Чем можно объяснить с молекулярной точки зрения малую сжимаемость жидкостей

Жидкость представляет собой вещество, пребывающее в промежуточном между твердым и газообразным состоянии. Это такое агрегатное состояние вещества, в котором прослеживается взаимосвязь молекул и атомов между собой таким образом, что это дает ему возможность сохранения своего объема, но при это, не настолько сильно, чтобы добиться сохранения еще и формы.

Рисунок 1. Взаимодействие молекул жидкостей. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Молекулярно-кинетическая теория направлена на исследование строения и свойств вещества на основе представлений о существовании атомов и молекул в качестве наименьших частиц химических веществ. В основу данной теории положены три основные положения:

1. Все вещества (как жидкие, так и газообразные, и твердые) появились из мельчайших частиц (молекул, состоящих из атомов). Молекулы химического вещества существуют в виде простых и сложных (состоящих из одного либо нескольких атомов).
2. Молекулы и атомы являются электрически нейтральными частицами. При определенных условиях они способны к приобретению дополнительного электрического заряда и превращаются в положительные (отрицательные) ионы.
3. Атомы и молекулы пребывают в непрерывном хаотическом движении. Частицы между собой осуществляют взаимодействие за счет сил, обладающих электрической природой. При этом гравитационное взаимодействие между частицами оказывается пренебрежимо малым.

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Жидкости склонны к легкому изменению своей формы с сохранением объема. В стандартных условиях они привычно принимают форму емкости, в которой находятся. Поверхность жидкости, что не соприкасается со стенками сосуда, называется свободной. Ее образование происходит вследствие воздействия силы тяжести на молекулы жидкости.

Свойства жидкостей можно объяснить малыми промежутками между их молекулами малы. Так, молекулы упакованы настолько плотным образом, что расстояние между каждыми двумя из них оказывается меньше их размеров.

Объяснить поведение жидкостей на основании характера молекулярного движения, взялся советский ученый Я. И. Френкель. Согласно его исследованию, молекула жидкости будет колебаться около положения временного равновесия, при этом происходит ее столкновение с остальными молекулами из ближнего окружения. Периодически у нее получается совершить «прыжок», чтобы, покинув своих «соседей», продолжить совершать колебания уже в кругу новых.

По причине малых расстояний между молекулами жидкости, попытка уменьшения объема приводит к состоянию деформации молекул, так начинается их отталкивание друг от друга, чем можно объяснить малую сжимаемость жидкости. В то же время, ее текучесть объясняют тем фактом, что «прыжки» молекул из оседлого положения в иное осуществляются, согласно всем направлениям с равной частотой. Внешняя сила не изменяет существенно число «прыжков» за секунду, а только задает их преимущественное направление, поэтому жидкость и принимает форму сосуда, в котором пребывает.

Задай вопрос специалистам и получи
ответ уже через 15 минут!

Молекулярная теория воды

Существует ряд определенных гипотез, объясняющих строение льда, пара, воды. Все они в какой-то степени опираются на молекулярно-кинетическую теорию строения вещества, чьи основы заложил М. Ломоносов.

Рисунок 2. Масса и размеры молекул. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Данная теория исходит из принципов классической механики, что рассматривает молекулы (атомы) в формате шариков правильной формы, электрически нейтральных, идеально упругих. Такие молекулы склонны подвергаться исключительно механическим соударениям и не испытывать каких-либо электрических сил взаимодействия.

Водяной пар, согласно положениям молекулярно-кинетической теории, представляет собрание молекул, расстояние между ними многократно превышает размеры самих молекул. Молекулы газа, пребывающие в непрерывно-хаотическом движении, пробегают путь между стенками сосудов, где заключен газ и при этом происходит их столкновение между собой на данном пути.

При приближении температуры газа к температуре кипения (100°C) наступает уменьшение скорости молекул, и при соударении силы притяжения между ними возникает больше сил упругих отталкиваний в момент удара. По этой причине газ способен конденсироваться в жидкость.

Жидкость, в отличие от газа, является совокупностью близкорасположенных между собой молекул. Это расположение настолько близкое, что между ними начинается проявление сил взаимного притяжения. Это не позволяет молекулам жидкости разлетаться в разные стороны, подобно молекулам газа, а только колебаться около собственного равновесного положения.

Наряду с тем, из-за недостаточной плотности строения жидкости, в ней присутствуют свободные места, вследствие чего (исходя из теории Френкеля), обладающие большей энергией молекулы начинают вырываться из своего привычного окружения и скачкообразно перемещаться в соседнее отверстие на расстоянии, равном размерам самих молекул.

Таким образом, молекулы в жидкости относительно редко перемещаются в иные места, большую часть времени они пребывают в «оседлом» состоянии, подвергаясь только колебаниям. При температуре в 100°C (при нормальном атмосферном давлении) вода начнет распадаться на отдельные молекулы, скорость которых уже не способна к преодолению взаимного молекулярного притяжения, поэтому вода становится паром.

В случае охлаждения жидкости можно наблюдать обратный процесс. Начинается уменьшение скоростей колебательного движения молекул, становится более прочной структура жидкости, а сама она переходит в состояние льда (кристаллическое).

Структура воды в трех ее агрегатных состояниях

Проблема оценки структуры воды пока представляет для ученых определенные сложности. Наиболее популярной считается гипотеза, предложенная в 1883 году Уайтингом.

В ней утверждается, что:

• в качестве основной строительной единицы водяного пара выступает молекула гидроль (моногидроль);
• основной строительной единицей воды будет являться двойная молекула дигидроль;
• лед считается состоящим из тройных молекул тригидроль.

На данных представлениях основывается гидрольная теория структуры воды, согласно которой водяной пар считается состоящим из комплекса простейших молекул моногидроля, их ассоциаций и также из незначительного числа молекул дигидроля.

В жидком виде вода считается смесью молекул моногидроля, дигидроля и тригидроля. Соотношение количества таких молекул в воде будет различным и зависимым от температуры. Поскольку молекула воды сама по себе несимметрична, центры тяжести положительных и отрицательных зарядов у нее не будут совпадать.

