Transcript Различные агрегатные состояния вещества.

Лекции по физике.
Молекулярная физика и
основы термодинамики
Различные агрегатные состояния
вещества. Поверхностное натяжение.
Смачивание поверхности
Понятие агрегатного состояния



Газ, в отличии от жидкости и твёрдого
тела, занимает весь предоставленный ему
объём
Твёрдое тело, в отличии от газа и
жидкости, не течёт, т.е. не изменяет своей
формы под действием сил
Дать чёткое определение агрегатного
состояния трудно
2
Понятие агрегатного состояния



При определённых условиях между
жидкостью и паром нет различия
Иногда нельзя сказать определённо имеем
ли мы жидкость с большой вязкостью или
твёрдое тело (стекло)
Способность изменять свою форму так же
не всегда может служить критерием
3
Понятие агрегатного состояния


Чётко отличить жидкость от пара или
твёрдого тела можно лишь в
определённой области Т.Д. параметров,
когда каждая фаза имеет чётко
наблюдаемые границы
До сих пор нет удовлетворительного
ответа на вопрос: почему происходит
скачкообразное а не плавное изменение
свойств вещества
4
Понятие агрегатного состояния

Наиболее удобным способом
классификации тел по агрегатным
состояниям является рассмотрение
функции вероятности взаимного
расположения молекул в зависимости от
расстояния между ними
5
Понятие агрегатного состояния



У газа нет порядка в
расположении
молекул
У твёрдого тела есть
дальний и ближний
порядок
У жидкости есть
ближний порядок но
нет дальнего
Р
r
Р
r
Р
r
6
Поверхностное натяжение жидкости

На молекулы,
находящиеся вблизи
поверхности,
действуют не
скомпенсированные
силы со стороны
других молекул.
Наличие этих сил
приводит к появлению
эффекта
поверхностного
натяжения
7
Поверхностное натяжение жидкости


Коэффициентом поверхностного натяжения 
[Н/м] называется работа, которую нужно
затратить, чтобы изотермически и
квазистатически увеличить поверхность жидкости
на единицу площади при сохранении объёма
жидкости неизменным
Избыточное давление, создаваемое силами
поверхностного натяжения при нормальных
условиях достигает тысяч атмосфер
8
Поверхностное натяжение жидкости

Можно показать, что:
a

4N

1/ 3
()
V
5/3
где a, N и V – параметр уравнения В.д.В., число
молекул и занимаемый ими объём
соответственно
Наблюдается хорошее соответствие между ,
посчитанным по формуле () и измеренным
экспериментально
9
Поверхностное натяжение жидкости
10
Поверхностное натяжение жидкости
11
Поверхностное натяжение жидкости

Особенности сил поверхностного
натяжения
1. Оно зависит от газовой фазы т.к. она тоже
действует на поверхностные молекулы


Поверхностное натяжение воды на границе с
воздухом 75,710-3 Н/м, и 73,210-3 Н/м на границе с
насыщенным паром
Можно говорить о поверхностном натяжении на
границе двух жидкостей и границе жидкость твёрдое тело
12
Поверхностное натяжение жидкости
13
Поверхностное натяжение жидкости

Особенности сил поверхностного
натяжения
2. В растворе может происходить обогащение
поверхностного слоя одним из компонентов.
Такие вещества называются ПАВ. Они
уменьшают поверхностное натяжение

К ПАВ обычно относятся молекулы органических в-в
вытянутой формы на одном конце которых
находится полярная группа, а на другом –
неполярная. Наиболее известное ПАВ – мыло
14
Поверхностное натяжение жидкости

Особенности сил поверхностного
натяжения

Существуют вещества увеличивающие
поверхностное натяжение (соль, сахар). При их
добавлении в поверхностный слой выталкивается
большее количество ПАВ, чем в пресной воде. Это
эффект высаливания, он используется в технике для
выделения ПАВ, в частности, для производства
мыла
15
Давление под изогнутой поверхностью.
Формула Лапласа


Если поверхность жидкости искривлена, то
по разные стороны от неё должны быть
разные давления
Рассмотрим этот эффект на примере
цилиндрической поверхности радиусом R
и длиной b
16
Давление под изогнутой поверхностью.
Формула Лапласа

На стороны малого
участка АВ действуют
силы b. Их
равнодействующая
направлена по
радиусу и равна:
f=2bsin(/2)b
т.к. =|АВ|/R  f=S/R
окончательно
получаем:
Р1-Р2=f/S=/R
b
A
C B

P1
b
P2
17
Давление под изогнутой поверхностью.
Формула Лапласа



Обобщая эту формулу на случай поверхности
двойной кривизны получим формулу Лапласа:
P1-P2=(1/R1+1/R2),
где и – радиусы кривизны поверхности в двумя
взаимно перпендикулярными плоскостями. При
этом надо учитывать знаки при R
Если поверхность сферическая, то Р=2/R, для
пузыря - Р=4/R т.к. надо учитывать две
поверхности
Для пузырька воздуха R=10-4 см в воде: Р=1,5
Атм
18
Смачивание, краевой угол, капиллярные
явления

Рассмотрим границу трёх
фаз. Условие равновесия:
13=23+12cos,
где  - краевой угол. Он
отсчитывается через
область, занятую
жидкостью между
касательными к
поверхностям твёрдого
тела и жидкости в точке
касания их границ
12
1-газ
13

2-жидкость
23
3- твёрдое тело
19
Смачивание, краевой угол, капиллярные явления
20
Смачивание, краевой угол, капиллярные
явления


Если /2 то говорят, что жидкость
смачивает твёрдое тело, если /2 –то
нет. При =0, то имеем полное
смачивание, если = - полное
несмачивание
Смачивание и несмачиввание приводят к
искривлению поверхности жидкости в
узкой трубке (капилляре) или в узком
зазоре между стенками
21
Смачивание, краевой угол, капиллярные
явления


Искривлённая поверхность жидкости
называется мениском
Искривление поверхности, в соответствии
с формулой Лапласа, приводит к
появлению разности давлений по обе
стороны мениска. Это избыточное
давление должно быть уравновешено за
счёт изменения уровня жидкости
22
Смачивание, краевой угол, капиллярные
явления


Условие равновесия в
случае цилиндрического
капилляра радиуса R:
2/r=gh,
где r=R/cos - радиус
мениска
Высота подъёма:
h 
R

r
h
2  cos 
 gR
23
24