Будова газоподібних, рідких та твердих тіл. Будова рідини та газу Молекулярна структура рідини

Молекулярно-кінетична теорія дає можливість зрозуміти, чому речовина може перебувати в газоподібному, рідкому та твердому станах.

Газ.У газах відстань між атомами або молекулами в середньому набагато більше розмірів самих молекул (рис. 10). Наприклад, при атмосферному тиску обсяг судини в десятки тисяч разів перевищує обсяг молекул газу, що знаходяться в посудині.

Гази легко стискаються, тому що при стисканні газу зменшується лише середня відстань між молекулами, але молекули не здавлюють один одного (рис. 11).


Молекули з величезними швидкостями – сотні метрів за секунду – рухаються у просторі. Зіштовхуючись, вони відскакують один від одного в різні боки подібно до більярдних куль.
Слабкі сили тяжіння молекул газу неспроможні втримати їх друг біля друга. Тому гази можуть необмежено розширюватись. Вони зберігають ні форми, ні обсягу.
Численні удари молекул об стінки судини утворюють тиск газу.

Рідини. У рідин молекули розташовані майже впритул один до одного (рис. 12). Тому молекула в рідині поводиться інакше, ніж у газі. Затиснута, як у клітині, іншими молекулами, вона робить «біг дома» (вагається біля положення рівноваги, зіштовхуючись із сусідніми молекулами). Лише іноді вона робить «стрибок», прориваючись крізь «прути клітини», але відразу потрапляє у нову «клітину», утворену новими сусідами. Час «осілого життя» молекули води, тобто час коливань близько одного певного положення рівноваги при кімнатній температурі дорівнює в середньому 10 -11 с. Час одного коливання значно менше (10 -12 - 10 -13 с). З підвищенням температури час осілого життя молекул зменшується. Характер молекулярного руху на рідинах, вперше встановлений радянським фізиком Я. І. Френкелем, дозволяє зрозуміти основні властивості рідин.

Френкель Яків Ілліч (1894 – 1952) – видатний радянський фізик-теоретик, який зробив значний внесок у різні галузі фізики. Я. І. Френкель - автор сучасної теорії рідкого стану речовини. Ним закладено основи теорії феромагнетизму. Широко відомі роботи Я. І. Френкеля з атмосферної електрики та походження магнітного поля Землі. Перша кількісна теорія поділу ядер урану створена Я. І. Френкелем.

Молекули рідини знаходяться безпосередньо одна біля одної. Тому при спробі змінити об'єм рідини навіть на малу величину починається деформація самих молекул (рис. 13). А для цього потрібні величезні сили. Цим і пояснюється мала стисливість рідин.

Рідини, як відомо, текучи, тобто не зберігають своєї форми. Пояснюється це так. Якщо рідина не тече, то перескоки молекул з одного «осілого» положення в інше відбуваються з однаковою частотою по всіх напрямках (рис. 12). Зовнішня сила помітно не змінює числа перескоків молекул за секунду, але перескоки молекул з одного «осілого» становища до іншого при цьому відбуваються переважно у напрямі дії зовнішньої сили (рис. 14). Ось чому рідина тече і набуває форми судини.
Тверді тіла.Атоми або молекули твердих тіл, на відміну від рідин, коливаються біля певних положень рівноваги. Щоправда, іноді молекули змінюють положення рівноваги, але це вкрай рідко. Саме тому тверді тіла зберігають як обсяг, а й форму.


Є ще одна важлива відмінність між рідинами та твердими тілами. Рідина можна порівняти з натовпом, окремі члени якого неспокійно товчуться на місці, а тверде тіло подібно до стрункої когорти, члени якої хоча і не стоять по стійці «смирно» (внаслідок теплового руху), але витримують між собою в середньому певні інтервали. Якщо з'єднати центри положень рівноваги атомів або іонів твердого тіла, то вийде правильна просторова решітка, яка називається кристалічної. На малюнках 15 і 16 зображені кристалічні ґрати кухонної солі та алмазу. Внутрішній порядок розташування атомів кристалів призводить до геометрично правильним зовнішнім формам. На малюнку 17 показані якутські алмази.

Якісне пояснення основних властивостей речовини на основі молекулярно-кінетичної теорії, як ви бачили, не є особливо складним. Однак теорія, що встановлює кількісні співвідношення між вимірюваними на досвіді величинами (тиском, температурою та ін.) та властивостями самих молекул, їх числом та швидкістю руху, дуже складна. Ми обмежимося розглядом теорії газів.

1. Наведіть докази існування теплового руху молекул. 2. Чому броунівський рух помітний лише в частинок малої маси? 3. Якою є природа молекулярних сил? 4. Які сили взаємодії між молекулами залежать від відстані між ними? 5. Чому два свинцеві бруски з гладкими чистими зрізами злипаються, якщо їх притиснути один до одного? 6. У чому полягає відмінність теплового руху молекул газів, рідин та твердих тіл?

Основні фізичні характеристики рідин та газів.

