Агрегатний стан речовин. Тверді і рідкі тіла

корінь n-го ступеня, Його властивості.

Арифметичним коренем n-го ступеня з числа а називають невід'ємне число, n-й ступіньякого дорівнює а.

Позначається арифметичний корінь n-го ступеня з числа а

де n- показник кореня,

а- подкоренное вираз.

Знак називають ще радикалом.

Арифметичний корінь другого ступеня називається коренем квадратним і позначається √, арифметичний корінь третього ступеня називається кубічним коренем про позначається

наприклад:

а) і 2≥0;

б) і 3≥0;

в)

З визначення арифметичного кореня n-йступеня слід, що при четом n подкоренное вираз має бути більше або дорівнює нулю, а значить і значення такого кореня теж неотрицательно, наприклад: арифметичний корінь 4-го ступеня з числа -81 не існує, так як жодне число в четвертого ступеня не дасть -81 (при зведенні в парну ступінь значення виразу завжди неотрицательно).

При непарному показнику кореня подкоренное вираз може бути негативним, і тоді мінус може бути винесено за знак коня.

наприклад:

Рівняння х n = а.

Рівняння х n = а при непарному n має єдине рішення х =.

Наприклад: х 3 = -125;

х = ;

х = - ;

Для наочності зробимо перевірку:

125 = -125- вірно.

Відповідь: х = -5.

Рівняння х n = а при парному n має і позитивний а має два кореня

наприклад:

х 1 =; х 2 = -;

х 1 = 2; х 2 = -2.

Можна переконатися під час перевірки, що 2 4 = 16 і (-2) 4 = 16.

Відповідь: ± 2.

Іноді потрібно застосувати таку властивість арифметичного кореня n-го ступеня:

| Х |, якщо n парне;

х, якщо n непарне.

х, якщо х≥0;

Згадаймо, що | х | = х, якщо х<0.

наприклад:

.

Так як <0, следовательно

Основні властивості коренів.

Для арифметичного кореня n-го ступеня, як і для квадратного кореня, існують операції внесення множника під знак кореня і винесення множника з-під знака кореня.

наприклад:

З прикладу видно, що для внесення множника під знак кореня n-го ступеня його потрібно

звести в n-ю ступінь. Потрібно пам'ятати, що під знак з парних показником ми маємо право внести тільки позитивний множник, наприклад:

Аналогічно проводиться винесення множника з-під знака кореня, наприклад:

формулою n-го члена ап: a n = a 1 + d · (n - 1)

формулою n-го члена гп:

Функції y = kx (де k - будь-яке натуральне число). Пряма пропорційність, графік пряма.
властивості:
область визначення - R
область значень - R
непарна
при до> 0 функція зростає, при до<0 –убывает

Корінь квадратного рівняння (формула)

коріння рівняння ax 2 + bx + c = 0 (a¹ 0) знаходять за формулою . вираз D = b 2 – 4acназивають дискримінантом квадратного рівняння. Квадратне рівняння має дійсні корені (або корінь) тоді і тільки тоді, коли його дискримінант неотрицателен. Якщо, можна застосувати формулу .

якщо просто рівнянь, а не систем, то алгоритм простий: 1. невідомі вліво, скласти коефіцієнти; числа вправо, також скласти (з урахуванням знака звичайно) 2. розділити праву частину на коефіцієнт при невідомому 2прім. якщо коеф. = 0 і справа 0 - будь-яке число є рішення рівняння якщо коеф. = 0 а впоратися не 0 - рівняння рішення не має

У цьому розділі ми розглянемо агрегатні стани, В яких перебуває навколишнє нас матерія і сили взаємодії між частинками речовини, властиві кожному з агрегатних станів.

1. Стан твердого тіла,

2. рідкий стані

3. газоподібний стан.

Часто виділяють четвертий агрегатний стан - плазму.

Іноді, стан плазми вважають одним з видів газоподібного стану.

