Физика сред
План
1. Твердое состояние вещества
2. Свойства и строение жидкостей. Поверхностное натяжение. Явления капиллярности и смачивания
3. Газовые среды
4. Силы в природе
5. Уравнение Бернулли
кристаллический жидкость капиллярность бернулли
1. Твердое состояние вещества
Твёрдые тела характеризуют такое агрегатное состояния вещества, при котором сохраняется постоянство формы и объёма. При этом тепловые движения частиц в них представляют собой хаотические колебания частиц относительно положения равновесия.
Аморфные тела - твёрдые тела, физические свойства которых одинаковы по всем направлениям (наблюдается изотропия свойств).
Для них, как и для жидкостей, характерен ближний порядок в расположении частиц; но в отличие от жидкостей подвижность частиц довольно мала. Особенностью аморфных тел является отсутствие у них определённой точки плавления, т.е. невозможно указать определённую температуру, выше которой можно было бы констатировать жидкое состояние, а ниже - твёрдое. Из опыта известно, что в аморфных телах со временем может наблюдаться процесс кристаллизации, например, в стекле появляются кристаллики; оно, теряя пластичность, начинает мутнеть и превращается в поликристаллическое тело.
Кристаллическая решётка - структура, для которой характерно регулярное расположение частиц с периодической повторяемостью в трёх измерениях (Рис 1.).
Рис. 1.
Узлы кристаллической решётки - точки, в которых расположены частицы, а точнее точки, относительно которых частицы в твёрдых телах совершают колебания (Рис 2).
Рис. 2
Кристаллические тела - твёрдые тела, имеющие упорядоченное, периодически повторяющееся расположение частиц (атомов, молекул, ионов).
Монокристаллы - твёрдые тела, частицы которых образуют единую кристаллическую решётку (например, большинство минералов). Внешняя форма монокристаллов одного вида может быть различной, но углы между соответствующими гранями у них остаются постоянными. Это - закон постоянства углов.
Анизотропия монокристаллов - зависимость физических свойств - упругих, механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических - от направления. Объясняется тем, что плотность расположения частиц кристаллической решетки по разным направлениям неодинакова, что и приводит к различию свойств кристаллов вдоль этих направлений.
Поликристаллы - твёрдые тела, имеющие мелкокристаллическую структуру, т.е. состоящие из множества беспорядочно ориентированных кристаллических зёрен (например, горные породы, металлы, сплавы). В поликристаллах анизотропия наблюдается только для отдельных мелких кристалликов, но их различная ориентация приводит к тому, что свойства поликристалла по всем направлениям в среднем одинаковы, поликристаллы изотропны.
Типы кристаллических твёрдых тел
В зависимости от рода частиц, расположенных в узлах кристаллической решётки, и характера сил взаимодействия между ними кристаллы разделяются на четыре типа.
1. Ионные кристаллы. В узлах кристаллической решётки поочерёдно располагаются ионы противоположного знака (типичный представитель ). Связь, обусловленная кулоновскими силами притяжения между разноимёнными заряженными ионами, называется ионной. Здесь нельзя выделить отдельные молекулы: кристалл представляет собой как бы одну гигантскую молекулу.
2. Атомные кристаллы. В узлах кристаллической решетки располагаются нейтральные атомы, удерживающиеся в узлах решётки ковалентными связями (у соседних атомов обобществлены валентные электроны, наименее связанные с атомом). Типичные представители: алмаз, графит, германий и т.д.
3. Металлические кристаллы. В узлах кристаллической решётки располагаются положительные ионы металла. При образовании кристаллической решётки валентные электроны, слабосвязанные с атомами, отделяются от атомов и коллективизируются: они уже принадлежат не одному атому, как в случае ионной связи, и не паре соседних атомов, как в случае ковалентной связи, а всему кристаллу в целом. Чаще всего металлы встречаются в виде поликристаллов.
