Частина І. Основи молекулярно-кінетичної теорії

Свириденко О.Ф

Конспект лекцій з фізики

 

Модуль № 2

молекулярна фізика

і термодинаміка

 

 

 

Укладач:	Свириденко О.Ф. –	викладач фізики вищої категорії Хорольського агропромислового коледжу Полтавської державної аграрної академії
Рецензент:	Микитенко В.Є. –	викладач фізики вищої категорії Хорольського агропромислового коледжу Полтавської державної аграрної академії

 

Даний навчально-методичний посібник містить теоретичний матеріал (повний конспект лекцій) по модулю № 2 «Молекулярна фізика і термодинаміка», приклади розв’язування задач та питання для самоперевірки, що дозволить студентам успішно підготуватись до заліку по даному модулю.

Даний посібник призначений для студентів І курсу ХАПК ПДАА, а також може бути використаний студентами і викладачами інших навчальних закладів, в яких вивчається курс фізики.

Основи молекулярної фізики

1. Предмет і задачі молекулярної фізики

Молекулярна фізика (МФ) – розділ фізики, який вивчає теплові явища і процеси, які пов’язані з передаванням і перетворенням енергії.

 

2. МФ за методами (способами) дослідження поділяється на такі розділи:

· Молекулярно-кінетична теорія (МКТ) – пояснює теплові явища і процеси особливостями руху і взаємодії структурних частинок речовини (атомів, молекул, іонів).

· Термодинаміка (ТД) – пояснює природу теплових явищ і процесів, не враховуючи молекулярної будови речовини.

3. Основні поняття МФ

1. Тепловий рух ­ – безперервний хаотичний рух структурних частинок речовини, який залежить від температури.

2. Макросистема – тіло або система тіл, які складаються з величезної кількості частинок; може перебувати в твердому, рідкому або газоподібному стані.

3. Мікросистема – одна структурна частинка системи (молекула, атом, іон); для такої системи немає поняття агрегатного стану.

4. Термодинамічна система (ТДС) – будь-яка макросистема, частинки якої перебувають у тепловому русі і взаємодіють між собою, обмінюючись енергією.

5. Термодинамічні параметри речовини (ТДП_Р) – фізичні величини, які характеризують теплові властивості речовини.

6. Макропараметри – ТДП_р, які описують систему частинок в цілому (т, ρ, p,V, T).

7. Мікропараметри – ТДП_р, що характеризують одну структурну частинку речовини (; ).

8. Термодинамічний стан (ТДС _т ) речовини – задається макропараметрами; якщо всі вони не змінюються без дії яких-небудь зовнішніх факторів, то такий ТДС _т називають рівноважним.

9. Термодинамічна рівновага (ТДР) – ТД стан ТДС, при якому її параметри не змінюються як завгодно довго.

10. Термодинамічний процес (ТДП) ­ – явище переходу речовини з одного ТДС _т в інший, зумовлене зміною його хоча б одного ТДП_Р. Процес, який складається з ланцюга нескінченно близьких рівноважних станів, називається рівноважним.

Макропараметри ТДС речовини

1) Об’єм V визначається розмірами ТДС.

[V] = м³.

1 м³ = 10³ л = 10³ дм³ = 10⁶ см³ = 10⁹ мм³;

1 л = 10^-3 м³; 1 см³ = 10^-6 м³; 1мм³ = 10^-9 м³.

 

2) Тиск р. [р] = Па. 1 атм = 1,013∙10⁵ Па = 760 мм.рт.ст.;

1 Па ≈ 133 мм.рт.ст.; 1ат = 9,8∙10⁴ Па.

Тиск твердих тіл	відношення сили, яка діє на поверхню площею S, перпендикулярно до цієї поверхні
Тиск рідин (гідростатичний)	тиск, який чинить стовп рідини висотою h на дно і стінки посудини
Тиск газів	сумарний імпульс, який передають молекули газу стінкам посудини за певний інтервал часу

 

Питання для самоперевірки

1. Які явища називають тепловими?

2. Який рух називають тепловим? Чим він відрізняється від механічного руху?

3. Які об’єкти називають мікросистемами? макросистемами?

