Περιοχή επιφανειακής τάσης. Ξεκινήστε από την επιστήμη. Συντελεστής επιφανειακής τάσης νερού

Η επιφανειακή τάση του νερού είναι μια από τις πιο ενδιαφέρουσες ιδιότητες του νερού.

Ακολουθούν αρκετοί ορισμοί αυτού του όρου από αρμόδιες πηγές.

Η επιφανειακή τάση είναι...

Μεγάλη Ιατρική Εγκυκλοπαίδεια

Επιφανειακή τάση (S.T.) είναι η δύναμη έλξης με την οποία κάθε τμήμα της επιφανειακής μεμβράνης (η ελεύθερη επιφάνεια ενός υγρού ή οποιαδήποτε διεπαφή μεταξύ δύο φάσεων) δρα σε παρακείμενα μέρη της επιφάνειας. Εσωτερική πίεση και P. n. Το επιφανειακό στρώμα του υγρού συμπεριφέρεται σαν μια ελαστική τεντωμένη μεμβράνη. Σύμφωνα με την ιδέα που ανέπτυξε ο Κεφ. αρ. Laplace, αυτή η ιδιότητα των υγρών επιφανειών εξαρτάται από τις «μοριακές δυνάμεις έλξης, που μειώνονται γρήγορα με την απόσταση. Μέσα σε ένα ομοιογενές υγρό, οι δυνάμεις που ασκούν σε κάθε μόριο από τα μόρια που το περιβάλλουν είναι αμοιβαία ισορροπημένες. Αλλά κοντά στην επιφάνεια, οι δυνάμεις της μοριακής έλξης που προκύπτουν κατευθύνονται προς τα μέσα. τείνει να έλκει επιφανειακά μόρια στο πάχος του υγρού. Ως αποτέλεσμα, ολόκληρο το επιφανειακό στρώμα, σαν ένα ελαστικό τεντωμένο φιλμ, ασκεί μια πολύ σημαντική πίεση στην εσωτερική μάζα του υγρού προς την κάθετη κατεύθυνση προς την επιφάνεια. Σύμφωνα με υπολογισμούς, αυτή η «εσωτερική πίεση», κάτω από την οποία βρίσκεται ολόκληρη η μάζα του υγρού, φτάνει σε αρκετές χιλιάδες ατμόσφαιρες. Αυξάνεται σε μια κυρτή επιφάνεια και μειώνεται σε μια κοίλη επιφάνεια. Λόγω της τάσης της ελεύθερης ενέργειας στο ελάχιστο, κάθε υγρό τείνει να πάρει μια μορφή στην οποία η επιφάνειά του - ο τόπος δράσης των επιφανειακών δυνάμεων - έχει το μικρότερο δυνατό μέγεθος. Όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια ενός υγρού, όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια που καταλαμβάνει το επιφανειακό του φιλμ, τόσο μεγαλύτερη είναι η παροχή ελεύθερης επιφανειακής ενέργειας που απελευθερώνεται κατά τη συστολή του. Η τάση με την οποία κάθε τμήμα της μεμβράνης της επιφάνειας συστέλλεται σε γειτονικά μέρη (σε κατεύθυνση παράλληλη προς την ελεύθερη επιφάνεια) ονομάζεται τάση. Σε αντίθεση με την ελαστική τάση ενός ελαστικού τεντωμένου σώματος, το P. n. δεν εξασθενεί καθώς συστέλλεται η επιφανειακή μεμβράνη. ... Η επιφανειακή τάση ισούται με την εργασία που πρέπει να γίνει για να αυξηθεί η ελεύθερη επιφάνεια ενός υγρού κατά ένα. Π.ν. παρατηρείται στη διεπιφάνεια ενός υγρού με ένα αέριο (επίσης με τον δικό του ατμό), με ένα άλλο μη αναμίξιμο υγρό ή με ένα στερεό. Με τον ίδιο τρόπο, ένα στερεό σώμα έχει P. n. στα σύνορα με αέρια και υγρά. Σε αντίθεση με το P. n., στο οποίο ένα υγρό (ή στερεό) έχει στην ελεύθερη του επιφάνεια που συνορεύει με ένα αέριο μέσο, ​​η τάση στο εσωτερικό όριο δύο υγρών (ή υγρών και στερεών) φάσεων προσδιορίζεται εύκολα με έναν ειδικό όρο που υιοθετείται στη γερμανική λογοτεχνία, ο όρος «εντάσεις στα σύνορα» (Grenzflachenspannung). Εάν μια ουσία διαλυθεί σε υγρό που μειώνει το P. n., τότε η ελεύθερη ενέργεια μειώνεται όχι μόνο με τη μείωση του μεγέθους της οριακής επιφάνειας, αλλά και μέσω της προσρόφησης: μια επιφανειοδραστική ουσία (ή τριχοειδής δραστική) ουσία συλλέγεται σε αυξημένη συγκέντρωση στο επιφανειακό στρώμα...
…

Μεγάλη ιατρική εγκυκλοπαίδεια. 1970

Όλα τα παραπάνω μπορούν να συνοψιστούν με αυτόν τον τρόπο - τα μόρια που βρίσκονται στην επιφάνεια οποιουδήποτε υγρού, συμπεριλαμβανομένου του νερού, έλκονται από άλλα μόρια μέσα στο υγρό, ως αποτέλεσμα της οποίας προκύπτει επιφανειακή τάση. Τονίζουμε ότι πρόκειται για μια απλοποιημένη κατανόηση αυτής της ιδιότητας.

Επιφανειακή τάση του νερού

Για να κατανοήσουμε καλύτερα αυτήν την ιδιότητα, ακολουθούν διάφορες εκδηλώσεις της επιφανειακής τάσης του νερού στην πραγματική ζωή:

• Όταν βλέπουμε νερό να στάζει από την άκρη μιας βρύσης αντί να ρέει, αυτή είναι η επιφανειακή τάση του νερού.
• Όταν μια σταγόνα βροχής κατά την πτήση παίρνει ένα στρογγυλό, ελαφρώς επίμηκες σχήμα, αυτή είναι η επιφανειακή τάση του νερού.
• Όταν το νερό σε μια αδιάβροχη επιφάνεια παίρνει ένα σφαιρικό σχήμα, αυτή είναι η επιφανειακή τάση του νερού.
• Οι κυματισμοί που εμφανίζονται όταν φυσάει ο άνεμος στην επιφάνεια των δεξαμενών είναι επίσης εκδήλωση της επιφανειακής τάσης του νερού.
• Το νερό στο διάστημα παίρνει σφαιρικό σχήμα λόγω επιφανειακής τάσης.
• Το έντομο water strider επιπλέει στην επιφάνεια του νερού χάρη σε αυτήν ακριβώς την ιδιότητα του νερού.
• Εάν τοποθετήσετε προσεκτικά μια βελόνα στην επιφάνεια του νερού, θα επιπλέει.
• Αν ρίξουμε εναλλάξ υγρά διαφορετικών πυκνοτήτων και χρωμάτων σε ένα ποτήρι, θα δούμε ότι δεν αναμειγνύονται.
• Οι σαπουνόφουσκες του ουράνιου τόξου είναι επίσης μια υπέροχη εκδήλωση επιφανειακής τάσης.

Συντελεστής επιφανειακής τάσης

Επεξηγηματικό λεξικό ορολογίας Πολυτεχνείου

Ο συντελεστής επιφανειακής τάσης είναι η γραμμική πυκνότητα της δύναμης επιφανειακής τάσης στην επιφάνεια ενός υγρού ή στη διεπιφάνεια μεταξύ δύο μη αναμίξιμων υγρών.