Плазма - частково або повністю іонізований газ, Найчастіше існуючий при високих температурах.

плазмає найпоширенішим станом речовини у Всесвіті, поскоьку матерія звёд перебуває саме в цьому стані.

Для кожного агрегатного станухарактерні особливості в характері взаємодії між частинками речовини, що впливає на його фізичні та хімічні властивості.

Кожна речовина може перебувати в різних агрегатних станах. При досить низьких температурах всі речовини знаходяться в твердому стані. Але в міру нагрівання вони стають рідинами, потім газами. При подальшому нагріванні вони іонізуються (атоми втрачають частину своїх електронів) і переходять в стан плазми.

газ

газоподібний стан(Від нід. Gas, сходить до грец. Χάος ) Характеризується дуже слабкими зв'язками між складовими його частками.

Утворюють газ молекули або атоми хаотично рухаються і при цьому переважну частину часу перебувають на великих (в порівнянні з їх розмірами) Відстань один від одного. Внаслідок цього сили взаємодії між частинками газу пренебрежимо малі.

Основною особливістю газує те, що він заповнює весь доступний простір, не утворюючи поверхні. Гази завжди змішуються. Газ - ізотропна речовина, Тобто його властивості не залежать від напрямку.

При відсутності сил тяжіння тиску всіх точках газу однаково. В поле сил тяжіння щільність і тиск не однакові в кожній точці, зменшуючись з висотою. Відповідно, в поле сил тяжіння суміш газів стає неоднорідною. важкі газимають тенденцію осідати нижче, а більш легкі- підніматися вгору.

Газ має високу стисливість- при збільшенні тиску зростає його щільність. При підвищенні температури розширюються.

При стисненні газ може перейти в рідину, Але конденсація відбувається не при будь-якій температурі, а при температурі, нижче критичної температури. Критична температура є характеристикою конкретного газу і залежить від сил взаємодії між його молекулами. Так, наприклад, газ гелійможна зріджені тільки при температурі, нижче від 4,2 До.

Існують гази, які при охолодженні переходять в тверде тіло, минаючи рідку фазу. Перетворення рідини в газ називається випаровуванням, а безпосереднє перетворення твердого тіла в газ - сублімацією.

Тверде тіло

Стан твердого тілав порівнянні з іншими агрегатними станами характеризується стабільністю форми.

розрізняють кристалічніі аморфні тверді тіла.

Кристалічний стан речовини

Стабільність форми твердих тіл пов'язана з тим, що більшість, що знаходяться в твердому стані має кристалическое будова.

В цьому випадку відстані між частинками речовини малі, а сили взаємодії між ними великі, що і визначає стабільність форми.

У кристалічному будові багатьох твердих тіл легко переконатися, розколів шматок речовини і розглянувши отриманий злам. Зазвичай на зламі (наприклад, у цукру, сірки, металів та ін.) Добре помітні розташовані під різними кутами дрібні грані кристалів, що поблискують внаслідок різного відображення ними світла.

У тих випадках, коли кристали дуже малі, кристалічну будову речовини можна встановити за допомогою мікроскопа.

форми кристалів

Кожна речовина утворює кристалиабсолютно певної форми.

Різноманітність кристалічних форм може бути зведене до семи груп:

1. тріклінная(Паралелепіпед),

2.моноклінна(Призма з параллелограммом в підставі),

3. ромбическая(Прямокутний паралелепіпед),

4. тетрагональна(Прямокутний паралелепіпед з квадратом в підставі),

5. трігональная,

6. гексагональна(Призма з основою правильного центрованого
шестикутника),

7. кубічна(Куб).

Багато речовин, зокрема залізо, мідь, алмаз, хлорид натрію кристализуется в кубічної системі. Найпростішими формами цієї системи є куб, октаедр, тетраедр.

Магній, цинк, лід, кварц кристализуется в гексагональної системі. Основні форми цієї системи - шестигранні призми і Бипирамида.

