Реферат: Свойства жидкостей

Министерство образования Российской Федерации

Владимирский государственный университет

Кафедра общей физики

Пивоваров А.В.

Ст. гр. ВТ-204

Свойства жидкостей

Руководитель:

ПлешивцевВ.С

Владимир2005

План:

1)

Строениежидкостей

a.

Объёмныесвойства

b.

Ближнийпорядок

2)

Поверхностноенатяжение

3)

Явления награнице жидкости, твёрдого тела и газа

a.

Краевой угол

b.

Смачивание

4)

Капиллярныеявления

a.

ФормулаЛапласа

Строение жидкостей

Жидкое состояние, занимая промежуточноеположение между газами и кристаллами, сочетает в себе некоторые черты обоихэтих состояний. В частности, для жидкостей, как и для кристаллических тел,характерно наличие определённого объёма, и вместе с тем жидкость, подобно газу, принимает форму тогососуда, в котором она находиться, но в отличие от газов не занимает весь объёмсосуда. Каждая молекула жидкости, также как и в твердом теле, «зажата» со всехсторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторогоположения равновесия. Однако, время от времени любая молекула можетпереместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостяхпроисходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определеннымцентрам, как в кристаллах и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этимобъясняется текучесть жидкостей. Согласно рентгенографическим исследованиям, вотношении характера расположения частиц жидкости занимают промежуточноесостояние. В расположении частиц жидкости наблюдается так называемый ближнийпорядок (рис. 1).

Рис1.

Примерближнего порядка молекул жидкости и дальнего порядка молекул кристаллическоговещества: 1 – вода; 2 – лед.

Это означает, что по отношению клюбой частице расположение ближайших к ней соседей является упорядоченным.Однако по мере удаления от данной частицы расположение по отношению к нейдругих частиц становиться всё менее упорядоченным, и довольно быстро порядок врасположении частиц полностью исчезает. В кристаллах имеет место дальнийпорядок: упорядоченное расположение частиц по отношению к любой частиценаблюдается в пределах значительного объёма. (рис. 1).

Наличие в жидкостях ближнегопорядка служит причиной того, что структуру жидкостей называютквазикристаллической (кристаллоподобной).

Из-за отсутствия дальнего порядкажидкости, за не многими исключениями, не обнаруживают анизотропии, характернойдля кристаллов с их правильным расположением частиц. В жидкостях с удлиненнымимолекулами наблюдается одинаковая ориентация молекул в пределах значительногообъёма, чем обуславливается анизотропия оптических и некоторых других свойств.Такие жидкости получили название жидких кристаллов. У них упорядочена толькоориентация молекул, взаимное же расположение молекул, как и в обычныхжидкостях, дальнего порядка не обнаруживает.

Промежуточным положениемобусловлено то обстоятельство, что жидкое состояние оказывается особенносложным по своим свойствам. Поэтому его теория гораздо менее развита, чемтеория кристаллического и газообразного состояний.

Жидкости, как и твердые тела,изменяют свой объем при изменении температуры. Для не очень больших интерваловтемператур относительное изменение объема ΔV / V0пропорционально изменению температуры ΔT:

Коэффициент β называюттемпературным коэффициентом объемного расширения. Этот коэффициент у жидкостейв десятки раз больше, чем у твердых тел. У воды, например, при температуре 20°С βв ≈ 2·10–4 К–1, у стали βст≈ 3,6·10–5 К–1, у кварцевого стекла βкв≈ 9·10–6 К–1.

Тепловое расширение воды имеетинтересную и важную для жизни на Земле аномалию. При температуре ниже 4 °С водарасширяется при понижении температуры (β < 0). Максимум плотностиρв = 103 кг/м3 вода имеет при температуре 4 °С.

При замерзании вода расширяется,поэтому лед остается плавать на поверхности замерзающего водоема. Температуразамерзающей воды подо льдом равна 0 °С. В более плотных слоях воды у днаводоема температура оказывается порядка 4 °С. Благодаря этому можетсуществовать жизнь в воде замерзающих водоемов.