Επεξηγηματικό λεξικό ορολογίας Πολυτεχνείου. Συλλογή: V. Butakov, I. Fagradyants. 2014

Παρακάτω παρουσιάζονται οι τιμές του συντελεστή επιφανειακής τάσης (Κ.σ.ν.) για διάφορα υγρά σε θερμοκρασία 20°C:

• Ph.D. ακετόνη - 0,0233 Newton / Μέτρο;
• Ph.D. βενζόλιο - 0,0289 Newton / Μέτρο;
• Ph.D. αποσταγμένο νερό - 0,0727 Newton / μέτρο;
• Ph.D. γλυκερίνη - 0,0657 Newton / μέτρο;
• Ph.D. κηροζίνη - 0,0289 Newton / Μέτρο;
• Ph.D. υδράργυρος - 0,4650 Newton / μέτρο;
• Ph.D. αιθυλική αλκοόλη - 0,0223 Newton / Meter;
• Ph.D. αιθέρας - 0,0171 Newton / Μέτρο.

Συντελεστής επιφανειακής τάσης νερού

Ο συντελεστής επιφανειακής τάσης εξαρτάται από τη θερμοκρασία του υγρού. Ας παρουσιάσουμε τις τιμές του σε διαφορετικές θερμοκρασίες νερού.

• Σε θερμοκρασία 0°C - 75,64 σ, 10 –3 Newton / Meter;
• Σε θερμοκρασία 10°C - 74,22 σ, 10 –3 Newton / Meter;
• Σε θερμοκρασία 20°C - 72,25 σ, 10 –3 Newton / Meter;
• Σε θερμοκρασία 30°C - 71,18 σ, 10 –3 Newton / Meter;
• Σε θερμοκρασία 40°C - 69,56 σ, 10 –3 Newton / Meter;
• Σε θερμοκρασία 50°C - 67,91 σ, 10 –3 Newton / Meter;
• Σε θερμοκρασία 60°C - 66,18 σ, 10 –3 Newton / Meter;
• Σε θερμοκρασία 70°C - 64,42 σ, 10 –3 Newton / Meter;
• Σε θερμοκρασία 80°C - 62,61 σ, 10 –3 Newton / Meter;
• Σε θερμοκρασία 90°C - 60,75 σ, 10 –3 Newton / Meter;
• Σε θερμοκρασία 100°C - 58,85 σ, 10 -3 Newton / Meter.

Αυτό το μάθημα θα συζητήσει τα υγρά και τις ιδιότητές τους. Από τη σκοπιά της σύγχρονης φυσικής, τα υγρά είναι το πιο δύσκολο αντικείμενο έρευνας, διότι σε σύγκριση με τα αέρια δεν είναι πλέον δυνατό να μιλάμε για αμελητέα ενέργεια αλληλεπίδρασης μεταξύ μορίων και σε σύγκριση με τα στερεά είναι αδύνατο να μιλήσουμε για διατεταγμένη διάταξη υγρών μορίων (δεν υπάρχει σειρά μεγάλης εμβέλειας σε ένα υγρό) . Αυτό οδηγεί στο γεγονός ότι τα υγρά έχουν μια σειρά από ενδιαφέρουσες ιδιότητες και τις εκδηλώσεις τους. Μια τέτοια ιδιότητα θα συζητηθεί σε αυτό το μάθημα.

Αρχικά, ας συζητήσουμε τις ειδικές ιδιότητες που έχουν τα μόρια στο επιφανειακό στρώμα ενός υγρού σε σύγκριση με τα μόρια που βρίσκονται στον όγκο.

Ρύζι. 1. Διαφορά μεταξύ μορίων της επιφανειακής στιβάδας και μορίων που βρίσκονται στον κύριο όγκο του υγρού

Ας εξετάσουμε δύο μόρια Α και Β. Το μόριο Α βρίσκεται μέσα στο υγρό, το μόριο Β βρίσκεται στην επιφάνειά του (Εικ. 1). Το μόριο Α περιβάλλεται ομοιόμορφα από άλλα μόρια του υγρού, επομένως οι δυνάμεις που δρουν στο μόριο Α από μόρια που εμπίπτουν στη σφαίρα της διαμοριακής αλληλεπίδρασης αντισταθμίζονται ή το αποτέλεσμα τους είναι μηδέν.

Τι συμβαίνει με το μόριο Β, που βρίσκεται στην επιφάνεια του υγρού; Ας θυμηθούμε ότι η συγκέντρωση των μορίων αερίου που βρίσκονται πάνω από το υγρό είναι πολύ μικρότερη από τη συγκέντρωση των μορίων του υγρού. Το μόριο Β περιβάλλεται από τη μία πλευρά από υγρά μόρια και από την άλλη πλευρά από μόρια αερίου εξαιρετικά σπάνιας. Δεδομένου ότι πολλά περισσότερα μόρια δρουν σε αυτό από την πλευρά του υγρού, το αποτέλεσμα όλων των διαμοριακών δυνάμεων θα κατευθυνθεί στο υγρό.

Έτσι, για να εισέλθει ένα μόριο από τα βάθη του υγρού στο επιφανειακό στρώμα, πρέπει να γίνει εργασία ενάντια στις μη αντισταθμισμένες διαμοριακές δυνάμεις.

Θυμηθείτε ότι η εργασία είναι η μεταβολή της δυνητικής ενέργειας που λαμβάνεται με το πρόσημο μείον.

Αυτό σημαίνει ότι τα μόρια του επιφανειακού στρώματος, σε σύγκριση με τα μόρια μέσα στο υγρό, έχουν περίσσεια δυναμικής ενέργειας.

Αυτή η περίσσεια ενέργειας είναι συστατικό της εσωτερικής ενέργειας του υγρού και ονομάζεται επιφανειακή ενέργεια. Ονομάζεται ως , και μετριέται, όπως κάθε άλλη ενέργεια, σε τζάουλ.

Προφανώς, όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια του υγρού, τόσο περισσότερα μόρια έχουν περίσσεια δυναμικής ενέργειας, και επομένως τόσο μεγαλύτερη είναι η επιφανειακή ενέργεια. Αυτό το γεγονός μπορεί να γραφτεί με τη μορφή της παρακάτω σχέσης:

,

όπου είναι το εμβαδόν της επιφάνειας, και είναι ο συντελεστής αναλογικότητας, που θα ονομάσουμε συντελεστής επιφανειακής τάσης, αυτός ο συντελεστής χαρακτηρίζει αυτό ή εκείνο το υγρό. Ας γράψουμε έναν αυστηρό ορισμό αυτής της ποσότητας.

Η επιφανειακή τάση ενός υγρού (συντελεστής επιφανειακής τάσης ενός υγρού) είναι μια φυσική ποσότητα που χαρακτηρίζει ένα δεδομένο υγρό και είναι ίση με την αναλογία της επιφανειακής ενέργειας προς την επιφάνεια του υγρού

Ο συντελεστής επιφανειακής τάσης μετριέται σε Newton διαιρούμενο με μέτρο.

Ας συζητήσουμε από τι εξαρτάται ο συντελεστής επιφανειακής τάσης ενός υγρού. Αρχικά, ας θυμηθούμε ότι ο συντελεστής επιφανειακής τάσης χαρακτηρίζει την ειδική ενέργεια αλληλεπίδρασης των μορίων, πράγμα που σημαίνει ότι οι παράγοντες που αλλάζουν αυτή την ενέργεια θα αλλάξουν και τον συντελεστή επιφανειακής τάσης του υγρού.

Έτσι, ο συντελεστής επιφανειακής τάσης εξαρτάται από:

1. Η φύση του υγρού (τα «πτητικά» υγρά, όπως ο αιθέρας, η αλκοόλη και η βενζίνη, έχουν μικρότερη επιφανειακή τάση από τα «μη πτητικά» υγρά - νερό, υδράργυρος και υγρά μέταλλα).