Рисунок 3. Полярные молекулы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Молекулы обладают двумя полюсами – положительным и отрицательным, создающими, подобно магниту, силовые молекулярные поля. Такие молекулы называются полярными (диполями). Количественная характеристика полярности при этом определяется электрическим моментом диполя.

Так и не нашли ответ
на свой вопрос?

Просто напиши с чем тебе
нужна помощь

1 Молекулярно-кинетическая теория жидкого состояния

Жидкое состояние является промежуточным между газообразным и твердым. Жидкость состоит из микрогруппировок с упорядоченным расположением атомов и разупорядоченной зоны (с хаотическим и, как правило, более рыхлым расположением частиц, образующих в расплавах непрерывную трехмерную ячеистую сеть).

Жидкости, как и твердые тела, обладают в противоположность газам малой сжимаемостью. При больших давлениях (300-500МПа) жидкости становятся как бы твердоподобными.

При механическом воздействии на жидкость необходимо считаться с ее большой текучестью, т.е. способностью под достаточно длительным влиянием внешних сил перемещаться в соответствующем направлении.

При быстрых деформациях возможно хрупкое разрушение жидкости. Так, при ударе струя жидкости ломается, а «обломки», как показывает фотосъемка, имеют форму излома, характерного для хрупкого разрушения. Точно также при высоких скоростях нагружения жидкость обладает твердостью. Например, если выстрелить в сосуд с жидкостью, то в силу ее малой сжимаемости и большой скорости пули в жидкости возникают огромные напряжения. Стенки сосуда не выдерживают и разрушаются жидкостью. Таким образом, жидкостям, как и твердым телам, свойственны малая сжимаемость, хрупкость и твердость.

Коэффициент самодиффузии и диффузии в жидких телах

Элементарное перемещение атомов, т.е. среднее расстояние δ между соседними положениями равновесия, должно иметь в случае расплавленных металлов (которые являются простыми жидкостями) такой же порядок величины, как и промежуточные расстояния, т.е. δ ≈ 10 -10 .

Средняя скорость блуждания частиц жидкости оказывается равной δ/τ. Коэффициент диффузии или самодиффузии определяется формулой:

Зависимость его от температуры определяется зависимостью от температуры величины τ, т.е. времени оседлой жизни, которая имеет такой же характер, как и в случае твердого тела.

Таким образом мы получаем:

Разница по сравнению с твердыми телами заключается только в том, что энергия активации в случае жидкостей значительно меньше, чем у твердых тел. Это объясняется гораздо большей рыхлостью жидкостей, относительно большей величиной их свободного объема. Коэффициент диффузии в жидкостях выражается сотыми долями квадратного сантиметра в сутки, т.е. имеет порядок 10 -11 м 2 /с, присеем он не очень сильно варьирует для разных жидкостей, тогда как в случае твердых тел он может варьировать очень сильно и при комнатной температуре оказывается очень малым, например 10 -11 — 10 -12 м 2 /сутки. коэффициент δ 2 /2 равен 10 -7 м 2 /с или

Множитель имеет порядок 0,01-0,0001 для комнатной температуры.

Это значит, что каждый атом совершает примерно 100-10000 колебаний около одного и того же положения, прежде чем переменить место. Поэтому на теплоемкости эта постоянная смена места не отражается.

Модельные теории жидких металлов

В настоящее время имеется достаточно большое число модельных теорий. Отличительной чертой всех моделей являются определенные допущения о предпочтительности или непредпочтительности какого-либо размещения атомов в пространстве вокруг избранного атома или об их движении. Ценность модельных теорий заключается в том, что они дают наглядное представление о строении жидкости и изменении структуры под влиянием температуры, дополнительно вводимых примесей или внешних воздействий (электрические или магнитные поля, ультразвук, перемешивание и т.п.).

Модель структуры жидких металлов – важная ступень в понимании ее природы, способ дальнейшего изучения и эффективного использования свойств жидкости. Все металлические расплавы обладают определенными общими свойствами: 1) вклад межчастичных сил в полную энергию системы примерно на порядок превышает вклад теплового движения составляющих расплав частиц; 2) отсутствие дальнего порядка в их расположении; 3) текучесть (количественно неодинаковая для разных жидкостей). Однако этого единства оказывается недостаточно, чтобы создать универсальную модель жидкого состояния.

Жидкостные модели можно разделить на две основных группы — квазигазовые и квазикристаллические (в зависимости от того, насколько они учитывают соотношение между кинетической и потенциальной энергиями составляющих частиц).

К квазигазовым относятся модели, в которых предпочтение отдается трансляционному движению атомов, а межчастичное взаимодействие сведено к упругим столкновениям. В этих моделях притяжение между частицами фактически игнорируется, хотя существование конденсированного вещества возможно только при условии межчастичного притяжения. К квазигазовым теориям жидкости относят теорию реального газа Ван-дер-Ваальса, а также в какой-то мере модель жестких сфер, модель Дж. Бернала и др.

Общим для квазикристаллических моделей является попытка учесть специфику сил межатомного взаимодействия внутри локальных областей расплавов, размеры которых соизмеримы с эффективным радиусом притяжения.

Силовое поле каждого иона при переходе через точку плавления не испытывает радикальных изменений. Поскольку ближний порядок жидкости формируется как в кристалле, при взаимодействии этого силового поля и теплового движения, которое качественно не изменяется при плавлении, то вблизи температуры кристаллизации металлические расплавы могут иметь некоторые элементы упорядочения соответствующего твердого состояния. Однако отсюда не следует тот факт о наличии в жидкости микрокристаллов. Имеется ввиду лишь тенденция к упорядочению, обусловленная симметрией силового поля частиц, составляющих данную жидкость. К квазикристаллическим моделям жидкостей относят сиботаксическую, квазиполикристаллическую, квазихимическую, кластерную и др. модели. Некоторые модели металлических жидкостей постулируют их микронеоднородное строение, проявляющееся в наличии в расплаве различных структурных областей (дырок, сиботаксисов, кластеров, группировок).

