Молекулярная физика жидкостей

Свойства газов, жидкостей, твердых тел. урок. Физика 10 Класс

Молекулярная физика жидкостей

Все тела состоят из атомов или молекул (частицы вещества), которые беспорядочно двигаются, а также взаимодействуют с силами притяжения и отталкивания.

Именно различиями в тепловом движении этих частиц, а также их взаимодействием при разных условиях обуславливается факт существования у вещества нескольких агрегатных состояний: газообразное, жидкое, твёрдое.

Особенностям этих состояний посвящён этот урок.

Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые вращаются вокруг ядра. Атом, как и молекула, электрически нейтрален.

Рассмотрим силу взаимодействия между частицами на примере двух неподвижных молекул.

Между телами в природе существуют гравитационные и электромагнитные силы. Так как массы молекул крайне малы, то силы гравитационного взаимодействия между ними можно не рассматривать. На больших расстояниях электромагнитного взаимодействия между молекулами тоже нет.

При уменьшении расстояния между частицами (см. Рис.

1) они начинают ориентироваться так, что их обращённые друг к другу стороны будут иметь разные по знаку заряды (в целом молекулы остаются при этом нейтральными), и, в итоге, между молекулами возникают силы притяжения (максимальная сила притяжения на расстоянии 2–3 диаметров молекулы).

При уменьшении расстояния между молекулами возникают силы отталкивания как результат взаимодействия отрицательно заряженных электронных оболочек атомов молекул. Следовательно, на молекулу действует сумма сил: притяжения и отталкивания (на больших расстояниях преобладает сила притяжения, на малых – сила отталкивания).

Рис. 1. Взаимодействие между молекулами

На рисунке 2 изображён график зависимости силы взаимодействия между молекулами от расстояния между ними. Красной линией показана сила притяжения, синей линией – сила отталкивания, зелёной линией – итоговый график сил. Величина  – это такое расстояние между молекулами, на котором силы притяжения становятся равными силам отталкивания (положение устойчивого равновесия).

Рис. 2. График зависимости силы взаимодействия между молекулами в зависимости от расстояния между ними

Находящиеся на расстоянии друг от друга и связанные электромагнитными силами молекулы обладают потенциальной энергией. В положении устойчивого равновесия потенциальная энергия молекул минимальна.

В веществе каждая молекула взаимодействует одновременно со многими соседними молекулами, что также влияет на величину их минимальной потенциальной энергии. Кроме того, все молекулы вещества находятся в непрерывном движении, то есть обладают кинетической энергией.

Таким образом, структура вещества и его свойства (твёрдых, жидких, газообразных тел) определяется соотношением между минимальной потенциальной энергией взаимодействия молекул и их запасом кинетической энергии теплового движения.

Среднее расстояние между частицами газа намного превышает размеры самих частиц, таким образом, в промежутках между столкновениями частицы газа проходят расстояния, на несколько порядков превышающие собственные размеры. Например, в воздухе (при нормальных условиях) длина свободного пробега молекулы составляет , что в тысячу раз больше среднего размера молекулы.

При таких больших расстояниях между молекулами силы межмолекулярного взаимодействия между ними очень малы. С энергетической точки зрения это означает, что потенциальной энергией взаимодействия молекул (по сравнению с кинетической энергией их движения) можно пренебречь.

Если рассматривать кинетическую энергию, то есть движение молекул газа, то стоит отметить, что каждая из них участвует не только в поступательном, но и во вращательном движении (если это не одноатомный газ), а если учитывать очень малое взаимодействие молекул газа, то эти молекулы будут принимать участие и в колебательном движении (см. Рис. 3).

Рис. 3. Виды движений молекул

Таким образом, любая молекула газа, не испытывая сильного взаимодействия с соседними, может оказаться в произвольном месте сосуда в любой момент времени, поэтому говорят, что газы не сохраняют ни форму, ни объём. Такое свойство газов широко используется в современной технике (пневматическое оборудование, тепловые двигатели и т. д.).

Твёрдые тела являются полной противоположностью газам. В них не происходит свободного передвижения частиц. Молекулы находятся в узлах кристаллической решётки (см. Рис. 4). То есть существует строгий периодический порядок в расположении частиц, составляющих твёрдое тело.