2. Θερμοκρασίες (όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο μικρότερη είναι η επιφανειακή τάση).

3. Η παρουσία επιφανειοδραστικών ουσιών που μειώνουν την επιφανειακή τάση (επιφανειοδραστικές ουσίες), όπως σαπούνι ή σκόνη πλυσίματος.

4. Ιδιότητες υγρού που συνορεύει με αέριο.

Σημειώστε ότι ο συντελεστής επιφανειακής τάσης δεν εξαρτάται από το εμβαδόν της επιφάνειας, καθώς για ένα μεμονωμένο μόριο κοντά στην επιφάνεια είναι απολύτως ασήμαντο πόσα παρόμοια μόρια υπάρχουν γύρω. Δώστε προσοχή στον πίνακα, ο οποίος δείχνει τους συντελεστές επιφανειακής τάσης διαφόρων ουσιών σε θερμοκρασία:

Πίνακας 1. Συντελεστές επιφανειακής τάσης υγρών στη διεπιφάνεια με τον αέρα, στο

Έτσι, τα μόρια της επιφανειακής στιβάδας έχουν περίσσεια δυναμικής ενέργειας σε σύγκριση με τα μόρια στον κύριο όγκο του υγρού. Στο μάθημα της μηχανικής αποδείχθηκε ότι οποιοδήποτε σύστημα τείνει σε ένα ελάχιστο δυναμικό ενέργειας. Για παράδειγμα, ένα σώμα που ρίχνεται από ένα ορισμένο ύψος θα έχει την τάση να πέσει κάτω. Επιπλέον, νιώθετε πολύ πιο άνετα όταν ξαπλώνετε, αφού σε αυτή την περίπτωση το κέντρο μάζας του σώματός σας είναι όσο το δυνατόν πιο χαμηλό. Σε τι οδηγεί η επιθυμία να μειώσει κανείς τη δυναμική του ενέργεια στην περίπτωση ενός υγρού; Δεδομένου ότι η επιφανειακή ενέργεια εξαρτάται από την επιφάνεια, είναι ενεργειακά μειονεκτική για οποιοδήποτε υγρό να έχει μεγάλη επιφάνεια. Με άλλα λόγια, σε ελεύθερη κατάσταση, το υγρό θα τείνει να κάνει την επιφάνειά του ελάχιστη.

Μπορείτε εύκολα να το επαληθεύσετε πειραματιζόμενοι με φιλμ σαπουνιού. Εάν βουτήξετε ένα συγκεκριμένο πλαίσιο σύρματος σε ένα διάλυμα σαπουνιού, θα σχηματιστεί μια μεμβράνη σαπουνιού πάνω του και η μεμβράνη θα πάρει ένα σχήμα τέτοιο ώστε η επιφάνεια της να είναι ελάχιστη (Εικ. 2).

Ρύζι. 2. Φιγούρες από διάλυμα σαπουνιού

Μπορείτε να επαληθεύσετε την ύπαρξη δυνάμεων επιφανειακής τάσης χρησιμοποιώντας ένα απλό πείραμα. Εάν ένα νήμα είναι δεμένο σε ένα συρμάτινο δακτύλιο σε δύο σημεία, έτσι ώστε το μήκος του νήματος να είναι ελαφρώς μεγαλύτερο από το μήκος της χορδής που συνδέει τα σημεία σύνδεσης του νήματος, και βυθίστε τον συρμάτινο δακτύλιο σε διάλυμα σαπουνιού (Εικ. 3α), η μεμβράνη σαπουνιού θα καλύψει ολόκληρη την επιφάνεια του δακτυλίου και το νήμα θα απλωθεί σε μεμβράνη σαπουνιού. Εάν τώρα σκίσετε τη μεμβράνη στη μία πλευρά του νήματος, η μεμβράνη σαπουνιού που παραμένει στην άλλη πλευρά του νήματος θα συστέλλεται και θα σφίξει το νήμα (Εικ. 3β).

Ρύζι. 3. Πειραματιστείτε για να ανιχνεύσετε δυνάμεις επιφανειακής τάσης

Γιατί συνέβη αυτό; Το γεγονός είναι ότι το διάλυμα σαπουνιού που παραμένει στην κορυφή, δηλαδή το υγρό, τείνει να μειώνει την επιφάνεια του. Έτσι, το νήμα τραβιέται προς τα πάνω.

Έτσι, είμαστε πεπεισμένοι για την ύπαρξη επιφανειακής τάσης. Τώρα ας μάθουμε πώς να το υπολογίσουμε. Για να γίνει αυτό, ας πραγματοποιήσουμε ένα πείραμα σκέψης. Ας χαμηλώσουμε ένα συρμάτινο πλαίσιο στο διάλυμα σαπουνιού, του οποίου η μία πλευρά είναι κινητή (Εικ. 4). Θα τεντώσουμε τη μεμβράνη σαπουνιού ασκώντας δύναμη στην κινούμενη πλευρά του πλαισίου. Έτσι, τρεις δυνάμεις ενεργούν στην εγκάρσια ράβδο - μια εξωτερική δύναμη και δύο δυνάμεις επιφανειακής τάσης που δρουν κατά μήκος κάθε επιφάνειας του φιλμ. Χρησιμοποιώντας τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα, μπορούμε να το γράψουμε

Ρύζι. 4. Υπολογισμός δύναμης επιφανειακής τάσης

Εάν, υπό την επίδραση μιας εξωτερικής δύναμης, η εγκάρσια ράβδος μετακινηθεί σε απόσταση, τότε αυτή η εξωτερική δύναμη θα λειτουργήσει

Φυσικά, λόγω αυτής της εργασίας, η επιφάνεια της μεμβράνης θα αυξηθεί, πράγμα που σημαίνει ότι θα αυξηθεί και η επιφανειακή ενέργεια, την οποία μπορούμε να προσδιορίσουμε μέσω του συντελεστή επιφανειακής τάσης:

Η αλλαγή στην περιοχή, με τη σειρά της, μπορεί να προσδιοριστεί ως εξής:

όπου είναι το μήκος του κινητού τμήματος του συρμάτινου πλαισίου. Λαμβάνοντας αυτό υπόψη, μπορούμε να γράψουμε ότι το έργο που κάνει η εξωτερική δύναμη είναι ίσο με

Εξισώνοντας τις δεξιές πλευρές στα (*) και (**), λαμβάνουμε μια έκφραση για τη δύναμη επιφανειακής τάσης:

Έτσι, ο συντελεστής επιφανειακής τάσης είναι αριθμητικά ίσος με τη δύναμη επιφανειακής τάσης, η οποία δρα ανά μονάδα μήκους της γραμμής που οριοθετεί την επιφάνεια

Έτσι, είμαστε για άλλη μια φορά πεπεισμένοι ότι το υγρό τείνει να πάρει τέτοιο σχήμα που η επιφάνειά του είναι ελάχιστη. Μπορεί να φανεί ότι για έναν δεδομένο όγκο η επιφάνεια μιας σφαίρας θα είναι ελάχιστη. Έτσι, εάν δεν επιδρούν άλλες δυνάμεις στο υγρό ή η επίδρασή τους είναι μικρή, το υγρό θα τείνει να πάρει ένα σφαιρικό σχήμα. Έτσι θα συμπεριφέρεται, για παράδειγμα, το νερό σε μηδενική βαρύτητα (Εικ. 5) ή οι σαπουνόφουσκες (Εικ. 6).