Природні кристали, а також кристали, одержувані штучним шляхом, рідко в точності відповідають теоретичним формам. Зазвичай при затвердінні розплавленого речовини кристали зростаються разом і тому форма кожного з них виявляється не цілком правильною.

Однак як би нерівномірно не відбувалося розвиток кристала, як би не була спотворена його форма, кути, під якими сходяться межі кристала у одного і того ж речовини залишаються постійними.

анізотропія

Особливості кристалічних тіл не обмежуються тільки формою кристалів. Хоча речовина в кристалі абсолютно однорідне, багато хто з його фізичних властивостей - міцність, теплопровідність, ставлення до світу і ін. - не завжди однакові за різними напрямками всередині кристалу. Ця важлива особливість кристалічних речовин називається анізотропією.

Внутрішня будова кристалів. Кристалічні решітки.

Зовнішня форма кристала відображає його внутрішню будову і обумовлена ​​правильним розташуванням частинок, складових кристал, - молекул, атомів або іонів.

Це розташування можна представити у вигляді кристалічної решітки- просторового каркаса, утвореного пересічними прямими лініями. У точках перетину ліній - вузлах решітки- лежать центри частинок.

Залежно від природи частинок, що знаходяться у вузлах кристалічної решітки, і від того, які сили взаємодії між ними переважають в даному кристалі, розрізняють наступні види кристалічних решіток:

1. молекулярні,

2. атомні,

3. іонніі

4. металеві.

Молекулярні і атомні решітки притаманні речовин з ковалентним зв'язком, іонні - іонним з'єднанням, металеві - металів і їхніх сплавів.

Атомні кристалічні решітки

У вузлах атомних грат знаходяться атоми. Вони пов'язані один з одним ковалентним зв'язком.

Речовин, що володіють атомними гратами, порівняно мало. До них належать алмаз, кремнійі деякі неорганічні сполуки.

Ці речовини характеризуються високою твердістю, вони тугоплавкі і нерозчинні практично ні в яких розчинниках. Такі їх властивості пояснюються міцністю ковалентного зв'язку.

Молекулярні кристалічні решітки

У вузлах молекулярних граток знаходяться молекули. Вони пов'язані один з одним міжмолекулярними силами.

Речовин з молекулярної гратами дуже багато. До них належать неметали, За винятком вуглецю і кремнію, все органічні сполукиз неіонної зв'язком і багато неорганічні сполуки.

Сили міжмолекулярної взаємодії значно слабкіше сил ковалентного зв'язку, тому молекулярні кристали мають невелику твердість, легкоплавкі і летючі.

Іонні кристалічні решітки

У вузлах іонних решіток розташовуються, чергуючись позитивно і негативно заряджені іони. Вони пов'язані один з одним силами електростатичного тяжіння.

До сполукам з іонним зв'язком, що створює іонні решітки, відноситься більшість солей і невелике число оксидів.

по міцності іонні решіткипоступаються атомним, але перевищують молекулярні.

Іонні сполуки мають порівняно високі температури плавлення. Летючість їх в більшості випадків не велика.

Металеві кристалічні решітки

У вузлах металевих решіток знаходяться атоми металу, між якими вільно рухаються загальні для цих атомів електрони.

Наявністю вільних електронів в кристалічних решітках металів можна пояснити їх багато властивостей: пластичність, ковкість, металевий блиск, високу електро- і теплопровідність

Існують речовини, в кристалах яких значну роль відіграють два роду взаємодії між частинками. Так, в графіті атоми вуглецю зв'язані один з одним в одних напрямках ковалентним зв'язком, А в інших - металевої. Тому грати графіту можна розглядати і як атомну, і як металеву.

У багатьох неорганічних з'єднаннях, наприклад, в BeO, ZnS, CuCl, Зв'язок між частинками, що знаходяться в вузлах решітки, є частково іонної, А частково ковалентного. Тому решітки подібних з'єднань можна розглядати як проміжні між іоннимиі атомними.

