Файл: Fizika - V. F. Dmitriyeva.pdf

Сделать презентацию

Скачать файл (10,99Мб)

Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 22.11.2019

Просмотров: 18870

Скачиваний: 11

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

ним нулю (див. рис. 7.1). Проте у поверхневому шарі, товщину якого
иипжагимемо такою, що дорівнює радіусу молекулярної взаємодії (~ 1 нм),
«•наслідок неоднорідності оточення на молекулу діє сила Я, не скомпен-
І омана силами з боку інших молекул рідини. На таку молекулу діють
• пай, складові яких у вертикальній і горизонтальній площинах різні.
< май у вертикальній площині прагнуть втягти молекулу всередину рі-

пній Зазнаючи однобічної дії, напрямленої всередину рідини, молекули

І і' • їй*рхнсвого шару стискають рідину, чинять на неї тиск, який називають

н > нкуляриим.

< или, які діють у горизонтальній площині, стягують поверхню рідини,

іч називають

силами поверхневого натягу*.

Наприклад, якщо в розчин

• пирту у воді влити прованської олії (густина розчину дорівнює густині

оми), то, перебуваючи в байдужій рівновазі, олія набуває форми кулі. Ві-

юмо, що з усіх можливих тіл, які мають однаковий об'єм, найменшу по-

мгрхшо має куля. За реальних умов на рідину діє сила тяжіння; отже, в
ні.ому разі їх дія скомпенсована: рідина набуває форми кулі, хоча звичай-
ні) сила тяжіння перешкоджає цьому.

Мкіцо на поверхню води помістити дрібні грудочки камфори, то во-

ни швидко переміщатимуться по поверхні води, здійснюючи безладні
рухи Камфора, розчиняючись у воді, змінює поверхневий натяг води,
а оскільки камфора розчиняється нерівномірно, то грудочки камфори
переміщуються в бік, у якому в цей момент поверхневий натяг біль-

1 І І І І Й .

Поверхневий натяг

Це фізична величина, яка дорівнює відношенню сили

по-

нерхисвого натягу, прикладеної до межі поверхневого шару рідини і на-
прямленої по дотичній до поверхні, до довжини / цієї межі:

- т

< 7 1 )

()диниця поверхневого натягу -

ньютон на метр

(Н/м).

Поверхневий натяг різний для різних рідин і залежить від темпе-

ри

іури.

Як правило, поверхневий натяг зменшується із зростанням темпера-

іури, і при критичній температурі, коли густини рідини і пари однакові,

ппнерхневий натяг рідини дорівнює нулю.

11 ід дією цієї сили поверхневий шар перебуває в стані постійної рівноваги. Сили поверхне-

па і ягу

змушують вільну поверхню скорочуватись.

225

Рис» 7.2

Поверхневий натяг води при різних

температурах І деяких інших рідин

при 293

К '

Речовина

а» 10% Дж/м

Вода при:

0 ° С

75,5

ЗО °С

У 1,0

100 °С

58,9

Гас

Ефір етиловий

16,6

Мильний розчин

Ртуть

480

Спирт етиловий

На утворення поверхні рідини треба виконати

певну роботу, яка є мірою вільної енергії поверхні.

Виконаємо такий дослід. На дротяну рамку

(рис. 7.2) надінемо дротяну легку перекладину,
яка може вільно переміщатися. Початкове поло-
ження перекладини А

, Зануривши рамку в по-

судину з мильним розчином, затягаємо рамку ми-
льною плівкою, Прагну*»! скоротити свою поверх-

ню, мильна плівка підніме перекладину вгору, і

вона займе нове положення

АІ),

Сила поверхневого

натягу, напрямлена вертикально вгору,
чисельно дорівнює коефіцієнту поверхне-
вого натягу, помноженому на

21,

де / -

ширина рамки (сили, поверхневого натягу
діють з двох боків плівки). Щоб зрівно-
важиш силу поверхневого натягу, до ра-
мки треба прикласти силу яка дорівнює
їй і протилежно напрямлена»

За рахунок зменшення вільної енерг ії

виконується робота

АА-РАк

3 (7

.1)

випливає, одо

= а •

, тоді

АА = РИМ .