Ρύζι. 5. Νερό σε μηδενική βαρύτητα

Ρύζι. 6. Σαπουνόφουσκες

Η παρουσία δυνάμεων επιφανειακής τάσης μπορεί επίσης να εξηγήσει γιατί μια μεταλλική βελόνα «βρίσκεται» στην επιφάνεια του νερού (Εικ. 7). Μια βελόνα, που τοποθετείται προσεκτικά σε μια επιφάνεια, την παραμορφώνει, αυξάνοντας έτσι την περιοχή αυτής της επιφάνειας. Έτσι, προκύπτει μια δύναμη επιφανειακής τάσης, η οποία τείνει να μειώσει μια τέτοια αλλαγή στην περιοχή. Οι δυνάμεις της επιφανειακής τάσης που προκύπτουν θα κατευθυνθούν προς τα πάνω και θα αντισταθμίσουν τη δύναμη της βαρύτητας.

Ρύζι. 7. Βελόνα στην επιφάνεια του νερού

Η αρχή της λειτουργίας μιας πιπέτας μπορεί να εξηγηθεί με τον ίδιο τρόπο. Το σταγονίδιο, το οποίο επηρεάζεται από τη βαρύτητα, έλκεται προς τα κάτω, αυξάνοντας έτσι την επιφάνειά του. Φυσικά, προκύπτουν δυνάμεις επιφανειακής τάσης, το αποτέλεσμα των οποίων είναι αντίθετο από την κατεύθυνση της βαρύτητας και οι οποίες εμποδίζουν το σταγονίδιο να τεντωθεί (Εικ. 8). Όταν πιέζετε προς τα κάτω το λαστιχένιο καπάκι της πιπέτας, δημιουργείτε πρόσθετη πίεση, η οποία βοηθά τη βαρύτητα, και ως αποτέλεσμα, η σταγόνα πέφτει κάτω.

Ρύζι. 8. Πώς λειτουργεί η πιπέτα

Ας δώσουμε ένα άλλο παράδειγμα από την καθημερινότητα. Αν βουτήξετε ένα πινέλο σε ένα ποτήρι νερό, οι τρίχες θα αφρατέψουν. Αν τώρα βγάλετε αυτό το πινέλο από το νερό, θα παρατηρήσετε ότι όλες οι τρίχες είναι κολλημένες μεταξύ τους. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η επιφάνεια του νερού που προσκολλάται στη βούρτσα θα είναι τότε ελάχιστη.

Και ένα ακόμη παράδειγμα. Εάν θέλετε να χτίσετε ένα κάστρο από ξηρή άμμο, είναι απίθανο να τα καταφέρετε, καθώς η άμμος θα θρυμματιστεί υπό την επίδραση της βαρύτητας. Ωστόσο, εάν βρέξετε άμμο, θα διατηρήσει το σχήμα της λόγω των δυνάμεων της επιφανειακής τάσης του νερού ανάμεσα στους κόκκους της άμμου.

Τέλος, σημειώνουμε ότι η θεωρία της επιφανειακής τάσης βοηθά στην εύρεση όμορφων και απλών αναλογιών για την επίλυση πιο περίπλοκων φυσικών προβλημάτων. Για παράδειγμα, όταν χρειάζεται να φτιάξετε μια ελαφριά και ταυτόχρονα ισχυρή δομή, η φυσική του τι συμβαίνει στις σαπουνόφουσκες έρχεται στη διάσωση. Και ήταν δυνατό να κατασκευαστεί το πρώτο επαρκές μοντέλο του ατομικού πυρήνα παρομοιάζοντας αυτόν τον ατομικό πυρήνα με μια σταγόνα φορτισμένου υγρού.

Βιβλιογραφία

1. G. Ya. Myakishev, B. B. Bukhovtsev, N. N. Sotsky. «Φυσική 10». - Μ.: Εκπαίδευση, 2008.
2. Ya. E. Geguzin "Bubbles", Quantum Library. - Μ.: Nauka, 1985.
3. B. M. Yavorsky, A. A. Pinsky “Fundamentals of Physics” τ. 1.
4. G. S. Landsberg “Elementary textbook of physics” τ. 1.

1. Nkj.ru ().
2. Youtube.com().
3. Youtube.com().
4. Youtube.com().

Εργασία για το σπίτι

1. Έχοντας λύσει τα προβλήματα για αυτό το μάθημα, μπορείτε να προετοιμαστείτε για τις ερωτήσεις 7,8,9 της Κρατικής Εξέτασης και τις ερωτήσεις Α8, Α9, Α10 της Ενιαίας Κρατικής Εξέτασης.
2. Gelfgat I.M., Nenashev I.Yu. "Η φυσικη. Συλλογή προβλημάτων για τον βαθμό 10" 5.34, 5.43, 5.44, 5.47 ()
3. Με βάση το πρόβλημα 5.47, προσδιορίστε τον συντελεστή επιφανειακής τάσης του διαλύματος νερού και σαπουνιού.

Λίστα ερωτήσεων και απαντήσεων

Ερώτηση:Γιατί αλλάζει η επιφανειακή τάση με τη θερμοκρασία;

Απάντηση:Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, τα μόρια του υγρού αρχίζουν να κινούνται πιο γρήγορα και επομένως τα μόρια ξεπερνούν ευκολότερα τις δυνάμει δυνάμεις έλξης. Πράγμα που οδηγεί σε μείωση των δυνάμεων επιφανειακής τάσης, οι οποίες είναι δυνάμει δυνάμεις που δεσμεύουν μόρια του επιφανειακού στρώματος ενός υγρού.

Ερώτηση:Ο συντελεστής επιφανειακής τάσης εξαρτάται από την πυκνότητα του υγρού;

Απάντηση:Ναι, ναι, αφού η ενέργεια των μορίων στο επιφανειακό στρώμα του υγρού εξαρτάται από την πυκνότητα του υγρού.

Ερώτηση:Ποιες μέθοδοι υπάρχουν για τον προσδιορισμό του συντελεστή επιφανειακής τάσης ενός υγρού;

Απάντηση:Στο σχολικό μάθημα μελετούν δύο τρόπους προσδιορισμού του συντελεστή επιφανειακής τάσης ενός υγρού. Η πρώτη είναι η μέθοδος σχίσεως καλωδίων, η αρχή της περιγράφεται στο πρόβλημα 5.44 από την εργασία στο σπίτι, η δεύτερη είναι η μέθοδος μέτρησης σταγόνων, που περιγράφεται στο πρόβλημα 5.47.

Ερώτηση:Γιατί οι σαπουνόφουσκες καταρρέουν μετά από λίγο;

Απάντηση:Το γεγονός είναι ότι μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, υπό την επίδραση της βαρύτητας, η φυσαλίδα γίνεται πιο παχιά στο κάτω μέρος παρά στην κορυφή και στη συνέχεια, υπό την επίδραση της εξάτμισης, καταρρέει σε κάποιο σημείο. Αυτό οδηγεί στο γεγονός ότι ολόκληρη η φυσαλίδα, όπως ένα μπαλόνι, καταρρέει υπό την επίδραση μη αντισταθμιζόμενων δυνάμεων επιφανειακής τάσης.

Η επιφανειακή τάση περιγράφει την ικανότητα ενός υγρού να αντιστέκεται στη βαρύτητα. Για παράδειγμα, το νερό σε μια επιφάνεια τραπεζιού σχηματίζει σταγονίδια επειδή τα μόρια του νερού έλκονται μεταξύ τους, γεγονός που εξουδετερώνει τη δύναμη της βαρύτητας. Είναι χάρη στην επιφανειακή τάση που βαρύτερα αντικείμενα, όπως τα έντομα, μπορούν να συγκρατηθούν στην επιφάνεια του νερού. Η επιφανειακή τάση μετριέται σε δύναμη (N) διαιρούμενη με τη μονάδα μήκους (m) ή την ποσότητα ενέργειας ανά μονάδα επιφάνειας. Η δύναμη με την οποία αλληλεπιδρούν τα μόρια του νερού (συνεκτική δύναμη) προκαλεί ένταση, με αποτέλεσμα το σχηματισμό σταγονιδίων νερού (ή άλλων υγρών). Η επιφανειακή τάση μπορεί να μετρηθεί χρησιμοποιώντας μερικά απλά στοιχεία που βρίσκονται σχεδόν σε κάθε σπίτι και μια αριθμομηχανή.