Поверхностное натяжение

Наиболее интересной особенностьюжидкостей является наличие свободной поверхности. Жидкость, в отличие от газов,не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Между жидкостью и газом(или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях посравнению с остальной массой жидкости. Молекулы в пограничном слое жидкости, вотличие от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же жидкости несо всех сторон. Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну измолекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимноскомпенсированы. Любая молекула в пограничном слое притягивается молекулами,находящимися внутри жидкости (силами, действующими на данную молекулу жидкостисо стороны молекул газа (или пара) можно пренебречь). В результате появляется некотораяравнодействующая сила, направленная вглубь жидкости. Если молекулапереместиться с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярноговзаимодействия совершат положительную работу. Наоборот, чтобы вытащитьнекоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (т. е.увеличить площадь поверхности жидкости), надо затратить положительную работувнешних сил ΔAвнеш, пропорциональную изменению ΔS площадиповерхности:

ΔAвнеш= σΔS.

Коэффициент σ называетсякоэффициентом поверхностного натяжения (σ > 0). Таким образом,коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличенияплощади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу.

В СИ коэффициент поверхностногонатяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м2) или вньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м2).

Следовательно, молекулыповерхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекуламивнутри жидкости потенциальной энергией. Потенциальная энергия Ep поверхностижидкости пропорциональна ее площади:

Ep= Aвнеш = σS.

Из механики известно, чторавновесным состояниям системы соответствует минимальное значение еепотенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкостистремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкостипринимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательнойк ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Этисилы называются силами поверхностного натяжения.

Наличие сил поверхностногонатяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, стой только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ееповерхности (т. е. от того, как пленка деформирована), а силы поверхностногонатяжения не зависят от площади поверхности жидкости.

Некоторые жидкости, как,например, мыльная вода, обладают способностью образовывать тонкие пленки. Всемхорошо известные мыльные пузыри имеют правильную сферическую форму – в этомтоже проявляется действие сил поверхностного натяжения. Если в мыльный растворопустить проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна, то вся оназатянется пленкой жидкости (рис. 2).

Рис.2.

Подвижнаясторона проволочной рамки в равновесии под действием внешней силы <img src="/cache/referats/20946/image008.jpg" v:shapes="_x0000_i1029"> и результирующей сил поверхностного натяжения <img src="/cache/referats/20946/image010.jpg" v:shapes="_x0000_i1030">

Силы поверхностного натяжениястремятся сократить поверхность пленки. Для равновесия подвижной стороны рамкик ней нужно приложить внешнюю силу <img src="/cache/referats/20946/image012.jpg" v:shapes="_x0000_i1031"><img src="/cache/referats/20946/image014.jpg" v:shapes="_x0000_i1032"> перекладина переместиться на Δx, то будетпроизведена работа ΔAвнеш = FвнешΔx = ΔEp= σΔS, где ΔS = 2LΔx – приращение площади поверхности обеихсторон мыльной пленки. Так как модули сил <img src="/cache/referats/20946/image008.jpg" v:shapes="_x0000_i1033"> и <img src="/cache/referats/20946/image010.jpg" v:shapes="_x0000_i1034"> одинаковы, можно записать:

Коэффициент поверхностногонатяжения σ может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения,действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность.

Явления на границе жидкости, твёрдого тела и газа

При рассмотрении явлений награнице раздела двух различных сред следует иметь в виду, что поверхностнаяэнергия жидкости или твёрдого тела зависит не только от свойств данной жидкостиили твёрдого тела, но и от свойств того вещества, с которым они граничат.Строго говоря, нужно рассматривать суммарную поверхностную энергию α12двух граничащих друг с другом веществ. Только если одно вещество газообразно,химически не реагирует с другим веществом и мало в нём растворяется, можноговорить просто о поверхностной энергии (или коэффициенте поверхностногонатяжения) второго жидкого или твёрдого тела.