Молекулярное давление и поверхностное натяжение

Тем не менее, рассматривая некоторые свойства жидкости, приходится учитывать проявление молекулярных сил. Так, например, известно, что силы, действующие на молекулы поверхностного слоя жидкости, не уравновешены. Силы притяжения со стороны молекул внутренних слоев жидкости больше сил притяжения, действующих над ее поверхностью. Вследствие этого поверхностный слой оказывает так называемое молекулярное давление на жидкость. Это давление очень велико и составляет, например, для спирта 236 МПа, для воды — 1079 МПа.

Естественно, что давления, обычно применяемые в практике, не оказывают на жидкость сколько-нибудь заметного влияния, так как предварительное давление, обусловленное молекулярным притяжением частиц, несравненно больше того давления, с которым обычно приходится сталкиваться в практике. Этим, в частности, можно объяснить малую сжимаемость капельных жидкостей.

Силы взаимного притяжения молекул жидкости обусловливают не только описанное выше молекулярное давление, но и известное из физики поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение проявляется в том, что поверхностный слой жидкости стремится всегда сократиться. Вследствие этого происходит поднятие уровня жидкости в капилляре в случае вогнутого мениска и — капиллярное опускание, если мениск выпуклый, т.е. когда жидкость не смачивает поверхность капилляра.

Школьная Энциклопедия

Nav view search

Свойства жидкостей

Подробности Категория: Молекулярно-кинетическая теория Опубликовано 05.11.2014 12:37 Просмотров: 11467

Жидкость — агрегатное состояние вещества, занимающее промежуточное положение между его твёрдым и газообразным состояниями.

Самая распространённая жидкость на Земле — вода. Её твёрдое состояние — лёд, а газообразное — пар.

В жидкостях молекулы расположены почти вплотную друг к другу. Они обладают большей свободой, чем молекулы твёрдого вещества, хотя полностью свободно перемещаться не могут. Притяжение между ними хоть и слабее, чем в твёрдых телах, но всё-таки его достаточно, чтобы молекулы удерживались на близком расстоянии друг от друга. Каждая молекула жидкости может колебаться около какого-то центра равновесия. Но под действием внешней силы молекулы могут перескакивать на свободное место в направлении приложенной силы. Этим объясняется текучесть жидкости.

Основное физическое свойство жидкости — текучесть. Когда к жидкости прикладывается внешняя сила, в ней возникает поток частиц, направление которого совпадает с направлением этой силы. Наклонив чайник с водой, мы увидим, как вода потечёт из его носика вниз под действием силы тяжести. Точно так же вытекает вода из лейки, когда мы поливаем растения в саду. Подобное явление мы наблюдаем в водопадах.

Вследствие текучести жидкость способна менять форму за малое время под действием даже небольшой силы. Все жидкости могут литься струёй, разбрызгиваться каплями. Их легко перелить из одного сосуда в другой. При этом они не сохраняют форму, а принимают форму того сосуда, в котором находятся. Это свойство жидкости используют, например, при литье металлических деталей. Расплавленный жидкий металл разливают в формы определённой конфигурации. Остывая, он превращается в твёрдое тело, сохраняющее эту конфигурацию.

Текучесть увеличивается с ростом температуры жидкости и уменьшается при её снижении. Это объясняется тем, что с повышением температуры расстояние между частицами жидкости также увеличивается, и они становятся более подвижными. Зависит текучесть и от структуры молекул. Чем сложнее их форма, тем меньшей текучестью обладает жидкость.

Различные жидкости имеют разную текучесть. Так, вода из бутылки вытекает быстрее, чем растительное масло. Мёд из стакана выливается медленнее, чем молоко. На эти жидкости действуют одинаковые силы тяжести. Так почему же их текучесть отличаются? Всё дело в том, что они обладают различной вязкостью. Чем выше вязкость жидкости, тем меньше её текучесть.

Что же такое вязкость, и какова её природа? Вязкость также называют внутренним трением. Это способность жидкости сопротивляться перемещению различных слоёв жидкости относительно друг друга. Молекулы, находящиеся в одном из слоёв и сталкивающиеся между собой во время теплового движения, сталкиваются ещё и с молекулами соседних слоёв. Возникают силы, тормозящие их движение. Они направлены в сторону, противоположную движению рассматриваемого слоя.

Вязкость — важная характеристика жидкостей. Её учитывают в различных технологических процессах, например, когда по трубопроводам необходимо перекачивать жидкость.

Вязкость жидкости измеряют с помощью прибора, называемого вискозиметром. Самым простым считается капиллярный вискозиметр. Принцип его действия не сложен. Подсчитывается время, за которое заданный объём жидкости протекает через тонкую трубочку (капилляр) под воздействием разности давлений на его концах. Так как известны диаметр и длина капилляра, разность давлений, то можно произвести расчёты на основании закона Пуазёйля, согласно которому проходящий в секунду объём жидкости ( секундный объёмный расход) прямо пропорционален перепаду давления на единицу длины трубы и четвертой степени её радиуса и обратно пропорционален коэффициенту вязкости жидкости .

где Q — секундный расход жидкости, м 3 /с;

р₁ — р₂ = ∆р — перепад давлений на концах капилляра, Па;

R — радиус капилляра, м;

d — диаметр капилляра, м;

ƞ — коэффициент динамической вязкости, Па/с;

l — длина капилляра, м.

Расстояние между молекулами внутри жидкости очень мало. Оно меньше размеров самих молекул. Поэтому жидкость очень трудно сжать механически. Давление, производимое на жидкость, заключённую в сосуд, передается в любую точку без изменений во всех направлениях. Так формулируется закон Паскаля. На этой особенности жидкостей основана работа тормозных систем, гидравлических прессов и других гидравлических устройств.

Жидкость сохраняет свой объём, если не изменяются внешние условия (давление, температура). Но при нагревании объём жидкости увеличивается, а при охлаждении уменьшается. Впрочем, здесь есть исключение. При нормальном давлении и повышении температуры от 0 до 4 о объём воды не увеличивается, а уменьшается.

Волны плотности

Сжать жидкость очень трудно. Но при изменении давления всё же возможно. И в этом случае меняется её плотность и объём. Если сжатие произойдёт в одном участке жидкости, то на другие участки оно будут передаваться постепенно. Это означает, что в жидкости будут распространяться упругие волны. Если плотность меняется слабо, то получаем звуковую волну. А если достаточно сильно, то возникает ударная волна.