лекція 3

Предметом вивчення механіки рідини та газу є фізичне тіло, у якого відносне становище його елементів змінюється на значну величину при додатку досить малих сил відповідного спрямування. Таким чином, основною властивістю рідкого тіла (або просто рідини) є плинність.Властивістю плинності мають як крапельні рідини (власне рідини, такі, наприклад, як вода, бензин, технічні олії), і гази (повітря, азот, водень, вуглекислий газ). Істотна відмінність у поведінці рідин і газів, що пояснюється з погляду молекулярної будови, визначатиметься наявністю в краплинній рідині вільної поверхні, що межує з газом, наявність поверхневого натягу, можливість фазового переходу і т.д.

Всі матеріальні тіла, незалежно від їх агрегатного стану: твердого, рідкого або газоподібного, мають внутрішню молекулярну (атомну) структуру з характерним внутрішнім тепловим, мікроскопічнимрухом молекул. Залежно від кількісного співвідношення між кінетичною енергією руху молекул та потенційною енергією міжмолекулярної силової взаємодії виникають різні молекулярні структури та різновиди внутрішнього руху молекул.

У твердих тілахосновне значення має молекулярна енергія взаємодіїмолекул, внаслідок чого під дією сил зчеплення молекули розташовуються у правильні кристалічні ґрати з положеннями стійкої рівноваги у вузлах цієї ґрати. Теплові рухи в твердому тілі є коливаннями молекул відносно вузлів решітки з частотою порядку 10 12 Гц і амплітудою, пропорційною відстані між вузлами решітки.

На противагу твердому тілу, в газахвідсутні сили зчеплення між молекулами. Молекули газу здійснюють безладні рухи, причому взаємодія їх зводиться лише до зіткнень. У проміжках між зіткненнями взаємодією між молекулами можна знехтувати, що відповідає дещиці потенційної енергії силової взаємодії молекул порівняно з кінетичною енергією їхнього хаотичного руху. Середня відстань між двома послідовними зіткненнями молекул визначає довжину вільного пробігу.Середня швидкість теплового руху молекул можна порівняти зі швидкістю поширення малих збурень (швидкістю звуку) у стані газу.

Рідкі тілаза своєю молекулярною структурою та тепловим рухом молекул займають проміжний стан між твердими та газоподібними тілами. На існуючі погляди навколо деякої, центральної, молекули групуються сусідні молекули, що здійснюють малі коливання з частотою, близькою до частоти коливань молекул у ґратах твердого тіла та амплітудою порядку середньої відстані між молекулами. Центральна молекула або (при спокої рідини) залишається нерухомою, або мігрує зі швидкістю, за значенням і напрямком збігається із середньою швидкістю макроскопічного руху рідини. У рідині потенційна енергія взаємодії молекул можна порівняти по порядкуз кінетичною енергією їхнього теплового руху. Доказом наявності коливань молекул у рідинах є «броунівський рух» найдрібніших твердих частинок, внесених у рідину. Коливання цих частинок легко спостерігаються в полі мікроскопа і можуть розглядатися як результат зіткнення твердих частинок з молекулами рідини. Наявність у рідинах міжмолекулярної взаємодії зумовлює існування поверхневого натягу рідини на її кордоні з будь-яким іншим середовищем, що змушує її набути такої форми, при якій її поверхня мінімальна. Невеликі обсяги рідини зазвичай мають форму кулястої краплі. Внаслідок цього рідини в гідравліці називають краплинними.

Слід зазначити, що межа між твердими та рідкими тілами не завжди чітко окреслена. Так, при дії великих сил на краплинну рідину (наприклад, на рідкий струмінь), за малого часу взаємодії остання набуває властивостей, близьких до властивостей крихкого твердого тіла. Струмінь рідини при великих тисках перед отвором має властивості, близькі до властивостей твердого тіла. Так, при тисках великих 10 8 Па водяний струмінь ріже сталеву пластину; при тиску порядку 5 · 10 7 Па – ріже граніт, при тисках 1,5 · 10 7 - 2 · 10 7 Па – руйнує кам'яне вугілля. Тиск (1,5 - 2) · 10 6 Па достатньо для руйнування різних ґрунтів.

За певних умов межа між рідкими та газоподібними тілами також може бути відсутнім. Гази заповнюють весь наданий їм обсяг, їх щільність може змінюватися в межах залежно від прикладених сил. Рідини, заповнюючи посудину більшого об'єму, ніж об'єм рідини, утворюють вільну поверхню – межу поділу між рідиною та газом. У звичайних умовах обсяг рідини мало залежить від прикладених до неї сил. Поблизу критичного стану різниця між рідиною та газом стає малопомітною. Останнім часом з'явилося поняття флюїдного стану, коли частинки рідини з розмірами кілька нанометрів досить рівномірно перемішані зі своєю парою. У цьому випадку не спостерігається візуальної різниці між рідиною і парою.

Пара відрізняється від газу тим, що його стан при русі близький до стану насичення. Тому він може за певних умов частково конденсуватися та утворювати двофазне середовище. При швидкому розширенні процес конденсації запізнюється, а потім при досягненні певного переохолодження відбувається лавиноподібно. У цьому випадку закони перебігу пари можуть суттєво відрізнятися від законів перебігу рідин та газів.

Властивості твердих тіл, рідин та газів обумовлені їх різною молекулярною будовою . Однак основною гіпотезою механіки рідини і газу є гіпотеза суцільного середовища, відповідно до якої рідина представляється безперервно розподіленою речовиною (континуумом), що без порожнеч заповнює простір.