4. Який рух називають броунівським? Навести приклади.

5. Пояснити фізичний зміст дифузії?

6. Від чого і як залежить швидкість дифузії?

7. Дослід Штерна.

8. Які параметри відповідають нормальним умовам?

9. Пояснити фізичний зміст:

1. числа Авогадро;

2. числа Лошмідта;

3. температури;

4. абсолютної температури;

5. концентрації;

6. густини;

7. кількості речовини;

8. атомної маси;

9. молекулярної маси;

10. молярної маси;

11. тиску;

12. молярного об’єму.

Мікропараметри газу

Дослід Штерна

Вивчення дифузії і броунівського руху дає змогу дістати деяке уявлення про швидкість хаотичного руху молекул газу. Одним з найпростіших наочних дослідів для її визначення є дослід Штерна (1920 р.).

Рис. 6

Зміст досліду.

На горизонтальному столі розміщено жорстко зв’язані між собою циліндри А (з вузькою щілиною О вздовж твірної) і В (суцільний) різних діаметрів (рис. 6), вздовж спільної осі яких натягнуто платинова посріблена дротина радіусом r; повітря з циліндрів відкачано до високого вакууму (10^-8 Па). По дротині пропускають струм вона нагрівається з її поверхні випаровуються молекули срібла, які осідають в основному на внутрішніх стінках циліндра А. Невелика їх кількість вилітає через щілину і осідає на поверхні циліндру В вузькою смужкою 1, утворюючи зображення щілини. При обертанні циліндрів навколо осі О з постійною швидкістю ω за час t, протягом якого молекули пролітають відстань R – r від щілини до циліндра В, він встигає повернутись на кут φ = ωt атоми потрапляють в інше місце 2, розміщене на відстані d від попереднього.

Розрахунок швидкості молекул:

,

Висновки з досліду Штерна:

1. Наліт молекул на поверхні циліндру у місці 2 розмивається молекули мають різну швидкість (молекули, які рухаються повільніше, зміщуються на більшу відстань).

2. При збільшенні сили струму в дротині зростає її температура наліт зміщується на більшу відстань швидкості молекул збільшуються.

3. Вигляд нальоту молекул на поверхні циліндру є точною копією теоретичної кривої Максвелла дослід Штерна яскраво доводить правильність теорії Максвелла.

Значення молекул деяких газів при p₀ і T₀

Газ	υ, м/с	Газ	υ, м/с
Азот		Гелій
Водень		Кисень
Вуглекислий газ		Водяна пара

4. Довжина вільного пробігу λ – відстань, яку проходить молекула між двома послідовними зіткненнями. Середня довжина вільного пробігу

, (17)

де – середнє число зіткнень молекули газу за 1 с, тоді сума в чисельнику цієї формули визначає шлях, пройдений молекулою за 1 с, тобто середню швидкість руху молекули. Отже,

(18)

4. Основне рівняння (ОР) МКТ ІГ – це рівняння, яке пов’язує мікро- і макропараметри ІГ (а саме: встановлює залежність тиску ІГ від його мікропараметрів і )		(19)
	(20)

* 1. Вивід основного рівняння МКТ ідеального газу (на основі законів механіки)

Рис.7

Візьмемо посудину у формі куба з ребром l (рис. 72). Концентрація молекул у кубі п. Нехай молекула безперешкодно рухається між лівою і правою стінками куба. При взаємодії молекули зі стінкою посудини вона передає останній імпульс ( – швидкість і-тої молекули). Відповідно до ІІ закону Ньютона, середня сила дії молекули на стінку , де – час руху молекули від однієї стінки до другої і назад, тобто , оскільки молекула наносить стінці удари з таким проміжком часу. Отже, . Сила тиску на стінку посудини = силі ударів окремих молекул об цю стінку:

де – загальна кількість молекул, які літають між двома протилежними стінками куба.

Внаслідок повної хаотичності руху молекул для кожної з них всі напрями руху рівноймовірні. Тому можна вважати, що вздовж кожного з трьох взаємно перпендикулярних напрямів рухається 1/3 загального числа молекул для обчислення тиску можна вважати, що між двома протилежними стінками куба вздовж перпендикуляра до них рухається 1/3 загального числа молекул, тобто

.