Поверхностное натяжение жидкости

Явление поверхностного натяжения мы наблюдаем каждый раз, когда вода медленно капает из водопроводного крана. Сначала мы видим тонкую прозрачную плёнку, которая растягивается под тяжестью воды. Но она не рвётся, а охватывает небольшое количество воды и образует капельку, падающую из крана. Её создают силы поверхностного натяжения, которые стягивают воду в маленькое подобие шара.

Как возникают эти силы? В отличие от газа жидкость заполняет только часть объёма сосуда, в котором находится. Её поверхность — это граница раздела между самой жидкостью и газом (воздухом или паром). Со всех сторон молекулу, находящуюся внутри жидкости окружают другие молекулы той же жидкости. На неё действуют силы межмолекулярного воздействия. Они взаимно уравновешены. Равнодействующая этих сил равна нулю.

А на молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости, силы притяжения со стороны молекул этой же жидкости могут действовать только с одной стороны. С другой стороны на них действуют силы притяжения молекул воздуха. Но так как они очень малы, ими пренебрегают.

Равнодействующая всех сил, действующих на молекулу, находящуюся на поверхности, направлена внутрь жидкости. И чтобы не оказаться втянутой в жидкость и остаться на поверхности, молекула совершает работу против этой силы. В результате молекулы верхнего слоя получают дополнительный запас потенциальной энергии. Чем больше поверхность жидкости, тем большее количество молекул находится там, и тем больше потенциальная энергия. Но в природе всё устроено так, что любая система старается свести свою потенциальную энергию до минимума. Следователь, существует сила, которая будет стремиться сократить свободную поверхность жидкости. Эта сила называется силой поверхностного натяжения.

Натяжение поверхности жидкости очень велико. И чтобы его разорвать требуется довольно значительная сила. Ненарушенная поверхность воды может легко удерживать монету, лезвие бритвы или стальную иголку, хотя эти предметы значительно тяжелее воды. Сила тяжести, действующая на них, оказывается меньше силы поверхностного натяжения воды.

Наименьшую поверхность из всех геометрических объёмных тел имеет шар. Поэтому если на жидкость действуют только силы поверхностного натяжения, то она принимает форму сферы. Такую форму имеют капли воды в невесомости. Мыльные пузыри или пузыри кипящей жидкости также стараются принять сферическую форму.

Смешиваемость

Жидкости могут растворяться друг в друге. Эта их способность называется смешиваемостью. Если поместить в один сосуд две смешиваемые жидкости, то в результате теплового движения их молекулы постепенно будут переходить через границу раздела. В результате произойдёт смешивание. Но не все жидкости могу смешиваться. Например, вода и растительное масло не смешиваются никогда. А воду и спирт смешать очень легко.

Все мы знаем, что гуси и утки выходят из воды сухими. Почему же их перья не намокают? Оказывается, у них есть специальная железа, которая выделяет жир, которым водоплавающие птицы при помощи клюва смазывают свои перья. И они остаются сухими, потому что вода стекает с них капельками.

Поместим каплю воды на пластинку из полистирола. Она принимает форму сплющенного шарика. Такую же каплю попробуем поместить на стеклянную пластинку. Мы увидим, что на стекле она растекается. Что же происходит с водой? Всё дело в том, что силы притяжения действуют не только между молекулами самой жидкости, но и между молекулами разных веществ в поверхностном слое. Эти силы называются силами адгезии (от латинского adhaesio — прилипание).

Взаимодействие жидкости с твёрдым телом называют смачиванием. Но поверхность твёрдого тела смачивается не всегда. Если окажется, что молекулы самой жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к твёрдой поверхности, то жидкость соберётся в капельку. Именно так ведёт себя вода на пластинке из полистирола. Она не смачивает эту пластинку. Точно так же не растекаются капельки утренней росы на листиках растений. И по этой же причине вода стекает с покрытых жиром перьев водоплавающих птиц.

А если притяжение молекул жидкости к твёрдой поверхности сильнее сил притяжения между самими молекулами, то жидкость расплывается на поверхности. Поэтому наша капелька на стекле также растеклась. В этом случае вода смачивает поверхность стекла.

Нальём воду в сосуд из полистирола. Посмотрев на поверхность воды, мы увидим, что она не горизонтальная. У краёв сосуда она искривляется вниз. Так происходит, потому что силы притяжения между молекулами воды больше, чем силы адгезии (прилипания). А в стеклянном сосуде поверхность воды у краёв искривляется вверх. В этом случае силы прилипания больше внутримолекулярных сил воды. В широких сосудах это искривление наблюдается только у стенок сосудов. А если сосуд узкий, то это искривление заметно по всей поверхности воды.

Явление адгезии широко используется в различных отраслях промышленности — лакокрасочной, фармацевтической, косметической и др. Смачивание необходимо при склеивании, крашении тканей, нанесении на поверхность красок, лаков. А при строительстве бассейнов их стенки, наоборот, покрывают материалом, который не смачивается водой. Такие же материалы используют для зонтов, плащей, непромокаемой обуви, тентов.

Капиллярность

Ещё одна интересная особенность жидкости — капиллярный эффект. Так называют её способность изменять свой уровень в трубках, узких сосудах, пористых телах.

Если опустить узкую стеклянную трубку (капилляр) в воду, то можно увидеть, как поднимается в ней водяной столбик. Чем уже трубка, тем выше столбик воды. Если опустить такую же трубку в жидкую ртуть, то высота столбика ртути окажется ниже уровня жидкости в сосуде.

Жидкость в капиллярах способна подниматься по узкому каналу (капилляру) только в том случае, если она смачивает его стенки. Так происходит в грунте, песке, стеклянных трубках, по которым легко поднимается влага. По этой же причине пропитывается керосином фитиль в керосиновой лампе, полотенце впитывает влагу от мокрых рук, происходят различные химические процессы. В растениях по капиллярам поступают к листьям питательные вещества и влага. Благодаря капиллярному эффекту возможна жизнедеятельность живых организмов.

