Souhrnný stav látek. Pevná a kapalná těla

Vykořenit n. stupeň, jeho vlastnosti.

Aritmetický kořen n-tého stupně čísla a je nezáporné číslo, n. stupeň což se rovná a.

Aritmetický kořen n -tého stupně čísla a je označen

kde n- kořenový exponent,

a je radikální výraz.

Znamení se také nazývá radikál.

Aritmetický kořen druhého stupně se nazývá druhá odmocnina a je označen √, aritmetický kořen třetího stupně se nazývá kořen krychle o je označen

Například:

A) a 2> 0;

b) a 3> 0;

proti)

Z definice aritmetiky kořen n -tého stupeň vyplývá, že pro sudé n musí být radikální výraz větší nebo roven nule, což znamená, že hodnota takového kořene není také záporná, například: aritmetický kořen 4. stupně z čísla -81 neexistuje, protože žádné číslo ve čtvrté mocnině neposkytne -81 (při zvýšení na sudou mocninu je hodnota výrazu vždy nezáporná).

S lichým exponentem kořene může být radikální výraz záporný a poté může být minus umístěn mimo znamení rytíře.

Například:

Rovnice x n = a.

Rovnice x n = a pro liché n má jedinečné řešení x =.

Například: x 3 = -125;

x = ;

x = - ;

Pro přehlednost zkontrolujeme:

125 = -125- správně.

Odpověď: x = -5.

Rovnice x n = a pro sudé n má a kladné a má dva kořeny

Například:

x 1 =; x 2 = -;

x 1 = 2; x 2 = -2.

Můžete se ujistit kontrolou, že 2 4 = 16 a (-2) 4 = 16.

Odpověď: ± 2.

Někdy je třeba takovou vlastnost použít aritmetický kořen n-tý stupeň:

| x | je -li n sudé;

x pokud n je liché.

x, pokud x≥0;

Připomeňme, že | x | = -x, pokud x<0.

Například:

.

Protože <0, следовательно

Základní vlastnosti kořenů.

Pro aritmetický kořen n-tého stupně, stejně jako pro odmocninu, existují operace zavedení faktoru pod znaménko kořene a odebrání faktoru pod znaménko kořene.

Například:

Příklad ukazuje, že k zavedení faktoru pod znaménkem kořene n -té mocniny je potřeba

zvýšit na n-tou moc. Je třeba mít na paměti, že pod znaménkem se sudým exponentem máme právo zavést pouze pozitivní faktor, například:

Podobně je multiplikátor odstraněn z kořenového znaménka, například:

podle vzorce n -tého členu an: a n = a 1 + d (n - 1)

podle vzorce n-tého člena rp:

Funkce y = kx (kde k je libovolné přirozené číslo). Přímá úměrnost, graf je přímý.
Vlastnosti:
doména - R.
rozsah hodnot- R
zvláštní
pro k> 0 se funkce zvyšuje, pro k<0 –убывает

Kvadratický kořen (vzorec)

Kořeny rovnic sekera 2 + bx + C = 0 (A¹ 0) zjistíme podle vzorce ... Výraz D = b 2 – 4ac nazývá se diskriminátor kvadratické rovnice. Kvadratická rovnice má skutečné kořeny (nebo root) právě tehdy, pokud její diskriminační prvek není záporný. Pokud můžete vzorec použít .

pokud jsou to jen rovnice, ne systémy, pak je algoritmus jednoduchý: 1. vlevo neznámé, sečíst koeficienty; čísla vpravo, také sečtěte (s přihlédnutím ke znaménku samozřejmě) 2. rozdělte pravou stranu koeficientem na neznámé 2 pokud coeff. = 0 a vpravo 0 - jakékoli číslo je řešením rovnice; pokud coeff. = 0 a vpravo ne 0 - rovnice nemá řešení

V této sekci se podíváme na agregátní stavy, ve kterém sídlí okolní hmota a síly interakce mezi částicemi hmoty, vlastní každému z agregovaných stavů.

1. Pevné skupenství,

2. Tekutý stav a

3. Plynný stav.

Často se rozlišuje čtvrtý stav agregace - plazma.

Někdy je plazmatický stav považován za typ plynného stavu.