Оскільки

Оскільки

Наслідки ОР МКТ ІГ

1. залежність між кінетичною енергією молекул і макропараметрами		(21)
2. залежність між тиском і температурою		(22)
3. залежність між тиском і густиною газу		(23)

*3. Вивід наслідків основного рівняння МКТ ідеального газу 1.

2.

3.

↓

↑ ↑

5. Рівняння стану ідеального газу (РС ІГ) – пов’язує основні ТД параметри ІГ. Експериментально встановили незалежно один від одного Клапейрон і Менделєєв.

РС Клапейрона	Для газу з : Для двох станів газу:	Для будь-якого газу, взятого у кількості 1 моля співвідношення його параметрів залишається сталим у будь-якому стані	(24)
РС Менделєєва		(25)

6. Ізопроцеси (ІП) – це ТДП, які відбуваються при незмінній масі () і одному сталому ТДП_р.

Газові закони (ГЗ) – функціональні залежності між змінними ТДП_р, які описують ізопроцеси.

Назва	Ізотермічний	Ізобарний	Ізохорний
Умова	Т = const	р = const	V = const
Рівняння
Газовий закон
Встановив	Бойль, Маріотт	Гей-Люссак	Шарль
Графік ІП у змінних координатах	p     0 V	V   0 T	р   0 T
Графіки ізопроцесів у координатах, одна з яких стала	p   0 T	p   0 T	V   0 T
V   0 T	p   0 V	p   0 V
Назва графіка	Ізотерма	Ізобара	Ізохора

Питання для самоперевірки

1. Який газ називають ідеальним, які його властивості?

2. Назвати основні макропараметри газу.

3. Чим вимірюється тиск7

4. Пояснити фізичний зміст абсолютного нуля.

5. Які шкали є для вимірювання температури?

6. Яка і від чого залежить швидкість молекул ідеального газу?

7. * Пояснити розподіл Максвелла і висновки з нього.

8. * Пояснити дослід Штерна і висновки з нього.

9. Основне рівняння МКТ ідеального газу.

10.Які основні наслідки основного рівняння МКТ ідеального газу?

11.* Вивести основні наслідки основного рівняння МКТ ідеального газу

12. Рівняння стану у вигляді Мендєлєєва і Клапейрона.

13. Які процеси називають ізопроцесами.

14. Описати ізопроцеси.

Тема 3. Властивості пари

1. Пароутворення – процес переходу рідин у газоподібний стан – пару.

Види пароутворення: випаровування і кипіння

2. Випаровування – пароутворення, яке відбувається з вільної поверхні рідини.

Властивості випаровування

1. Відбувається при будь-якій температурі.

2. Внаслідок вилітання найшвидших молекул рідина охолоджується (бо зменшується її внутрішня енергія), а пара нагрівається (внутрішня енергія пари збільшується).

3. Існує зворотний процес – конденсація – перехід речовини з газового стану у рідкий.

4. Процеси випаровування і конденсації відбуваються одночасно.

При переважанні процесу випаровування над конденсацією рідина охолоджується, а пара нагрівається, при переважанні конденсації над випаровуванням – навпаки: рідина нагрівається, а пара охолоджується.

5. У відкритій посудині випаровування рідини відбувається доти, поки вся вона не перетвориться на пару.

6. Швидкість випаровування залежить від:

1. роду речовини;

2. температури речовини;

3. площі вільної поверхні рідини;

4. зовнішнього тиску і тиску пари над рідиною;

5. наявності вітру (швидкості віднесення утвореної пари).

Властивості насиченої пари

1. Тиск насиченої пари залежить від її виду (р = f (ρ)) і може бути визначений із рівняння стану

(26)

2. Згідно формули p = nkT тиск пари зростає не тільки внаслідок підвищення температури, а й внаслідок збільшення концентрації.

3. Тиск і густина насиченої пари даного виду є максимальними при даній температурі.

4. Тиск насиченої пари не залежить від її об’єму (р f (V)).

