У жидкостей и твердых тел есть общее свойство какое
Этот урок посвящён изучению свойств газов, жидкостей, твёрдых тел. В начале урока мы вспомним, как взаимодействуют частицы вещества, а далее рассмотрим особенности каждого агрегатного состояния в отдельности. В конце урока мы узнаем об аморфном состоянии – промежуточном состоянии между твёрдыми и жидкими телами.
Введение
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.
Взаимодействие частиц вещества
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.
Газы
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
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).
Дальний и ближний порядок в расположении частиц вещества
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
Жидкость
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.
Аморфные вещества
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
Итоги урока
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
- Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. Физика 10. – М.: Просвещение, 2008.
- Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. – М.: Илекса, 2005.
- Касьянов В.А. Физика 10 класс. – М.: Дрофа, 2010.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Class-fizika.spb.ru (Источник).
- Kaf-fiz-1586.narod.ru (Источник).
- Презентация (Источник).
Домашнее задание
- Вопросы (1–4) в конце параграфа 47 (стр. 229); Касьянов В.А. Физика 10 класс (см. список рекомендованной литературы) (Источник).
- Чем отличаются траектории движения молекул газа, жидкости и твёрдого тела?
- 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?
- Газ способен к неограниченному расширению. Почему существует атмосфера Земли?
Жидкость — это агрегатное состояние вещества, промежуточное между газообразным и твердым.
Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой. Каждая молекула жидкости, также как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако, время от времени любая молекула может переместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах, и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей. Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком (рисунок 12.2).
Рисунок 12.2 – Пример ближнего порядка молекул жидкости и дальнего порядка молекул кристаллического вещества: 1 – вода; 2 – лед.
Из-за большого молекулярного давления жидкость практически несжимаема. Жидкость обладает свойством текучести, приобретает форму сосуда, в котором она находится.
Жидкости, как и твердые тела, изменяют свой объем при изменении температуры. Для не очень больших интервалов температур относительное изменение объема ΔV / V0 пропорционально изменению температуры ΔT:
(12.6)
Коэффициент β называют температурным коэффициентом объемного расширения. Этот коэффициент у жидкостей в десятки раз больше, чем у твердых тел.
Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности. Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Молекулы в пограничном слое жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же жидкости не со всех сторон. Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимно скомпенсированы. Любая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости (силами, действующими на данную молекулу жидкости со стороны молекул газа (или пара) можно пренебречь). В результате появляется некоторая равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости. Если молекула переместиться с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу. Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (т. е. увеличить площадь поверхности жидкости), надо затратить положительную работу внешних сил ΔAвнеш, пропорциональную изменению ΔS площади поверхности:
(12.7)
Коэффициент σ называется коэффициентом поверхностного натяжения (σ > 0). Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу.
Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией. Потенциальная энергия Ep поверхности жидкости пропорциональна ее площади:
(12.8)
Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.
Поверхностное натяжение — это физическая величина, равная отношению силы F поверхностного натяжения, приложенной к границе, поверхностного слоя жидкости и направленной по касательной к поверхности, к длине l этой границы:
(12.9)
Единица поверхностного натяжения — ньютон на метр (Н/м).
Поверхностное натяжение различно для разных жидкостей и зависит от температуры.
Вблизи границы между жидкостью, твердым телом и газом форма свободной поверхности жидкости зависит от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела. Если эти силы больше сил взаимодействия между молекулами самой жидкости, то жидкость смачивает поверхность твердого тела. В этом случае жидкость подходит к поверхности твердого тела под некоторым острым углом θ, характерным для данной пары жидкость – твердое тело. Угол θ называется краевым углом.
Рисунок 12.3 – Краевые углы смачивающей (1) и несмачивающей (2) жидкостей
Если силы взаимодействия между молекулами жидкости превосходят силы их взаимодействия с молекулами твердого тела, то краевой угол θ оказывается тупым (рис. 12.3). В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность твердого тела. При полном смачивании θ = 0, при полном не смачивании θ = 180°. Искривленная поверхность жидкости называется мениском
Особенно хорошо наблюдается искривление мениска жидкости в тонких трубках, называемых капиллярами.
Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра – капиллярах. Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, несмачивающие – опускаются.
На рисунке 12.4 изображена капиллярная трубка некоторого радиуса r, опущенная нижним концом в смачивающую жидкость плотности ρ. Верхний конец капилляра открыт.
Рисунок 12.4 – Подъем смачивающей жидкости в капилляре
Подъем жидкости в капилляре продолжается до тех пор, пока сила тяжести т, действующая на столб жидкости в капилляре, не станет равной по модулю результирующей Fн сил поверхностного натяжения, действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра: Fт = Fн, где Fт = mg = ρhπr2g, Fн = σ2πr cos θ.