4. Молекулярные кристаллы. В узлах кристаллической решётки располагаются нейтральные молекулы вещества, силы взаимодействия между которыми обусловлены незначительным взаимным смещением электронов электронных оболочках атомов. Эти силы имеют туже природу, что и силы притяжения между молекулами, приводящими к отклонению газов от идеальности. Молекулярными кристаллами являются, например, многие органические соединения (парафин, спирт), инертные газы () и т.д.
Дефекты в кристаллах
Дефекты кристаллической решётки - отклонения от упорядоченного расположения частиц в узлах решётки.
Макродефекты возникают в процессе образования и роста кристаллов (трещины, поры, инородные макроскопические включения).
Микродефекты обусловлены микроскопическими отклонениями от периодичности.
Линейные микродефекты нарушают дальний порядок в кристаллах. Дислокации - линейные дефекты, нарушающие чередование атомных плоскостей. Дислокации бывают краевые и винтовые (Рис.3).
Рис. 3
Точечные микродефекты бывают трёх типов. Вакансии - отсутствие атома в узле решётки. Междоузельный атом - атом внедрившийся в междоузельное пространство. Примесный атом - атом примеси, замещающий атом основного вещества или внедрившийся в междоузлие. (Рис. 4).
Рис. 4.
2. Свойства и строение жидкостей. Поверхностное натяжение. Явления капиллярности и смачивания
Жидкость является агрегатным состоянием вещества, промежуточным между газообразным и твердым, поэтому она обладает свойствами как газообразных, так и твердых веществ. Средняя энергия хаотического (теплового) движения молекул меньше средней потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия, и ее недостаточно для преодоления сил притяжения между молекулами, поэтому жидкости занимают определенный объем.
В жидкостях имеет место так называемый ближний порядок в расположении частиц, т. е. их упорядоченное расположение, повторяющееся на расстояниях, сравнимых с межатомными.
Теория жидкости до настоящего времени полностью не развита. Разработка ряда проблем в исследовании сложных свойств жидкости принадлежит Я. И. Френкелю (1894--1952). Тепловое движение в жидкости он объяснял тем, что каждая молекула в течение некоторого времени колеблется около определенного положения равновесия, после чего скачком переходит в новое положение, отстоящее от исходного на расстоянии порядка межатомного. Таким образом, молекулы жидкости довольно медленно перемещаются по всей массе жидкости и диффузия происходит гораздо медленнее, чем в газах. С повышением температуры жидкости частота колебательного движения резко увеличивается, возрастает подвижность молекул, что, в свою очередь, является причиной уменьшения вязкости жидкости.
Результирующие силы всех молекул поверхностного слоя оказывают на жидкость давление, называемое молекулярным (или внутренним). Молекулярное давление не действует на тело, помещенное в жидкость, гак как оно обусловлено силами, действующими только между молекулами самой жидкости.
Суммарная энергия частиц жидкости складывается из энергии их хаотического (теплового) движения и потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия. Для перемещения молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой надо затратить работу. Эта работа совершается за счет кинетической энергии молекул и идет на увеличение их потенциальной энергии. Поэтому молекулы поверхностного слоя жидкости обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы внутри жидкости. Эта дополнительная энергия, которой обладают молекулы в поверхностном слое жидкости, называемая поверхностной энергией, пропорциональна площади S слоя AS:
=, (1)
где -- поверхностное натяжение.
Так как равновесное состояние характеризуется минимумом потенциальной энергии, то жидкость при отсутствии внешних сил будет принимать такую форму, чтобы при заданном объеме она имела минимальную поверхность, т. е. форму шара.
Итак, условием устойчивого равновесия жидкости является минимум поверхностной энергии. Это означает, что жидкость при заданном объеме должна иметь наименьшую площадь поверхности, т. е. жидкость стремится сократить площадь свободной поверхности. В этом случае поверхностный слой жидкости можно уподобить растянутой упругой пленке, в которой действуют силы натяжения.
Поверхностное натяжение с повышением температуры уменьшается, так как увеличиваются средние расстояния между молекулами жидкости.