Внаслідок слабких зв'язків між молекулами рідин і газів (тому вони і текучи) до їх поверхонь не може бути прикладена зосереджена сила, а тільки розподілене навантаження. Спрямований рух рідини складається з руху тих, що хаотично переміщаються у всіх напрямках відносно один одного величезного числа молекул. У механіці рідини та газу, яка вивчає їх спрямований рух, вважається безперервним розподіл усіх характеристик рідини у розглянутому просторі. Молекулярна структура береться до уваги тільки при математичному описі фізичних характеристик рідини або газу, що було зроблено при розгляді процесів перенесення в газах.

Модель суцільного середовища дуже корисна щодо її руху, оскільки дозволяє використовувати добре розвинений математичний апарат безперервних функцій.

Кількісно межі застосування математичного апарату механіки суцільного середовища для газу встановлюються значенням критерію Кнудсена - ставленням середньої довжини вільного пробігу молекул газу lдо характерного розміру течії L

Якщо Kn< 0,01 то протягом газу можна розглядати як перебіг суцільного середовища. При обтіканні твердої поверхні суцільним середовищем її молекули прилипають до неї (гіпотеза Прандтля про прилипання) і тому швидкість рідини на поверхні твердих тіл завжди дорівнює швидкості цієї поверхні, а температура рідини на стінці дорівнює температурі стінки.

Якщо Kn> 0,01, то розглядається рух розрідженого газу з використанням математичного апарату молекулярно-кінетичної теорії.

У машинобудуванні гіпотеза суцільного середовища може виконуватися під час розрахунку течії рідини чи газу у вузьких зазорах. Молекули мають розміри близько 10-10 м; при зазорах порядку 10 -9 м, притаманних нанотехнології, можуть спостерігатися істотні відхилення розрахункових даних, отриманих за допомогою звичайних рівнянь динаміки рідини

Рідкий стан, займаючи проміжне положення між газами і кристалами, поєднує деякі риси обох цих станів. Зокрема, для рідин, як і для кристалічних тіл, характерна наявність певного об'єму, і водночас рідина, подібно до газу, набуває форми тієї посудини, в якій вона знаходиться. Далі, для кристалічного стану характерно впорядковане розташування частинок (атомів чи молекул), у газах у сенсі панує повний хаос. Відповідно до рентгенографічних досліджень, щодо характеру розташування частинок рідини також займають проміжне положення. У розташування частинок рідини спостерігається так званий ближній порядок. Це означає, що стосовно будь-якої частки розташування найближчих до неї сусідів є впорядкованим. Однак у міру віддалення від даної частинки розташування по відношенню до неї інших частинок стає все менш упорядкованим, і досить швидко порядок розташування частинок повністю зникає. У кристалах має місце далекий порядок: упорядковане розташування частинок стосовно будь-якої частки спостерігається в межах значного обсягу.

Наявність у рідинах ближнього порядку є причиною того, що структуру рідин називають квазікристалічною (кристалоподібною).

Через відсутність далекого порядку рідини, за небагатьма винятками, не виявляють анізотропію, характерну для кристалів з їх правильним розташуванням частинок. У рідинах з подовженими молекулами спостерігається однакова орієнтація молекул у межах значного обсягу, ніж обумовлюється анізотропія оптичних та деяких інших властивостей. Такі рідини одержали назву рідких кристалів. Вони впорядкована лише орієнтація молекул, взаємне розташування молекул, як й у звичайних рідинах, далекого порядку не виявляє.

Проміжним становищем рідин обумовлено та обставина, що рідке, стан виявляється особливо складним за своїми властивостями. Тому його теорія набагато менш розвинена, ніж теорія кристалічного та газоподібного станів. Досі немає цілком закінченої та загальновизнаної теорії рідин. Значні заслуги розробки низки проблем теорії рідкого стану належать радянському вченому Я. І. Френкелю.

Відповідно. Френкелю, тепловий рух у рідинах має наступний характер. Кожна молекула протягом деякого часу коливається у певного положення рівноваги. Іноді молекула змінює місце рівноваги, стрибком переміщаючись у нове становище, віддаленого від попереднього відстань порядку розмірів самих молекул. Таким чином, молекули лише повільно переміщуються всередині рідини, перебуваючи частину часу біля певних місць. За образним виразом Я. І. Френкеля, молекули мандрують по всьому об'єму рідини, ведучи кочовий спосіб життя, при якому короткочасні переїзди змінюються відносно довгими періодами осілого життя. Тривалості цих стоянок дуже різні і безладно чергуються один з одним, але середня тривалість коливань близько одного і того ж положення рівноваги виявляється у кожної рідини певною величиною, що різко зменшується при підвищенні температури. У зв'язку з цим у разі підвищення температури сильно зростає рухливість молекул, що у своє чергу тягне у себе зменшення в'язкості рідин.

Існують тверді тіла, які у багатьох відношеннях виявляються ближчими до рідин, ніж до кристалів. Такі тіла, які називаються аморфними, не виявляють анізотропії. У розташуванні їх частинок є, як і рідин, лише ближній порядок. Перехід від аморфного твердого тіла до рідини при нагріванні здійснюється безперервно, тоді як перехід від кристала до рідини відбувається стрибком (докладніше про це буде сказано в § 125). Все це дає підставу розглядати аморфні тверді тіла як переохолоджені рідини, частинки яких внаслідок в'язкості, що сильно зросла, мають обмежену рухливість.

