Текучесть с точки зрения молекулярной теории

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: 1748 ; Нарушение авторских прав? ;

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

Свойства газа, жидких и твердых тел с точки зрения молекулярно-кинетической теории

Характеристика тепловых явлений в молекулярной физике. Рассмотрение основных положений молекулярно-кинетической теории. Основной порядок взаимодействия молекул. Изучение строения газообразных, жидких и твердых тел. Описание Броуновского движения.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГБОУ НПО АО «Профессиональное училище № 1»

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:

«Свойства газа, жидких и твердых тел с точки зрения молекулярно-кинетической теории»

Выполнил: Акишин Дмитрий Андреевич

Проверил: Жубрева Лидия Николаевна

1. Тепловые явления в молекулярной физике

2. Основные положения молекулярно-кинетической теории

3. Взаимодействие молекул

4. Строение газообразных, жидких и твердых тел

5. Броуновское движение

1. Тепловые явления в молекулярной физике

тепловой броуновский кинетический твердый

Тепловые явления привлекали внимание людей с древних времён. Умение добывать и поддерживать огонь сделало человека относительно независимым от колебаний температуры окружающей среды. Это было одним из величайших изобретений человечества. Изменение температуры оказывает влияние на все свойства тел. Кроме механических свойств, при изменении температуры меняются и другие свойства тел, например сопротивление электрическому току, магнитные свойства и др. Так, если сильно нагреть постоянный магнит, то он перестанет притягивать железные предметы. Все перечисленные выше и многие другие тепловые явления подчиняются определённым законам. Открытие законов тепловых явлений позволяет с максимальной пользой применять эти явления на практике и в технике. Молекулярно-кинетическая теория. Ещё философы древности догадывались о том, что теплота — это вид внутреннего движения. Но только в ХVIII в. Начала развиваться последовательная молекулярно — кинетическая теория. Цель молекулярно-кинетической теории — объяснение свойств макроскопических тел и тепловых процессов, протекающих в них, беспорядочно движущихся частиц. Большой вклад в развитие молекулярно-кинетической теории был сделан М.В. Ломоносовым. Он рассматривал теплоту как вращательное движение частиц, составляющих тела.

2. Основные положения молекулярно-кинетической теории

В основе молекулярно-кинетической теории строения вещества лежат три утверждения: вещество состоит из частиц; эти частицы беспорядочно движутся; частицы взаимодействуют друг с другом. Каждое утверждение строго доказано с помощью опытов. Свойства и поведение всех без исключения тел от инфузории до звезды определяются движением взаимодействующих друг с другом частиц: молекул, атомов или ещё более малых образований — элементарных частиц.

Оценка размеров молекул. Для полной уверенности в реальности молекул надо определить их размеры.

Проще всего это сделать, наблюдая расплывание капельки масла, например оливкового, по поверхности воды. Масло никогда не займёт всю поверхность, если сосуд велик. Нельзя заставить капельку объёмом 1 мм(в кубе) расплыться так, чтобы она заняла площадь поверхности более 0,6 м(в квадрате). Объём V слоя масла равен произведению его площади поверхности S на толщину d слоя, т.е V=Sd. Следовательно, размер молекулы оливкового масла равен: d = ? 1,7 Ч см.

При очень малых размерах молекул число их в любом макроскопическом теле огромно. Подсчитаем приблизительное число молекул в капле воды массой 1 г и, следовательно, объёмом 1.

Диаметр молекулы воды равен примерно 3 Ч . Считая, что каждая молекула воды при плотной упаковке молекул занимает объём капли (1 на объём, приходящийся на одну молекулу:

Размеры атома надо запомнить: D ?см ? м.

3. Взаимодействие молекул

Если молекулы существуют и движутся, то между ними обязательно должны действовать силы. Без этого взаимодействия не было бы ни твёрдых, ни жидких тел. Молекула- это сложная система, состоящая из отдельных заряженных частиц: электронов и атомных ядер. Хотя в целом молекулы электрически нейтральны, тем не менее между ними на малых расстояниях действуют значительные электрические силы: происходит взаимодействие электронов и атомных ядер соседних молекул.