Аморфний стан речовини

Властивості аморфних речовин

Серед твердих тіл зустрічаються такі, в зламі яких не можна виявити ніяких ознак кристалів. Наприклад, якщо розколоти шматок звичайного скла, то його злам виявиться гладким і, на відміну від зламів кристалів, обмежений не плоскими, а овальними поверхнями.

Подібна ж картина спостерігається при розколюванні шматків смоли, клею і деяких інших речовин. Такий стан речовини називається аморфним.

Різниця між кристалічнимиі аморфнимитілами особливо різко проявляється в їх відношенні до нагрівання.

У той час як кристали кожного речовини плавляться при строго певній температурі і при тій же температурі відбувається перехід з рідкого стану в твердий, аморфні тіла не мають постійної температури плавлення. При нагріванні аморфне тіло поступово розм'якшується, починає розтікатися і, нарешті, стає зовсім рідким. При охолодженні воно також поступово твердне.

У зв'язку з відсутністю певної температури плавлення аморфні тіла володіють інший здатністю: багато з них подібно рідин текучі, Тобто при тривалій дії порівняно невеликих сил вони поступово змінюють свою форму. Наприклад, шматок смоли, покладений на плоску поверхню, в теплому приміщенні на кілька тижнів розтікається, приймаючи форму диска.

Будова аморфних речовин

Різниця між кристалічним і аморфнимстаном речовини полягає в наступному.

Впорядковане розташування частинок в кристалі, Отражаемое елементарною клітинкою, зберігається на великих ділянках кристалів, а в разі добре освічених кристалів - в усьому їх обсязі.

В аморфних тілах впорядкованість в розташуванні частинок спостерігається тільки на дуже малих ділянках. Крім того, в ряді аморфних тіл навіть ця місцева впорядкованість носить лише приблизний характер.

Ця різниця можна коротко сформулювати наступним чином:

• структура кристалів характеризується дальнім порядком,
• структура аморфних тіл - ближнім.

Приклади аморфних речовин.

До стабільно-аморфним речовин належать скло(Штучні і вулканічні), природні та штучні смоли, клеї, парафін, віскта ін.

Перехід з аморфного стану в кристалічний.

Деякі речовини можуть перебувати як в кристалічному, так і в аморфному стані. Діоксид кремнію SiO 2зустрічається в природі у вигляді добре освічених кристалів кварцу, А також в аморфному стані ( мінерал кремінь).

При цьому кристалічний стан завжди більш стійко. Тому мимовільний перехід з кристалічної речовини в аморфне неможливий, а зворотне перетворення - мимовільний перехід з аморфного стану в кристалічний - можливо і іноді спостерігається.

Прикладом такого перетворення служить расстеклованіе- самопроізволная кристалізація скла при підвищених температурах, що супроводжується його руйнуванням.

аморфний станбагатьох речовин виходить при високій швидкості затвердіння (охолодження) рідкого розплаву.

У металів і сплавів аморфний станформується, як правило, якщо розплав охолоджується за час порядку часткою-десятків мілісекунд. Для стекол досить набагато меншою швидкості охолодження.

кварц (SiO 2) Також має низьку швидкість кристалізації. Тому відлиті з нього вироби виходять аморфними. Однак природний кварц, який мав сотні і тисячі років для кристалізації при охолодженні земної кори або глибинних шарів вулканів, має крупнокристалічного будова, на відміну від вулканічного скла, застиглого на поверхні і тому аморфного.

рідини

Рідина - проміжний стан між твердим тілом і газом.

рідкий станє проміжним між газоподібним і кристалічним. За одними властивостями рідини близькі до газам, За іншими - до твердих тіл.

З газами рідини зближує, перш за все, їх изотропностьі плинність. Остання обумовлює здатність рідини легко змінювати свою форму.