Молекулярно – кинетическая теория жидкостей

Читайте также:

1. I. Теория моментов
2. II. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ
3. Labeling — теория стигматизации
4. V. Очистка жидкостей перегонкой
5. V1:Теория
6. Vi ТЕОРИЯ ЭКОНОМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
7. А. МАСЛОУ И ТЕОРИЯ САМОАКТУАЛИЗАЦИИ
8. Аналитическая теория личности
9. АНГЛИЙСКИЙ ЛИБЕРАЛИЗМ. ТЕОРИЯ УТИЛИТАРИЗМА И.БЕНТАМА. ДЖ.МИЛЛЬ О СВОБОДЕ
10. Атомно-молекулярное учение
11. Атомно-молекулярное учение. Атом. Молекула. Химический элемент. Простое и сложное вещество. Относительная атомная и молекулярная масса. Моль
12. Бихевиористская теория Дж. Уотсона

Вещество находится в жидком состоянии, если средняя кинетическая энергия теплового движения его молекул примерно равна средней потенциальной энергии их взаимодействия.

До настоящего времени законченной количественной теории жидкого состояния нет, на качественном же уровне МКТ может объяснять явления, происходящие с жидкостями.

1. Из-за того, что расстояние между молекулами жидкости малы, увеличиваются силы притяжения молекул друг к другу, поэтому жидкости в отличие от газов обладают собственным объёмом, практически несжимаемы, плотность жидкостей при обычных условиях в сотни и тысячи раз больше плотности газов.

2. Вблизи каждой молекулы другие молекулы располагаются в определённом порядке, в целом в жидкости именно такой порядок не сохраняется, поэтому говорят, что в расположении молекул жидкости имеется ближний порядок и отсутствует дальний порядок.

3. Молекулы жидкости совершают хаотическое движение вблизи некоторого положения равновесия (колебания), изредка переходя в новое состояние равновесия (совершают перескоки), которые происходят случайным образом. Если на жидкость действует сила, например, сила тяжести, то перескоки происходят в направлении силы. Этим объясняется текучесть жидкости.

4. На границе с газом жидкость образует свободную поверхность. Поверхностный слой жидкости – резкая граница, отделяющая жидкость от газа над ней, существует из-за большого различия плотностей жидкости и газа (например, .

Поверхностный слойпредставляет собой подобие упругой плёнки из самой жидкости (можно положить осторожно, не нарушая слоя, иголку или лезвие бритвы на поверхность воды). Благодаря существованию поверхностного слоя возможно образование капли, мыльного пузыря, движение насекомых (водомерки) по поверхности воды.

Основное свойство поверхностного слоя: он стремится сократиться и принять наименьшую площадь поверхности при данном объёме. Из всех тел при данном объёме наименьшая площадь поверхности у шара, вот почему капля жидкости, мыльный пузырь в невесомости имеют форму шара.

МКТ объясняет существование поверхностного слоя так: молекулы на поверхности жидкости находятся в особых условиях по сравнению с молекулами её внутренних слоёв. Внутри жидкости результирующая сила притяжения, действующая на молекулу со стороны соседних молекул, равна нулю. У «поверхностных» молекул соседних молекул «сверху» меньше, чем «снизу». Молекулы поверхностного слоя под действием результирующей силы, втягиваются внутрь жидкости. В результате они оказывают молекулярное давление на жидкость, стягивая её поверхность до минимума. Этот эффект называется поверхностным натяжением.

Поверхностное натяжение обуславливает наличие у молекул поверхностного слоя дополнительной потенциальной энергии – поверхностной энергии.

Дополнительнаяпотенциальная энергия равна той работе, которуюнужно было бы совершить, чтобы молекулам из глубиныподняться к поверхности, преодолевая силу молекулярного давления на поверхности жидкости.

— поверхностная энергия, ,

где — площадь поверхностного слоя, — коэффициент поверхностного натяжения.

Все тела стремятся к положению устойчивого равновесия, которое определяется минимумом потенциальной энергии. Условием устойчивого равновесия жидкости является минимум потенциальной поверхностной энергии. Уменьшение поверхностной энергии достигается сокращением площади поверхностности жидкости, этим объясняется основное свойство поверхностного слоя.

В поверхностном слое действует сила поверхностного натяжения– сила, которая действует вдоль поверхности жидкости, перпендикулярно линии, ограничивающей поверхность и стремящаяся сократить её до минимума.

Например, поверхность жидкости в стакане цилиндрической формы (вид сверху):

— сила поверхностногонатяжения

Опыт показывает, что сила поверхностного натяжения пропорциональна длине линии, ограничивающей поверхность жидкости – .

, где — коэффициент поверхностного натяжения или поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение зависит:

1. от природы граничащих сред, для двух граничащих сред величина постоянная, поскольку чаще всего жидкости граничат с воздухом, то поверхностное натяжение зависит от рода жидкости;

2. с повышением температуры поверхностное натяжение уменьшается, т.к. уменьшается плотность жидкости;

3. можно изменить, поменяв химический состав поверхности, например, капнуть на поверхность другую жидкость.

Чем меньше поверхностное натяжение, тем легче жидкость проникает в ткань. Высокая проникающая способность мыльного раствора, позволяющая очищать ткани, объясняется его малым поверхностным натяжением.

Смачивание

Капля воды на стекле растекается, вода смачивает стекло, но не смачивает парафин, промасленную бумагу, воск.

Капля ртути на стекле не растекается и стремится стянуться в шар, ртуть не смачивает стекло, но смачивает медь и цинк.

В сосуде поверхность жидкости искривляется. Мениск —форма поверхности жидкости в сосуде.

У смачивающей жидкости мениск вогнутый:

У не смачивающей жидкости мениск выпуклый:

Смачивание объясняется тем, что молекулы жидкости друг к другу притягиваются слабее, чем к молекулам твёрдого тела.

Не смачивание объясняется тем, что молекулы жидкости друг к другу притягиваются сильнее, чем к молекулам твёрдого тела.

Смачивание –это явление, возникающее вследствие взаимодействия молекул жидкости с молекулами твёрдого тела и приводящее к искривлению поверхности жидкости.