Если молекулы находятся на расстояниях, превышающих их размеры в несколько раз, то силы взаимодействия практически не сказываются. Силы между электрически нейтральными молекулами являются короткодействующими.

На расстояниях, превышающих 2-3 диаметра молекул, действуют силы притяжения. По мере уменьшения расстояния между молекулами сила притяжения сначала увеличиваются, а затем начинает убывать и убывает до нуля, когда расстояние между двумя молекулами становится равным сумме радиусов молекул.

При дальнейшем уменьшении расстояния электронные оболочки атомов начинают перекрываться и между молекулами возникают быстро нарастающие силы отталкивания.

4. Строение газообразных, жидких и твердых тел

Газы. В газах расстояние между атомами или молекулами в среднем во много раз больше размеров самих молекул. Например, при атмосферном давлении объем сосуда в десятки тысяч раз превышает объем находящихся в нем молекул.

Газы легко сжимаются, при этом уменьшается среднее расстояние между молекулами, но молекулы не сдавливают друг друга.

Молекулы с огромными скоростями — сотни метров в секунду -движутся в пространстве. Сталкиваясь, они отскакивают друг от друга в разные стороны подобно бильярдным шарам. Слабые силы притяжения молекул газа не способны удержать их друг возле друга. Поэтому газы могут неограниченно расширяться. Они не сохраняют ни формы, ни объема. Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа.

Жидкости. Молекулы жидкости расположены почти вплотную друг к другу, поэтому молекула жидкости ведет себя иначе, чем молекула газа. В жидкостях существует так называемый ближний порядок, т. е. упорядоченное расположение молекул сохраняется на расстояниях, равных нескольким молекулярным диаметрам. Молекула колеблется около своего положения, сталкиваясь с соседними молекулами. Лишь время от времени она совершает очередной «прыжок», попадая в новое положение равновесия. В этом положении равновесия сила отталкивания равна силе притяжения, т.е. суммарная сила взаимодействия молекулы равна нулю. Время оседлой жизни молекулы воды, т. е. время ее колебаний около одного определенного положения равновесия при комнатной температуре, равно в среднем 10-11 с. Время же одного колебания значительно меньше (10-12-10-13 с). С повышением температуры время оседлой жизни молекул уменьшается. Характер молекулярного движения в жидкостях, впервые установленный советским физиком Я.И. Френкелем, позволяет понять основные свойства жидкостей. Молекулы жидкости находятся непосредственно друг возле друга. При уменьшении объема силы отталкивания становятся очень велики. Этим и объясняется малая сжимаемость жидкостей. Как известно, жидкости текучи, т. е. не сохраняют своей формы. Объяснить это можно так. Внешняя сила заметно не меняет числа перескоков молекул в секунду. Но перескоки молекул из одного оседлого положения в другое происходят преимущественно в направлении действия внешней силы (рис.8.8). Вот почему жидкость течет и принимает форму сосуда.

Атомы или молекулы твёрдых тел колеблются около определённых положений равновесия, поэтому твёрдые тела сохраняют не только объём ,но и форму

Если соединить центр равновесия атомов или ионов твёрдого тела, то получится правильная пространственная решётка, называемая кристалической

Кристаллы — это твёрдые тела, атомы или молекулы которых занимают определённое, порядочное положение в пространстве. Поэтому кристаллы имеют плоские грани. Например крупинка обычной поваренной соли имеет плоские грани, составляющие друг с другом прямые углы.