Однак висока щільністьі мала стисливістьрідин наближає їх до твердих тіл.

Здатність рідин легко змінювати свою форму говорить про відсутність в них жорстких сил міжмолекулярної взаємодії.

У той же час низька стисливість рідин, яка обумовлює здатність зберігати постійний при даній температурі об'єм, вказує на присутність хоча і не жорстких, але все ж значних сил взаємодії між частинками.

Співвідношення потенційної та кінетичної енергії.

Для кожного агрегатного стану характерно своє співвідношення між потенційною і кінетичної енергіями частинок речовини.

У твердих тіл середня потенційна енергія частинок більше їх середньої кінетичної енергії.Тому в твердих тілах частинки займають певні положення відносно один одного і лише вагаються щодо цих положень.

Для газів співвідношення енергій зворотне, Внаслідок чого молекули газів завжди знаходяться в стані хаотичного руху і сили зчеплення між молекулами практично відсутні, так що газ завжди займає весь наданий йому об'єм.

У разі рідин кінетична і потенційна енергія частинок приблизно однакові, Тобто частинки пов'язані один з одним, але не жорстко. Тому рідини текучі, але мають постійний при даній температурі об'єм.

Стуктури рідин і аморфних тіл схожі.

В результаті застосування до рідин методів структурного аналізу встановлено, що за структурою рідини подібні аморфних тіл. У більшості рідин спостерігається ближній порядок- число найближчих сусідів у кожної молекули і їх взаємне розташування приблизно однакові у всьому об'ємі рідини.

Ступінь впорядкованості частинок у різних рідин різна. Крім того, вона змінюється при зміні температури.

При низьких температурах, трохи перевищують температуру плавлення даної речовини, ступінь впорядкованості розташування частинок даної рідини велика.

З ростом температури вона падає і в міру нагрівання властивості рідини все більше і більше наближаються до властивостей газу. При досягненні критичної температури відмінність між рідиною і газом зникає.

Внаслідок подібності у внутрішній структурі рідин і аморфних тіл останні часто розглядаються як рідини з дуже високою в'язкістю, а до твердих тіл відносять тільки речовини в кристалічному стані.

уподібнюючи аморфні тіларідин, слід, однак, пам'ятати, що в аморфних тілах на відміну від звичайних рідин частки мають незначну рухливість - таку ж як в кристалах.

Залежно від температури і тиску будь-яка речовина здатне приймати різні агрегатні стани. Кожне таке стан характеризується певними якісними властивостями, які залишаються незмінними в рамках температур і тисків, необхідних для даного агрегатного стану.

До характерних властивостей агрегатних станів можна віднести, наприклад, здатність тіла, що знаходиться в твердому стані, зберігати свою форму, або навпаки - здатність рідкого тіла змінювати форму. Однак, іноді межі між різними станами речовини досить розмиті, як у випадках з рідкими кристалами, або так званими «аморфними тілами», які можуть бути пружними як тверді тіла і текучими як рідини.

Перехід між агрегатними станами може відбуватися з виділенням вільної енергії, зміною щільності, ентропії або інших фізичних величин. Перехід від одного агрегатного стану до іншого називається фазовим переходом, а явища, що супроводжують такі переходи - критичними явищами.