Типовим прикладом аморфного твердого тіла є скло. До аморфних тіл належать також смоли, бітуми тощо.

Зміст статті

РІДИНИ ТЕОРІЯ.Кожен з нас легко згадає чимало речовин, які він вважає рідинами. Однак дати точне визначення цього стану речовини не так просто, оскільки рідини мають такі фізичні властивості, що в одних відносинах вони нагадують тверді тіла, а в інших – гази. Найбільш яскраво схожість між рідинами та твердими тілами проявляється у склоподібних матеріалів. Їхній перехід від твердого стану до рідкого при підвищенні температури відбувається поступово, вони просто стають дедалі м'якшими, так що не можна вказати, в якому температурному інтервалі їх слід назвати твердими тілами, а в якому рідинами. Можна лише сказати, що в'язкість склоподібної речовини в рідкому стані менша, ніж у твердому. Тверде скло часто називають переохолодженою рідиною.

Очевидно, найбільш характерною властивістю рідин, що відрізняє їх від твердих тіл, є низька в'язкість (висока плинність). Завдяки їй вони набувають форми судини, в яку налиті. На молекулярному рівні висока плинність означає відносно велику свободу частинок рідини. У цьому рідини нагадують гази, хоча сили міжмолекулярної взаємодії рідин більші, молекули розташовані вже й більш обмежені у своєму русі.

До сказаного можна підійти й інакше – з погляду ставлення до далекому і близькому порядку. Далекий порядок існує у кристалічних твердих тілах, атоми яких розташовані строго впорядковано, утворюючи тривимірні структури, які можна отримати багаторазовим повторенням елементарного осередку. Приклад двовимірного далекого порядку подано на рис. 1, а. У рідині та склі далекий порядок відсутній. Однак це не означає, що вони взагалі не впорядковані. Для рідини характерна картина, подібна до зображеної на рис. 1, б. Число найближчих сусідів у всіх атомів практично однаково, але розташування атомів у міру їх віддалення від будь-якої виділеної позиції стає дедалі більш хаотичним. Отже, упорядкованість існує лише з малих відстанях, звідси й назва: ближній порядок. Адекватний математичний опис структури рідини може бути лише за допомогою статистичної фізики. Наприклад, якщо рідина складається з однакових сферичних молекул, її структуру можна описати радіальною функцією розподілу g(r), яка дає можливість виявлення будь-якої молекули на відстані rвід даної, обраної як точка відліку. Експериментально цю функцію можна знайти, досліджуючи дифракцію рентгенівських променів або нейтронів, а з появою швидкодіючих комп'ютерів її стали обчислювати методом комп'ютерного моделювання, ґрунтуючись на наявних даних про природу сил, що діють між молекулами, або на припущеннях про ці сили, а також на законах механіки Ньюто . Порівнюючи радіальні функції розподілу, отримані теоретично та експериментально, можна перевірити правильність припущень про природу міжмолекулярних сил.

В органічних речовинах, молекули яких мають подовжену форму, у тому чи іншому інтервалі температур іноді виявляються області рідкої фази з далеким орієнтаційним порядком, який проявляється у тенденції до паралельного вибудовування довгих осей молекул. При цьому орієнтаційна впорядкованість може супроводжуватись координаційною впорядкованістю центрів молекул. Рідкі фази такого типу зазвичай називають рідкими кристалами; розуміння їх структурних властивостей теж дуже корисно комп'ютерне моделювання.

У газах ніякої впорядкованості у розташуванні молекул немає. Таким чином, рідини займають проміжне положення між твердими кристалічними тілами і газами, тобто. між повністю впорядкованими та повністю невпорядкованими молекулярними системами. Саме тому теорія рідин виявляється настільки складною. Нижче розглянемо зв'язок між твердими тілами, рідинами і газами, а також між різними властивостями рідин, користуючись простими молекулярними моделями.

Рідина, газ та міжмолекулярні сили.

В 1 см 3 газу при температурі 0° З нормальному тиску міститься приблизно 2,7×10 19 молекул, так що середня відстань між ними становить близько 30×10 –8 см, або 30 Å. Оскільки діаметр самих молекул лише кілька ангстрем, логічно припустити, що взаємодія між молекулами газу зневажливо мало завжди, крім моментів їх зіткнень. Таким чином, ми приходимо до моделі газу, в якій молекули представляються кульками, що рухаються незалежно одна від одної, що стикаються одна з одною і зі стінками судини, в яку газ укладений. При температурі 0° С швидкість молекул становить кілька сотень метрів за секунду, і зіткнення зі стінками судини створюють відчутний тиск. Більш детальний розгляд цієї моделі дає співвідношення між тиском P, обсягом Vта термодинамічною температурою T (T= ° С + 273)

(1)PV/T= const (для цієї кількості газу).