Правильная внешняя форма не единственное и даже не самое главное следствие упорядоченного строения кристалла. Главное- это зависимость физических свойств от выбранного в кристалле направления. Например, кусок слюды легко расслаивается в одном из направлений на тонкие пластинки, но разорвать его в направлении, перпендикулярном пластинкам, гораздо труднее. Многие кристаллы по-разному проводят теплоту и электрический ток в различных направлениях. От направления зависят и оптические свойства кристаллов. Так, кристалл кварца по-разному преломляет свет в зависимости от направления падающих на него лучей. Зависимость физических свойств от направления внутри кристалла называют анизотропией. Все кристаллические тела анизотропны.

Монокристаллы и поликристаллы.

Кристаллическую структуру имеют металлы. Если взять большой кусок металла, то на первый взгляд его кристаллическое строении никак не проявляется ни во внешнем виде куска, ни в его физических свойствах

Обычно металл состоит из огромного количества сросшихся друг с другом маленьких кристалликов. Свойства каждого кристаллика зависят от направления, но кристаллики ориентированы по отношению к друг другу беспорядочно. В результате в объеме, значительно превышающем объем отдельных кристалликов, все направления внутри металлов равноправны и свойства металлов одинаковы по всем направлениям.

Твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристалликов, называют поликристаллическим. Одиночные кристаллы называют монокристаллами.

5. Броуновское движение

Броуновское движение- это тепловое движение взвешенных в жидкости( или газе) частиц.

Наблюдения броуновского движения. Английский ботаник Р.Броун (1773-1858) впервые наблюдал это явление 1827 г. Рассматривая в микроскоп взвешенные в воде споры плауна. Позже он рассматривал и другие мельчайшие частицы, в том числе частички камня египетских пирамид. Сейчас для наблюдения броуновского движения используют частички краски гуммируют, которая нерастворима в воде. Эти частички совершают беспорядочное движение. Броуновское движение — тепловое движение, и оно не может прекратиться. С увеличением температуры интенсивность его растёт. Положения частиц, отмеченные точками, определены через равные промежутки времени — 30 с. Броуновское движение можно наблюдать и в газе. Его совершают взвешенные в воздухе частицы пыли или дыма.

Газы — агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объём. Вещество в газообразном состоянии широко распространено в природе. Газы образуют атмосферу Земли, в значительных количествах содержатся в твёрдых земных породах, растворены в воде океанов, морей и рек.

Жидкость — агрегатное состояние вещества, промежуточное между твёрдым и газообразным состояниями. Ж., сохраняя отдельные черты как твёрдого тела, так и газа, обладает, однако, рядом только ей присущих особенностей, из которых наиболее характерная — текучесть. Подобно твёрдому телу, Ж. сохраняет свой объём, имеет свободную поверхность, обладает определённой прочностью на разрыв при всестороннем растяжении и т. д.

Твёрдое тело — одно из четырёх агрегатных состояний вещества, отличающееся от др. агрегатных состояний стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия. Кристаллы характеризуются дальним порядком в расположении атомов. В аморфных телах дальний порядок отсутствует

1. Физика 10 класс Г. Я Мякишев М. «Просвещение» 2007.

2. Арцимович Л. А., Элементарная физика плазмы, 3 изд., М., 2002;

3. Франк-Каменецкий Д. А., Лекции по физике состояний вещества, М., 2003 (переиздание);

4. Френкель Я. И., Собрание избранных трудов, т. 3, М., 2001;

5. Фишер И.3., Статистическая теория жидкостей, М., 2003;

6. Физика простых жидкостей. Экспериментальные исследования, пер. с англ., М., 2002

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Основные положения атомно-молекулярного учения. Закономерности броуновского движения. Вещества атомного строения. Основные сведения о строении атома. Тепловое движение молекул. Взаимодействие атомов и молекул. Измерение скорости движения молекул газа.

презентация [226,2 K], добавлен 18.11.2013

Анализ теорий, устанавливающих связи между измеряемыми на опыте величинами и свойствами молекул. Идеальный газ как газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало. Причины возникновения давления газа в молекулярно-кинетической теории.