Смачивание поверхности твёрдого тела жидкостью используют, например, при крашении, склеивании, пайке.

Не смачивание учитывают, например, при изготовлении тканей для зонтов, плащей, упаковочного материала для жидких продуктов.

Дата добавления: 2014-11-18 ; Просмотров: 1762 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Методика изучения темы «Жидкость и ее свойства»

за привлеченного слушателя на курсы профессиональной переподготовки

Методика изучения темы «Жидкость и ее свойства» на уроках физики в группах технического профиля из опыта работы.

Время, отведенное на изучение особенностей жидкого состояния вещества, весьма ограниченно. Поэтому более или менее подробно изучают только поверхностные свойства. Однако, важно ознакомить учащихся с молекулярным строением и свойствами жидкостей.

В настоящее время все три состояния вещества рассматриваются, как правило, изолированно друг от друга и не дается сравнения свойств веществ в различных состояниях. В результате изучения темы учащиеся должны понять, что жидкость-это агрегатное состояние вещества, промежуточное между газообразным и твердым. Однако жидкости, в следствии различного характера теплового движения молекул существенно отличаются от газов и от твердых тел. Чтобы подчеркнуть промежуточное положение жидкости, можно составить таблицу, в которой приводятся сравнительные характеристики молекулярного строения и теплового движения в газах, жидкостях и твердых телах.

Изучение вопроса «Характеристика жидкого состояния вещества»

Ответ на вопрос, к чему ближе свойства жидкостей зависит от того при каких температурах и давлениях производят это сравнение.

Если силы молекулярного взаимодействия в газах начинают про являться при низких температурах и больших давлениях, то в жид костях эти силы играют основную роль. Молекулярное давление в жидкостях очень велико. Обратим внимание, что молекулярное давление — это не давление в том смысле, как оно понималось в газовых законах, а условное обозначение величины, учитывающей действие молекулярных сил. Удельный объем жидкостей в тысячи раз меньше удельного объема газа; следовательно, молекулярное давление в жидкостях в миллионы раз больше, чем в газах. Расчет молекулярного давления для воды дает значение около 1100 МПа. Молекулярное давление может быть вычислено по той работе, которую совершают молекулы, проходя через поверхностный слой жидкости. Если жидкость занимает равновесный объем, то молекулы жидкости колеблются около некоторого положения равновесия. В этом случае силы притяжения уравновешены силами отталки вания.

Итак, если в жидкости выделить очень малый объем, то в тече ние времени оседлой жизни в нем существует упорядоченное рас положение молекул, подобное их расположению в кристаллической решетке твердого тела. Затем оно распадается, но возникает в дру гом месте. Таким образом, все пространство, занятое жидкостью, как бы состоит из множества зародышей кристаллов, которые, однако, неустойчивы, т. е. распадаются в одних местах, но снова возникают в других.

Следовательно, в небольшом объеме жидкости наблюдается упорядочен ное расположение ее молекул, а в большом объеме оно оказывается хаотическим. В этом смысле говорят, что в жидкости существует ближний порядок в расположении молекул и отсутствует дальний порядок. Такое строение жидкости называют квазикристалли ческим (кристаллоподобным). Отметим, что при достаточно силь ном нагревании время оседлой жизни становится очень маленьким и ближний порядок в жидкости практически исчезает.

Жидкость может обнаруживать механические свойства, прису щие твердому телу. Если время действия силы на жидкость мало, то жидкость проявляет упругие свойства. Например, при резком ударе палкой о поверхность воды палка может вылететь из руки или сломаться; камень можно бросить так, что он при ударе о по верхность воды отскакивает от нее, и лишь совершив несколько скачков, тонет в воде. Если же время воздействия на жидкость велико, то вместо упругости проявляется текучесть жидкости. Например, рука легко проникает внутрь воды.

При кратковременном действии силы на струю жидкости послед няя обнаруживает хрупкость. Прочность жидкости на разрыв хотя и меньше, чем у твердых веществ, но мало уступает им по вели чине. Для воды она составляет 2,5-10′ Н/м 2 . Сжимаемость жидкости тоже очень мала, хотя она и больше, чем у этих же ве ществ в твердом состоянии. Например, при увеличении давления на 1 атм объем воды уменьшается на 50 миллионных долей.

Разрывы внутри жидкости, в которой нет посторонних веществ, например, воздуха, могут получаться только при интенсивном воз действии на жидкость, например, при вращении гребных винтов в воде, при распространении в жидкости ультразвуковых волн . Такого рода пустоты внутри жидкости долго существовать не могут и с силой захлопываются, т. е. исчезают. Это явление на зывают кавитацией (от греческого «кавитас» — полость). Оно служит причиной быстрого износа гребных винтов.

Еще раз обращаем внимание на то, что у жидкостей имеется много свойств, общих со свойствами твердых тел. Однако, чем выше становится температура жидкости, тем больше ее свойства приближаются к свойствам плотных газов и сильнее отличаются от свойств твердых тел. Это означает, что жидкое состояние является промежуточным между твердым и газо образным состоянием вещества.

Как из вестно, вещество в жидком состоянии сохраняет свой объем, но принимает форму сосуда, в котором оно находится. Необходимо пояснить, как это можно объяснить с точки зрения молекулярно-кинетической теории.

Сохранение объема у жидкости доказывает, что между ее моле кулами действуют силы притяжения. Следовательно, расстояния между молекулами жидкости должны быть меньше радиуса моле кулярного действия. Итак, если вокруг молекулы жидкости описать сферу молекулярного действия, то внутри этой сферы окажутся центры многих других молекул, которые будут взаимодействовать с нашей молекулой. Эти силы взаимодействия удерживают молеку лу жидкости около ее временного положения равновесия примерно в течение 10

12 —10″ 10 с, после чего она перескакивает в новое вре менное положение равновесия приблизительно на расстояние свое го диаметра. Молекулы жидкости между перескоками совершают колебательное движение около временного положения равновесия. Время между двумя перескоками молекулы из одного положения в другое называется временем оседлой жизни. Это время зависит от вида жидкости и от температуры. При нагревании жидкости среднее время оседлой жизни молекул уменьшается.