Plazma - částečně nebo plně ionizovaný plyn, nejčastěji existující při vysokých teplotách.

Plazma je nejběžnějším stavem hmoty ve vesmíru, protože hmota hvězd je v tomto stavu.

Pro každého agregátní stav charakteristické rysy v povaze interakce mezi částicemi látky, která ovlivňuje její fyzikální a chemické vlastnosti.

Každá látka může být v různých stavech agregace. Při dostatečně nízkých teplotách jsou všechny látky in pevné skupenství... Ale jak se zahřívají, stávají se kapaliny, pak plyny... Při dalším zahřívání ionizují (atomy ztratí část svých elektronů) a přecházejí do stavu plazma.

Plyn

Plynný stav(z Dutch.gas, sahá až do starověké řečtiny. Χάος ) charakterizované velmi slabými vazbami mezi jeho částicemi.

Molekuly nebo atomy tvořící plyn se pohybují chaoticky a po většinu času jsou od sebe na velké vzdálenosti (ve srovnání s jejich velikostí). Proto interakční síly mezi částicemi plynu jsou zanedbatelné.

Hlavní rys plynu spočívá v tom, že vyplňuje veškerý dostupný prostor, aniž by tvořil povrch. Plyny jsou vždy smíšené. Plyn je izotropní látka, to znamená, že jeho vlastnosti jsou nezávislé na směru.

Při absenci gravitačních sil tlak ve všech bodech plynu stejné. V oblasti gravitačních sil nejsou hustota a tlak v každém bodě stejné a s výškou se snižují. V důsledku toho se v oblasti gravitace stává plynná směs nehomogenní. Těžké plyny mají tendenci klesat níž a více plíce- jít nahoru.

Plyn má vysokou stlačitelnost- s rostoucím tlakem se zvyšuje jeho hustota. Když teplota stoupne, expandují.

Po stlačení se plyn může změnit na kapalinu, ale ke kondenzaci nedochází při žádné teplotě, ale při teplotě pod kritickou teplotou. Kritická teplota je charakteristická pro konkrétní plyn a závisí na interakčních silách mezi jeho molekulami. Tedy například plyn hélium lze zkapalnit pouze při nižších teplotách 4,2 tis.

Existují plyny, které po ochlazení přecházejí do pevné látky a obcházejí kapalnou fázi. Transformace kapaliny na plyn se nazývá odpařování a přímá transformace pevné látky na plyn je sublimace.

Pevný

Pevné skupenství ve srovnání s jinými stavy agregace charakterizovaná tvarovou stabilitou.

Rozlišovat krystalický a amorfní pevné látky.

Krystalický stav hmoty

Stabilita tvaru pevných látek je dána skutečností, že většina z nich v pevném stavu má krystalická struktura.

V tomto případě jsou vzdálenosti mezi částicemi látky malé a interakční síly mezi nimi jsou velké, což určuje stabilitu formy.

Je snadné se přesvědčit o krystalické struktuře mnoha pevných látek rozdělením kousku hmoty a zkoumáním výsledné zlomeniny. Na zlomenině (například v cukru, síře, kovech atd.) Jsou obvykle dobře viditelné malé krystalické tváře umístěné v různých úhlech, které se třpytí díky odlišnému odrazu světla jimi.

V případech, kdy jsou krystaly velmi malé, lze krystalovou strukturu látky stanovit pomocí mikroskopu.

Krystalové tvary

Každá látka se tvoří krystaly zcela určitého tvaru.

Rozmanitost krystalických forem lze shrnout do sedmi skupin:

1. Triclinnaya(rovnoběžnostěn),

2.Monoklinika(hranol s rovnoběžníkem na základně),

3. Kosočtverečný(obdélníkový rovnoběžnostěn)

4. Tetragonální(obdélníkový rovnoběžnostěn se čtvercem na základně),

5. Trigonální,

6. Šestihranný(hranol se základnou správného středu
šestiúhelník),

7. Krychlový(krychle).

Krystalizuje mnoho látek, zejména železo, měď, diamant, chlorid sodný kubický systém... Nejjednodušší formy tohoto systému jsou krychle, osmistěn, čtyřstěn.