Рис. 4. Кристаллическая решётка NaCl (поваренная соль)

В твёрдых телах потенциальная энергия взаимодействия очень существенна, кинетическая энергия, по сравнению с потенциальной, не велика. Атомы, молекулы или ионы совершают лишь колебательные движения возле положения равновесия. Расстояния между соседними частицами примерно равны размерам самих частиц.

Виды кристаллических решёток отличаются в зависимости от вещества (главное – это периодичность и порядок). Точки пространства, в которых находятся частицы твёрдого тела, называются узлами кристаллической решётки.

Из-за стабильности и порядка в расположении частиц в узлах кристаллической решётки, физики говорят, что твёрдые тела обладают дальним и ближним порядками в расположении частиц вещества (см. далее).

Твёрдые тела сохраняют форму и объём (для примера, если подвергнуть пружинку деформации, она вернётся к предыдущей форме, не изменив при этом объём).

Каждую молекулу жидкости, хотя они не расположены так строго и упорядоченно, как в твёрдом теле, окружает одинаковое число молекул-«соседок» (см. Рис. 5).

Но если посмотреть на молекулы жидкости издалека, то ни о каком порядке в жидкости речь идти не может, будем наблюдать хаос.

Поэтому говорят, что в твёрдых телах есть ближний порядок и дальний порядок, а в жидкости только ближний порядок. В газообразных телах отсутствуют и ближний, и дальний порядок.

Рис. 5. Дальний и ближний порядок в расположении частиц вещества

Жидкости, в отличие от твёрдых тел, обладают ближним порядком в расположении частиц вещества.

Частицы в жидких телах «упакованы» плотно и, как в твёрдых телах, совершают колебания около положения равновесия. Попытка сжать жидкость быстро приводит к деформации молекул и встречает мощное сопротивление со стороны жидкости. То есть жидкости практически не сжимаемы.

Хотя молекулы жидкости расположены почти так же, как в твёрдом теле, жидкость обладает текучестью. Это объясняется тем, что, в отличие от твёрдого тела, колебания молекул около положения равновесия в жидкости не вечны, в какой-то момент времени молекула совершает «скачок», переходя в другое положение. Следовательно, жидкость хорошо сохраняет объём, но не сохраняет форму.

С энергетической точки зрения жидкость занимает промежуточное положение между твёрдым телом и газом – частицы жидкости обладают существенной на микроскопическом уровне, как кинетической энергией движения, так и потенциальной энергией взаимодействия.

Аморфное состояние тела называют промежуточным между твёрдым и жидким. Примером такого вещества является пластилин, смола, стекло.

Молекулы в аморфных веществах расположены подобно молекулам в жидкости, то есть обладают ближним порядком, но не обладают дальним порядком.

Можно с определённой долей условности назвать аморфные тела очень вязкими жидкостями. Убедиться в этом можно, если посмотреть на профиль оконных стёкол в старинных замках.

Вверху эти стёкла гораздо уже, чем внизу – стекло за многие годы «стекает» вниз (см. Рис. 6), при этом не изменяя своего внутреннего строения. Ведь, например, ледники также могут стекать вниз.

Но это связано с таянием ледника и дальнейшей кристаллизацией воды.

Рис. 6. Профиль оконного стекла в старинном замке

В твёрдых телах частицы обладают существенной потенциальной энергией и относительно небольшой кинетической энергией, так как они совершают колебательные движения вблизи положения равновесия.

Промежуточное положение занимают жидкости, так как частицы жидкости обладают существенной как кинетической энергией движения, так и потенциальной энергией взаимодействия, а в газах молекулы обладают большой кинетической энергией движения и сравнительно малой (пренебрежимо малой) потенциальной энергией взаимодействия.

Список литературы

  1. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. Физика 10. – М.: Просвещение, 2008.
  2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. – М.: Илекса, 2005.
  3. Касьянов В.А. Физика 10 класс. – М.: Дрофа, 2010.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Домашнее задание

  1. Вопросы (1–4) в конце параграфа 47 (стр. 229); Касьянов В.А. Физика 10 класс (см. список рекомендованной литературы) (Источник). 
  2. Чем отличаются траектории движения молекул газа, жидкости и твёрдого тела?
  3. При сильном охлаждении воздуха его можно сделать жидким. При этом объем, который занимает воздух, уменьшается почти в 700 раз. Сделайте вывод из этого факта: какую долю объема газа составляет объем самих молекул?
  4. Газ способен к неограниченному расширению. Почему существует атмосфера Земли?

