Лекции по физике. Молекулярная физика и основы термодинамики Различные агрегатные состояния вещества. Поверхностное натяжение. Смачивание поверхности

2 Понятие агрегатного состояния Газ, в отличии от жидкости и твёрдого тела, занимает весь предоставленный ему объём Твёрдое тело, в отличии от газа и жидкости, не течёт, т.е. не изменяет своей формы под действием сил Дать чёткое определение агрегатного состояния трудно

3 Понятие агрегатного состояния При определённых условиях между жидкостью и паром нет различия Иногда нельзя сказать определённо имеем ли мы жидкость с большой вязкостью или твёрдое тело (стекло) Способность изменять свою форму так же не всегда может служить критерием

4 Понятие агрегатного состояния Чётко отличить жидкость от пара или твёрдого тела можно лишь в определённой области Т.Д. параметров, когда каждая фаза имеет чётко наблюдаемые границы До сих пор нет удовлетворительного ответа на вопрос: почему происходит скачкообразное а не плавное изменение свойств вещества

5 Понятие агрегатного состояния Наиболее удобным способом классификации тел по агрегатным состояниям является рассмотрение функции вероятности взаимного расположения молекул в зависимости от расстояния между ними

6 Понятие агрегатного состояния У газа нет порядка в расположении молекул У твёрдого тела есть дальний и ближний порядок У жидкости есть ближний порядок но нет дальнего Р Р Р r r r

7 Поверхностное натяжение жидкости На молекулы, находящиеся вблизи поверхности, действуют не скомпенсированные силы со стороны других молекул. Наличие этих сил приводит к появлению эффекта поверхностного натяжения

8 Поверхностное натяжение жидкости Коэффициентом поверхностного натяжения [Н/м] называется работа, которую нужно затратить, чтобы изотермически и квазистатически увеличить поверхность жидкости на единицу площади при сохранении объёма жидкости неизменным Избыточное давление, создаваемое силами поверхностного натяжения при нормальных условиях достигает тысяч атмосфер

9 Поверхностное натяжение жидкости Можно показать, что: ( ) где a, N и V – параметр уравнения В.д.В., число молекул и занимаемый ими объём соответственно Наблюдается хорошее соответствие между, посчитанным по формуле ( ) и измеренным экспериментально

10 Поверхностное натяжение жидкости

11 Поверхностное натяжение жидкости

12 Поверхностное натяжение жидкости Особенности сил поверхностного натяжения 1.Оно зависит от газовой фазы т.к. она тоже действует на поверхностные молекулы Поверхностное натяжение воды на границе с воздухом 75, Н/м, и 73, Н/м на границе с насыщенным паром Можно говорить о поверхностном натяжении на границе двух жидкостей и границе жидкость - твёрдое тело

13 Поверхностное натяжение жидкости

14 Поверхностное натяжение жидкости Особенности сил поверхностного натяжения 2.В растворе может происходить обогащение поверхностного слоя одним из компонентов. Такие вещества называются ПАВ. Они уменьшают поверхностное натяжение К ПАВ обычно относятся молекулы органических в-в вытянутой формы на одном конце которых находится полярная группа, а на другом – неполярная. Наиболее известное ПАВ – мыло

15 Поверхностное натяжение жидкости Особенности сил поверхностного натяжения Существуют вещества увеличивающие поверхностное натяжение (соль, сахар). При их добавлении в поверхностный слой выталкивается большее количество ПАВ, чем в пресной воде. Это эффект высаливания, он используется в технике для выделения ПАВ, в частности, для производства мыла

16 Давление под изогнутой поверхностью. Формула Лапласа Если поверхность жидкости искривлена, то по разные стороны от неё должны быть разные давления Рассмотрим этот эффект на примере цилиндрической поверхности радиусом R и длиной b

17 Давление под изогнутой поверхностью. Формула Лапласа На стороны малого участка АВ действуют силы b. Их равнодействующая направлена по радиусу и равна: f=2b sin( /2) b т.к. =|АВ|/R f= S/R окончательно получаем: Р 1 -Р 2 =f/S= /R A B C P1P1 P2P2 b b

18 Давление под изогнутой поверхностью. Формула Лапласа Обобщая эту формулу на случай поверхности двойной кривизны получим формулу Лапласа: P 1 -P 2 = (1/R 1 +1/R 2 ), где и – радиусы кривизны поверхности в двумя взаимно перпендикулярными плоскостями. При этом надо учитывать знаки при R Если поверхность сферическая, то Р=2 /R, для пузыря - Р=4 /R т.к. надо учитывать две поверхности Для пузырька воздуха R=10 -4 см в воде: Р=1,5 Атм

19 Смачивание, краевой угол, капиллярные явления Рассмотрим границу трёх фаз. Условие равновесия: 13 = cos, где - краевой угол. Он отсчитывается через область, занятую жидкостью между касательными к поверхностям твёрдого тела и жидкости в точке касания их границ 12 1-газ 2-жидкость 3- твёрдое тело 23 13

20 Смачивание, краевой угол, капиллярные явления

21 Смачивание, краевой угол, капиллярные явления Если /2 то говорят, что жидкость смачивает твёрдое тело, если /2 –то нет. При =0, то имеем полное смачивание, если = - полное несмачивание Смачивание и несмачиввание приводят к искривлению поверхности жидкости в узкой трубке (капилляре) или в узком зазоре между стенками

22 Смачивание, краевой угол, капиллярные явления Искривлённая поверхность жидкости называется мениском Искривление поверхности, в соответствии с формулой Лапласа, приводит к появлению разности давлений по обе стороны мениска. Это избыточное давление должно быть уравновешено за счёт изменения уровня жидкости

23 Смачивание, краевой угол, капиллярные явления Условие равновесия в случае цилиндрического капилляра радиуса R: 2 /r= gh, где r=R/cos - радиус мениска Высота подъёма: r R h

24