Список відомих агрегатних станів

Тверде тіло
	Тверді тіла, атоми або молекули яких не утворюють кристалічну решітку.
	Тверді тіла, атоми або молекули яких утворюють кристалічну решітку.
мезофаза
	Рідкий кристал - це таке фазовий стан, під час якого речовина одночасно володіє як властивостями рідин, так і властивостями кристалів.
рідина
	Стан речовини при температурах, вище температури плавлення і нижче температури кипіння.
	Рідина, температура якої перевищує температуру кипіння.
	Рідина, температура якої менше температури кристалізації.
	Стан рідкої речовини при негативному тиску, що викликається силами Ван-дер-Ваальса (силами тяжіння між молекулами).
	Стан рідини при температурі вище критичної точки.
	Рідина, на властивості якої впливають квантові ефекти.
		Стан речовини, що має дуже слабкі зв'язки між молекулами або атомами. Не піддається математичному опису ідеального газу.
	Газ, на властивості якого впливають квантові ефекти.
		Агрегатний стан, представлене набором окремих заряджених частинок, сумарний заряд яких в будь-якому обсязі системи дорівнює нулю.
	Стан речовини, при якому воно являє собою набір глюонів, кварків і антикварків.
	Короткочасне стан, під час якого глюонів силові поля натягуються між ядрами. Передує кварк-глюонної плазми.
квантовий газ
	Газ, що складається з ферміонів, на властивості якого впливають квантові ефекти.
	Газ, що складається з бозонів, на властивості якого впливають квантові ефекти.

Агрегатні стани. Рідини. Фази в термодинаміки. Фазові переходи.

лекція 1.16

Всі речовини можуть існувати в трьох агрегатних станах - твердому, рідкомуі газоподібному. Переходи між ними супроводжуються стрибкоподібним зміною ряду фізичних властивостей (щільності, теплопровідності і ін.).

Агрегатний стан залежить від фізичних умов, в яких знаходиться речовина. Існування у речовини декількох агрегатних станів зумовлений відмінностями між в тепловому русі його молекул (атомів) і в їх взаємодії при різних умовах.

газ- агрегатний стан речовини, в якому частинки не пов'язані або дуже слабо пов'язані силами взаємодії; кінетична енергія теплового руху його частинок (молекул, атомів) значно переважає потенційну енергію взаємодій між ними, тому частинки рухаються майже вільно, цілком заповнюючи судину, в якому знаходяться, і приймають його форму. У газоподібному стані речовина не має ні власного обсягу, ні власної форми. Будь-яка речовина можна перевести в газоподібний, змінюючи тиск і температуру.

рідина- агрегатний стан речовини, проміжне між твердим і газоподібним. Для неї характерна велика рухливість частинок і мале вільний простір між ними. Це призводить до того, що рідини зберігають свій об'єм і приймають форму посудини. У рідини молекули розміщуються дуже близько один до одного. Тому щільність рідини набагато більше щільності газів (при нормальному тиску). Властивості рідини в усіх напрямках однакові (ізотропні) за винятком рідких кристалів. При нагріванні або зменшенні щільності властивості рідини, теплопровідність, в'язкість змінюються, як правило, в бік зближення з властивостями газів.

Тепловий рух молекул рідини складається з поєднання колективних коливальних рухів і відбуваються час від часу стрибків молекул з одних положень рівноваги в інші.

Тверді (кристалічні) тіла- агрегатний стан речовини, що характеризується стабільністю форми і характером теплового руху атомів. Цей рух є коливання атомів (або іонів), з яких складається тверде тіло. Амплітуда коливань зазвичай мала в порівнянні з міжатомними відстанями.

Властивості рідин.

Молекули речовини в рідкому стані розташовані майже впритул один до одного. На відміну від твердих кристалічних тіл, в яких молекули утворюють впорядковані структури у всьому об'ємі кристала і можуть здійснювати теплові коливання близько фіксованих центрів, молекули рідини мають більшу свободу. Кожна молекула рідини, так само як і в твердому тілі, «затиснута» з усіх боків сусідніми молекулами і робить теплові коливання близько деякого положення рівноваги. Однак, час від часу будь-яка молекула може переміститися в сусіднє вакантне місце. Такі переходи в рідинах відбуваються досить часто; тому молекули не прив'язані до певних центрам, як в кристалах, і можуть переміщатися по всьому об'єму рідини. Цим пояснюється плинність рідин. Через сильний взаємодії між близько розташованими молекулами вони можуть утворювати локальні (нестійкі) впорядковані групи, що містять кілька молекул. Це явище називається ближнім порядком.