Βήματα

Χρησιμοποιώντας ένα rocker

Γράψτε την εξίσωση για την επιφανειακή τάση.Σε αυτό το πείραμα, η εξίσωση για τον προσδιορισμό της επιφανειακής τάσης είναι η εξής: F = 2Sd, Οπου φά- δύναμη σε νεύτονα (N), μικρό- επιφανειακή τάση σε Newton ανά μέτρο (N/m), ρε- μήκος της βελόνας που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα. Ας εκφράσουμε την επιφανειακή τάση από αυτή την εξίσωση: S = F/2d.

• Η δύναμη θα υπολογιστεί στο τέλος του πειράματος.
• Πριν ξεκινήσετε το πείραμα, χρησιμοποιήστε έναν χάρακα για να μετρήσετε το μήκος της βελόνας σε μέτρα.

1. Κατασκευάστε ένα μικρό βραχίονα.Σε αυτό το πείραμα, ένας λικνίσκος και μια μικρή βελόνα που επιπλέει στην επιφάνεια του νερού χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της επιφανειακής τάσης. Είναι απαραίτητο να εξετάσετε προσεκτικά την κατασκευή του rocker, καθώς η ακρίβεια του αποτελέσματος εξαρτάται από αυτό. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε διάφορα υλικά, το κύριο πράγμα είναι να φτιάξετε μια οριζόντια εγκάρσια ράβδο από κάτι σκληρό: ξύλο, πλαστικό ή χοντρό χαρτόνι.

   • Εντοπίστε το κέντρο της ράβδου (όπως ένα καλαμάκι ή πλαστικό χάρακα) που σκοπεύετε να χρησιμοποιήσετε ως εγκάρσια ράβδο και ανοίξτε ή ανοίξτε μια τρύπα σε αυτή τη θέση. αυτό θα είναι το υπομόχλιο της εγκάρσιας ράβδου πάνω στην οποία θα περιστρέφεται ελεύθερα. Εάν χρησιμοποιείτε πλαστικό καλαμάκι, απλώς τρυπήστε το με μια καρφίτσα ή ένα καρφί.
   • Ανοίξτε ή ανοίξτε τρύπες στα άκρα της εγκάρσιας ράβδου έτσι ώστε να βρίσκονται στην ίδια απόσταση από το κέντρο. Περάστε κλωστές μέσα από τις τρύπες για να κρεμάσετε το κύπελλο και τη βελόνα.
   • Εάν είναι απαραίτητο, στηρίξτε τον βραχίονα του βραχίονα με βιβλία ή άλλα αρκετά σκληρά αντικείμενα ώστε να διατηρείται οριζόντια η εγκάρσια ράβδος. Είναι απαραίτητο η εγκάρσια ράβδος να περιστρέφεται ελεύθερα γύρω από ένα καρφί ή ράβδο που έχει εισαχθεί στη μέση της.

2. Πάρτε ένα κομμάτι αλουμινόχαρτο και τυλίξτε το σε σχήμα κουτιού ή πιατιού.Δεν είναι καθόλου απαραίτητο αυτό το πιατάκι να έχει το σωστό τετράγωνο ή στρογγυλό σχήμα. Θα το γεμίσετε με νερό ή άλλο βάρος, οπότε βεβαιωθείτε ότι μπορεί να αντέξει το βάρος.

   • Κρεμάστε ένα αλουμινόχαρτο ή πιατάκι από τη μία άκρη της ράβδου. Κάντε μικρές τρύπες στις άκρες του πιατιού και περάστε μια κλωστή από μέσα τους έτσι ώστε το πιατάκι να κρέμεται στην εγκάρσια ράβδο.

3. Κρεμάστε μια βελόνα ή συνδετήρα από το άλλο άκρο της ράβδου έτσι ώστε να είναι οριζόντια.Δέστε μια βελόνα ή ένα συνδετήρα οριζόντια στο νήμα που κρέμεται από την άλλη άκρη της εγκάρσιας ράβδου. Για να είναι επιτυχές το πείραμα, είναι απαραίτητο να τοποθετήσετε τη βελόνα ή τον συνδετήρα ακριβώς οριζόντια.

4. Τοποθετήστε κάτι, όπως ζύμη παιχνιδιού, στη μπάρα για να ισορροπήσει το δοχείο από αλουμινόχαρτο. Πριν ξεκινήσετε το πείραμα, είναι απαραίτητο να βεβαιωθείτε ότι η εγκάρσια μπάρα είναι οριζόντια. Το πιατάκι από αλουμινόχαρτο είναι βαρύτερο από τη βελόνα, οπότε στο πλάι η εγκάρσια μπάρα θα κατέβει. Συνδέστε αρκετή πλαστελίνη στην αντίθετη πλευρά της εγκάρσιας ράβδου έτσι ώστε να είναι οριζόντια.

   • Αυτό ονομάζεται εξισορρόπηση.

5. Τοποθετήστε μια βελόνα ή ένα συνδετήρα που κρέμεται από μια κλωστή σε ένα δοχείο με νερό.Αυτό το βήμα θα απαιτήσει επιπλέον προσπάθεια για να τοποθετήσετε τη βελόνα στην επιφάνεια του νερού. Βεβαιωθείτε ότι η βελόνα δεν βυθίζεται στο νερό. Γεμίστε ένα δοχείο με νερό (ή άλλο υγρό με άγνωστη επιφανειακή τάση) και τοποθετήστε το κάτω από την κρεμαστή βελόνα, έτσι ώστε η βελόνα να βρίσκεται απευθείας στην επιφάνεια του υγρού.

   • Βεβαιωθείτε ότι το σχοινί που συγκρατεί τη βελόνα παραμένει στη θέση του και είναι αρκετά τεντωμένο.

6. Ζυγίστε μερικές καρφίτσες ή μια μικρή ποσότητα μετρούμενων σταγόνων νερού σε μικρή κλίμακα.Θα προσθέσετε μια καρφίτσα ή μια σταγόνα νερό στο αλουμινένιο πιατάκι στον βραχίονα. Σε αυτή την περίπτωση, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε το ακριβές βάρος με το οποίο η βελόνα θα ξεκολλήσει από την επιφάνεια του νερού.

   • Μετρήστε τον αριθμό των καρφίδων ή των σταγόνων νερού και ζυγίστε τις.
   • Προσδιορίστε το βάρος μιας καρφίτσας ή μιας σταγόνας νερού. Για να το κάνετε αυτό, διαιρέστε το συνολικό βάρος με τον αριθμό των ακίδων ή σταγόνων.
   • Ας πούμε ότι 30 καρφίτσες ζυγίζουν 15 γραμμάρια, μετά 15/30 = 0,5, δηλαδή μια καρφίτσα ζυγίζει 0,5 γραμμάρια.

7. Προσθέστε καρφίτσες ή σταγόνες νερό, μία κάθε φορά, στο πιατάκι με αλουμινόχαρτο μέχρι να σηκωθεί η καρφίτσα από την επιφάνεια του νερού. Προσθέστε σταδιακά μια καρφίτσα ή σταγόνα νερό τη φορά. Παρακολουθήστε τη βελόνα προσεκτικά για να μην χάσετε τη στιγμή που, μετά την επόμενη αύξηση του φορτίου, βγαίνει από το νερό. Μόλις η βελόνα φύγει από την επιφάνεια του υγρού, σταματήστε να προσθέτετε καρφίτσες ή σταγόνες νερού.

