Властивості рідин
2-й семестр
МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА Й ТЕРМОДИНАМІКА
1. Властивості газів, рідин, твердих тіл
Урок 13/84
Тема. Властивості рідин
Мета уроку: ознайомити учнів з особливостями рідкого стану
Тип уроку: вивчення нового матеріалу
План уроку
Контроль знань | 5 хв. | 1. Вологість. 2. Точка роси. 3. Способи визначення вологості повітря. |
Демонстрації | 5 хв. | 1. Виявлення поверхневого натягу рідини. 2. Скорочення поверхні мильних плівок. |
Вивчення | 25 хв. | 1. Модель рідкого стану. 2. Поверхнева енергія. 3. Сила поверхневого натягу. |
Закріплення вивченого матеріалу | 10 хв. | 1. Тренуємося розв’язувати задачі. 2. Контрольні запитання. |
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Модель рідкого стану
Рідина займає проміжне положення між твердим тілом і газом. Про це свідчать властивості рідини. Наприклад, рідини так само, як і гази, не мають форми, але, подібно до твердих тіл, мають власний об’єм і погано стискуються. Властивості рідини, що спостерігаються,
Розташування частинок у рідинах має певний порядок. Але цей порядок спрацьовує лише на невеликих відстанях (2-3 молекулярних шари). Тому кажуть, що
O у розташуванні молекул, саме в рідині, існує лише близький порядок.
На відміну від твердих тіл, рідини володіють такою властивістю, як плинність. Це пояснюється тим, що молекули рідини можуть переміщуватися з одного місця в інше.
O Рідина – одне з агрегатних станів речовини.
Основною властивістю рідини, що відрізняє її від інших агрегатних станів, є здатність необмежено змінювати форму під дією механічних напружень, яким вона піддається (навіть якщо вони є замалими), практично зберігаючи при цьому об’єм. Основною властивістю рідин є плинність.
O Під дією зовнішніх сил рідина не зберігає форму та відносне розташування частин, і тому приймає форму ємності, у якій знаходиться.
Однією з характерних властивостей рідини є те, що вона має певний об’єм (при незмінних зовнішніх умовах). Рідину надзвичайно важко стиснути механічно, оскільки, на відміну від газу, між молекулами дуже мало вільного простору. Тиск, який діє на рідину, що знаходиться в посудині, передається без зміни в кожну точку об’єму цієї рідини (закон Паскаля, справедливий також і для газів). Ця особливість, поряд з дуже малою здатністю стиснення, використовується в гідравлічних машинах.
2. Поверхнева енергія
Зазвичай стверджують, що рідина не має власної форми, але подивіться на крихітні крапельки туману: усі вони мають сферичну форму. А в стані невагомості сферичної є поверхня рідини досить великого об’єму. Поспостерігати за відривом краплі води від кінця піпетки: здається, що краплю деякий час утримує пружна плівка, яка, врешті-решт, рветься.
Спостерігаючи за жуком-водоміркою на поверхні води, бачимо, що ніби якась плівка утримує його на поверхні води. Виявляється, що цю “чарівну плівку” на поверхні води утворюють молекули самої рідини. Молекули, що потрапили на поверхню рідини, знаходяться в інших умовах порівняно з молекулами, які знаходяться всередині рідини. Насправді, молекула в верхньому шарі рідини взаємодіє з меншою кількістю “сусідів”, ніж молекула вглибині рідини.
Таким чином, щоб перемістити молекулу з глибини рідини на поверхню, потрібно розірвати певне число міжмолекулярних зв’язків, тобто виконати певну роботу. Таким чином, “витягування” кожної молекули на поверхню рідини призводить до збільшення потенційної енергії взаємодії молекул рідини. Іншими словами – до збільшення внутрішньої енергії рідини. Отже,
O частина внутрішньої енергії рідини (поверхнева енергія) прямо пропорційна площі вільної поверхні рідини (кількості молекул у верхньому шарі):
Коефіцієнт пропорційності називають поверхневим натягом рі дини. Поверхневий натяг характеризує “фортеця” міжмолекулярних зв’язків. Одиниця цієї величини:
Наприклад, поверхневий натяг води за 20 °С дорівнює 73 мН/м. Однак необхідно зазначити, що це значення було отримано, коли над поверхнею води знаходилася насичена пара. Коли температура підвищується, поверхневий натяг зменшується.
3. Сила поверхневого натягу
Яким же чином наявність плівки, про яку йшла мова раніше, пов’язана з існуванням поверхневої енергії? Справа в тому, що будь-яка система прагне зменшити свою потенційну енергію до мінімальної. Внаслідок міжмолекулярної взаємодії рідина намагатиметься зменшити до мінімуму площу своєї поверхні. Але саме так і поводить себе пружна плівка.
Визначимо силу, яку може утворювати наша плівка. Перш за все, ця сила діє по краях плівки, паралельно до її поверхні й перпендикулярно до лінії, що обмежує цю плівку.
O Силу, яка діє з боку рідини на контур, що обмежує її поверхню, намагаючись зменшити площу поверхні рідини, називають силою поверхневого натягу.