Если граничат друг с другом сразутри вещества: твёрдое, жидкое и газообразное (рис.3), то вся система принимаетконфигурацию, соответствующую минимуму суммарной энергии (поверхностной, в полесил тяжести и т.п.). В частности, контур, по которому граничат в се тривещества, располагается на поверхности твёрдого тела таким образом, чтобы суммапроекций всех приложенных к каждому элементу контура сил поверхностногонатяжения на направление, в котором элемент контура может перемещаться (т.е. нанаправление касательной к поверхности твёрдого тела), была равна нулю.

SHAPE * MERGEFORMAT

∆lαт, ж

газ

жидкость

тв.тело

∆lαж, г

∆lαт, г

Элемент контура длинною ∆l

рис.3

Из рис.3 следует, что условиеравновесия элемента контура ∆l запишется следубщим образом:

∆lαт, г=∆lαт, ж+∆lαж, гcosύ (1)

где αт, г,αт, ж и αж, г –коэффициенты поверхностного натяжения на границах: твёрдое тело-газ, твёрдоетело-жидкость и жидкость-газ.

Отсчитываемы в нутрии жидкостиугол ύ между касательными к поверхности твёрдого тела и к поверхностижидкости называется краевым углом. В соответствии с (1)

cosύ=(αт, г — αт, ж)/ αж, г (2)

Краевой угол определяетсявыражением (2) только при условии, что

(|αт, г — αт, ж|)/ αж, г≤ 1 (3)

Если это условие не выполняется,т.е. |αт, г — αт, ж|>αж, г, ни прикаком значении ύ не может установиться равновесие. Это имеет место в двухслучаях:

1)

αт, г>αт, ж+αж, г. Как быни был мал угол ύ, сила αт, гперевешивает две другие. В этом случае жидкость неограниченно растекаетсяпо поверхности твёрдого тела – имеет место полное смачивание. Заменаповерхности твёрдое толе – газ двумя поверхностями, твёрдое тело-жидкость ижидкость-газ, оказывается энергетически выгодной. При полном смачивании краевойугол равен нулю

2)

αт, ж>αт, г+αж, г. Как бы ни был угол ύ близок к π,сила αт, ж перевешиваетдве другие. В этом случае поверхность, по которой жидкость граничит с твёрдымтелом, стягивается в точку, жидкость отделяется от твёрдой поверхности – имеетместо полное не смачивание. Замена поверхности твёрдое тело-жидкость двумяповерхностями, твёрдое тело-газ и жидкость-газ, оказывается энергетическивыгодной. При полном несмачивании краевой угол равен π.

При соблюдении условия (3)краевой угол может оказаться острым или тупым в зависимости от соотношениямежду αт, ги αт, ж.Если αт, гбольше, чем αт, ж,то cosύ>0 и угол ύ – острый. В этом случае имеет место частичноесмачивание. Если αт, г,меньше чем αт, ж,то cosύ<0 и угол ύ – тупой. В этом случае имеет место частичноенесмачивание.

Капиллярные явления.

Форма которую принимает свободнаяповерхность жидкости, зависит от сил поверхностного натяжения, отвзаимодействия с ограничивающими поверхность твёрдыми стенками, а так же отсилы земного тяготения, действующей на жидкость. Особыми оказываются условияравновесия на линии разреза жидкость — газ — твёрдая стенка (рис. 4) в тонких плёнках и в узкихсосудах – капиллярах.

Рис.4

Краевыеуглы смачивающей (1) и несмачивающей (2) жидкостей.

Наблюдающиеся в этих случаяхявления получили общее название капиллярных. Детальная теория капиллярныхявлений была разработана в ХIХвеке главным образом в работах английского физика Т.Юнга, французского физикаП.Лапласа, немецкого математика К.Гаусса и русских учёных А.Ю. Давыдова и И.С.Громеки.

Капиллярные эффекты, широко известные втехнике и быту, в основном обусловлены тем, что благодаря действию силповерхностного натяжения давление в нутрии жидкости может отличаться нанекоторую величину ∆pот внешнего давления p газа или пара над поверхностью жидкости.

Формула Лапласа

Рассмотрим поверхность жидкости,опирающуюся на некоторый плоский контур. Если поверхность жидкости не плоская,то стремление её к сокращению приведёт к возникновению давления,дополнительного к тому, которое испытывает жидкость с плоской поверхностью. Вслучае выпуклой поверхности это дополнительное давление положительно, в случаевогнутой поверхности – отрицательно. В последнем случае поверхностный слой,стремясь сократиться, растягивает жидкость.