5. Концентрація молекул насиченої пари у закритому об’ємі з рідиною завжди встановлюється при даній температурі одна і та сама, незалежно від об’єму, який займає пара (n f (V) = const).

6. При ізотермічному стисканні конденсується рівно стільки насиченої пари, скільки її було у відібраному від пари об’ємі

(ρ_н = сonst при T = const).

7. Насичену пару можна перевести у ненасичену або ізохорним нагріванням, або ізотермічним розширенням, або одночасно нагріванням і розширенням. І навпаки, ненасичену пару у насичену завжди можна перевести ізохорним охолодженням, або ізотермічним стисканням, або одночасно охолодженням і стисканням.

р р,ρ р,ρ

D рідина

ρ_кр, газ

ρ_н С В р_кр ρ_кр, К

р_кр

пара насичена

А пара

 

0 V 0 Т_кр Т 0 Т_кр Т

 

Ізотермічне стискання пари: Залежність тиску Пояснення критичного

АВ – газ; СD – рідина; пари від температури стану речовини

ВС – насичена пара+рідина.

 

Рис. 10 Рис. 11 Рис. 12

 

4. Критичний стан речовини – такий стан речовини, в якому відсутня фізична різниця між рідиною і її парою (ρ_н = ρ_ρ).

Параметри, що описують цей стан, також називають критичними.

Особливості параметрів критичного стану речовини:

1. Критичний тиск р_кр є максимально можливим тиском насиченої пари даної речовини.

2. Критичний об’єм V_кр є найбільшим об’ємом, який може займати наявна маса речовини у рідкому стані.

3. При Т > Т_кр речовина може існувати тільки у газоподібному стані. У цьому разі ніяким збільшенням тиску не можна перетворити газ на рідину.

4. При Т < Т_кр стисненням газу можна викликати його конденсацію.

Таким чином, визначимо два види газоподібного стану речовини:

· газ – при Т > Т_кр газоподібна фаза речовини, далека від

насичення, у рідину її перетворити не можна. =>

· пара – при Т < Т_кр стисненням перетворюється у рідину.

ρ_г < ρ_п (п _г < п_п).

5. Кипіння – пароутворення, яке відбувається в об’ємі всієї рідини при сталій температурі t_к, яка називається температурою кипіння.

Доки не википить вся рідина, ця температура не зміниться.

Пояснення процесу кипіння

t2≈ t1

t1

t2<t1

t1

Рис. 13

Рідина є фізично неоднорідна, у ній завжди є розчинені гази (в т.ч. повітря). Крім того на поверхні стінок посудини завжди є молекули повітря, які ніби прилипають до неї (адсорбований газ). Всі ці фактори призводять до утворення в рідині центрів пароутворення. При нагріванні всередині рідини виникають, ростуть і піднімаються бульбашки повітря з парою, що міститься в них. Потрапивши у верхні, менш нагріті шари рідини, вони зменшуються у розмірах внаслідок конденсації пари всередині їх (рис. 80). Тріскаючись, вони спричиняють „спів чайника”. Коли температура рідини вирівняється в усьому об’ємі (для води при р_о – при t ≈ 60 ⁰С), об’єм бульбашок зростатиме, бо при спливанні: 1) зменшується гідростатичний тиск, 2) всередину входять нові молекули пари. При досягненні поверхні насичена пара викидається з бульбашок в атмосферу. Стикаючись з холодним повітрям, вона конденсується.

2. Умова кипіння:

р_нас ≥ р_зовн.+ ρgh (27)

або (у побуті):

р_нас ≥ р_зовн (28)

Тиск насиченої пари і температура кипіння залежать від зовнішнього тиску: чим більший р_зовн., тим вища t_{к .}

3. Застосування кипіння:

1. Кипіння при високих температурах: автоклави в медицині, харчовій промисловості, хімії, будівельній індустрії; парові двигуни.

2. Кипіння при низьких температурах: цукрова промисловість (сушарні); у горах частіше смажать, ніж варять.