Поверхностное натяжение существенным образом зависит от примесей, имеющихся в жидкостях. Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение жидкости, называются поверхностно-активными. Наиболее известным поверхностно-активным веществом по отношению к воде является мыло. Оно сильно уменьшает ее поверхностное натяжение (примерно с 7,510 до 4,510 Н/м). Поверхностно-активными веществами, понижающими поверхностное натяжение воды, являются также спирты, эфиры, нефть и др.
Существуют вещества (сахар, соль), которые увеличивают поверхностное натяжение жидкости благодаря тому, что их молекулы взаимодействуют с молекулами жидкости сильнее, чем молекулы жидкости между собой. Например, если посолить мыльный раствор, то в поверхностный слой жидкости выталкивается молекул мыла больше, чем в пресной воде. В мыловаренной технике мыло «высаливается» этим способом из раствора.
Капиллярные явления - явления изменения высоты уровня жидкости в капиллярах. Если жидкость смачивает стенки капилляра, то её уровень в капилляре оказывается выше, чем в сообщающемся с ним широком сосуде, а если не смачивает - то ниже. Объясняется это тем, что при смачивании (несмачивании) поверхность жидкости в капилляре принимает вогнутую (выпуклую) форму, и давление под ней оказывается меньше (больше), чем под плоской поверхностью жидкости в широком сосуде; разность этих давлений и приводит к подъёму (опусканию) уровня жидкости в капилляре
Рис. 5.
При идеальном смачивании высота подъёма жидкости в капилляре определяется равенством силы поверхностного натяжения , действующей на жидкость вдоль границы её поверхностного слоя длиной , где радиус капилляра, и силы тяжести действующей на поднятый столбик жидкости массой :
, отсюда (2)
Этой же формулой определяется и глубина опускания жидкости в случае, когда она не смачивает стенки капилляра.
Смачивание - большее или меньшее растекание жидкости по поверхности твёрдого тела. Смачивание приводит к искривлению поверхности жидкости у поверхности твёрдого тела, вызывает образование мениска в капиллярах и определяет форму капли на твёрдой поверхности. Мерой смачивания служит краевой угол , величина которого зависит от соотношения сил сцепления молекул жидкости с молекулами смачиваемого тела () и сил сцепления молекул жидкости между собой (). При жидкость смачивает твёрдую поверхность и краевой угол оказывается острым (рис. 6). Если , то жидкость не смачивает твёрдое тело, как бы отходит от его поверхности и краевой угол становится тупым (рис. 7).
Рис. 6.
Рис. 7.
Капиллярные явления играют большую роль в природе и технике. Например, влагообмен в почве и в растениях осуществляется за счет поднятия воды по тончайшим капиллярам. На капиллярности основано действие фитилей, впитывание влаги. Хорошее смачивание необходимо при обработке фотографических материалов, нанесении лакокрасочных покрытий и др.
3. Газовые среды
В молекулярно-кинетической теории пользуются моделью идеального газа, согласно которой считают, что:
1) собственный объем молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда;
2) между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия;
3) столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие.
Модель идеального газа можно использовать при изучении реальных газов, так как в условиях соответствующих нормальным (например, для кислорода, азота, гелия и т.п.), а также при низких давлениях и высоких температурах обычные газы близки по своим свойствам к идеальному газу. Кроме того, внеся поправки, учитывающие собственный объем молекул газа и действующие молекулярные силы, можно перейти к теории реальных газов.
Физические величины, однозначно определяющие состояние системы, называются термодинамическими параметрами. К ним относятся: температура, давление, объём, плотность, теплоёмкость и др. В равновесном состоянии тела параметры состояния и одинаковы во всех частях тела и равны соответствующим параметрам состояния внешней среды.
Изменение параметров определяется уравнением состояния идеального газа: уравнением Клапейрона - Менделеева
, (3)
где v=m/M -- количество вещества.
Выражение (3) было получено в результате обобщения ранее открытых опытных законов Бойля -- Мариотта, Гей-Люссака, Шарля в изопроцессах (Рис. 8):