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/10-klass/osnovy-molekulyarno-kineticheskoy-teorii/svoystva-gazov-zhidkostey-tverdyh-tel

Молекулярная физика жидкостей

Молекулярная физика жидкостей

Определение 1

Жидкость представляет собой вещество, пребывающее в промежуточном между твердым и газообразным состоянии. Это такое агрегатное состояние вещества, в котором прослеживается взаимосвязь молекул и атомов между собой таким образом, что это дает ему возможность сохранения своего объема, но при это, не настолько сильно, чтобы добиться сохранения еще и формы.

Рисунок 1. Взаимодействие молекул жидкостей. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Молекулярно-кинетическая теория направлена на исследование строения и свойств вещества на основе представлений о существовании атомов и молекул в качестве наименьших частиц химических веществ. В основу данной теории положены три основные положения:

  1. Все вещества (как жидкие, так и газообразные, и твердые) появились из мельчайших частиц (молекул, состоящих из атомов). Молекулы химического вещества существуют в виде простых и сложных (состоящих из одного либо нескольких атомов).
  2. Молекулы и атомы являются электрически нейтральными частицами. При определенных условиях они способны к приобретению дополнительного электрического заряда и превращаются в положительные (отрицательные) ионы.
  3. Атомы и молекулы пребывают в непрерывном хаотическом движении. Частицы между собой осуществляют взаимодействие за счет сил, обладающих электрической природой. При этом гравитационное взаимодействие между частицами оказывается пренебрежимо малым.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Свойства и строение жидкостей

Жидкости склонны к легкому изменению своей формы с сохранением объема. В стандартных условиях они привычно принимают форму емкости, в которой находятся. Поверхность жидкости, что не соприкасается со стенками сосуда, называется свободной. Ее образование происходит вследствие воздействия силы тяжести на молекулы жидкости.

Свойства жидкостей можно объяснить малыми промежутками между их молекулами малы. Так, молекулы упакованы настолько плотным образом, что расстояние между каждыми двумя из них оказывается меньше их размеров.

Объяснить поведение жидкостей на основании характера молекулярного движения, взялся советский ученый Я. И. Френкель.

Согласно его исследованию, молекула жидкости будет колебаться около положения временного равновесия, при этом происходит ее столкновение с остальными молекулами из ближнего окружения.

Периодически у нее получается совершить «прыжок», чтобы, покинув своих «соседей», продолжить совершать колебания уже в кругу новых.

Замечание 1

По причине малых расстояний между молекулами жидкости, попытка уменьшения объема приводит к состоянию деформации молекул, так начинается их отталкивание друг от друга, чем можно объяснить малую сжимаемость жидкости.

В то же время, ее текучесть объясняют тем фактом, что «прыжки» молекул из оседлого положения в иное осуществляются, согласно всем направлениям с равной частотой.

Внешняя сила не изменяет существенно число «прыжков» за секунду, а только задает их преимущественное направление, поэтому жидкость и принимает форму сосуда, в котором пребывает.

Молекулярная теория воды

Существует ряд определенных гипотез, объясняющих строение льда, пара, воды. Все они в какой-то степени опираются на молекулярно-кинетическую теорию строения вещества, чьи основы заложил М. Ломоносов.

Рисунок 2. Масса и размеры молекул. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Данная теория исходит из принципов классической механики, что рассматривает молекулы (атомы) в формате шариков правильной формы, электрически нейтральных, идеально упругих. Такие молекулы склонны подвергаться исключительно механическим соударениям и не испытывать каких-либо электрических сил взаимодействия.

Водяной пар, согласно положениям молекулярно-кинетической теории, представляет собрание молекул, расстояние между ними многократно превышает размеры самих молекул. Молекулы газа, пребывающие в непрерывно-хаотическом движении, пробегают путь между стенками сосудов, где заключен газ и при этом происходит их столкновение между собой на данном пути.