Krystalizuje hořčík, zinek, led, křemen šestihranný systém... Hlavní formy tohoto systému jsou - hex hranoly a bipyramid.

Přírodní krystaly, stejně jako krystaly získané umělými prostředky, jen zřídka přesně odpovídají teoretickým formám. Obvykle, když roztavená látka ztuhne, krystaly rostou dohromady a proto se tvar každého z nich ukáže jako ne zcela správný.

Bez ohledu na to, jak nerovnoměrně dochází k vývoji krystalu, bez ohledu na to, jak je jeho tvar zkreslený, úhly, ve kterých se tváře krystalu sbíhají pro stejnou látku, zůstávají konstantní.

Anizotropie

Vlastnosti krystalických těles nejsou omezeny pouze na tvar krystalů. Přestože je látka v krystalu zcela homogenní, mnoho jejích fyzikálních vlastností - pevnost, tepelná vodivost, postoj ke světlu atd. - není v krystalu vždy v různých směrech stejná. Tato důležitá vlastnost krystalických látek se nazývá anizotropie.

Vnitřní struktura krystalů. Krystalické mříže.

Vnější tvar krystalu odráží jeho vnitřní strukturu a je způsoben správným uspořádáním částic, které krystal tvoří - molekul, atomů nebo iontů.

Toto uspořádání může být reprezentováno jako krystalová mřížka- příhradový rám tvořený protínajícími se přímkami. V průsečících čar - mřížové uzly- centra částic leží.

V závislosti na povaze částic umístěných v uzlech krystalové mřížky a na tom, jaké interakční síly mezi nimi v daném krystalu převládají, se rozlišují následující typy krystalové mříže:

1. molekulární,

2. anatomický,

3. iontový a

4. kov.

Molekulární a atomové mříže jsou vlastní látkám s kovalentní vazbou, iontově iontovým sloučeninám, kovům a kovům a jejich slitinám.

Atomové krystalové mříže

Atomy jsou v uzlech atomových mřížek... Navzájem spolu souvisí kovalentní vazba.

Existuje relativně málo látek s atomovými mřížkami. Tyto zahrnují diamant, křemík a některé anorganické sloučeniny.

Tyto látky se vyznačují vysokou tvrdostí, jsou žáruvzdorné a nerozpustné téměř v jakýchkoli rozpouštědlech. Tyto vlastnosti jsou dány jejich pevností kovalentní vazba.

Molekulární krystalové mříže

Molekuly se nacházejí v místech molekulárních mřížek... Navzájem spolu souvisí mezimolekulární síly.

Existuje mnoho látek s molekulární mřížkou. Tyto zahrnují nekovy, s výjimkou uhlíku a křemíku, všechny organické sloučeniny s neiontovou komunikací a mnoho anorganických sloučenin.

Síly intermolekulární interakce jsou mnohem slabší než síly kovalentních vazeb, proto mají molekulární krystaly nízkou tvrdost, jsou tavitelné a těkavé.

Mřížky z iontových krystalů

V místech iontových mřížek se nacházejí střídavě kladně a záporně nabité ionty... Jsou k sobě svázáni silami elektrostatická přitažlivost.

Sloučeniny s iontovými vazbami, které tvoří iontové mřížky, zahrnují většina solí a málo oxidů.

Silou iontové mříže nižší než atomová, ale převyšuje molekulární.

Iontové sloučeniny mají relativně vysoké teploty tání. Ve většině případů není jejich volatilita velká.

Kovové krystalové mříže

V místech kovových mřížek jsou atomy kovu, mezi nimiž se volně pohybují elektrony společné těmto atomům.

Přítomnost volných elektronů v krystalových mřížkách kovů může vysvětlit jejich mnoho vlastností: plasticitu, kujnost, kovový lesk, vysokou elektrickou a tepelnou vodivost

V krystalech jsou látky, u nichž významnou roli hrají dva druhy interakcí mezi částicemi. V grafitu jsou atomy uhlíku navzájem spojeny ve stejných směrech. kovalentní vazba a v dalších - kov... Grafitovou mřížku lze tedy také považovat za atomový, A jak kov.