Внаслідок щільної упаковки молекул стисливість рідин, т. Е. Зміна обсягу при зміні тиску, дуже мала; вона в десятки і сотні тисяч разів менше, ніж в газах. Наприклад, для зміни обсягу води на 1% потрібно збільшити тиск приблизно в 200 разів. Таке збільшення тиску в порівнянні з атмосферним досягається на глибині близько 2 км.

Рідини, як і тверді тіла, змінюють свій об'єм при зміні температури. Для не дуже великих інтервалів температур відносне зміна обсягу Δ V / V 0 пропорційно зміні температури Δ T:

Коефіцієнт β називають температурним коефіцієнтом об'емногорасшіренія. Цей коефіцієнт у рідин в десятки разів більше, ніж у твердих тіл. У води, наприклад, при температурі 20 ° С β в ≈ 2 · 10 -4 К -1, у сталі - β ст ≈ 3,6 · 10 -5 К -1, у кварцового скла - β кв ≈ 9 · 10 - 6 К -1.

Теплове розширення води має цікаву і важливу для життя на Землі аномалію. При температурі нижче 4 ° С вода розширюється при зниженні температури (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

При замерзанні вода розширюється, тому лід залишається плавати на поверхні замерзаючого водойми. Температура замерзлої води під льодом дорівнює 0 ° С. У більш щільних шарах води у дна водойми температура виявляється близько 4 ° С. Завдяки цьому, життя може існувати у воді замерзаючих водойм.

Найцікавішою особливістю рідин є наявність свободнойповерхності. Рідина, на відміну від газів, не заповнює весь об'єм посудини, в який вона налита. Між рідиною і газом (або парою) утворюється межа розділу, яка знаходиться в особливих умовах у порівнянні з рештою маси рідини. Молекули в прикордонному шарі рідини, на відміну від молекул в її глибині, оточені іншими молекулами тієї ж рідини не з усіх боків. Сили міжмолекулярної взаємодії, які діють на одну з молекул усередині рідини з боку сусідніх молекул, в середньому взаємно скомпенсовані. Будь-яка молекула в прикордонному шарі притягається молекулами, що знаходяться всередині рідини (силами, що діють на дану молекулу рідини з боку молекул газу (або пара) можна знехтувати). В результаті з'являється деяка рівнодіюча сила, спрямована вглиб рідини. Поверхневі молекули силами міжмолекулярної тяжіння втягуються всередину рідини. Але все молекули, в тому числі і молекули прикордонного шару, повинні перебувати в стані рівноваги. Ця рівновага досягається за рахунок деякого зменшення відстані між молекулами поверхневого шару і їх найближчими сусідами всередині рідини. При зменшенні відстані між молекулами виникають сили відштовхування. Якщо середня відстань між молекулами всередині рідини дорівнює r 0, то молекули поверхневого шару упаковані кілька більш щільно, а тому вони мають додатковим запасом потенційної енергії в порівнянні з внутрішніми молекулами. Слід мати на увазі, що внаслідок вкрай низькою стисливості наявність більш щільно упакованого поверхневого шару не приводить до скільки-небудь помітної зміни об'єму рідини. Якщо молекула переміститься з поверхні всередину рідини, сили міжмолекулярної взаємодії здійснять позитивну роботу. Навпаки, щоб витягнути кілька молекул з глибини рідини на поверхню (т. Е. Збільшити площу поверхні рідини), зовнішні силиповинні зробити позитивну роботу Aзовн, пропорційну зміні Δ Sплощі поверхні:

Aзовн = σΔ S.

Коефіцієнт σ називається коефіцієнтом поверхневого натягу (σ> 0). Таким чином, коефіцієнт поверхневого натягу дорівнює роботі, необхідної для збільшення площі поверхні рідини при постійній температурі на одиницю.