Але

ПАН-АЗ

— зміна площі поверхні

плівки, тому

АА

= аЛ5, звідки

АА

а = -

Л Г

(7.2)

тобто

поверхневий натяг дорівнює відношенню роботи

яку треба вико-

нати при сталій температурі, щоб утворити поверхню рідини площею

А5,

до площі цієї поверхні.

Вільна енергія поверхні рідини може перехо-

диш в інші фор-ми енергії, або за рахунок неї може виконуватись робота

щодо переміщення рідини..

§ 74, Явища на межі рідини з твердим тілом.

Капілярні явища

Змочування

Якщо рідина стискається

поверхнею твердого тіла, то мож-

ливі два випадки: рідина змочує тверде тіло і рідина не змочує його. Як -

що, наприклад, краплі ртуті помістити на поверхню чистого заліза або на

чисте скло, то на поверхні заліза вони розтікатимуться, а на поверхні скла

226

Рис. 7.3

Рис. 7.4

ЧІП ймуть форму, близьку до кулястої (рис. 7.3 а,

б).

Щоб з'ясувати при-

ч и н и

цих явищ, розглянемо окрему молекулу на поверхні рідини, яка сти-

і м і

ься

із зануреним у рідину твердим тілом. Опишемо навколо молекули

(рис.

7.4) сферу дії молекулярних сил радіусом

Сила

дії всіх

молекул рідини, що входять у сферу молекулярної дії, напрямлена по бі-
•« і ірисі прямого кута, утвореного стінкою і поверхнею рідини, всередину
рі пі і ні. Крім того, з боку твердого тіла на молекулу

діють молекулярні

• м

ій

і\

, які напрямлені перпендикулярно до поверхні твердого тіла. Рівно-

мііііу

цих двох сил визначають за правилом паралелограма. Залежно від

- 11 иж ід ношення

рівнодійна напрямлена в бік твердого тіла (рис. 7.4,а)

цім» рідини (рис. 7.4,

б).

Якщо сили взаємодії молекул твердого тіла і молекул рідини більші

ні і

ил взаємодії між молекулами рідини, то рідина змочує тверде ті-

ні (ртуть - залізо). В іншому випадку рідина ие змочує твердого тіла

(рі VII» скло).

Викривлену поверхню рідини у вузьких циліндричних трубах або біля

• і шок посудини називають

меніском

. Поверхня змочувальної рідини по-

«»111 »у твердого тіла піднімається, і меніск - угнутий (рис. 7.5,

а).

Поверх-

ня не

змочувальної рідини поблизу твердого тіла трохи опускається, і ме-

ні» к опуклий (рис. 7.5,

б).

іл значенням крайового кута 0 (кут між поверхнею твердого тіла і до-

питою до поверхні рідини в точці М; рис. 7.3 і 7.5) можна визначити,

> іичувальною чи незмочувальною відносно твердого тіла є рідина.

Для рідини, яка змочує поверхню

ми рдого тіла, крайовий кут 0 гострий ,

/л

(п /г/2) ; чим краще змочування, тим ^

п н і піні кут 0. Для повного змочування

0 0 Для незмочувальних рідин крайо-

куг змінюється в межах я/2<0<я; ^

при повному незмочуванні 0 = тс.

У змочувальної рідини меніск угну-

і ми, у незмочу вальної- опуклий.

Рис. 7.5

227

Капілярні явища

Особливо добре спостерігати викривлення меніска рідини н

тонких трубках, які називаються

капілярами.

Якщо в посудину з рідиною

опустити капіляр, стінки якого змочуються рідиною, то рідина підніметь-
ся капіляром на деяку висоту

(рис. 7.6).