   • Μετρήστε τον αριθμό των καρφίδων ή των σταγόνων νερού πριν η βελόνα στο αντίθετο άκρο της ράβδου ξεκολλήσει από την επιφάνεια του νερού.
   • Καταγράψτε το αποτέλεσμα.
   • Επαναλάβετε το πείραμα αρκετές (5 ή 6) φορές για να έχετε πιο ακριβή αποτελέσματα.
   • Υπολογίστε τον μέσο όρο των αποτελεσμάτων που προέκυψαν. Για να το κάνετε αυτό, αθροίστε τον αριθμό των καρφίδων ή σταγόνων σε όλα τα πειράματα και διαιρέστε το άθροισμα με τον αριθμό των πειραμάτων.

8. Μετατρέψτε τον αριθμό των ακίδων σε δύναμη.Για να το κάνετε αυτό, πολλαπλασιάστε τον αριθμό των γραμμαρίων με 0,00981 N/g. Για να υπολογίσετε την επιφανειακή τάση, πρέπει να γνωρίζετε τη δύναμη που απαιτήθηκε για την ανύψωση της βελόνας από την επιφάνεια του νερού. Εφόσον υπολογίσατε το βάρος των ακίδων στο προηγούμενο βήμα, για να προσδιορίσετε τη δύναμη, απλώς πολλαπλασιάστε αυτό το βάρος με 0,00981 N/g.

   • Πολλαπλασιάστε τον αριθμό των καρφίδων που τοποθετήθηκαν στο πιατάκι με το βάρος μιας καρφίτσας. Για παράδειγμα, αν βάλετε 5 καρφίτσες βάρους 0,5 γραμμαρίων, το συνολικό τους βάρος θα είναι 0,5 g/pin = 5 x 0,5 = 2,5 γραμμάρια.
   • Πολλαπλασιάστε τον αριθμό των γραμμαρίων με τον παράγοντα 0,00981 N/g: 2,5 x 0,00981 = 0,025 N.

9. Αντικαταστήστε τις προκύπτουσες τιμές στην εξίσωση και βρείτε την επιθυμητή τιμή.Χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα που ελήφθησαν κατά τη διάρκεια του πειράματος, μπορεί να προσδιοριστεί η επιφανειακή τάση. Απλώς συνδέστε τις τιμές που βρέθηκαν και υπολογίστε το αποτέλεσμα.

   • Ας πούμε ότι στο παραπάνω παράδειγμα, το μήκος της βελόνας είναι 0,025 μέτρα. Αντικαθιστούμε τις τιμές στην εξίσωση και παίρνουμε: S = F/2d = 0,025 N/(2 x 0,025) = 0,05 N/m. Έτσι, η επιφανειακή τάση του υγρού είναι 0,05 N/m.

Υγρό–μια ουσία σε υγρή κατάσταση συσσωμάτωσης, που καταλαμβάνει μια ενδιάμεση θέση μεταξύ στερεών και αέριων καταστάσεων. Η κύρια ιδιότητα ενός υγρού, που το διακρίνει από ουσίες σε άλλες καταστάσεις συσσωμάτωσης, είναι η ικανότητα να αλλάζει το σχήμα του επ' αόριστον υπό την επίδραση εφαπτομενικών μηχανικών τάσεων, ακόμη και αυθαίρετα μικρές, διατηρώντας πρακτικά τον όγκο του.

Γενικές πληροφορίες για την υγρή κατάσταση

Η υγρή κατάσταση θεωρείται συνήθως ενδιάμεση μεταξύ ενός στερεού και ενός αερίου: ένα αέριο δεν διατηρεί ούτε όγκο ούτε σχήμα, αλλά ένα στερεό διατηρεί και τα δύο.

Το σχήμα των υγρών σωμάτων μπορεί να προσδιοριστεί εξ ολοκλήρου ή εν μέρει από το γεγονός ότι η επιφάνειά τους συμπεριφέρεται σαν μια ελαστική μεμβράνη. Έτσι, το νερό μπορεί να μαζευτεί σταγόνες. Αλλά ένα υγρό είναι ικανό να ρέει ακόμη και κάτω από την ακίνητη επιφάνειά του, και αυτό σημαίνει επίσης ότι η μορφή (τα εσωτερικά μέρη του υγρού σώματος) δεν διατηρείται.

Τα υγρά μόρια δεν έχουν καθορισμένη θέση, αλλά ταυτόχρονα δεν έχουν πλήρη ελευθερία κινήσεων. Υπάρχει μια έλξη ανάμεσά τους, αρκετά δυνατή για να τους κρατήσει κοντά.

Μια ουσία σε υγρή κατάσταση υπάρχει σε ένα ορισμένο εύρος θερμοκρασίας, κάτω από το οποίο μετατρέπεται σε στερεή κατάσταση (συμβαίνει κρυστάλλωση ή μετατροπή σε στερεή άμορφη κατάσταση - γυαλί), πάνω από την οποία μετατρέπεται σε αέρια κατάσταση (συμβαίνει εξάτμιση). Τα όρια αυτού του διαστήματος εξαρτώνται από την πίεση.

Κατά κανόνα, μια ουσία σε υγρή κατάσταση έχει μόνο μία τροποποίηση. (Οι πιο σημαντικές εξαιρέσεις είναι τα κβαντικά υγρά και οι υγροί κρύσταλλοι.) Επομένως, στις περισσότερες περιπτώσεις, ένα υγρό δεν είναι μόνο μια κατάσταση συσσωμάτωσης, αλλά και μια θερμοδυναμική φάση (υγρή φάση).

Όλα τα υγρά συνήθως χωρίζονται σε καθαρά υγρά και μείγματα. Μερικά μείγματα υγρών έχουν μεγάλη σημασία για τη ζωή: αίμα, θαλασσινό νερόκλπ. Τα υγρά μπορούν να λειτουργήσουν ως διαλύτες.

Φυσικές ιδιότητεςυγρά

1 ).Ρευστότητα

Η κύρια ιδιότητα των υγρών είναι η ρευστότητα. Εάν ασκηθεί εξωτερική δύναμη σε ένα τμήμα ενός υγρού που βρίσκεται σε ισορροπία, τότε προκύπτει μια ροή υγρών σωματιδίων προς την κατεύθυνση που ασκείται αυτή η δύναμη: το υγρό ρέει. Έτσι, υπό την επίδραση των ανισόρροπων εξωτερικές δυνάμειςτο υγρό δεν διατηρεί το σχήμα του και τη σχετική διάταξη των μερών του και επομένως παίρνει το σχήμα του δοχείου στο οποίο βρίσκεται.

Σε αντίθεση με τα πλαστικά στερεά, ένα υγρό δεν έχει όριο απόδοσης: αρκεί να ασκηθεί μια αυθαίρετα μικρή εξωτερική δύναμη για να ρέει το υγρό.

2).Διατήρηση όγκου

Μία από τις χαρακτηριστικές ιδιότητες ενός υγρού είναι ότι έχει ορισμένο όγκο (υπό σταθερές εξωτερικές συνθήκες). Ένα υγρό είναι εξαιρετικά δύσκολο να συμπιεστεί μηχανικά επειδή, σε αντίθεση με ένα αέριο, υπάρχουν πολύ λίγα μεταξύ των μορίων ελεύθερος χώρος. Η πίεση που ασκείται σε ένα υγρό που περικλείεται σε ένα δοχείο μεταδίδεται χωρίς αλλαγή σε κάθε σημείο του όγκου αυτού του υγρού (ο νόμος του Pascal ισχύει και για τα αέρια). Αυτό το χαρακτηριστικό, μαζί με την πολύ χαμηλή συμπιεστότητα, χρησιμοποιείται σε υδραυλικές μηχανές.