Величина добавочного давления,очевидно, должна возрастать с увеличением коэффициента поверхностного натяженияα и кривизны поверхности. Вычислим добавочное давление для сферическойповерхности жидкости. Для этого рассечём сферическую каплю жидкостидиаметральной плоскостью на два полушария (рис. 5).

Рис.5

Сечениесферической капли жидкости.

Из-за поверхностного натяженияоба полушария притягиваются друг к другу с силой, равной:

F=lα=2πRα

Эта сила прижимает друг к другуоба полушария по поверхности S=πR2 и следовательно,обуславливает дополнительное давление:

∆p=F/S=(2πRα)/ πR2=2α/R (4)

Кривизна сферической поверхностивсюду одинакова и определяется радиусом сферы R. Очевидно, что чем меньше R, тем больше кривизнасферической поверхности. Кривизну произвольной поверхности принятохарактеризовать так называемой средней кривизной, которая может оказатьсяразличной для разных точек поверхности.

Средняя кривизна определяетсячерез кривизну нормальных сечений. Нормальным сечением поверхности в некоторойточке называется линия пересечения этой поверхности с плоскостью, проходящейчерез нормаль к поверхности в рассматриваемой точке. Для сферы любое нормальноесечение представляет собой окружность радиуса R (R-радиус сферы). Величина H=1/Rдаёт кривизну сферы. В общем случае различные сечения, проведённые через одну иту же точку, имеют различную кривизну. В геометрии доказывается, что полусуммаобратных радиусов кривизны

H=0,5(1/R1+1/R2) (5)

для любой пары взаимно перпендикулярных нормальных сеченийимеет одно и тоже значение. Эта величина и есть средняя кривизна поверхности вданной точке.

Радиусы R1 и R2 в формуле (5) – алгебраическиевеличины. Если центр кривизны нормального сечения находиться под даннойповерхностью, соответствующий радиус кривизны положителен, если центр кривизнылежит над поверхностью, радиус кривизны отрицателен.

Для сферы R1=R2=R, так что в соответствии с (5) H=1/R. Заменив в (4) 1/Rчерез H, получим, что

∆p=2Hα (6)

Лаплас доказал, что формула (6)справедлива для поверхности любой формы, если под Hпониматьсреднюю кривизну поверхности в это точке, под которой определяетсядополнительное давление. Подставив в (6) выражение (5) для средней кривизны,получим формулу для добавочного давления под произвольной поверхностью:

∆p=α(1/R1+1/R2) (7)

Она называется формулой Лапласа.

Добавочное давление (7)обуславливает изменение уровня жидкости в капилляре, вследствие чего называетсяиногда капиллярным давлением.

Существование краевого углаприводит к тому, что вблизи стенок сосуда наблюдается искривление поверхностижидкости. В капилляре или в узком зазоре между двумя стенками искривленнойоказывается вся поверхность. Если жидкость смачивает стенки, поверхность имеетвогнутую форму, если не смачивает – выпуклую (рис. 4). Такого рода изогнутыеповерхности жидкости называются менисками.

Если капилляр погрузить однимконцом в жидкость, налитую в широкий сосуд, то под искривлённой поверхностью вкапилляре давление будет отличаться от давления по плоской поверхностью вшироком сосуде на величину ∆p, определённую формулой (7). В результате при смачиваниикапилляра уровень жидкости в нём будет выше, чем в сосуде, при несмачивании –ниже.