Це співвідношення - так зване рівняння стану ідеального газу - є узагальненим записом законів Бойля - Маріотта, Гей-Люссака і Шарля, і поведінка більшості газів описується їм з хорошою точністю. Рівняння (1) виконувалося б завжди, якби газ залишався газом незалежно від зниження температури або підвищення тиску. Однак добре відомо, що всі гази можна перевести в рідкий стан, якщо досить стиснути їх або охолодити. Для кожного газу є так звана критична температура T cнижче якої він завжди може бути зріджений шляхом підвищення тиску; вище T cгаз не може бути зріджений за жодних умов. Це означає, що модель незалежно рухомих молекул в умовах, коли температура вища T c, є лише наближеною, а нижче T cпри високих тисках та щільності вона взагалі невірна. Існування рідкого стану нижче T cнаводить на думку, що між молекулами діють сили тяжіння, оскільки інакше взагалі не можна зрозуміти, чому вони залишаються поблизу один одного. Однак, крім тяжіння молекули, відчувають і взаємне відштовхування - ми переконуємося в цьому, коли намагаємося зменшити об'єм рідини (або твердого тіла). Сили тяжіння діють більших відстанях, ніж сили відштовхування, а й ті й інші мають електростатичну природу.

Якщо ввести в модель ідеального газу поправки на зчеплення молекул та їх обсяг, то виходить рівняння, взагалі кажучи, відмінне від (1). Одне з таких рівнянь, виведене Я. Ван-дер-Ваальсом, має вигляд

(2)(P + a/V 2) (V - b)/T= Const.

Тут aі b- Константи, характерні для цього газу. Це рівняння також передбачає існування критичної температури T cі якісно описує перехід, що спостерігається між газоподібною і рідкою фазами.

Розглянемо деякі практичні наслідки із рівняння (2). На рис. 2 представлений графік залежності тиску газу від об'єму. Нехай деяка кількість газу займає обсяг V 1 при температурі T 1 та тиск P 1 . При зменшенні обсягу тиск зростає та стан газу змінюється: з точки Aвін переходить у крапку B. Тут газ починає конденсуватися, причому подальше зменшення обсягу не призводить до зміни тиску. При русі вздовж прямої BCкількість рідини зростає до тих пір, поки в точці Cгаз не буде зріджений повністю. Постійний тиск, що відповідає цьому процесу, називається тиском насиченої пари при даній температурі T 1 . У всіх точках відрізка BCміж рідиною та газом існує рівновага (термодинамічна). Це означає, що число молекул, що випаровуються з поверхні рідини в 1 с, точно дорівнює кількості молекул, що конденсуються з пари в рідину. Для подальшого зменшення обсягу необхідно створити дуже високий тиск, щоб подолати сили взаємного відштовхування молекул рідини. Цій ситуації відповідає вертикальна пряма CD. Крива ABCDназивається ізотермою, оскільки всім її точкам відповідає та сама температура. Якщо такий досвід проводити при вищій температурі, то відповідно до рівняння Ван-дер-Ваальса ми отримаємо ізотерму з таким же ходом, лише відрізок BCстане коротшим. І нарешті, за критичної температури T cцей відрізок взагалі стягнеться в крапку з координатами T cі P c. У цій точці рідина та газ невиразні. При температурах, що перевищують T c, рівняння Ван-дер-Ваальса (2) переходить у рівняння (1) (крива, що відповідає температурі T 2 на рис. 2). Значення критичних температур та відповідних їм тисків наведено у наступній таблиці:

Поверхневий натяг.

Як бачили, облік міжмолекулярних сил дозволяє правильно пояснити процес конденсації газу. Спробуємо тепер з урахуванням цих сил описати деякі фізичні властивості рідин.

Уявімо собі краплю ртуті. Ми можемо трохи розплющити її пальцем, але варто прибрати палець, і крапля знову збереться в кульку. Вона поводиться так, ніби її обтягує еластична плівка. Це і є проявом ефекту поверхневого натягу. Його природа стане зрозумілою, якщо ми звернемося до рис. 3. Тут Aі B- Дві молекули рідини, перша в обсязі, друга на поверхні. В обох випадках на них діють сили тяжіння з боку інших молекул, але лише тих, які знаходяться всередині сфери діаметром у кілька ангстрем, оскільки ці сили швидко зменшуються з відстанню. Для молекули Aтака сфера лежить повністю всередині рідини, тому рівнодіюча всіх сил дорівнює нулю. Молекула B, що знаходиться на поверхні, буде втягуватися всередину рідини, оскільки на неї діють тільки сили тяжіння з боку молекул, що знаходяться в нижній півсфері. Такі ж сили, перпендикулярні поверхні та спрямовані всередину рідини, діють на всі молекули поблизу поверхні; вони створюють поверхневе натяг.

Поверхневий натяг Sкількісно визначається як сила, що діє на одиницю довжини лінії на поверхні рідини. Розглянемо мильну плівку, натягнуту на вертикальну рамку з двох тонких тяганин TUVі PQ(Рис. 4). Дріт PQне закріплена та може вільно пересуватися. Вона зміщуватиметься вниз під дією сили тяжіння, доки остання не врівноважиться силою, обумовленою поверхневим натягом. Оскільки плівка має дві поверхні, на тяганину діятиме сила 2 SL, де L- Довжина ділянки дроту PQ, що контактує з плівкою.

Через наявність поверхневого натягу, будь-яке збільшення площі поверхні рідини пов'язане з витратами енергії. Саме тому невеликі краплі рідини набувають сферичної форми: відношення площі їх поверхні до об'єму стає мінімальним, а потім мінімізується і потенційна енергія. Великі краплі деформуються під впливом сили тяжкості.