Візьмемо П-подібну жорстку рамку 1 з поперечиною 2, яка може вільно переміщуватися по рамці (див. рис.). Помістивши цю систему в мильний розчин, отримаємо мильну плівку. Якщо розмістити площину рамки горизонтально, то сила поверхневого натягу Fпов буде переміщати поперечину праворуч. Перемістивши поперечину на відстань? х, сила виконає роботу А = Fпов – ?х.
Оскільки ця робота здійснена за рахунок зменшення поверхневої енергії, 
(мильна плівка має дві поверхні). Отже, у розглянутому випадку Fпов = 2?b. Так як загальна довжина поверхні рідини l = 2b, отримуємо Fпов = ?l.
Саме завдяки цій силі і з’являється поверхневий натяг рідини.
Питання до учнів при викладенні нового матеріалу
1. Назвіть характерні властивості рідин.
2. Наведіть приклади, що підтверджують існування поверхневого натягу.
3. Чому площа вільної поверхні рідини дуже рідко буває мінімальною?
4. Від чого залежить сила поверхневого натягу?
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1). Тренуємося розв’язувати задачі
1. Збільшується чи зменшується поверхневий натяг води під час розчинення в ній прального порошку?
2. Тонка сталева голка може “лежати” на поверхні води. Чи вдасться цей дослід, якщо перед зануренням голки її ретельно протерти одеколоном?
3. Яку мінімальну роботу потрібно зробити, щоб крапельку води радіусом r = 2 мм “розбити” на вісім однакових крапель?
Розв’язок
Необхідна робота дорівнює збільшенню поверхневої енергії: А = ?Епов. Ця величина залежить від зміни площі поверхні рідини: А = ??S.
Оцінимо? S: об’єм кожної краплі в 8 (23) разів менший за об’єм початкової краплі. Отже, радіус маленьких крапельок r/2. Загальна площа поверхні цих крапельок дорівнює:
Віднімаючи площу поверхні початкової краплі 4
R2, отримуємо? S = 4R2, звідки А = 4?r2.
Перевіривши одиниці величин і підставивши числові значення, отримуємо А = 3,7 мкДж.
2). Контрольні запитання
1. Чому поверхневий натяг зменшується з підвищенням температури?
2. Чому в невагомості краплі рідини приймають сферичну форму?
3. Чому поверхневий натяг зменшується з підвищенням температури?
4. Чому зменшуються розміри мильної бульки, якщо припинити дути в трубку, на кінці якої вона тримається?
Що ми дізналися на уроці
– У розташуванні молекул у рідині існує тільки близький порядок.
– Намагання рідини зменшити площу своєї поверхні називається поверхневим натягом.
– Поверхнева енергія – надлишкова потенціальна енергія молекул поверхневого шару рідини.
– Частина внутрішньої енергії рідини (поверхнева енергія Епов) прямо пропорційна площі вільної поверхні рідини (кількості молекул у поверхневому шарі):
– Силу, яка діє з боку рідини на контур, що обмежує її поверхню намагаючись зменшити її площу поверхні, називають силою поверхневого натягу.
Домашнє завдання
1. Конспект.
2. Розв’язування задач.
Р1): 1. Чому в невагомості краплі рідини приймають сферичну форму?
2. Яка форма крапель води, з яких складається туман? Чому?
3. Чому волейбольна сітка сильно натягується після дощу?
4. У результаті злиття крапельок туману загальна площа їх поверхонь зменшилася на 1 мм2. Як змінилася поверхнева енергія?
Р2): 1. Чому крихітні краплі туману мають сферичну форму, а форма великих крапель дощу дещо відрізняється від сферичної?
2. Збільшується або зменшується поверхневий натяг води при розчиненні в ній прального порошку?
3. Тонка сталева голка може “лежати” на поверхні води. Чи вдасться цей дослід, якщо перед зануренням голки її ретельно протерти одеколоном?
4. Площі поверхонь двох крапель ртуті відрізняються на 3 мм. Яка різниця поверхневих енергій крапель, якщо поверхневий натяг ртуті дорівнює 0,5 Н/м.
Р3): 1. З отвору крана самовара, який нещільно закритий, падають краплі. У якому випадку ці краплі більші: коли вода гаряча чи коли вона охолола?
2. Яку мінімальну роботу потрібно зробити, щоб краплю води радіусом r = 2 мм “розбити” на вісім однакових крапель? Поверхневий натяг води дорівнює 72 мН/м.
3. Яку енергію необхідно затратити, щоб сферичну краплю ртуті радіусом 4 мм розділити на вісім однакових сферичних крапель при незмінній температурі? Поверхневий натяг ртуті дорівнює 0,5 Н/м.
4. Якщо кинути скляну пластину в ємність зі ртуттю, вона спливе. Однак, якщо покласти цю пластину на дно порожньої плоскодонної кювети і потім налити в кювету ртуть, пластина не спливе. Чим пояснити результати цих досліджень?
(2 votes, average: 4.50 out of 5)
Loading...