Задание 2.Составить таблицу из основных величин.

Тема. Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение

Задание 1.Прочитать и выписать новые понятия.

Задание 2.Составить таблицу из основных величин.

                                            Объяснение нового материала.

Показ и разъяснение и запись в тетрадях основных понятий по электронному учебнику «Уроки физики Кирилла и Мефодия»:

1. Энергия взаимодействия в жидкостях и газах.

Отличия в свойствах, проявляемых жидкостями и газами, определяются отличиями в их молекулярном строении. В то время как частицы газа практически не взаимодействуют, молекулярное взаимодействие в жидкостях оказывает существенное влияние на поведение частиц. Если в газах средняя кинетическая энергия теплового движения частиц много больше

средней потенциальной энергии их взаимодействия, то в жидкостях эти энергии сравнимы по своей величине.

1. Жидкость практически несжимаема.

Сильное взаимодействие между частицами жидкости обусловлено значительно меньшими, чем в газах, расстояниями между ними: в жидкостях соседние молекулы расположены вплотную друг к другу, как в твердом состоянии. По этой причине жидкости плохо сжимаемы. При попытке даже незначительно уменьшить объем жидкости практически сразу начинается деформация самих частиц. Образное представление об этом процессе можно получить, если представить себе попытку протиснуться в переполненный автобус.

1. Понятие ближнего порядка.

Эксперименты показывают, что в жидкости вокруг любой частицы наблюдается определенный порядок в расположении соседних частиц. Такой порядок получил название ближнего порядка, поскольку при рассмотрении объемов, существенно превышающих область вблизи отдельной частицы, никакого порядка в расположении частиц уже не наблюдается - частицы в жидкости располагаются хаотично. Понять, что такое ближний порядок, достаточно легко, если представить большую толпу людей. Никакого порядка в расположении людей в этой толпе нет, однако вокруг любого человека есть определенный порядок - его, как правило, окружают пять человек.

1. Характер движения частиц жидкости.

Согласно теории Френкеля, частицы жидкости участвуют в колебательно-поступательном

движении. Частица, зажатая, как в клетке, со всех сторон соседними частицами, колеблется около некоторого положения равновесия. Время от времени частица может перемещаться на расстояние, примерно равное собственному размеру, и таким образом оказываться в новом положении равновесия. В новом положении частица опять начинает совершать колебательные движения. Основное время частицы жидкости колеблются около некоторого положения равновесия, т.е. пребывают в состоянии оседлости, а переходы с места на место занимают очень незначительное время. Времена оседлости частиц жидкости различны. Например, при комнатной температуре время оседлости молекул воды составляет 1·10-6 сек. Значительный вклад в развитие молекулярно-кинетической теории жидкостей внес Я.И. Френкель, чья теория впервые позволила объяснить многие свойства жидкостей, например, текучесть и упругость.

1. Упругость и текучесть жидкости

В соответствии с представлениями теории Френкеля, текучесть жидкостей обусловлена

тем, что под действием внешней силы, например, силы тяжести, перескоки частиц из

одного состояния оседлости в другое начинают происходить преимущественно в

направлении действия этой внешней силы. Однако жидкости проявляют текучесть только

в том случае, если действие внешней силы во много раз более длительно, чем время

оседлости. Если же время действия внешней силы сопоставимо со временем оседлости,

то жидкость проявляет упругость, подобно твердому телу.

Таким образом, жидкость может обладать и упругостью, и текучестью. Известно, что при

неудачном прыжке в воду можно получить серьезные травмы, это связано с тем, что удар

о воду длится очень короткое время, сопоставимое со временем оседлости, поэтому вода

проявляет не текучесть, а упругость. Упругость воды используется, например, при

разработке россыпей, в этом случае на золотоносные пески направляется мощная струя

воды.    

1. Взаимодействия в поверхностном слое жидкости

В отличие от газообразного состояния, когда силы межмолекулярного взаимодействия не могут удержать частицы внутри какого-либо объема, если он не ограничен стенками сосуда, в жидкостях силы межмолекулярного взаимодействия достаточно велики и способны удержать

молекулы жидкости в определенном объеме. Поэтому жидкости образуют свободные (от контакта с сосудом) поверхности. Множество явлений, происходящих с жидкостями, обусловлено взаимодействием частиц, расположенных в поверхностном слое. Взаимодействие с частицами пара, располагающимися над поверхностью жидкости, практически не влияет на частицы поверхностного слоя жидкости, так как концентрация молекул в паре мала по сравнению с концентрацией молекул в жидкости. 

1. Поверхностное натяжение в жидкости.

Молекулы поверхностного слоя под воздействием молекул внутренних слоев уходят вглубь жидкости, и число молекул на поверхности уменьшается до тех пор, пока свободная оверхность не достигнет минимального значения. Свойство сокращения свободной поверхности выглядит так, как будто жидкость помещена в тонкую упругую оболочку. Легко представить себе эту оболочку, наблюдая за постепенным увеличением объема капли воды, который происходит перед ее падением. Объем капли увеличивается, будто вода заполняет некий прозрачный эластичный мешочек.