презентация [151,4 K], добавлен 08.01.2015

Определения молекулярной физики и термодинамики. Понятие давления, основное уравнение молекулярно-кинетической теории. Температура и средняя кинетическая энергия теплового движения молекул. Уравнение состояния идеального газа (Менделеева — Клапейрона).

презентация [972,4 K], добавлен 06.12.2013

Основные понятия и определения молекулярной физики и термодинамики. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории. Температура и средняя кинетическая энергия теплового движения молекул. Состояние идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона).

презентация [1,1 M], добавлен 13.02.2016

Вычисление скорости молекул. Различия в скоростях молекул газа и жидкости. Экспериментальное определение скоростей молекул. Практические доказательства состоятельности молекулярно-кинетической теории строения вещества. Модуль скорости вращения.

презентация [336,7 K], добавлен 18.05.2011

Содержание молекулярно-кинетической теории газов. Химический состав жидкости. Особенности межмолекулярного взаимодействия в данном агрегатном состоянии. Механические и тепловые свойства твердых тел. Практическое применение плазмы — ионизованного газа.

контрольная работа [26,0 K], добавлен 27.10.2010

Характеристика законов Бойля-Мариотта, Бойля-Мариотта, Авогадро. Парциальное давление как давление, которое оказывал бы каждый газ смеси, если бы он один занимал объем, равный объему смеси. Знакомство с положениями молекулярно-кинетической теории газа.

презентация [625,5 K], добавлен 06.12.2016

Изучение корпускулярной концепции описания природы, сущность которой в том, что все вещества состоят из молекул — минимальных частиц вещества, сохраняющих его химические свойства. Анализ молекулярно-кинетической теории газа. Законы для идеальных газов.

контрольная работа [112,2 K], добавлен 19.10.2010

Особенности определения давления газа на стенку сосуда с использованием второго закона Ньютона. Связь этой величины со средней кинетической энергией молекул и их концентрацией. Специфика схематичного вывода основного уравнения упрощенным методом.

презентация [316,6 K], добавлен 19.12.2013

Молекулярная физика как раздел физики, в котором изучаются свойства вещества на основе молекулярно-кинетических представлений. Знакомство с основными особенностями равновесной термодинамики. Общая характеристика молекулярно-кинетической теории газов.

курсовая работа [971,8 K], добавлен 01.11.2013

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

ИНФОФИЗ — мой мир.

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

Как сказал.

В мире нет ничего особенного. Никакого волшебства. Только физика.

Чак Паланик

Тестирование

Урок 20. Лекция 20. Свойства жидкостей

Подготовка к восприятию нового материала.

1. Каковы основные положения молекулярной теории строения вещества?
2. Какая существует связь между скоростью движения молекул и температурой тела?
3. Какой энергией обладают молекулы вследствие своего движения? Вследствие взаимодействия?
4. Какую энергию называют внутренней?
5. Какими способами можно изменить внутреннюю энергию?
6. В каких агрегатных состояниях может находиться вещество?
7. Может ли вещество одновременно находиться в трех агрегатных состояниях?
8. Изменяются ли молекулы при переходе вещества из одного состояния в другое?

Жидкость – это агрегатное состояние вещества, промежуточное между газообразным и твердым.

Это агрегатное состояние вещества, в котором молекулы (или атомы) связаны между собой настолько, что это позволяет ему сохранять свой объем, но недостаточно сильно, чтобы сохранять и форму.

Жидкости вследствие различного характера движения молекул существенно отличаются от газов и твердых тел.

Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой. Каждая молекула жидкости, также как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако, время от времени любая молекула может переместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах, и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей. Жидкость всегда приобретает форму того сосуда, в котором она находится.

Текучесть жидкости объясняется «прыжками» молекул из одного оседлого положения в другое по всем направлениям с одинаковой частотой.

Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком:

Пример ближнего порядка молекул жидкости и дальнего порядка молекул кристаллического вещества: 1 – вода; 2 – лед.

В жидкости существует ближний порядок в расположении молекул и отсутствует дальний порядок.