V mnoha anorganických sloučeninách, například v BeO, ZnS, CuCl, spojení mezi částicemi umístěnými v uzlech mřížky je částečně iontový a částečně kovalentní... Mřížky takových sloučenin lze tedy považovat za meziprodukty iontový a atomový.

Amorfní stav hmoty

Vlastnosti amorfních látek

Mezi pevnými látkami jsou ty, u jejichž zlomeniny nebyly nalezeny žádné známky krystalů. Pokud například prasknete kus obyčejného skla, pak bude jeho lom hladký a na rozdíl od zlomků krystalu je omezen nikoli na ploché, ale na oválné povrchy.

Podobný vzorec je pozorován při štěpení kousků pryskyřice, lepidla a některých dalších látek. Tento stav hmoty se nazývá amorfní.

Rozdíl mezi krystalický a amorfní těla jsou obzvláště výrazná v jejich postoji k zahřívání.

Zatímco krystaly každé látky tají při přísně definované teplotě a při stejné teplotě, dochází k přechodu z kapalného do pevného stavu, amorfní tělesa nemají konstantní teplotu tání... Při zahřátí amorfní tělo postupně změkne, začne se šířit a nakonec se stane zcela tekutým. Po vychladnutí také postupně tuhne.

Vzhledem k absenci specifického bodu tání mají amorfní tělesa jinou schopnost: mnoho z nich proudí jako kapaliny, tj. s prodlouženým působením relativně malých sil postupně mění svůj tvar. Například kousek pryskyřice položený na rovný povrch se několik týdnů šíří v teplé místnosti a má tvar disku.

Struktura amorfních látek

Rozdíl mezi krystalické a amorfní stav hmoty je následující.

Uspořádané uspořádání částic v krystalu odražený jednotkovou buňkou je zadržen na velkých plochách krystalů a v případě dobře tvarovaných krystalů - v jejich celistvosti.

V amorfních tělech je řád v uspořádání částic pozorován pouze ve velmi malých oblastech... Navíc v řadě amorfních těl je i toto místní uspořádání pouze přibližné.

Toto rozlišení lze shrnout následovně:

• krystalová struktura se vyznačuje řádem dlouhého dosahu,
• struktura amorfních těl - k sousedům.

Příklady amorfních látek.

Stabilní amorfní látky zahrnují sklenka(umělé a sopečné), přírodní a umělé pryskyřice, lepidla, parafín, vosk atd.

Přechod z amorfního do krystalického stavu.

Některé látky mohou být v krystalickém i amorfním stavu. Oxid křemičitý SiO 2 vyskytuje se přirozeně jako vzdělaný krystaly křemene, stejně jako v amorfním stavu ( minerální pazourek).

Kde krystalický stav je vždy stabilnější... Proto není možný spontánní přechod z krystalické látky na amorfní a reverzní transformace - spontánní přechod z amorfního stavu do krystalického - je možná a někdy je pozorována.

Příkladem takové transformace je devitrifikace- spontánní krystalizace skla při zvýšených teplotách doprovázená jeho destrukcí.

Amorfní stav mnoho látek se získává vysokou rychlostí tuhnutí (chlazení) kapalné taveniny.

Pro kovy a slitiny amorfní stav vzniká zpravidla tehdy, když je tavenina ochlazena v čase řádově zlomků desítek milisekund. U skla stačí mnohem nižší rychlost chlazení.

Křemen (SiO 2) má také nízkou rychlost krystalizace. Výrobky z něj odlévané jsou proto amorfní. Přírodní křemen, jehož krystalizace při ochlazování zemské kůry nebo hlubokých vrstev sopek měla stovky a tisíce let, má však na rozdíl od sopečného skla na povrchu zmrzlý, a tedy amorfní, hrubokrystalickou strukturu.

Kapaliny

Kapalina je přechodný stav mezi pevnou látkou a plynem.

Tekutý stav je mezi plynným a krystalickým. Podle některých vlastností jsou kapaliny blízko plyny, na ostatní - komu pevné látky.

U plynů se kapaliny spojují především izotropie a tekutost... Ta určuje schopnost kapaliny snadno měnit svůj tvar.

ale vysoká hustota a nízká stlačitelnost kapaliny je přibližuje pevné látky.