В течение времени оседлой жизни (порядка 10

п с) большин ство молекул жидкости удерживается в своих положениях равнове сия, и лишь небольшая часть их успевает за это время перейти в новые положения равновесия. За более длительное время уже большинство молекул жидкости успеет переменить свое местоположение. Поэтому жидкость обладает текучестью и принимает форму сосуда, в котором она находится.

Так как молекулы жидкости расположены почти вплотную друг к другу, то, получив достаточно большую кинетическую энергию, они хотя и могут преодолеть притяжение своих ближайших соседей и выйти из сферы их действия, но попадут в сферу действия других молекул и окажутся в новом временном положении равновесия. Лишь находящиеся на свободной поверхности жидкости молекулы могут вылететь за пределы жидкости, чем и объясняется процесс ее испарения.

После изложения материала, еще раз обращаем внимание на то, что у жидкостей имеется много свойств, общих со свойствами твердых тел. Однако, чем выше становится температура жидкости, тем больше ее свойства приближаются к свойствам плотных газов и сильнее отличаются от свойств твердых тел. Это означает, что жидкое состояние является промежуточным между твердым и газо образным состоянием вещества. Самым главным отличием жидкости от твердого состояния является текучесть, а от газообразного-наличие свободной поверхности. Именно этим свойством объясняются поверхностные явления, которые изучаются далее.

Изучение вопроса «Поверхностный слой жидкости».

Даже из самых простых явлений можно извлечь много ценных сведений. Например, выдувание мыльного пузыря. Известно, что мыльный пузырь имеет почти сферическую форму, и, если прекращают его выдувать, то он самопроизвольно сокращается и его поверхность уменьшается. Можно привести еще один пример – маленькие шарики росы, которые на листьях растений принимают форму почти правильных шариков. А если эти капли привести в соприкосновение, то они сольются в одну большую каплю, с близкой к шарообразной форме. Вопрос: что общего во всех описанных явлениях? Во всех описанных выше опытах жидкость как бы стремилась сократить поверхность. Ведь из геометрии известно, что шар имеет наименьшую площадь поверхности из всех тел равного объема.

В чем же причина самопроизвольного сокращения жидкости?

В начале урока было отмечено, что наиболее характерным свойством жидкого состояния является наличие резкой границы, разделяющей жидкость и пар. К тому же молекулы жидкости располагаются так близко, что силы притяжения между ними имеют ощутимую величину. Поэтому, молекулы на поверхности и в глубине жидкости находятся в разных условиях.

Из рисунка видно, что молекула внутри жидкости окружена другими молекулами со всех сторон. Поэтому, притяжение, испытываемое рассматриваемой молекулой взаимно уравновешивается. Результирующая сила притяжения равна нулю.

Аналогично, необходимо рассмотреть силы, действующие на молекулу, находящуюся на поверхности жидкости. Учащиеся могут сказать, что на нее также действуют силы притяжения со стороны молекул воды. Здесь необходимо сделать акцент на том, что на такую молекулу действуют силы притяжения со стороны молекул пара. Плотность пара во много раз меньше плотности воды, и поэтому взаимодействием его молекул с молекулами воды можно пренебречь. Следовательно, на молекулу, находящуюся в поверхностном слое действуют силы притяжения со стороны других молекул жидкости. Поэтому результирующая сила не равна нулю и направлена внутрь жидкости. Под действием этой результирующей силы молекулы поверхностного слоя втягиваются внутрь. Следует обратить внимание на то, что все молекулы не могут с поверхности уйти внутрь — этому препятствуют силы отталкивания, которые начинаю действовать, когда уменьшаются расстояния между молекулами поверхностного и толщи воды. Процесс сокращения происходит до тех пор, пока на поверхности воды остается такое число молекул, при котором ее площадь минимальна для данного объема. Из геометрии известно, что это шар.

Далее переходим к введению понятия поверхностная энергия.

Для перемещения молекулы в поверхностный слой необходимо совершить работу против сил молекулярного давления. Обобщаем вышесказанное: молекулы в поверхностном слое, обладают избыточной потенциальной энергией, которую называют поверхностной энергией . Из механики учащимся должно быть известно, что работа консервативных сил равна изменению потенциальной энергии тела. Это относится и к работе сил взаимодействия между молекулами.

Даем новое определение. Поверхностную энергию, которой обладают молекулы, образующие при постоянной температуре поверхностный слой единичной площади, называют удельной поверхностной энергией и обозначают (сигма), то есть

Отсюда следует, что для определения удельной поверхностной энергии нужно вычислить отношение совершенной работы при изотермическом увеличении поверхности жидкости к приращению площади S

Изучая основы механики, было выяснено, что в состоянии равновесия потенциальная энергия минимальна.

Это положение можно применять не только к механическим системам, но и к поверхностной энергии. Следует подчеркнуть, что для поверхности жидкости также применимо это положение .

Наличие поверхностной энергии обуславливает стремление жидкости к сокращению своей поверхности. Из этого утверждения следует вместе с учащимися сделать вывод, что процесс сокращения поверхности является самопроизвольным, ведущим к состоянию устойчивого равновесия. Поэтому, в отсутствии внешних сил жидкость принимает форму с минимальной поверхностью, то есть форму шара. Обычно мы наблюдаем жидкости, подверженные действию сил земного притяжения. В этом случае жидкость принимает форму, соответствующую минимуму суммарной энергии — потенциальной энергии в поле сил тяготения и поверхностной энергии. Именно этим и объясняются явления, о которых учитель говорил в начале урока.

Свободная поверхность жидкости стремится сократиться. Свойство поверхности жидкости сокращаться, можно истолковать как существование некоторых сил, стремящихся сократить эту поверхность. Эти силы являются касательными к поверхности силами, перпендикулярными в каждом месте к соответствующему элементу контура, и называются силами поверхностного натяжения.

Оказывается, что σ имеет не только энергетический смысл, но и силовой. Вводим еще оно понятие. Сила, приходящаяся на единицу длины контура, называется поверхностным натяжением σ.

Как определить поверхностное натяжение жидкости?