Ниже расположенный рисунок иллюстрирует отличие газообразного вещества от жидкости на примере воды. Молекула воды H₂O состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, расположенных под углом 104°. Среднее расстояние между молекулами пара в десятки раз превышает среднее расстояние между молекулами воды.

Водяной пар (1) и вода (2). Молекулы воды увеличены примерно в 5·10 7 раз.

Вследствие плотной упаковки молекул сжимаемость жидкостей, то есть изменение объема при изменении давления, очень мала; она в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем в газах.

Жидкость практически несжимаема.

Тепловое расширение жидкостей.

Жидкости, как и твердые тела, изменяют свой объем при изменении температуры. При нагревании жидкости возрастает средняя кинетическая энергия хаотического движения её молекул. Это приводит к увеличению расстояния между молекулами, а следовательно, и к увеличению объема. Тепловое расширение жидкостей характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения.

Для не очень больших интервалов температур относительное изменение объема ΔV / V пропорционально изменению температуры ΔT:

Коэффициент β называют температурным коэффициентом объемного расширения.

Этот коэффициент у жидкостей в десятки раз больше, чем у твердых тел.

У воды при температуре 20 °С β_в ≈ 2·10 –4 К –1 , у стали β ст ≈ 3,6·10 –5 К –1 , у кварцевого стекла β кв ≈ 9·10 –6 К –1 .

При увеличении объема тел уменьшается их плотность. Обозначая через ρ и ρ плотности при температурах Т и Т соответственно и учитывая, что ρ = m/V получаем ρ=ρ_{0 /}(1+ βΔТ)

Любое вещество при определенных условиях может находиться в различных агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном.

Область, в которой вещество однородно по всем физическим и химическим свойствам, называется фазой состояния этого вещества.

Переход из одного состояния в другое называется фазовым переходом.

Фазовый переход происходит при изменении температуры тела, т.е. при фазовом переходе изменяется внутренняя энергия вещества.

Испарение и конденсация являются примерами фазовых переходов.

Все реальные газы (кислород, азот, водород и т. д.) при определенных условиях способны превращаться в жидкость.

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием.

Парообразование, происходящее со свободной поверхности жидкости называется испарением.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории, испарение – это процесс, при котором с поверхности жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, кинетическая энергия которых превышает энергию их связи с остальными молекулами жидкости. Это приводит к уменьшению средней кинетической энергии оставшихся молекул, то есть к охлаждению жидкости (если нет подвода энергии от окружающих тел). Жидкость при испарении охлаждается (ощущение холода при выходе из воды).

Покинувшие жидкость молекулы составляют пар над её поверхностью. Некоторые молекулы пара при хаотическом движении над поверхностью жидкости залетают обратно в жидкость. Это означает, что наряду с испарением жидкости всегда происходит и конденсация её паров. При конденсации молекулы пара возвращаются в жидкость.

Конденсация – это процесс превращения пара в жидкость.

Скорость испарения зависит:

1. от рода жидкости (эфир и вода);
2. от площади её свободной поверхности (чем больше площадь, тем быстрее испаряется жидкость – блюдце и стакан);
3. от температуры (чем выше температура, тем быстрее испаряется жидкость – лужи зимой и летом);
4. от наличия движения воздуха над поверхностью (в ветреную погоду и в безветренную).

На практике для превращения жидкости в пар в процессе теплообмена к ней подводится теплота.

Количество теплоты Qп, необходимое для превращения жидкости в пар при неизменной температуре называется теплотой парообразования.

Для того, чтобы превратить в пар при неизменной температуре жидкость массой m, ей необходимо сообщить количество теплоты, равное Q_п = r·m

r – удельная теплота парообразования – количество теплоты, необходимое для превращения в пар 1 кг жидкости при неизменной температуре [Дж/кг]

При конденсации выделяется количество теплоты, равное Q_к = — r·m

Испарение может происходить не только с поверхности, но и в объеме жидкости.