В СІ коефіцієнт поверхневого натягу вимірюється в джоулях на метрквадратний (Дж / м 2) або в ньютонах на метр (1 Н / м = 1 Дж / м 2).

Отже, молекули поверхневого шару рідини мають надлишкову порівняно з молекулами всередині рідини потенціальнойенергіей. Потенціальна енергія Eр поверхні рідини пропорційна її площі: (1.16.1)

З механіки відомо, що рівноважним станам системи відповідає мінімальне значення її потенційної енергії. Звідси випливає, що вільна поверхня рідини прагне скоротити свою площу. З цієї причини вільна крапля рідини приймає кулясту форму. Рідина поводиться так, як ніби по дотичній до її поверхні діють сили, що скорочують (стягують) цю поверхню. Ці сили називаються силами поверхневого натягу.

Наявність сил поверхневого натягу робить поверхню рідини схожою на пружну розтягнуту плівку, з тією лише різницею, що пружні сили в плівці залежать від площі її поверхні (т. Е. Від того, як плівка деформована), а сили поверхневого натягу не залежить від площі поверхні рідини.

Сили поверхневого натягу прагнуть скоротити поверхню плівки. Тому можна записати: (1.16.2)

Таким чином, коефіцієнт поверхневого натягу σ може бути визначений як модуль сили поверхневого натягу, що діє наодиницю довжини лінії, яка обмежує поверхню ( l- довжина цієї лінії).

Через дії сил поверхневого натягу в краплях рідини і всередині мильних бульбашок виникає надлишковий тиск Δ p. Якщо подумки розрізати сферичну краплю радіусу Rна дві половинки, то кожна з них повинна знаходитися в рівновазі під дією сил поверхневого натягу, прикладених до кордону розрізу довжиною 2π Rі сил надлишкового тиску, що діють на площу π R 2 перетину (ріс.1.16.1). Умова рівноваги записується у вигляді

Поблизу кордону між рідиною, твердим тілом і газом форма вільної поверхні рідини залежить від сил взаємодії молекул рідини з молекулами твердого тіла (взаємодією з молекулами газу (або пара) можна знехтувати). Якщо ці сили більше сил взаємодії між молекулами самої рідини, то рідина змочуєповерхню твердого тіла. У цьому випадку рідина підходить до поверхні твердого тіла під деяким гострим кутом θ, характерним для даної пари рідина - тверде тіло. Кут θ називається крайовим кутом. Якщо сили взаємодії між молекулами рідини перевершують сили їх взаємодії з молекулами твердого тіла, то крайової кут θ виявляється тупим (ріс.1.16.2 (2)). У цьому випадку говорять, що рідина не змочуєтьсяповерхню твердого тіла. В іншому випадку (кут - гострий) рідина змочуєповерхню (ріс.1.16.2 (1)). при полномсмачіванііθ = 0, при повному несмачіваніяθ = 180 °.

капілярними явищаминазивають підйом або опускання рідини в трубках малого діаметра - капілярах. Змочуючі рідини піднімаються по капілярах, несмачіваемих - опускаються.

На ріс.1.16.3 зображена капілярна трубка деякого радіуса r, Опущена нижнім кінцем в смачивающую рідина щільності ρ. Верхній кінець капіляра відкритий. Підйом рідини в капілярі триває до тих пір, поки сила тяжіння діє на стовп рідини в капілярі, не стане рівною за модулем результуючої Fн сил поверхневого натягу, що діють уздовж кордону зіткнення рідини з поверхнею капіляра: Fт = Fн, де Fт = mg = ρ hπ r 2 g, Fн = σ2π r cos θ.

Звідси випливає:

При повному змочуванні θ = 0, cos θ = 1. У цьому випадку

При повному несмачіванія θ = 180 °, cos θ = -1 і, отже, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

Вода практично повністю змочує чисту поверхню скла. Навпаки, ртуть повністю не змочує скляну поверхню. Тому рівень ртуті в скляному капілярі опускається нижче рівня в посудині.