Капілярні явища.

Крапля води на чистій скляній пластинці втрачає свою сферичну форму і розтікається, утворюючи тонку плівку. Відбувається це тому, що сили зчеплення між молекулами води та скла перевищують аналогічні сили між молекулами води – вода змочує скло. Крапля ртуті на тій самій платівці залишається сферичною: сили зчеплення між молекулами ртуті більше сил зчеплення між молекулами ртуті та скла – ртуть скло не змочує. Саме цим пояснюються так звані капілярні явища, що спостерігаються у тонкій скляній трубці-капілярі (рис. 5). Якщо опустити капіляр у посудину з водою, то вода підніметься по ньому вище за рівень у посудині, причому її поверхня (меніск) матиме увігнуту форму. Рівень ртуті в такому ж капілярі, навпаки, буде нижчим за рівень у самій посудині, а меніск буде опуклим. Оскільки зчеплення між молекулами води та скла сильніше, ніж між самими молекулами води, вода як би «піднімається» по стінках капіляра, поки тиск її стовпчика в капілярі не врівноважується тиском, зумовленим міжмолекулярними силами. Увігнутий меніск утворюється тому, що на молекули води поблизу стінок капіляра діє відмінна від нуля сила, спрямована до стінки. Для ртуті спостерігається зворотна картина.

Кипіння рідин.

При кипінні рідини у відкритій посудині тиск усередині бульбашок пари, що утворюються в рідині, повинен бути щонайменше рівним атмосферному тиску - інакше бульбашки просто будуть хлопатися. Отже, у точці кипіння тиск парів рідини дорівнює атмосферному. На досить високій висоті температура кипіння рідини нижче, ніж на рівні моря, оскільки барометричний тиск знижується з висотою. Так, температура кипіння води на висоті 4000 м становить лише близько 85 ° С, тоді як на рівні моря вона дорівнює 100 ° С.

Кипіння - це інтенсивне випаровування рідини, що відбувається не тільки з поверхні, але і в усьому її обсязі, утворюються бульбашок пари. Щоб перейти з рідини в пару, молекули повинні придбати енергію, необхідну для подолання сил тяжіння, що утримують їх у рідині. Наприклад, для випаровування 1 г води при температурі 100° С і тиску, що відповідає атмосферному тиску на рівні моря, потрібно витратити 2258 Дж, з яких 1880 йдуть на відділення молекул від рідини, а решта - на роботу зі збільшення об'єму, займаного системою, проти сил атмосферного тиску (1 г водяної пари при 100 ° С і нормальному тиску займає об'єм 1,673 см 3 тоді як 1 г води за тих же умовах - лише 1,04 см 3).

Температура кипіння розчину нелетючої речовини зазвичай вище, ніж чистого розчинника. Оскільки рідина закипає, коли тиск її парів стає рівним атмосферному, зазначена закономірність означає, що тиск парів розчину нелетючої речовини при цій температурі нижче, ніж у чистого розчинника.

Затвердіння рідин.

Зазвичай при твердінні рідин їх обсяг дещо зменшується (приблизно на 10%), хоча існують винятки з цього правила. Наприклад, вода, галій і вісмут при затвердінні розширюються, так що затверділа речовина плаває на поверхні рідини. Поведінка рідин поблизу температури твердіння може виявляти й інші аномалії, наприклад, при підвищенні температури в інтервалі від 0 до 4° С вода стискається. Щоб пояснити ці експериментальні факти, розглянемо спочатку перехід від рідкого стану до твердого для нормальних речовин, наприклад алюмінію. Як показує рентгеноструктурний аналіз, алюміній кристалізується з утворенням гранецентрованої кубічної решітки (рис. 6), в якій кожен атом оточений дванадцятьма найближчими сусідами, що знаходяться від нього на відстані 2,86 Å (2,86×10 –8 см). Якщо атоми вважати сферами, то таке розташування відповідає найбільш щільній упаковці («щільноупакована» структура). В алюмінію, що знаходиться в рідкому стані, далекий порядок відсутній, проте якийсь ближній порядок все ж таки залишається. За даними рентгенівської дифракції кожен атом у ньому оточений 10–11 найближчими сусідами, розташованими з відривом 2,96 Å від нього, тобто. структура рідкого алюмінію поблизу температури твердіння подібна до структури твердого алюмінію, але трохи більш «пухка». Для води, галію та вісмуту спостерігається зворотна картина: поблизу температури затвердіння більш «пухкої» є їхня структура не в рідкому, а в твердому стані. Відповідь на питання про причини такої аномалії слід шукати в особливостях будови їх молекул та зв'язків між ними у різних агрегатних станах. Розглянемо, наприклад, воду та лід. Обидва вони побудовані з тих самих молекул, які складаються з двічі іонізованих негативних іонів кисню (О 2–) та двох одноразово іонізованих позитивних іонів водню (H +). У молекулі води ці три іони утворюють трикутник з двома протонами в основі і киснем у вершині (відповідно два малих кружки і один великий на рис. 7); кут між зв'язками O-H дорівнює 104 °. У структурі льоду молекули H 2 O розташовані так, що кожен атом кисню знаходиться в оточенні чотирьох водневих атомів, що знаходяться у вершинах тетраедра. Це забезпечує максимальний виграш в енергії завдяки тяжінню між позитивними та негативними іонами, але структура стає значно більш «пухкою». При плавленні льоду така досить неекономічна упаковка молекул H 2 O поступово змінюється щільнішою, і в інтервалі від 0 до 4 ° С обсяг речовини поступово зменшується. Пухка структура твердих галію та вісмуту теж обумовлюється особливостями взаємодій між атомами, проте характер цих зв'язків набагато складніший, ніж у льоду.