Можно задать этот вопрос учащимся. Ответ следует из определения . Для измерения этой величины нужно измерить работу, необходимую для увеличения поверхности жидкости на единицу площади при постоянной температуре.

Для наглядных и понятных для учащихся вычислений, нужно в оспользоваться свойствами некоторых жидкостей, создавать мыльные пленки (рис 2). Поскольку толщина мыльных пленок очень мала, то можно не учитывать влияние молекул, находящихся между слоями, и рассматривать жидкость в пленке как два поверхностных слоя. Рассмотрим мыльную пленку, образованную на рамке с подвижной «невесомой» перемычкой. Если на эту перекладину не действует сила, поверхность жидкости будет сокращаться и подвижная перекладина притянется к неподвижной. Для того, чтобы перекладина не перемещалась, к ней нужно приложить внешнюю силу F ₁ , уравновешивающую силу поверхностного натяжения, то есть

Если под действием силы F ₁ перекладина переместится на х , то произведенная работа А ₁ будет положительной А ₁= F ₁х . Результатом совершения работы будет увеличение поверхности пленки на . Сила поверхностного натяжения при этом совершает отрицательную работу.

Как отмечалось, пленка – это тонкий слой жидкости, ограниченный двумя поверхностями, поэтому , где . Поверхностная энергия при этом увеличивается на

Так как A =- W _p, то вместо A и W _p подставим их значения. Тогда получим

Поверхностное натяжение выражается в Н/м, что нисколько не противоречит выражению этой величины в Дж/ м 2 .

Для демонстрации наличия сил поверхностного натяжения, проделывается вместе с учащимися такой опыт. Возьмем проволочное кольцо и опустим его в мыльный раствор. Получим пленку, на которой будет лежать нитка. Проколем пленку с одной стороны от нитки. При этом, другая часть пленки должна сократиться и натянуть нитку.

Необходимо отметить, что мыльные пленки отличаются от резиновых пленок, при растяжении которых сила упругости возрастает. Поверхность жидкости не обладает упругостью. А ее увеличение происходит за счет перехода новых молекул в поверхностный слой, а не из-за увеличения расстояний между молекулами поверхности.

Следует обратить внимание на то, что при повышении температуры поверхностное натяжение всех веществ уменьшается. Это связано с изменеием плотности жидкости и пара.

Изучение вопроса «Смачивание»

Ссылаясь на изученные вопросы, напоминаем учащимся, что небольшие капли ртути, помещенные на стеклянную пластинку, принимают шарообразную форму. Это является результатом действия молекулярных сил, стремящихся уменьшить поверхность жидкости. Однако ртуть, помещенная на поверхности твердого тела, не всегда образует круглые капли. Например, если очистить цинковую пластину от окислов, протерев ее тряпкой, смоченной в слабой серной кислоте, и поместит на нее капельку ртути, то капля растечется по цинковой пластине.

На основании данных опытных данных вводится понятие смачивающей и несмачивающей жидкостей.

Жидкость, которая растекается тонкой пленкой по твердому телу называют смачивающей твердое тело. Жидкость, которая не растекается, а стягивается в каплю, называют несмачивающей.

Перед учащимися ставится вопрос: в чем же причина данного явления?

Вспоминаем, что ранее была рассмотрена поверхностная энергия одной среды — жидкости на границе с паром. В этом случае можно было не учитывать слабого взаимодействия молекул жидкости с молекулами пара. Подчеркиваем, что на самом деле нужно учитывать суммарную поверхностную энергию двух граничащих друг с другом веществ, потому что в случае, когда жидкость граничит с твердым телом (или с другой жидкостью), взаимодействие молекул жидкости с молекулами твердого тела значительно и не учитывать его нельзя. Только если одно из веществ газообразное, химически не реагирует с другим веществом и мало в нем растворяется, можно говорить о поверхностном натяжении (или о поверхностной энергии) второго жидкого или твердого вещества.

Когда граничат друг с другом сразу три вещества — твердое, жидкое и газообразное, жидкое тело принимает такую конфигурацию, при которой сумма потенциальной энергии жидкости в поле сил тяжести и поверхностной энергии всех тел минимальна.

Контур, по которому граничат все три вещества является границей поверхностей трех тел: жидкости, твердого тела и газа. В процессе установления равновесия капли жидкости к каждому элементу контура приложены три силы: сила поверхностного натяжения жидкости на границе с газом F _жг , сила поверхностного натяжения жидкости на

границе с твердым телом F _жт , сила поверхностного натяжения твердого тела на границе с газом F _тг (Рис.4)

Далее следует ввести понятие краевого угла . Угол , отсчитываемый внутри жидкости между касательными к поверхности твердого тела и жидкости, называется краевым углом. Краевой угол является мерой смачивания. Он может принимать значения от 0 до .

Далее вводим условия смачивания и несмачивания. Смачивание и несмачивание жидкостью твердого тела зависит от соотношения F _жг , F _жт , F _гт

Если _тг > _тж , угол оказывается острым, если _тгтж угол тупой. В первом случае говорят о частичном смачивании, во втором — о частичном несмачивании жидкостью твердого тела.

Если _тг > ( _тж + _жг ), оказывается энергетически выгодной замена поверхности твердое тело-газ двумя поверхностями: твердое тело- жидкость и жидкость-газ. В этом случае краевой угол равен 0 и жидкость неограниченно растекается — имеет место полное смачивание.

Если же _тж > ( _тг + _жг ), поверхность жидкость — твердое тело заменяется поверхностями твердое тело- газ и жидкость-газ. В этом случае краевой угол равен и жидкость полностью отделяется от поверхности твердого тела. касаясь ее только в одной точке — полное несмачивание.

Очень важно сказать, что явление смачивания и несмачивания имеет исключительно важное значение в быту и технике.

На различии в смачивании мелких твердых частиц (главным образом минералов) основывается процесс их разделения, называемый флотацией. Ведь в горных породах полезные ископаемые часто включены лишь в незначительных количествах в пустую породу. Такую руду необходимо обогатить, то есть отделить пустую горную породу от полезного ископаемого.

Для систематизации знаний учащихся необходимо составить таблицу, характеризующую явления смачивания и несмачивания жидкостью поверхности твердого тела.