При приближении температуры газа к температуре кипения (100°C) наступает уменьшение скорости молекул, и при соударении силы притяжения между ними возникает больше сил упругих отталкиваний в момент удара. По этой причине газ способен конденсироваться в жидкость.

Замечание 2

Жидкость, в отличие от газа, является совокупностью близкорасположенных между собой молекул. Это расположение настолько близкое, что между ними начинается проявление сил взаимного притяжения. Это не позволяет молекулам жидкости разлетаться в разные стороны, подобно молекулам газа, а только колебаться около собственного равновесного положения.

Наряду с тем, из-за недостаточной плотности строения жидкости, в ней присутствуют свободные места, вследствие чего (исходя из теории Френкеля), обладающие большей энергией молекулы начинают вырываться из своего привычного окружения и скачкообразно перемещаться в соседнее отверстие на расстоянии, равном размерам самих молекул.

Таким образом, молекулы в жидкости относительно редко перемещаются в иные места, большую часть времени они пребывают в «оседлом» состоянии, подвергаясь только колебаниям. При температуре в 100°C (при нормальном атмосферном давлении) вода начнет распадаться на отдельные молекулы, скорость которых уже не способна к преодолению взаимного молекулярного притяжения, поэтому вода становится паром.

В случае охлаждения жидкости можно наблюдать обратный процесс. Начинается уменьшение скоростей колебательного движения молекул, становится более прочной структура жидкости, а сама она переходит в состояние льда (кристаллическое).

Структура воды в трех ее агрегатных состояниях

Проблема оценки структуры воды пока представляет для ученых определенные сложности. Наиболее популярной считается гипотеза, предложенная в 1883 году Уайтингом.

В ней утверждается, что:

  • в качестве основной строительной единицы водяного пара выступает молекула гидроль (моногидроль);
  • основной строительной единицей воды будет являться двойная молекула дигидроль;
  • лед считается состоящим из тройных молекул тригидроль.

На данных представлениях основывается гидрольная теория структуры воды, согласно которой водяной пар считается состоящим из комплекса простейших молекул моногидроля, их ассоциаций и также из незначительного числа молекул дигидроля.

В жидком виде вода считается смесью молекул моногидроля, дигидроля и тригидроля. Соотношение количества таких молекул в воде будет различным и зависимым от температуры. Поскольку молекула воды сама по себе несимметрична, центры тяжести положительных и отрицательных зарядов у нее не будут совпадать.

Рисунок 3. Полярные молекулы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Молекулы обладают двумя полюсами – положительным и отрицательным, создающими, подобно магниту, силовые молекулярные поля. Такие молекулы называются полярными (диполями). Количественная характеристика полярности при этом определяется электрическим моментом диполя.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fizika_zhidkostey/molekulyarnaya_fizika_zhidkostey/

Молекулярно – кинетическая теория жидкостей

Молекулярная физика жидкостей

Вещество находится в жидком состоянии, если средняя кинетическая энергия теплового движения его молекул примерно равна средней потенциальной энергии их взаимодействия.

До настоящего времени законченной количественной теории жидкого состояния нет, на качественном же уровне МКТ может объяснять явления, происходящие с жидкостями.

1. Из-за того, что расстояние между молекулами жидкости малы, увеличиваются силы притяжения молекул друг к другу, поэтому жидкости в отличие от газов обладают собственным объёмом, практически несжимаемы, плотность жидкостей при обычных условиях в сотни и тысячи раз больше плотности газов.

2. Вблизи каждой молекулы другие молекулы располагаются в определённом порядке, в целом в жидкости именно такой порядок не сохраняется, поэтому говорят, что в расположении молекул жидкости имеется ближний порядок и отсутствует дальний порядок.

3. Молекулы жидкости совершают хаотическое движение вблизи некоторого положения равновесия (колебания), изредка переходя в новое состояние равновесия (совершают перескоки), которые происходят случайным образом. Если на жидкость действует сила, например, сила тяжести, то перескоки происходят в направлении силы. Этим объясняется текучесть жидкости.

4. На границе с газом жидкость образует свободную поверхность. Поверхностный слой жидкости – резкая граница, отделяющая жидкость от газа над ней, существует из-за большого различия плотностей жидкости и газа (например, .