Τα υγρά γενικά αυξάνονται σε όγκο (διαστέλλονται) όταν θερμαίνονται και μειώνονται σε όγκο (συστέλλονται) όταν ψύχονται. Ωστόσο, υπάρχουν εξαιρέσεις, για παράδειγμα, το νερό συστέλλεται όταν θερμαίνεται, σε κανονική πίεση και θερμοκρασία από έως περίπου .

3).Ιξώδες

Επιπλέον, τα υγρά (όπως τα αέρια) χαρακτηρίζονται από ιξώδες. Ορίζεται ως η ικανότητα αντίστασης στην κίνηση ενός μέρους σε σχέση με ένα άλλο - δηλαδή ως εσωτερική τριβή.

Όταν γειτονικά στρώματα υγρού κινούνται μεταξύ τους, αναπόφευκτα συμβαίνουν συγκρούσεις μορίων επιπλέον εκείνων που προκαλούνται από τη θερμική κίνηση. Εμφανίζονται δυνάμεις που αναστέλλουν την ομαλή κίνηση. Σε αυτή την περίπτωση, η κινητική ενέργεια της διατεταγμένης κίνησης μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια χαοτικής κίνησης των μορίων.

Το υγρό στο δοχείο, που τίθεται σε κίνηση και αφήνεται στην τύχη του, σταδιακά θα σταματήσει, αλλά η θερμοκρασία του θα αυξηθεί.

4).Ανάμικτο

Αναμειξιμότητα είναι η ικανότητα των υγρών να διαλύονται μεταξύ τους. Ένα παράδειγμα αναμίξιμων υγρών: νερό και αιθυλική αλκοόλη, ένα παράδειγμα μη αναμίξιμων υγρών: νερό και υγρό λάδι.

5).Ελεύθερος σχηματισμός επιφάνειας και επιφανειακή τάση

Λόγω της διατήρησης του όγκου, το υγρό μπορεί να σχηματίσει μια ελεύθερη επιφάνεια. Μια τέτοια επιφάνεια είναι η διεπαφή μεταξύ των φάσεων μιας δεδομένης ουσίας: στη μία πλευρά υπάρχει μια υγρή φάση, στην άλλη υπάρχει μια αέρια φάση (ατμός) και, πιθανώς, άλλα αέρια, για παράδειγμα, αέρας.

Εάν η υγρή και η αέρια φάση της ίδιας ουσίας έρθουν σε επαφή, προκύπτουν δυνάμεις που τείνουν να μειώσουν την περιοχή διεπαφής - δυνάμεις επιφανειακής τάσης. Η διεπαφή συμπεριφέρεται σαν μια ελαστική μεμβράνη που τείνει να συστέλλεται.

6).Κύματα πυκνότητας

Αν και ένα υγρό είναι εξαιρετικά δύσκολο να συμπιεστεί, ο όγκος και η πυκνότητά του εξακολουθούν να αλλάζουν όταν αλλάζει η πίεση. Αυτό δεν συμβαίνει αμέσως. Έτσι, εάν μια περιοχή συμπιέζεται, τότε αυτή η συμπίεση μεταδίδεται σε άλλες περιοχές με καθυστέρηση. Αυτό σημαίνει ότι τα ελαστικά κύματα, πιο συγκεκριμένα τα κύματα πυκνότητας, μπορούν να διαδοθούν μέσα στο υγρό. Μαζί με την πυκνότητα αλλάζουν και άλλα φυσικά μεγέθη, όπως η θερμοκρασία.

Εάν, καθώς διαδίδεται το κύμα, η πυκνότητα αλλάζει ελαφρώς, ένα τέτοιο κύμα ονομάζεται ηχητικό κύμα ή ήχος.

Εάν η πυκνότητα αλλάξει αρκετά έντονα, τότε ένα τέτοιο κύμα ονομάζεται κρουστικό κύμα. Το κρουστικό κύμα περιγράφεται από άλλες εξισώσεις.

Τα κύματα πυκνότητας σε ένα υγρό είναι διαμήκη, δηλαδή η πυκνότητα αλλάζει κατά την κατεύθυνση διάδοσης του κύματος. Δεν υπάρχουν εγκάρσια ελαστικά κύματα στο υγρό λόγω μη διατήρησης του σχήματος.

Τα ελαστικά κύματα σε ένα υγρό εξασθενούν με την πάροδο του χρόνου, η ενέργειά τους σταδιακά μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια. Οι λόγοι της εξασθένησης είναι το ιξώδες, η «κλασική απορρόφηση», η μοριακή χαλάρωση και άλλα. Σε αυτή την περίπτωση, λειτουργεί το λεγόμενο δεύτερο, ή ογκομετρικό ιξώδες - εσωτερική τριβή όταν αλλάζει η πυκνότητα. Το κρουστικό κύμα, ως αποτέλεσμα της εξασθένησης, μετά από κάποιο χρονικό διάστημα μετατρέπεται σε ηχητικό κύμα.

Τα ελαστικά κύματα σε ένα υγρό υπόκεινται επίσης σε σκέδαση από ανομοιογένειες που προκύπτουν από τη χαοτική θερμική κίνηση των μορίων.

Δομή υγρών

Πειραματικές μελέτες της υγρής κατάστασης της ύλης, βασισμένες στην παρατήρηση της περίθλασης ακτίνων Χ και των ροών νετρονίων καθώς περνούν μέσα από υγρά μέσα, ανακάλυψαν την παρουσία παραγγελία μικρής εμβέλειας, δηλ. η παρουσία κάποιας τάξης στη διάταξη των σωματιδίων μόνο σε μικρή απόσταση από οποιαδήποτε επιλεγμένη θέση (Εικ. 140).

Η αμοιβαία διάταξη των γειτονικών σωματιδίων στα υγρά είναι παρόμοια με τη διατεταγμένη διάταξη των γειτονικών σωματιδίων στους κρυστάλλους. Ωστόσο, αυτή η σειρά στα υγρά παρατηρείται μόνο σε μικρούς όγκους. Σε αποστάσεις: από κάποιο επιλεγμένο «κεντρικό» μόριο, η σειρά διαταράσσεται (είναι η πραγματική διάμετρος του μορίου). Μια τέτοια διάταξη στη διάταξη των σωματιδίων σε υγρά ονομάζεται τάξη μικρής εμβέλειας. .

Λόγω της έλλειψης σειράς μεγάλης εμβέλειας, τα υγρά, με ελάχιστες εξαιρέσεις, δεν παρουσιάζουν την ανισοτροπία που χαρακτηρίζει τους κρυστάλλους. Για το λόγο αυτό, η δομή του υγρού μερικές φορές ονομάζεται οιονεί κρυσταλλική ή κρυσταλλική .

Για πρώτη φορά, η ιδέα της ομοιότητας ορισμένων ιδιοτήτων υγρών (ιδιαίτερα τήγματος μετάλλων) και κρυσταλλικών στερεών εκφράστηκε και στη συνέχεια αναπτύχθηκε στα έργα του σοβιετικού φυσικού Ya.I. Frenkel πίσω στη δεκαετία του 1930-1940. Σύμφωνα με τις απόψεις του Frenkel, οι οποίες έχουν πλέον αναγνωριστεί παγκοσμίως, η θερμική κίνηση των ατόμων και των μορίων σε ένα υγρό αποτελείται από ακανόνιστες δονήσεις με μέση συχνότητα κοντά στη συχνότητα των δονήσεων των ατόμων σε κρυσταλλικά σώματα. Το κέντρο των ταλαντώσεων καθορίζεται από το πεδίο δύναμης των γειτονικών σωματιδίων και μετατοπίζεται μαζί με τις μετατοπίσεις αυτών των σωματιδίων.