Розчинення рідин.

Добре відомо, що вода розчиняє спирт у будь-якій кількості, тоді як із ртуттю та нафтою вона взагалі не змішується. Так само бензол розчиняє вуглеводні, але з розчиняє воду. У чому причина цього феномену? Тут можна дати таку загальну відповідь: рідини поєднуються, якщо подібні їх електронні структури, а відмінності в електронній структурі ускладнюють змішання. Щоб пояснити, що ми розуміємо під електронною структурою, знову розглянемо воду. При утворенні молекули води відбувається перерозподіл заряду між її складовими атомами: атоми водню віддають свої валентні електрони, а атом кисню приймає їх. Отже, молекула води має ненульовий електричний дипольний момент, тобто. є полярною. Цим пояснюється, зокрема, те, що вода має дуже велику діелектричну проникність і солі добре розчиняються в ній, дисоціюючи на іони. Диполь-дипольна взаємодія утримує молекули води разом, унаслідок чого підвищується її температура кипіння. Інший приклад полярної рідини - спирт C2H5OH; він легко поєднується з водою, оскільки дипольний момент його молекул подібний до дипольного моменту молекул води.

Поряд із полярними рідинами, молекули яких значною мірою пов'язані між собою, існують і неполярні з слабшими міжмолекулярними зв'язками. Прикладом таких рідин можуть бути вуглеводні – бензол, нафталін та інших. Молекули цих рідин побудовані з атомів вуглецю і водню, які узагальнюють свої валентні електрони замість віддавати чи приєднувати їх. Про відносну слабкість зв'язків між молекулами вуглеводнів свідчить низька температура їхнього кипіння. Між рідинами з чітко вираженими полярними властивостями (вода) і абсолютно неполярними (вуглеводні) знаходиться цілий спектр класів рідин, так що не завжди можна сказати, будуть дві дані рідини змішуватися чи ні. Але здебільшого виконується правило, сформульоване на початку розділу.

Крім електронної структури, змішування рідин може істотно залежати від розміру молекул, а також від температури. Наприклад, нікотин змішується з водою в будь-якій пропорції нижче 60 ° С і вище 208 ° С; при проміжних температурах взаємна розчинність нікотину і води дуже обмежена.

Осмос.

У 1748 Ж. Ноллі виявив, що деякі рослинні клітини в концентрованому сольовому розчині стискуються - вода йде з них через клітинну мембрану. Якщо ті ж клітини перенести потім у воду, вони розбухають і відновлюють свій розмір. Таке переміщення речовини (дифузія) через напівпроникну перегородку, що розділяє розчин і чистий розчинник або два розчини різної концентрації, називається осмосом. Це можна пояснити тим, що молекули розчинника, зазвичай, менше молекул розчиненої речовини, тому легше проходять крізь пори в перегородці. Оскільки в розведеному розчині (або чистому розчиннику) число молекул розчинника більше, ніж у концентрованому, відбувається дифузійне перенесення цих молекул у бік останнього.

Рідини та тверді тіла.

Раніше ми говорили про взаємини рідин та їх пари поблизу критичної температури. T c. Аналогічні взаємини існують між рідинами та твердими тілами – принаймні поблизу температури плавлення T m.

Зазвичай під час розплавлення твердого тіла його обсяг збільшується приблизно 10%, тобто. середня відстань між сусідніми молекулами у твердому та рідкому станах майже однакова. Зчеплення між атомами або молекулами у твердому та рідкому станах відрізняється не дуже сильно, і пластичність твердих тіл можна вважати аналогом плинності рідин. Таким чином, за своїми фізичними властивостями тверді тіла та рідини розрізняються не так радикально, як це здається. Відповідно існують два типи теорій рідкого стану: одні спираються на уявлення сучасної теорії твердого тіла, інші – на уявлення, запозичені з теорії газів. Теорії першого типу більш адекватні поблизу точки плавлення T m, а другого – поблизу критичної точки T c.

Рідкі метали.

Багато фізичних властивостей твердих металів мало змінюються при плавленні. У зв'язку з цим розробляються загальніші теорії, в яких властивості рідких і твердих металів розглядаються з єдиних позицій. У цих теоріях важливу роль відіграє структурний фактор, який визначається взаємним розташуванням атомів. Виявляється, що внаслідок досить сильних коливань атомів твердого тіла за підвищених температур структурний фактор твердого тіла поблизу точки плавлення не дуже відрізняється від такого для рідини. Метали з низькою температурою плавлення, наприклад натрій, застосовуються як охолоджувальні теплоносії в ядерних реакторах АЕС.