В жидкости всегда имеются мельчайшие пузырьки газа. Если давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению (то есть давлению газа в пузырьках) или превышает его, жидкость будет испаряться внутрь пузырьков. Пузырьки, наполненные паром, расширяются и всплывают на поверхность. Этот процесс называется кипением.

Кипением называют парообразование, которое происходит в объеме всей жидкости при постоянной температуре.

Кипение жидкости начинается при такой температуре, при которой давление ее насыщенных паров становится равным внешнему давлению.

Каждая жидкость при нормальных условиях кипит при определенной температуре, которая называется температура кипения. Она остается постоянной при одном и том же давлении.

Если изменить давление жидкости или внешнее давление, то изменится и температура кипения. Чем меньше давление, тем меньше температура кипения.

В частности, при нормальном атмосферном давлении вода кипит при температуре 100 °С. Это значит, что при такой температуре давление насыщенных паров воды равно 1 атм. При подъеме в горы атмосферное давление уменьшается, и поэтому температура кипения воды понижается (приблизительно на 1 °С на каждые 300 метров высоты). На высоте 7 км давление составляет примерно 0,4 атм, и температура кипения понижается до 70 °С.

В автоклавах (прибор для стерилизации инструментов) создается повышенное давление и воде кипит при температуре больше 100ºС

Школьная Энциклопедия

Nav view search

Свойства жидкостей

Подробности Категория: Молекулярно-кинетическая теория Опубликовано 05.11.2014 12:37 Просмотров: 11463

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.

17.2. Свойства жидкостей (вязкость, текучесть, сжимаемость и тепловое расширение)

На рис.17.2 поясняется особенность строения жидкостей. Чтобы молекуле оказаться на новом месте, ей приходиться «протиснуться» между двумя соседями, образующими «узкий коридор». Френкель предложил математическую интерпретацию такого перехода: вероятность того, что молекула перейдет в новое положение равновесия зависит от соотношения тепловой энергии kT и высоты потенциального барьера ∆Е, который приходится преодолеть, чтобы оказаться в свободном месте. Вероятность переходаw по Френкелю пропорциональна экспоненте в степени -∆Е/kT

. (17.3)

При этом время оседлой жизни обратно пропорционально w.

Одним из свойств жидкостей является вязкость, которая определяется их молекулярным составом и строением. Она аналогична внутреннему трению в газах и относится к явлениям переноса в жидкой среде. Оценивается вязкость жидкостей по коэффициенту вязкости, который определяет величину силы трения между соседними ее слоями

, (17.4)

где dv/dz — градиент скорости в направлении z;

S – поверхность соприкасающихся слоев жидкости.

Физический смысл коэффициента вязкости — он численно равен силе внутреннего трения, возникающей между двумя слоями жидкости при S = 1 и градиенте скорости равном единице.

В отличие от коэффициента вязкости в газах, который уменьшается с уменьшением температуры T, коэффициент вязкости жидкостей возрастает с уменьшением их температуры, что вытекает из теории Френкеля

(17.5)

где U — энергия необходимая для перехода молекулы жидкости из одного равновесного состояния в другое.

Таким образом, с повышением температуры жидкости ее вязкость убывает по экспоненте. Этот вывод теории хорошо подтверждается на опыте. Противоположный характер температурной зависимости вязкости газов и жидкостей обусловлен принципиальным различием механизмов вязкости. В газах вязкость объясняется переносом импульса частицами из слоя в слой за счет хаотического теплового движения частиц. При этом интенсивность переноса импульса увеличивается с температурой. В жидкостях вязкость обусловлена преодолением потенциального барьера молекулой при переходе в новое положение равновесия (дырку), которое осуществляется тем легче, чем больше тепловая энергия молекулы kT и чем ниже высота барьера ∆Е. С уменьшением Т переход молекулы в соседнюю дырку затрудняется, вязкость возрастает.