Με απλοποιημένο τρόπο, μπορεί κανείς να φανταστεί μια τέτοια θερμική κίνηση όπως η υπέρθεση σχετικά σπάνιων αλμάτων σωματιδίων από τη μια προσωρινή θέση ισορροπίας σε μια άλλη και θερμικές ταλαντώσεις στα διαστήματα μεταξύ των αλμάτων. Ο μέσος χρόνος «καθιζημένης» παραμονής ενός υγρού μορίου κοντά σε μια ορισμένη θέση ισορροπίας ονομάζεται ώρα χαλάρωσης.Μετά την πάροδο του χρόνου, το μόριο αλλάζει τη θέση ισορροπίας του, μετακινούμενο απότομα σε μια νέα θέση, που χωρίζεται από την προηγούμενη κατά μια απόσταση της τάξης του μεγέθους των ίδιων των μορίων. Έτσι, το μόριο κινείται αργά μέσα στο υγρό. Με την αύξηση της θερμοκρασίας, ο χρόνος μειώνεται, η κινητικότητα των μορίων αυξάνεται, γεγονός που συνεπάγεται μείωση του ιξώδους των υγρών (αυξάνεται η ρευστότητα). Σύμφωνα με τη μεταφορική έκφραση του Ya.I. Frenkel, τα μόρια περιφέρονται σε όλο τον όγκο του υγρού, οδηγώντας έναν νομαδικό τρόπο ζωής, στον οποίο οι βραχυπρόθεσμες κινήσεις αντικαθίστανται από σχετικά μεγάλες περιόδους καθιστικής ζωής.

Τα άμορφα στερεά (γυαλί, ρητίνες, άσφαλτος κ.λπ.) μπορούν να θεωρηθούν ως υπερψυγμένα υγρά, τα σωματίδια των οποίων έχουν περιορισμένη κινητικότητα λόγω του πολύ αυξημένου ιξώδους τους.

Λόγω της χαμηλής τάξης της υγρής κατάστασης, η θεωρία των υγρών αποδεικνύεται ότι είναι λιγότερο ανεπτυγμένη από τη θεωρία των αερίων και των κρυσταλλικών στερεών. Δεν υπάρχει ακόμη πλήρης θεωρία για το υγρό.

Ένας ειδικός τύπος υγρών είναι ορισμένες οργανικές ενώσεις που αποτελούνται από επιμήκη ή σε σχήμα δίσκου μόρια, ή τους λεγόμενους υγρούς κρυστάλλους. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των μορίων σε τέτοια υγρά τείνει να ευθυγραμμίζει τους μακρούς άξονες των μορίων με μια ορισμένη σειρά. Σε υψηλές θερμοκρασίες, η θερμική κίνηση το αποτρέπει και η ουσία είναι ένα συνηθισμένο υγρό. Σε θερμοκρασίες κάτω από την κρίσιμη, εμφανίζεται μια προτιμώμενη κατεύθυνση στο υγρό και προκύπτει σειρά προσανατολισμού μεγάλης εμβέλειας. Ενώ διατηρούν τα βασικά χαρακτηριστικά ενός υγρού, για παράδειγμα, τη ρευστότητα, οι υγροί κρύσταλλοι έχουν τις χαρακτηριστικές ιδιότητες των στερεών κρυστάλλων - ανισοτροπία μαγνητικής, ηλεκτρικής και οπτικές ιδιότητες. Αυτές οι ιδιότητες (μαζί με τη ρευστότητα) βρίσκονται σε πολλές τεχνικές εφαρμογές, για παράδειγμα, σε ηλεκτρονικά ρολόγια, αριθμομηχανές, κινητά τηλέφωνα, καθώς και σε οθόνες προσωπικών υπολογιστών, τηλεοράσεις, ως ενδείξεις, πίνακες αποτελεσμάτων και οθόνες για την εμφάνιση ψηφιακών, αλφαβητικών και αναλογικών πληροφοριών.

Επιφανειακή τάση

Το πιο ενδιαφέρον χαρακτηριστικό των υγρών είναι η παρουσία τους ελεύθερη επιφάνεια. Συνδέεται με την επιφάνεια του υγρού δωρεάν ενέργεια, ανάλογα με την ελεύθερη επιφάνεια του υγρού: . Δεδομένου ότι η ελεύθερη ενέργεια ενός απομονωμένου συστήματος τείνει στο ελάχιστο, το υγρό (ελλείψει εξωτερικών πεδίων) τείνει να πάρει μια μορφή που έχει μια ελάχιστη επιφάνεια. Έτσι, το πρόβλημα του σχήματος ενός υγρού ανάγεται σε ισοπεριμετρικό πρόβλημα υπό δεδομένες πρόσθετες συνθήκες (αρχική κατανομή, όγκος κ.λπ.). Μια ελεύθερη πτώση παίρνει το σχήμα σφαίρας, αλλά κάτω από πιο σύνθετες συνθήκες το πρόβλημα του σχήματος της υγρής επιφάνειας γίνεται εξαιρετικά δύσκολο.

Το υγρό, σε αντίθεση με τα αέρια, δεν γεμίζει ολόκληρο τον όγκο του δοχείου στο οποίο χύνεται. Σχηματίζεται μια διεπαφή μεταξύ υγρού και αερίου (ή ατμού), η οποία βρίσκεται σε ειδικές συνθήκες σε σύγκριση με το υπόλοιπο υγρό. Τα μόρια στο οριακό στρώμα ενός υγρού, σε αντίθεση με τα μόρια στο βάθος του, δεν περιβάλλονται από άλλα μόρια του ίδιου υγρού από όλες τις πλευρές. Οι δυνάμεις της διαμοριακής αλληλεπίδρασης που δρουν σε ένα από τα μόρια μέσα σε ένα υγρό από γειτονικά μόρια αντισταθμίζονται, κατά μέσο όρο, αμοιβαία (Εικ. 141).

Αλλά όλα τα μόρια, συμπεριλαμβανομένων των μορίων του οριακού στρώματος, πρέπει να βρίσκονται σε κατάσταση ισορροπίας. Αυτή η ισορροπία επιτυγχάνεται με ελαφρά μείωση της απόστασης μεταξύ των μορίων της επιφανειακής στιβάδας και των πλησιέστερων γειτόνων τους μέσα στο υγρό. Καθώς η απόσταση μεταξύ των μορίων μειώνεται, δημιουργούνται απωστικές δυνάμεις. Τα μόρια της επιφανειακής στιβάδας είναι συσκευασμένα κάπως πιο πυκνά, και ως εκ τούτου έχουν μια πρόσθετη παροχή δυναμικής ενέργειας σε σύγκριση με τα εσωτερικά μόρια. Ως εκ τούτου, Τα μόρια του επιφανειακού στρώματος ενός υγρού έχουν περίσσεια δυναμικής ενέργειας σε σύγκριση με τα μόρια μέσα στο υγρό, ίσο με ελεύθερη ενέργεια. .Έτσι η δυναμική ενέργεια της επιφάνειας ενός υγρού είναι ανάλογη με το εμβαδόν του: .

Είναι γνωστό από τη μηχανική ότι οι καταστάσεις ισορροπίας ενός συστήματος αντιστοιχούν στην ελάχιστη τιμή της δυναμικής του ενέργειας, δηλ. η ελεύθερη επιφάνεια του υγρού τείνει να μειώσει την έκτασή του. Το υγρό συμπεριφέρεται σαν δυνάμεις που δρουν εφαπτομενικά στην επιφάνειά του να συστέλλουν (έλκουν) αυτήν την επιφάνεια. Αυτές οι δυνάμεις ονομάζονται δυνάμεις επιφανειακής τάσης .