Притягання та відштовхування частинок визначають їхнє взаємне розташування в речовині. А від розташування часток значно залежать властивості речовин. Так, дивлячись на дуже прозорий твердий алмаз (діамант) (рис. 111, а) і на м'який чорний графіт (рис. 111, б) (з нього виготовляють стрижні олівців), ми не здогадуємося, що обидві речовини складаються з абсолютно однакових атомів вуглецю. Просто у графіті ці атоми розташовані інакше, ніж у алмазі.

Рис. 111

Зауважимо, що на малюнках зображені не самі атоми, а їх моделі - кульки і насправді ніяких сполучних стрижнів або зволікань між ними немає. Це - умовне зображення розташування атомів у речовині.

Взаємодія частинок речовини призводить до того, що вона може перебувати у трьох станах: твердому, рідкому та газоподібному. Наприклад, лід, вода, пара (рис. 112). У трьох станах може бути будь-яка речовина, але для цього потрібні певні умови: тиск, температура. Наприклад, кисень у повітрі - газ, але при охолодженні нижче -193°С він перетворюється на рідину, а при температурі -219°С кисень - тверда речовина. Залізо при нормальному тиску та кімнатній температурі знаходиться у твердому стані. При температурі вище 1539 ° С залізо стає рідким, а при температурі вище 3050 ° С - газоподібним. Рідка ртуть, що використовується в медичних термометрах, при охолодженні до температури нижче -39°С стає твердою. При температурі вище 357°С ртуть перетворюється на пару (газ).

Рис. 112

Перетворюючи металеве срібло на газ, його напилюють на скло та отримують «дзеркальні» окуляри.

Які властивості мають речовини в різних станах?

Почнемо з газів, у яких поведінка молекул (рис. 113) нагадує рух бджіл у рої. Однак бджоли в рої самостійно змінюють напрямок руху і практично не стикаються один з одним. У той самий час для молекул у газі такі зіткнення як неминучі, але відбуваються майже безперервно. Внаслідок зіткнень напряму та значення швидкості руху молекул змінюються.

Рис. 113

Результатом такого руху та відсутності взаємодії частинок при русі є те, що газ не зберігає ні обсягу, ні форми, А займає весь наданий йому обсяг. Кожен з вас вважатиме справжньою нісенітницею твердження: «Повітря займає половину об'єму кімнати» і «Я накачав повітря у дві третини об'єму гумової кульки». Повітря, як і будь-який газ, займає весь об'єм кімнати та весь об'єм кульки.

А які властивості мають рідини? Проведемо досвід.

Рис. 114

Переллємо воду з мензурки 1 у мензурку 2. Форма рідини змінилася, але Об `ємводи залишився тим же(Рис. 114). Молекули не розлетілися по всьому обсягу, як це було б у випадку з газом. Значить, взаємне тяжіння молекул рідини існує, але не утримує жорстко сусідні молекули. Вони коливаються і перескакують з одного місця в інше (рис. 115), чим пояснюється текучість рідин.

Рис.115

Найбільш сильною є взаємодія частинок у твердому тілі. Воно не дає можливості часткам розійтися. Частинки лише роблять хаотичні коливальні рухи за певних положень (рис. 116). Тому тверді тіла зберігають і об'єм, і форму. Гумовий м'яч зберігатиме форму кулі та об'єм, куди б її не помістили: у банку, на стіл тощо.

Рис. 116

Подумайте та дайте відповідь

1. Якими основними властивостями має газ?
2. Чому рідина не зберігає форму?
3. Чим відрізняється твердий стан речовини від рідкої та газоподібної?
4. Чи відрізняються молекули води від молекул льоду?
5. Які з перерахованих речовин у звичайних умовах (при кімнатній температурі та нормальному тиску) перебувають у газоподібному стані, а які – у рідкому чи твердому: олово, бензин, кисень, залізо, ртуть, повітря, скло, пластмаса?
6. Чи може ртуть перебувати у твердому стані, а повітря – у рідкому? При яких умовах?

Домашнє завдання

1. У пластмасову пляшку (0,5 л) налийте догори воду і герметично закрийте кришкою. Спробуйте стиснути у пляшці воду. Потім вилийте воду і знову закрийте пляшку. Тепер стисніть повітря. На підставі результатів досвіду висловіть гіпотезу про будову газів та рідин.
2. Завдання-конкурс: складіть таблицю, в якій порівняйте характер руху, взаємодії частинок, а також властивості речовини в газоподібному, твердому та рідкому станах. Переможцем конкурсу буде той, чия таблиця містить найбільш повну та правильну інформацію.

Повторимо головне у вивченому

• Усі речовини складаються з окремих частинок (атомів, молекул), між якими є відстані.
• Частинки речовин безперервно та хаотично рухаються.
• Швидкість руху частинок тим більша, чим вище температура тіла.
• Дифузією називається явище взаємного проникнення речовин один одного. Особливо швидко дифузія протікає в газах, повільніше – у рідинах, дуже повільно – у твердих тілах. У разі збільшення температури дифузія йде швидше.
• На відстанях, більших, ніж розміри самих частинок, переважає тяжіння частинок. На відстанях менших розмірів самих частинок - відштовхування. Притягання часток дуже швидко слабшає за її віддаленні друг від друга.
• Зміна розмірів тіла за його нагріванні називається тепловим розширенням.
• Теплове розширення різних твердих і рідких речовин по-різному, а всіх газів - однаково.