Текучесть жидкостей свойство обратное вязкости, которое обусловлено той свободой движения молекул в объеме, которая еще допускается силами сцепления между ними.

Известно, что молекулы жидкости не связаны между собой «жестко»; каждая молекула, совершая беспорядочное движение, может изменять свое местоположение относительно «соседей» и стечением времени перемещается в объеме сосуда. Если время действия внешних сил, приложенных к жидкости, меньше, чем время «оседлой жизни» молекулы, то для того, чтобы вызвать деформацию жидкости, т.е. сместить одни ее молекулы относительно других, необходимо преодолеть упругие силы, действующие между ними. Чем больше время пребывания молекулы в «одном месте», время «оседлости», тем больше вязкость и меньше текучесть жидкости.

Сжимаемость. Так как молекулы в жидкостях находятся значительно ближе друг другу, чем в газах, то силы их межмолекулярного взаимодействия, вандерваальсовы силы, играют значительную роль, а, следовательно, внутреннее давление в жидкостях очень велико.

На величину внутреннего давления в жидкостях, кроме того, влияет удельный объем, который в тысячи раз меньше, чем в газах.

Пренебрегая внешним давлением p в уравнении Ван дер Ваальса, уравнение состояния жидкости можно записать так

. (17.6)

Значительной величиной молекулярного (внутреннего) давления объясняется малая сжимаемость жидкостей. Коэффициент сжимаемости жидкостей K определяется соотношением

(17.7)

где dV — уменьшение первоначального объема жидкости V при увеличении давления на dp.

Коэффициент сжимаемости жидкостей зависит от давления и температуры: с увеличением давления он уменьшается, а с повышением температуры — увеличивается. Уменьшение коэффициента сжимаемости с ростом давления обусловлено тем, что по мере сближения молекул возрастают силы отталкивания между ними. Его увеличение с ростом температуры связано с увеличением расстояния между молекулами, вследствие увеличения объема жидкости.

Молекула, находящаяся внутри некоторого большого объема жидкости подвергается воздействию со стороны других молекул, притягивающих ее вследствие наличия вандерваальсовых сил. Область, в которой расположены эти взаимодействующие молекулы, можно представить как сферу, в центре которой находится рассматриваемая молекула. Такая сфера носит название сферы действия молекулярных сил (R  10 -9 м).

Так как молекулы в жидкостях расположены с равномерной плотностью, то равнодействующая молекулярных сил, действующих на рассматриваемую молекулу равна нулю. Поэтому перемещение молекул внутри жидкости хаотическое (тепловое), а не под действием сил Ван дер Ваальса.

Экспериментально было установлено, что с повышением температуры объем жидкости увеличивается согласно уравнению

, (17.8)

где - коэффициент объемного расширения, который определяется соотношением .

Коэффициент объемного расширения жидкостей сильно зависит от температуры и давления. С увеличением температуры он возрастает, а с увеличением давления — уменьшается.

Коэффициенты сжимаемости и объемного расширения жидкостей связаны между собой соотношением

. (17.9)

Согласно соотношению (17.9) изменение давления жидкости с изменением температуры на 1 градус, при постоянном объеме, равно отношению коэффициента объемного расширения к коэффициенту сжимаемости. Поэтому небольшой перегрев жидкости в закрытых сосудах приводит к резкому возрастанию давления в них (для ртути это отношение равно 4510 5 Па/град).

Как было сказано выше, повышение температуры жидкости ведет к увеличению объема. Аномалией обладает только вода, для которой в области температур от 0 С до 4 С, повышение температуры приводит к уменьшению ее объема. Это объясняется тем, что молекулы воды образуют тесно связанные группы. В результате, наряду с молекулами воды типа H₂O, в ней имеются молекулы типа (H₂O)₂, (H₂O)₃, удельный объем которых различен. С изменением температуры соотношение концентраций этих молекул изменяется, изменяется объем жидкости, достигая минимума при 4 С.