить по имеющейся на штанге Б миллиметровой шкале.

Подведем снизу кювету с водой к неподвижно висящему на пружине кольцу так, чтобы оно слегка коснулось поверхности воды. При этом вода начнет подниматься по стенкам кольца, а само кольцо несколько втянется внутрь жидкости. Этот эффект можно заметить по большому растяжению пружины в момент соприкосновения кольца с поверхностью воды.

Начнем теперь медленно опускать кювету. По мере опускания кольца пружина будет постепенно растягиваться, пока, наконец, кольцо не оторвется от поверхности.

В момент отрыва от воды на кольцо, кроме силы тяжести Р, действует в том направлении результирующая сила поверхностного натяжения воды F, увеличивающая растяжение пружины. Эту силу не трудно вычислить. Очевидно, что поверхность жидкости граничит с внутренней и наружной поверхностями кольца двумя горизонтальными окружностями радиуса: R₁≈R₂=R – среднему радиусу кольца А. Общая длина окружности, по которым жидкость граничит с поверхностью кольца, близка поэтому к 4πR. Используя силовой физический смысл коэффициента поверхностного натяжения, найдем, что сила поверхностного натяжения равна F=4πRα, (2.1) где R – средний радиус кольца А.