Schopnost kapalin snadno měnit svůj tvar naznačuje nepřítomnost tuhých sil mezimolekulární interakce v nich.

Nízká stlačitelnost kapalin, která určuje schopnost udržovat konstantní objem při dané teplotě, zároveň naznačuje přítomnost, i když ne tuhých, ale přesto významných interakčních sil mezi částicemi.

Poměr potenciální a kinetické energie.

Každý stav agregace je charakterizován vlastním poměrem mezi potenciální a kinetickou energií částic hmoty.

V pevných látkách je průměrná potenciální energie částic větší než jejich průměrná kinetická energie. V pevných látkách tedy částice zaujímají určité vzájemné polohy a vůči těmto polohám pouze vibrují.

U plynů je energetický poměr inverzní v důsledku čehož jsou molekuly plynu vždy ve stavu chaotického pohybu a adhezní síly mezi molekulami prakticky chybí, takže plyn vždy zabírá celý objem, který je mu poskytnut.

V případě kapalin jsou kinetické a potenciální energie částic přibližně stejné, tj. částice jsou navzájem spojeny, ale ne pevně. Kapaliny jsou tedy tekuté, ale mají při dané teplotě konstantní objem.

Struktury kapalin a amorfních těles jsou podobné.

V důsledku aplikace metod strukturní analýzy na kapaliny bylo zjištěno, že struktura kapaliny jsou jako amorfní tělesa... Většina tekutin má zavřít objednávku- počet nejbližších sousedů pro každou molekulu a jejich relativní poloha jsou přibližně stejné v celém objemu kapaliny.

Stupeň uspořádání částic je pro různé kapaliny odlišný. Navíc se mění s teplotou.

Při nízkých teplotách, mírně překračujících teplotu tání dané látky, je stupeň uspořádanosti uspořádání částic dané kapaliny vysoký.

Jak teplota stoupá, klesá a jak se zahřívá, vlastnosti kapaliny se stále více přibližují vlastnostem plynu... Když je dosaženo kritické teploty, rozdíl mezi kapalinou a plynem zmizí.

Vzhledem k podobnosti vnitřní struktury kapalin a amorfních těles jsou tato často považována za kapaliny s velmi vysokou viskozitou a za pevné látky se označují pouze látky v krystalickém stavu.

Přirovnáváním amorfní těla kapaliny, je však třeba mít na paměti, že v amorfních tělech mají částice na rozdíl od běžných kapalin nevýznamnou pohyblivost - stejnou jako v krystalech.

V závislosti na teplotě a tlaku je jakákoli látka schopna předpokládat různé stavy agregace. Každý takový stav je charakterizován určitými kvalitativními vlastnostmi, které zůstávají nezměněny v rámci teploty a tlaku požadovaného pro daný stav agregace.

Mezi charakteristické vlastnosti agregačních stavů patří například schopnost tělesa v pevném stavu udržet si tvar, nebo naopak - schopnost tekutého tělesa měnit svůj tvar. Někdy jsou však hranice mezi různými stavy hmoty spíše rozmazané, jako v případě tekutých krystalů nebo takzvaných „amorfních těles“, která mohou být elastická jako pevné látky a tekutá jako kapaliny.

Přechod mezi agregovanými stavy může nastat s uvolněním volné energie, změnou hustoty, entropií nebo jinými fyzikálními veličinami. Přechod z jednoho stavu agregace do druhého se nazývá fázový přechod a jevy doprovázející takové přechody se nazývají kritické jevy.