6. Теплота пароутворення Q_п – кількість теплоти, необхідна для перетворення рідини на пару

при сталій температурі

Q_п = rm, (29)

r

0 Tкре Tкрв T     Рис. 14

вода

ефір

де (30)

– питома теплота пароутворення – кількість теплоти, необхідна для перетворення 1 кг рідини на пару при температурі кипіння; залежить від роду речовини і температури (рис. 14).

[r] = Дж/кг

Якщо зовнішні умови однакові, то при рівних масах однакової речовини теплота пароутворення дорівнює теплоті конденсації.

 

7. Вологість повітря – вміст водяної пари у повітрі.

 

1. Параметри вологості:

1. Абсолютна вологістьρ_а – густина, тобто маса водяної пари, що міститься за даної температури, в 1м³ повітря

(31)

2. Парціальний тиск р_а – тиск, який чинила б водяна пара, коли б не було інших газів

(32)

Але за абсолютною вологістю ρ_а (чи парціальним тиском р_а) ще не можна встановити, наскільки повітря сухе чи вологе, бо дана кількість водяної пари може виявитися близькою до насичення (при низьких температурах) і далекою (при високих температурах).

Відносна вологість

Сукупність вологості, тобто характеристику наближення стану пари у повітрі до стадії насичення (при насиченні припиняється випаровування води) показує відносна вологість.

Відносною вологістю повітря φ називають величину, яка вимірюється відношенням абсолютної вологості до кількості пари, необхідної для насичення 1 м³ повітря при тій самій температурі. (виражають у %)

(33)

Оскільки р ~ ρ, то відносною вологістю повітря називають виражене в % відношення парціального тиску р_а водяної пари, яка є в повітрі при даній температурі, до тиску насиченої пари р_н при тій самій температурі

(34)

Якщо кількість молекул пари у повітрі не змінюється, то при його нагріванні відносна вологість зменшуватиметься, а при охолодженні зростатиме, доки не досягне значення 100%.

4.

0 tp t1 t   Рис. 15

р   рн   р1

Точка роси – температура при якій пара, наявна у повітрі, стає насиченою (тобто відносна вологість стає 100%). При цій температурі починається конденсація пари (з’являється туман, випадає роса). Точка роси характеризує вологість повітря, оскільки вона має змогу визначити парціальний тискр_а (чи абсолютну вологість ρ_а) і, відповідно, відносну вологість.

Справді, якщо пару охолоджувати від t₁ (стан А) до t _р при сталому тиску, то вона стане насиченою (стан В). За таблицею залежності тиску насиченої пари від температури можна визначити р _р (при t _р), р _н (при t ₁), а отже і φ.

 

Вимірювання вологості

Виміряти абсолютну вологість, пропустивши пару через певну речовину, що її поглинає, – складно, тому вимірюють, відносну вологість гігрометрами та психрометрами.

1. У волосяному гігрометрі використовується властивість знежиреної людської волосини збільшувати довжину зі збільшенням вологості повітря. Волосина закріплена на стояку і нижнім кінцем закріплена з механізмом стрілки, яка показує на градуйованій шкалі φ.

2. Конденсаційний гігрометр, який складається з металевого резервуара Р з відполірованою передньою стінкою С і термометра Т, дає змогу виміряти точку роси, а за нею – відносну вологість. У резервуар наливають невелику кількість ефіру, через який за допомогою груші Г продувають повітря. При випаровуванні ефіру температура знижується до точки роси, і на стінці з’являється роса внаслідок конденсації пари, що є у повітрі.

Волосяний Конденсаційний Психрометр гігрометр гігрометр ВИТ   а б в   Рис. 16

3. Психрометр складається із сухого та вологого термометрів (який опущено у резервуар з водою). Температура вологого термометра _{t в} нижча, ніж сухого _{t с}, внаслідок його охолодження під час випаровування. Знаючи різницю температур за допомогою спеціальних таблиць визначають відноснувологість.

Значення вологості для життя людини і її навколишнього середовища (здоров’я, природи, побуту, техніки) дуже велике.

 

Питання для самоперевірки

1. Дати визначення пари, процесів пароутворення, конденсації, випаровування, кипіння, динамічної рівноваги, насиченої, ненасиченої, перенасиченої пари, критичного стану.