Отсюда следует:
При полном смачивании θ = 0, cos θ = 1. В этом случае
(12.10)
При полном не смачивании θ = 180°, cos θ = –1 и, следовательно, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Вода практически полностью смачивает чистую поверхность стекла. Наоборот, ртуть полностью не смачивает стеклянную поверхность. Поэтому уровень ртути в стеклянном капилляре опускается ниже уровня в сосуде.
Кристаллические и аморфные тела. По своим физическим свойствам и молекулярной структуре твердые тела разделяются на два класса – аморфные и кристаллические тела.
Характерной особенностью аморфных тел является их изотропность, т. е. независимость всех физических свойств (механических, оптических и т. д.) от направления. Молекулы и атомы в изотропных твердых телах располагаются хаотично, образуя лишь небольшие локальные группы, содержащие несколько частиц (ближний порядок). По своей структуре аморфные тела очень близки к жидкостям. Примерами аморфных тел могут служить стекло, различные затвердевшие смолы (янтарь), пластики и т. д. Если аморфное тело нагревать, то оно постепенно размягчается, и переход в жидкое состояние занимает значительный интервал температур.
В кристаллических телах частицы располагаются в строгом порядке, образуя пространственные периодически повторяющиеся структуры во всем объеме тела.
Рисунок 12.5 – Кристаллическая решетка поваренной соли.
Для наглядного представления таких структур используются пространственные кристаллические решетки, в узлах которых располагаются центры атомов или молекул данного вещества. Чаще всего кристаллическая решетка строится из ионов (положительно и отрицательно заряженных) атомов, которые входят в состав молекулы данного вещества. Например, решетка поваренной соли содержит ионы Na+ и Cl–, не объединенные попарно в молекулы NaCl (рис. 12.5). Такие кристаллы называются ионными.
В каждой пространственной решетке можно выделить структурный элемент минимального размера, который называется элементарной ячейкой. Вся кристаллическая решетка может быть построена путем параллельного переноса (трансляции) элементарной ячейки по некоторым направлениям.
Теоретически доказано, что всего может существовать 230 различных пространственных кристаллических структур. Большинство из них (но не все) обнаружены в природе или созданы искусственно.
Кристаллические решетки металлов часто имеют форму шестигранной призмы (цинк, магний), гранецентрированного куба (медь, золото) или объемно центрированного куба (железо).
Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами. Поликристаллические тела состоят из многих сросшихся между собой хаотически ориентированных маленьких кристалликов, которые называются кристаллитами. Большие монокристаллы редко встречаются в природе и технике. Чаще всего кристаллические твердые тела, в том числе и те, которые получаются искусственно, являются поликристаллами.
В отличие от монокристаллов, поликристаллические тела изотропны, т. е. их свойства одинаковы во всех направлениях. Поликристаллическое строение твердого тела можно обнаружить с помощью микроскопа, а иногда оно видно и невооруженным глазом (чугун).
Многие вещества могут существовать в нескольких кристаллических модификациях (фазах), отличающихся физическими свойствами. Это явление называется полиморфизмом. Переход из одной модификации в другую называется полиморфным переходом. Интересным и важным примером полиморфного перехода является превращение графита в алмаз. Этот переход при производстве искусственных алмазов осуществляется при давлениях 60–100 тысяч атмосфер и температурах 1500–2000 К.
Структуры кристаллических решеток экспериментально изучаются с помощью дифракции рентгеновского излучения на монокристаллах или поликристаллических образцах.
На рисунке 12.6 приведены примеры простых кристаллических решеток. Следует помнить, что частицы в кристаллах плотно упакованы, так что расстояние между их центрами приблизительно равно размеру частиц. В изображении кристаллических решеток указывается только положение центров частиц.
Рисунок 12.6 – Простые кристаллические решетки: 1 – простая кубическая решетка; 2 – гранецентрированная кубическая решетка; 3 – объемноцентрированная кубическая решетка; 4 – гексагональная решетка.
В простой кубической решетке частицы располагаются в вершинах куба. В гранецентрированной решетке частицы располагаются не только в вершинах куба, но и в центрах каждой его грани. Изображенная на рисунке 12.5 решетка поваренной соли состоит из двух вложенных друг в друга гранецентрированных решеток, состоящих из Na+ и Cl–. В объемно-центрированной кубической решетке дополнительная частица располагается в центре каждой элементарной кубической ячейки.
Кристаллические структуры металлов имеют важную особенность. Положительно заряженные ионы металла, образующие кристаллическую решетку, удерживаются вблизи положений равновесия силами взаимодействия с «газом свободных электронов» (рисунок 12.7).
Электронный газ образуется за счет одного или нескольких электронов, отданных каждым атомом. Свободные электроны способны блуждать по всему объему кристалла.
Рисунок 12.7 – Структура металлического кристалла.