Seznam známých agregovaných stavů

Pevný
	Pevné látky, atomy nebo molekuly netvoří krystalovou mřížku.
	Pevné látky, atomy nebo molekuly tvoří krystalovou mřížku.
Mezofáze
	Tekutý krystal je fázový stav, během kterého látka současně má vlastnosti kapalin i vlastnosti krystalů.
Kapalina
	Stav látky při teplotách nad bodem tání a pod bodem varu.
	Kapalina, jejíž teplota je vyšší než její bod varu.
	Kapalina, jejíž teplota je nižší než teplota krystalizace.
	Stav kapalné látky pod podtlakem způsobený van der Waalsovými silami (přitažlivé síly mezi molekulami).
	Stav kapaliny při teplotě nad kritickým bodem.
	Kapalina, jejíž vlastnosti jsou ovlivněny kvantovými efekty.
		Stav látky, která má velmi slabé vazby mezi molekulami nebo atomy. Odporuje matematickému popisu ideálního plynu.
	Plyn, jehož vlastnosti jsou ovlivněny kvantovými efekty.
		Stav agregace, reprezentovaný sadou jednotlivých nabitých částic, jejichž celkový náboj v jakémkoli objemu systému je roven nule.
	Stav hmoty, ve kterém se jedná o soubor gluonů, kvarků a antikvarků.
	Krátkodobý stav, během kterého jsou mezi jádra vtažena silová pole gluonů. Předchází kvark-gluonová plazma.
Kvantový plyn
	Plyn složený z fermionů, jejichž vlastnosti jsou ovlivněny kvantovými efekty.
	Plyn složený z bosonů, jejichž vlastnosti jsou ovlivněny kvantovými efekty.

Agregátní státy. Kapaliny. Fáze v termodynamice. Fázové přechody.

Přednáška 1.16

Všechny látky mohou existovat ve třech stavech agregace - pevný, kapalný a plynný... Přechody mezi nimi jsou doprovázeny náhlou změnou řady fyzikálních vlastností (hustota, tepelná vodivost atd.).

Stav agregace závisí na fyzikálních podmínkách, ve kterých se látka nachází. Existence několika stavů agregace v látce je dána rozdíly v tepelném pohybu jejích molekul (atomů) a v jejich interakci za různých podmínek.

Plyn- agregovaný stav hmoty, ve kterém částice nejsou vázány nebo velmi slabě vázány silami interakce; kinetická energie tepelného pohybu jejích částic (molekul, atomů) výrazně převyšuje potenciální energii interakcí mezi nimi, částice se tedy pohybují téměř volně, zcela zaplňují nádobu, ve které se nacházejí, a nabývají jejího tvaru. V plynném stavu nemá látka ani svůj vlastní objem, ani svou vlastní formu. Jakákoli látka může být přeměněna na plynnou změnou tlaku a teploty.

Kapalina- stav agregace látky, meziproduktu mezi pevným a plynným. Vyznačuje se vysokou pohyblivostí částic a malým volným prostorem mezi nimi. To vede k tomu, že kapaliny si zachovávají svůj objem a mají tvar nádoby. V kapalině jsou molekuly velmi blízko sebe. Hustota kapaliny je proto mnohem vyšší než hustota plynů (za normálního tlaku). Kapalné vlastnosti ve všech směrech jsou stejné (izotropní), s výjimkou tekutých krystalů. Při zahřívání nebo poklesu hustoty se vlastnosti kapaliny, tepelná vodivost a viskozita zpravidla mění ve směru přibližování se k vlastnostem plynů.

Tepelný pohyb molekul kapaliny se skládá z kombinace kolektivních vibračních pohybů a příležitostných skoků molekul z jedné rovnovážné polohy do druhé.

Pevná (krystalická) tělesa- agregovaný stav hmoty, charakterizovaný stabilitou formy a povahou tepelného pohybu atomů. Tento pohyb je vibracemi atomů (nebo iontů), které tvoří těleso. Amplituda vibrací je ve srovnání s meziatomovými vzdálenostmi obvykle malá.

Vlastnosti kapalin.

Molekuly látky v kapalném stavu jsou umístěny téměř blízko sebe. Na rozdíl od pevných krystalických těl, ve kterých molekuly vytvářejí uspořádané struktury v celém objemu krystalu a mohou provádět tepelné vibrace kolem pevných center, mají kapalné molekuly větší volnost. Každá molekula kapaliny, stejně jako v pevné látce, je „sevřena“ ze všech stran sousedními molekulami a provádí tepelné vibrace kolem určité rovnovážné polohy. Čas od času se však jakákoli molekula může přesunout na sousední volné místo. K takovým skokům v kapalinách dochází poměrně často; molekuly proto nejsou připojeny ke konkrétním centrům, jako v krystalech, a mohou se pohybovat v celém objemu kapaliny. To vysvětluje tekutost tekutin. Vzhledem k silné interakci mezi těsně rozmístěnými molekulami mohou vytvářet místní (nestabilní) uspořádané skupiny obsahující několik molekul. Tento jev se nazývá krátká objednávka.