2. У чому полягає відмінність між парою і газом?

3. При яких умовах пара може стати (бути) насиченою?

4. Чому тиск насиченої пари зростає при нагріванні швидше, ніж тиск газу?

5. Які властивості випаровування і конденсації.

6. Від чого залежить швидкість випаровування?

7. Коли тиск пари максимальний?

8. Якими законами описуються властивості ненасиченої пари?

9. Пояснити графік залежності тиску і густини насиченої пари від температури;

10. Яким чином можна перетворити насичену пару у ненасичену (і навпаки)?

11. Який стан речовини називають критичним?

12. Які особливості макропараметрів критичного стану речовини.

13. Як визначити теплоту пароутворення (конденсації).

14. Від чого і як залежить питома теплота пароутворення?

15. Яке найменше значення питомої теплоти пароутворення для будь-якої речовини? Чому?

16. Чи можна перетворити у рідину пару азоту, води, гелію, кисню, спирту при температурі 20⁰С?

17. Назвати ознаки і умови кипіння.

18. Як залежить температура кипіння від зовнішнього тиску?

19. Чим відрізняються процеси випаровування і кипіння?

20. Сформулювати визначення вологості, абсолютної і відносної вологості, точки роси.

21. Назвати прилади для вимірювання відносної вологості, пояснити принцип їх будови і дії:

22. Як змінюється вологість тієї самої маси повітря при зниженні (підвищенні) температури?

23. Як змінюється вологість повітря у приміщенні, якщо різниця показів термометрів психрометрів зменшується (збільшується)?

24. Чим пояснюється утворення туману?

25. Чому необхідно підтримувати певний рівень відносної вологості у бібліотеці, на цукровому заводі, у пекарні, в аптеці, офісі?

Тема 4. Властивості рідин

Поверхневий шар рідини

Молекулярний тиск

Властивості поверхневого шару рідини відрізняються від властивостей інших шарів рідини, тому що молекули на поверхні рідини перебувають в інших умовах, ніж молекули всередині рідини.

Рис. 17

Кожна молекула, розміщена всередині рідини (типу молекули М₁, рис.17), рівномірно оточена сусідніми молекулами і взаємодіє з ними, а рівнодійна цих сил дорівнює нулю. На молекули у поверхневому шарі рідини (типу М₂) діють її сусіди результуючими силами , які прагнуть втягти молекули всередину рідини, оскільки кількість молекул, що її оточують з усіх сторін неоднакова. Але простір всередині рідини зайнятий іншими молекулами, тому поверхневий шар створює тиск на рідину, який називають молекулярним тиском.

На практиці виміряти цей тиск майже неможливо (при внесенні тіла у рідину виникає шар молекул рідини, в якому молекулярні сили напрямлені від тіла всередину рідини, тобто стискають рідину, а на тіло не діють). Теоретичні розрахунки показують: р_м ~ 10⁸ Па.

Сили поверхневого натягу

Рис. 18 Пояснення сил поверхневого натягу

Коли сили молекулярної взаємодії „втягують” молекулу з поверхневого шару всередину рідини, то виникають сили, які намагаються „закрити вільне місце”, тим самим „стягуючи” вільну поверхню рідини. Такі сили F_н, зумовлені взаємодією молекул рідини, які спричиняють скорочення площі її вільної поверхні і напрямлені по дотичній до цієї поверхні (тобто перпендикулярно до лінії, що окреслює поверхню рідини), називаються силами поверхневого натягу

F_н = σ l (36)

де σ – коефіцієнт поверхневого натягу, l– довжина лінії, що охоплює вільну поверхню рідини по периметру. В залежності від форми тіла, поміщеного у рідину довжина лінії визначається так:

 

Прямокутник	Пластинка	Циліндр	Кільце
b a	b	D	D d
l = a + b	l = 2b	l = πD	l = π (D + d)

Прояви та використання

1. Змочування: к леєння, паяння, фарбування, змащування тертьових поверхонь.

2. Незмочування:

· воскова поверхня на листках, фруктах, соломі запобігає гниттю;

· змащення жиром пір’я водоплаваючих птахів допомагає їм утримуватись на воді;

·

а б   Рис. 23

флотація (спливання) – відокремлення цінної породи від пустої.