Поверхностный слойпредставляет собой подобие упругой плёнки из самой жидкости (можно положить осторожно, не нарушая слоя, иголку или лезвие бритвы на поверхность воды). Благодаря существованию поверхностного слоя возможно образование капли, мыльного пузыря, движение насекомых (водомерки) по поверхности воды.

Основное свойство поверхностного слоя: он стремится сократиться и принять наименьшую площадь поверхности при данном объёме. Из всех тел при данном объёме наименьшая площадь поверхности у шара, вот почему капля жидкости, мыльный пузырь в невесомости имеют форму шара.

МКТ объясняет существование поверхностного слоя так: молекулы на поверхности жидкости находятся в особых условиях по сравнению с молекулами её внутренних слоёв. Внутри жидкости результирующая сила притяжения, действующая на молекулу со стороны соседних молекул, равна нулю.

У «поверхностных» молекул соседних молекул «сверху» меньше, чем «снизу». Молекулы поверхностного слоя под действием результирующей силы, втягиваются внутрь жидкости. В результате они оказывают молекулярное давление на жидкость, стягивая её поверхность до минимума.

Этот эффект называется поверхностным натяжением.

Поверхностное натяжение обуславливает наличие у молекул поверхностного слоя дополнительной потенциальной энергии – поверхностной энергии.

Дополнительнаяпотенциальная энергия равна той работе, которуюнужно было бы совершить, чтобы молекулам из глубиныподняться к поверхности, преодолевая силу молекулярного давления на поверхности жидкости.

— поверхностная энергия, ,

где — площадь поверхностного слоя, — коэффициент поверхностного натяжения.

Все тела стремятся к положению устойчивого равновесия, которое определяется минимумом потенциальной энергии. Условием устойчивого равновесия жидкости является минимум потенциальной поверхностной энергии. Уменьшение поверхностной энергии достигается сокращением площади поверхностности жидкости, этим объясняется основное свойство поверхностного слоя.

В поверхностном слое действует сила поверхностного натяжения– сила, которая действует вдоль поверхности жидкости, перпендикулярно линии, ограничивающей поверхность и стремящаяся сократить её до минимума.

Например, поверхность жидкости в стакане цилиндрической формы (вид сверху):

— сила поверхностногонатяжения

Опыт показывает, что сила поверхностного натяжения пропорциональна длине линии, ограничивающей поверхность жидкости –.

, где — коэффициент поверхностного натяжения или поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение зависит:

1. от природы граничащих сред, для двух граничащих сред величина постоянная, поскольку чаще всего жидкости граничат с воздухом, то поверхностное натяжение зависит от рода жидкости;

2. с повышением температуры поверхностное натяжение уменьшается, т.к. уменьшается плотность жидкости;

3. можно изменить, поменяв химический состав поверхности, например, капнуть на поверхность другую жидкость.

Чем меньше поверхностное натяжение, тем легче жидкость проникает в ткань. Высокая проникающая способность мыльного раствора, позволяющая очищать ткани, объясняется его малым поверхностным натяжением.

Смачивание

Капля воды на стекле растекается, вода смачивает стекло, но не смачивает парафин, промасленную бумагу, воск.

Капля ртути на стекле не растекается и стремится стянуться в шар, ртуть не смачивает стекло, но смачивает медь и цинк.

В сосуде поверхность жидкости искривляется. Мениск —форма поверхности жидкости в сосуде.

У смачивающей жидкости мениск вогнутый:

У не смачивающей жидкости мениск выпуклый:

Смачивание объясняется тем, что молекулы жидкости друг к другу притягиваются слабее, чем к молекулам твёрдого тела.

Не смачивание объясняется тем, что молекулы жидкости друг к другу притягиваются сильнее, чем к молекулам твёрдого тела.

Смачивание –это явление, возникающее вследствие взаимодействия молекул жидкости с молекулами твёрдого тела и приводящее к искривлению поверхности жидкости.

Смачивание поверхности твёрдого тела жидкостью используют, например, при крашении, склеивании, пайке.

Не смачивание учитывают, например, при изготовлении тканей для зонтов, плащей, упаковочного материала для жидких продуктов.

Источник: https://studopedia.su/12_63000_molekulyarno--kineticheskaya-teoriya-zhidkostey.html

Booksm
Добавить комментарий