1. Сокращение площади свободной поверхности жидкости.

Площадь поверхности жидкости уменьшается под действием силы поверхностного натяжения. Эта сила действует по касательной к поверхности жидкости, направлена перпендикулярно линии, ограничивающей эту поверхность, и стремится сократить поверхность до минимума. Окунем в мыльный раствор, а затем вынем из него проволочную рамку, внутри которой к противоположным сторонам привязана ненатянутая нить. В результате рамка окажется затянутой мыльной пленкой, которая разделена на две части нитью. Если проткнуть пленку с одной стороны от нити, то нить натянется, приняв дугообразную форму, вследствие сокращения площади свободной поверхности.

1. Опыт Плато («Физика в школе» диск 1 «Молекулярная структура материи»)

Мы привыкли думать, что жидкости не имеют никакой собственной формы. Это неверно. Естественная форма всякой жидкости – шар. Обычно сила тяжести мешает жидкости принимать эту форму, и жидкость либо растекается тонким слоем, если сосуда нет, либо же принимает форму сосуда. Находясь внутри другой жидкости такой же плотности, жидкость принимает естественную, шарообразную форму.

Оливковое масло всплывает в воде, но тонет в спирте. Можно приготовить такую смесь воды и спирта, в которой масло будет находиться в равновесии. Введём с помощью стеклянной трубки или шприца в эту смесь немного оливкового масла: масло соберётся в одну шарообразную каплю, которая будет висеть неподвижно в жидкости. Если пропустить через центр масляного шара проволоку и вращать её, то масляный шар начинает сплющиваться, а затем, через несколько секунд, от него отделяется кольцо из маленьких шарообразных капелек масла. Этот опыт впервые произвел бельгийский физик Плато.

В гигантских масштабах такое явление можно наблюдать у нашей звезды Солнца и планет-гигантов. Вращаются эти небесные тела вокруг своей оси очень быстро. В результате такого вращения тела очень сильно сжаты у полюсов.

1. Измерение силы поверхностного натяжения.

Силу поверхностного натяжения можно измерить, например, используя затянутую мыльной пленкой прямоугольную проволочную рамку, одна из сторон которой может свободно перемещаться. Подвижная сторона рамки перемещается под действием сил поверхностного натяжения, которые можно уравновесить силой упругости пружины динамометра.  Поскольку у пленки две поверхности, то и сил поверхностного натяжения также две. Поэтому величина каждой из этих сил в два раза меньше того значения, которое фиксирует динамометр.

1. Коэффициент поверхностного натяжения.

Коэффициентом поверхностного натяжения называется отношение модуля силы поверхностного натяжения к длине участка границы поверхности жидкости, на который действует эта сила. Эта величина постоянная:

, , [Н/м]

Коэффициент поверхностного натяжения показывает, какая сила действует на единицу длины границы поверхности жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы граничащих сред и температуры.

1. Поверхностная энергия.

Для того чтобы переместить молекулу из внутренних слоев на поверхность, необходимо совершить некоторую работу. По этой причине частицы поверхностного слоя обладают потенциальной энергией, которую называют поверхностной энергией. Величина поверхностной энергии E прямо пропорциональна площади поверхности жидкости S. Можно показать, что коэффициентом пропорциональности является коэффициент поверхностного натяжения:

Уменьшая площадь мыльной пленки, силы поверхностного натяжения совершают работу. Эта работа совершается за счет уменьшения поверхностной энергии.

Коэффициент поверхностного натяжения — это физическая величина, которая равна отношению поверхностной энергии Е (энергия переноса молекул на поверхность) к площади этой поверхности:

Это физическая величина, которая равна отношению силы F поверхностного натяжения, приложенной к границе поверхностного слоя жидкости и направленного по касательной к поверхности и перпендикулярно к длине l этого предела:

σ зависит от:

1) рода вещества (σ спирта = 22 мН/мм, ртути σ = 480 мН/мм);

2) температуры (при повышении — уменьшается; при критической t = 0);

3) примесей (мыльного раствора σ = 40 мН/мм; σ раствора сахара = 80 мН/мм).Энергия поверхностного слоя жидкости поверхности S:

Работа в случае изменения площади поверхностного слоя пленки:

Способы определения коэффициента поверхностного натяжения

1. Метод рамки

где F1 — до отрыва, F2 — после отрыва, 2l - потому что пленка имеет две поверхности

2. Метод капель

N — число капель, r — радиус шейки капли, равный внутреннему радиусу капилляра.

Поверхностное натяжение жидкостей,       находящихся в контакте с воздухом, мН/м

 Запишите формулу силы поверхностного натяжения :

F=ol

где F-сила поверхностного натяжения

l-длина соприкасающихся поверхностей.

о- коэффициент поверхностного натяжения.

Единица коэффициента поверхностного натяжения - ньютон на метр (Н/м).