 

5. Капілярний (лапласівський) тиск

Викривлена поверхня рідини у посудині називається меніском. Оскільки площа вільної поверхні рідини більша за площу перерізу посудини, то внаслідок дії молекулярних сил вона намагається випрямитись, що зумовлює появу додаткового тиску, який називають капілярним. Сили цього тиску напрямлені вгору, якщо рідина змочуюча (рис. 23, а), і вниз, – якщо рідина незмочуюча (рис. 23, б).

Величину цього тиску визначив П.Лаплас, тому його часто називають лапласівським тиском. Для сферичної форми вільної поверхні рідини з радіусом R тиск Лапласа визначається за формулою

Рис. 24     Рис. 25     Рис. 26

(40)

6. Капілярні явища

Викривлення поверхні у тонких трубках призводять до позірного порушення закону сполучених посудин. Тонкі трубки (d < 1мм), в яких рідина внаслідок, змочування (незмочування) піднімається (опускається) (рис. 24), називаються капілярними, а саме явище піднімання (або опускання) рідини в них – капілярністю. Це явище пояснюєтьсядією тиску Лапласа.

Рідина піднімається (або опускається) у капілярі до тих пір, поки гідростатичний тиск р = ρgh стовпа рідини висотою h у капілярі радіусом r не компенсує лапласівський тиск р_л:

,

де R = r/cosΘ – радіус меніска (рис. 25). Звідки висота піднімання рідини

(41)

Явище капілярності спостерігаються й також у вузьких щілинах, наприклад, між двома близько розміщеними пластинами, поставленими паралельно або під кутом (рис. 26).

Прояви і використання капілярності:

Живлення рослин; процес кровообігу тварин і людини; рух води у ґрунті; будівельна практика; використання у сушінні овочів та фруктів; у побуті (використання серветок, рушників, марлі).

Питання для самоперевірки

1. Які зовнішні особливості рідкого стану речовини.

2. Назвати основні властивості рідини.

3. Що таке близький порядок у розміщенні молекул?

4. Чим пояснюється текучість рідин?

5. Чим пояснюється нестисливість рідин?

6. Який тиск називають молекулярним? Яка його величина?

7. Чим різняться стани молекул на поверхні і всередині рідини?

8. Що таке вільна енергія поверхневого шару рідини.

9. Що таке поверхневий натяг рідини? Внаслідок чого він виникає?

10. Чому вільна поверхня рідини скорочується?

11. Навести приклади існування поверхневого натягу.

12. Дати визначення змочування і незмочування, крайового кута.

13. Які умови змочування і незмочування за крайовим кутом.

14. Пояснити змочування і незмочування на молекулярному рівні.

15. Що таке меніск? Який меніск утворюється у змочуючої (незмочуючої) рідини?

16. Який тиск називається лапласівським? Від чого він залежить?

17. Що таке капіляри?

18. Як веде себе у капілярі змочуючи (незмочуюча) рідина? Чому?

19. Від чого залежить висота піднімання (опускання) рідини у капілярі?

20. Коли припиняється піднімання (опускання) рідини у капілярі?

21. Що таке сили опору середовища? Від чого вони залежать?

22. Що таке в’язкість сили внутрішнього тертя? Від чого вона залежить?

23. Яка течія називається ламінарною?

24. Як змінюється швидкість ламінарної течії у залежності від відстані до осі труби?

25. Сформулювати закон Ньютона для внутрішнього тертя.

26. Як залежить в’язкість рідин від температури?

27. З якою метою під час спорудження будівель між фундаментом і стіною прокладають шар руберойду?

28. У посудину з гарячою водою опущено капіляр. Чи змінюватиметься рівень води у трубці під час її охолодження? Чому?

 

Ізотропія та анізотропія

Ізотропія – незалежність фізичних (механічних, електричних, оптичних) властивостей речовини від напряму у кристалі. Пов’язана з хаотичним розміщенням монокристалів у кристалі.

Анізотропія – залежність фізичних властивостей речовини від напряму в кристалі.