Це пояснюється тим, що викривлення поверхні рідини спричинює до-

датковий молекулярний тиск. Якщо поверхня опукла і має сферичну фор
му, то

додатковий тиск

2а

Рл=—> (7.3)

де

радіус кривизни поверхні.

Тиск

алгебрично додається до атмосферного

Якщо меніск опуклий (г >0), то сумарний тиск білі,
ший від атмосферного і рідина опускається капі ля
ром. Якщо меніск угнутий (г < 0), то сумарний тиск

менший від атмосферного і рідина піднімається ка
піляром. Рідина піднімається (або опускається) доти,
поки гідростатичний тиск

р = р%к

стовпа рідини

заввишки к не компенсує додатковий (лапласівсь
кий) тиск

(Лаплас установив залежність цього

тиску від форми меніска). У цьому разі

— = (7.4)

Рис. 7.6

де р- густина рідини; § - прискорення вільного падіння.

З (7.4) можна визначити

к ™

(7.5)

Явище капілярності у побуті, природі і техніці

Явище капілярності відіїрає величезну роль у найрізноманіт-

ніших процесах, які відбуваються в природі. Наприклад, проникнення во
логи з ґрунту в рослини, стебла і листя зумовлене капілярністю. Клітини

рослини утворюють капілярні канали, і, як видно з формули (7.5), чим
менший радіус капіляра, тим вище по ньому піднімається рідина. Процес

кровообігу також пов'язаний з капілярністю. Кровоносні судини - капіляри.

Особливо велике значення має капілярність ґрунту. Найдрібнішими

судинами волога з глибини переміщується до поверхні ґрунту. Якщо тре-
ба зменшити випаровування вологи, то ґрунт розпушують, руйнуючи ка

228

шчмри.

Для збільшення припливу вологи з глибини ґрунт коткують, збіль-

шуючи кількість капілярних каналів. У техніці капілярні явища мають
н. і піке значення в процесах сушіння, в будівництві.

§ 75

. Внутрішнє

тертя в

рідині.

В'язкість

Сила внутрішнього тертя

Потік рідини (газу) може буги

ламінарним

або

турбулент-

ний

У разі ламінарної (шаруватої) течії кожний шар потоку переміщу-

« 11.ся, не змішуючись з іншими шарами. При турбулентній (вихровій) те-

чи утворюються вихори, різні шари рідини або газу перемішуються.

Із збільшенням швидкості ламінарна течія може перейти в турбулент-

ну, ;і швидкість, при якій відбувається цей перехід, називають

критичною.

11 ід час течії по трубі шари рідини ковзають один по одному, перемі-

шуючись з різними швидкостями. При цьому шари рідини, які приляга-
т и , до стінок труби, рухаються повільніше, ніж шари, віддалені від сті-

йок

Найбільшу швидкість мають шари, розміщені вздовж осі труби. Ця

рі інпця швидкостей зумовлена наявністю тертя шарів рідини одного об
0 ппій, яке називають

внутрішнім тертям.

У різних рідинах сили внутрішнього тертя неоднакові. При цьому

ннлжають, що рідини мають різну в'язкість.

І Іьютон установив, що сила тертя між шарами рідини, які рухаються з

рі її і пми швидкостями, залежить від площі стикання шарів і швидкості, з
Икою змінюється швидкість при переході від одного шару до другого в
напрямі, перпендикулярному до осі труби. Цю величину називають

граді-

1 втом швидкості\

його вимірюють відношенням різниці швидкостей те-

чи двох близьких шарів рідини до найкоротшої відстані між ними:

гасіг/ = Ді//Д/. (7.6)

() і же, згідно з висновками Ньютона, сила внутрішнього тертя

Ат/

А/

— (7.7)

є 11 коефіцієнт внутрішнього тертя (динамічна в'язкість); 5 - площа

• 11 ікання шарів.

В'язкість