Díky těsnému zabalení molekul je stlačitelnost kapalin, tj. Změna objemu se změnou tlaku, velmi malá; je to desítky a stovky tisíckrát méně než v plynech. Chcete -li například změnit objem vody o 1%, musíte zvýšit tlak přibližně 200krát. Takového zvýšení tlaku ve srovnání s atmosférickým tlakem je dosaženo v hloubce asi 2 km.

Kapaliny, podobně jako pevné látky, mění při změně teploty svůj objem. Pro nepříliš velká teplotní rozmezí relativní změna objemu Δ PROTI / PROTI 0 úměrné změně teploty Δ T:

Zavolá se koeficient β teplotní koeficient objemové roztažnosti... Tento koeficient pro kapaliny je desetkrát větší než u pevných látek. U vody například při teplotě 20 ° C β v ≈ 2 · 10 –4 K –1, u oceli - β st ≈ 3,6 · 10 –5 K –1, u křemenného skla - β q ≈ 9 · 10 - 6 K –1.

Tepelná expanze vody má zajímavou a důležitou anomálii pro život na Zemi. Při teplotách pod 4 ° C se voda rozšiřuje s klesající teplotou (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

Když voda zmrzne, expanduje, takže led zůstává plovoucí na povrchu mrazivého vodního útvaru. Teplota mrazivé vody pod ledem je 0 ° С. V hustších vrstvách vody na dně nádrže je teplota asi 4 ° C. Díky tomu může ve vodě mrazivých nádrží existovat život.

Nejzajímavější vlastností tekutin je jejich přítomnost volný povrch... Kapalina, na rozdíl od plynů, nevyplní celý objem nádoby, do které se nalije. Mezi kapalinou a plynem (nebo párou) se vytvoří rozhraní, které je ve zvláštních podmínkách ve srovnání se zbytkem kapalné hmoty. Molekuly v mezní vrstvě kapaliny, na rozdíl od molekul v její hloubce, nejsou ze všech stran obklopeny jinými molekulami stejné kapaliny. Síly intermolekulární interakce působící na jednu z molekul uvnitř kapaliny ze strany sousedních molekul jsou v průměru vzájemně kompenzovány. Jakákoli molekula v mezní vrstvě je přitahována molekulami uvnitř kapaliny (síly působící na danou molekulu kapaliny ze strany molekul plynu (nebo páry) lze zanedbávat). V důsledku toho se objeví určitá výsledná síla namířená hluboko do kapaliny. Povrchové molekuly jsou vtahovány do kapaliny silami intermolekulární přitažlivosti. Ale všechny molekuly, včetně molekul mezní vrstvy, musí být ve stavu rovnováhy. Této rovnováhy je dosaženo díky mírnému zmenšení vzdálenosti mezi molekulami povrchové vrstvy a jejich nejbližšími sousedy uvnitř kapaliny. S poklesem vzdálenosti mezi molekulami vznikají odpudivé síly. Pokud je průměrná vzdálenost mezi molekulami uvnitř kapaliny r 0, pak jsou molekuly povrchové vrstvy zabaleny poněkud hustěji, a proto mají ve srovnání s vnitřními molekulami další zásobu potenciální energie. Je třeba mít na paměti, že vzhledem k extrémně nízké stlačitelnosti nevede přítomnost hustěji zabalené povrchové vrstvy k žádné znatelné změně objemu kapaliny. Pokud se molekula pohybuje z povrchu do nitra kapaliny, síly mezimolekulární interakce odvedou pozitivní práci. Naopak, aby bylo možné vytáhnout určitý počet molekul z hloubky kapaliny na povrch (tj. Zvětšit povrchovou plochu kapaliny), vnější síly musí dělat pozitivní práci A ext, úměrné změně Δ S plocha povrchu:

A ext = σΔ S.

Součinitel σ se nazývá součinitel povrchového napětí (σ> 0). Koeficient povrchového napětí se tedy rovná práci potřebné ke zvětšení povrchu kapaliny při konstantní teplotě o jednu jednotku.