Рис.6

<img src="/cache/referats/20946/image022.gif" align=«left» v:shapes="_x0000_s1237 _x0000_s1238 _x0000_s1332 _x0000_s1239 _x0000_s1240 _x0000_s1241 _x0000_s1242 _x0000_s1243 _x0000_s1244 _x0000_s1245 _x0000_s1246 _x0000_s1247 _x0000_s1248 _x0000_s1249 _x0000_s1250 _x0000_s1251 _x0000_s1252 _x0000_s1253 _x0000_s1254 _x0000_s1255 _x0000_s1256 _x0000_s1257 _x0000_s1258 _x0000_s1259 _x0000_s1260 _x0000_s1261 _x0000_s1262 _x0000_s1263 _x0000_s1264 _x0000_s1265 _x0000_s1266 _x0000_s1267 _x0000_s1268 _x0000_s1269 _x0000_s1270 _x0000_s1271 _x0000_s1272 _x0000_s1273 _x0000_s1274 _x0000_s1275 _x0000_s1276 _x0000_s1277 _x0000_s1278 _x0000_s1279 _x0000_s1280 _x0000_s1281 _x0000_s1282 _x0000_s1283 _x0000_s1284 _x0000_s1285 _x0000_s1286 _x0000_s1287 _x0000_s1288 _x0000_s1289 _x0000_s1290 _x0000_s1291 _x0000_s1292 _x0000_s1293 _x0000_s1294 _x0000_s1295 _x0000_s1296 _x0000_s1297 _x0000_s1298 _x0000_s1299 _x0000_s1300 _x0000_s1301 _x0000_s1302 _x0000_s1303 _x0000_s1304 _x0000_s1305 _x0000_s1306 _x0000_s1307 _x0000_s1308 _x0000_s1309 _x0000_s1310 _x0000_s1311 _x0000_s1312 _x0000_s1313 _x0000_s1314 _x0000_s1315 _x0000_s1316 _x0000_s1317 _x0000_s1318 _x0000_s1319 _x0000_s1320 _x0000_s1321 _x0000_s1322 _x0000_s1323 _x0000_s1324 _x0000_s1325 _x0000_s1326 _x0000_s1327 _x0000_s1328 _x0000_s1329 _x0000_s1330 _x0000_s1331">r, погружённого в большой сосуд сжидкостью, несмачивающей стенки капилляра. При этом внутри капилляра образуетсямениск, и под действием дополнительного давления ∆pжидкость в капилляреопускается на некоторую глубину, как это показано на рис.6. В широком сосудеблагодаря действию силы тяжести можно считать поверхность жидкости практическиплоской. В узкой трубке, напротив, можно пренебречь действием сил тяжести по сравнениюс силами поверхностного натяжения и поверхность жидкости считать сферойнекоторого радиуса R. Изрисунка 6 видно, что R=r/|cosθ|, где θ – краевой угол на границежидкость — твёрдая стенка.

На уровне поверхности в капилляредавление жидкости равно p+∆p=p+2α/R,где p–внешнее давление в газе. По закону сообщающихся сосудов оно должно быть равнополному давлению на этом уровне в широком сосуде p+ρgh, где ρgh – гидростатическое давление столбажидкости плотности ρ на глубине h (g –ускорение силы тяжести). Приравнивая, получим:

p+2α/R= p+ρgh (8), откуда

h=2α/ρgR=2α|cosθ|. (9)

В точности такое же выражение мыполучим и для высоты поднятия жидкости, смачивающей стенки капилляра радиуса r. При полном смачивании(например вода –стекло) θ=0,cosθ=1, радиусмениска Rравен радиусу капилляра rи высота поднятия жидкости равна

h=2α/ρgr (10)

Из (9) и (10) следует, что высотаподнятия или опускания жидкости в капилляре обратно пропорциональна егорадиусу.

Капиллярные явления играютбольшую роль в природе, технике, сельском хозяйстве, в быту и при научныхисследованиях. По тонким капиллярным каналам в фитиле керосин поднимается изрезервуара к горелке. Если между фундаментом и стенами строящегося здания непроложить слой гидроизоляции, то влага из почвы будет подниматься покапиллярным порам кирпича и вызовет отсыревание всего здания. Если диаметробоих колен ртутного манометра неодинаков и притом один из них – капилляр, тортуть в них будет находиться на неодинаковом уровне, что приведёт к ошибкам визмерении давления.

Библиография

1)

I, «Днiпро», Киев, 1994г.

2)

3)

еще рефераты

Еще работы по физике

Шум и его влияние на организм человека