Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
218
V. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ
Смачиванием и несмачиванием объясняются многие хорошо знакомые нам явления. Подъем керосина по фитилю лампы, возможность вытереться полотенцем — это примеры явлений, целиком обусловленных смачиванием. Напротив, плавание покрытой тонким слоем жира стальной иголки на поверхности воды, тефлоновые кастрюли и сковородки, в которых не подгорает пища, бегающие по воде на длинных тонких ногах жуки-водомеры — во всех этих случаях мы сталкиваемся с несмачиванием.
Капиллярные явления. Подъем или опускание жидкости в узких трубках-капиллярах вследствие явления смачивания называются капиллярными явлениями (рис. 84). Высоту Л, на которую поднимается жидкость (плотностью р), полностью смачивающая
Рис. 84. Жидкость в капиллярах
стенки капилляра радиуса г, можно найти, приравнивая вес столбика поднявшейся жидкости силе поверхностного натяжения, действующей по верхнему периметру столбика:
pgnr2h = 2лгог,
откуда
Л = -^. (3)
pgr
Капиллярное давление. Искривление поверхности жидкости, вызываемое силами поверхностного натяжения, ведет к появлению избыточного давления Др в жидкости, называемого капиллярным. В случае сферической поверхности это давление связано с радиусом ее кривизны г формулой Лапласа:
Ар = -у-. (4)
Эту формулу легко получить с помощью (3), если учесть, что избыточное гидростатическое давление у основания столба жидкости в капилляре должно компенсироваться изменением давления, обусловленным искривлением свободной поверхности жидкости.
Формулу Лапласа можно получить и иначе, например сравнивая работу pAV, совершаемую при выдувании мыльного пузыря, с увеличением поверхностной энергии 6АS мыльной пленки.
Формулу Лапласа (4) можно применять как к выпуклой, так и к вогнутой поверхности. В случае вогнутой поверхности нужно
§ 25. ГАЗЫ, ЖИДКОСТИ, ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ
219
считать г<0 и соответственно Др<0; для выпуклой, наоборот, г > 0 и Др > 0.
На какую высоту поднимется жидкость между двумя параллельными вертикальными стеклами с узким зазором между ними, равным I, если концы стекол погрузить в жидкость, полностью смачивающую стекло?
Решение. При полном смачивании свободная поверхность жидкости в узком зазоре между стеклами примет цилиндрическую форму, причем диаметр 2г этого цилиндра равен толщине I зазора. Для определения высоты подъема можно приравнять вес поднявшейся жидкости pglLh силе поверхностного натяжения 2oL, действующей вдоль всей длины ZL границы жидкости со стеклом в зазоре:
Обратим внимание на то, что эта высота вдвое меньше высоты подъема в капилляре, диаметр которого равен ширине зазора. Соответственно вдвое меньше и величина капиллярного давления, создаваемого цилиндрической поверхностью по сравнению со сферической.
Капиллярные волны. Силы поверхностного натяжения, как и силы тяжести, играют важную роль в образовании волн на поверхности воды. Роль этих сил различна для волн разной длины: для достаточно коротких волн, когда кривизна поверхности жидкости велика, преобладают силы поверхностного натяжения; в случае длинных волн, наоборот, этими силами можно пренебречь. Поэтому мелкая рябь на воде — это по существу капиллярные волны. Соображения размерности позволяют легко найти характер зависимости скорости v распространения капиллярных волн от плотности жидкости р, поверхностного натяжения су и длины волны К. Составляя выражение
v = СрхаП2
и выписывая соответствующее равенство размерностей, находим
Точная динамическая теория дает для безразмерного коэффициента С значение, равное VTii.
а Что такое фазы и что такое компоненты термодинамической системы?
• Приведите примеры многофазных однокомпонентных систем и однофазных многокомпонентных систем.
• Какие фазовые превращения вы знаете?
• При каких условиях различные фазы могут находиться в равновесии?
Задача
pglLh — 2 oL.
Отсюда
220
V. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ
• Что такое насыщенный пар? Объясните, почему его давление не зависит от объема.
• Почему давление насыщенного пара с увеличением температуры растет быстрее, чем давление идеального газа?
• Объясните, почему температура кипения жидкости зависит от внешнего давления. Почему при определенном давлении температура кипеиия на границе несмешивающихся жидкостей ниже температуры кипения каждой из них?
• Если стакан с водой положить под колокол воздушного насоса, то при быстром откачивании воздуха вода в стакане закипает. Объясните, почему.
• На чем основан принцип действия пузырьковой камеры?
• Что такое критическая температура? Как связано различие понятий «газ» и «пар» с критической температурой?
• Поясните физическую природу теплоты парообразования. Почему она обращается в нуль при критической температуре?