V SI se povrchové napětí měří v joulech na Metrčtverec (J / m 2) nebo v newtonech na metr (1 N / m = 1 J / m 2).

V důsledku toho mají molekuly povrchové vrstvy kapaliny přebytek ve srovnání s molekulami uvnitř kapaliny potenciální energie... Potenciální energie E p povrchu kapaliny je úměrné její ploše: (1.16.1)

Z mechaniky je známo, že rovnovážné stavy systému odpovídají minimální hodnotě jeho potenciální energie. Z toho vyplývá, že volný povrch kapaliny má tendenci zmenšovat její plochu. Z tohoto důvodu má volná kapka kapaliny sférický tvar. Tekutina se chová, jako by síly působily tangenciálně na její povrch, čímž tento povrch zmenšují (táhnou). Tyto síly se nazývají síly povrchového napětí.

Přítomnost sil povrchového napětí činí povrch kapaliny podobným elastickému nataženému filmu, pouze s tím rozdílem, že elastické síly ve filmu závisí na jeho povrchu (tj. Na tom, jak je film deformován) a silách povrchového napětí nezávisí na kapalinách povrchu.

Síly povrchového napětí mají tendenci zmenšovat povrch filmu. Proto můžeme napsat: (1.16.2)

Součinitel povrchového napětí σ lze tedy definovat jako modul síly povrchového napětí působící na jednotkovou délku čáry ohraničující povrch ( l je délka tohoto řádku).

Působením sil povrchového napětí v kapalných kapkách a uvnitř mýdlových bublin vzniká přetlak Δ p... Pokud mentálně vyříznete sférický pokles poloměru R. na dvě poloviny, pak by každá z nich měla být v rovnováze působením sil povrchového napětí působícího na hranici řezu o délce 2π R. a přetlakové síly působící na oblast π R. 2 oddíly (obrázek 1.16.1). Rovnovážná podmínka je zapsána jako

Blízko hranice mezi kapalinou, pevnou látkou a plynem závisí tvar volného povrchu kapaliny na silách interakce molekul kapaliny s pevnými molekulami (interakci s molekulami plynu (nebo páry) lze zanedbávat). Pokud jsou tyto síly větší než síly interakce mezi molekulami samotné kapaliny, pak kapalinou mokré povrch pevné látky. V tomto případě se kapalina přibližuje k povrchu pevné látky pod určitým ostrým úhlem θ, který je pro daný pár kapalina - pevná látka charakteristický. Nazývá se úhel θ úhel hrany... Pokud síly interakce mezi kapalnými molekulami překročí síly jejich interakce s molekulami pevné látky, pak se kontaktní úhel θ ukáže jako tupý (obr. 1.16.2 (2)). V tomto případě říkají, že kapalina nemokne povrch pevné látky. Jinak (úhel - ostrý) kapalina mokré povrch (obrázek 1.16.2 (1)). Na plné smáčeníθ = 0, pro úplné nezmáčeníθ = 180 °.

Kapilární jevy nazývá se vzestup nebo pokles kapaliny v trubkách malého průměru - kapiláry... Vlhké kapaliny stoupají kapilárami, nemáčivé kapaliny klesají.

Na obrázku 1.16.3 je kapilární trubice určitého poloměru r spuštěna svým dolním koncem na smáčivou kapalinu o hustotě ρ. Horní konec kapiláry je otevřený. Vzestup kapaliny v kapiláře pokračuje, dokud se gravitační síla působící na sloupec kapaliny v kapiláře nestane stejnou velikostí jako výsledná F n síly povrchového napětí působící podél rozhraní mezi kapalinou a kapilárním povrchem: F t = F n, kde F t = mg = ρ hπ r 2 G, F n = σ2π r cos θ.

Z toho vyplývá:

Při úplném smáčení θ = 0, cos θ = 1. V tomto případě

Při úplném nezmáčení θ = 180 °, cos θ = -1, a proto h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

Voda téměř úplně smáčí čistý skleněný povrch. Naopak rtuť povrch skla úplně nenavlhčí. Proto hladina rtuti ve skleněné kapiláře klesá pod hladinu v nádobě.