พื้นที่แรงตึงผิว เริ่มต้นในวิทยาศาสตร์ ค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิวของน้ำ

แรงตึงผิวของน้ำเป็นหนึ่งในคุณสมบัติที่น่าสนใจที่สุดของน้ำ

ต่อไปนี้เป็นคำจำกัดความหลายประการของคำนี้จากแหล่งข้อมูลที่มีความสามารถ

แรงตึงผิวคือ...

สารานุกรมการแพทย์ที่ยิ่งใหญ่

แรงตึงผิว (S.T.) คือแรงดึงดูดซึ่งแต่ละส่วนของฟิล์มพื้นผิว (พื้นผิวอิสระของของเหลวหรือจุดเชื่อมต่อใดๆ ระหว่างสองเฟส) กระทำต่อส่วนที่อยู่ติดกันของพื้นผิว ความดันภายในและ P. n. ชั้นผิวของของเหลวมีลักษณะเหมือนเมมเบรนที่ยืดออกอย่างยืดหยุ่น ตามแนวคิดที่พัฒนาโดย Chap อ๊าก ลาปลาซ คุณสมบัติของพื้นผิวของเหลวนี้ขึ้นอยู่กับ “แรงดึงดูดโมเลกุล ซึ่งลดลงอย่างรวดเร็วตามระยะทาง ภายในของเหลวที่เป็นเนื้อเดียวกัน แรงที่กระทำต่อแต่ละโมเลกุลจากโมเลกุลที่อยู่รอบๆ นั้นจะมีความสมดุลซึ่งกันและกัน แต่ใกล้กับพื้นผิว แรงลัพธ์ของแรงดึงดูดของโมเลกุลมุ่งเข้าด้านใน มันมีแนวโน้มที่จะดึงดูดโมเลกุลของพื้นผิวเข้าไปในความหนาของของเหลว เป็นผลให้ชั้นพื้นผิวทั้งหมดเหมือนกับฟิล์มยืดยืดหยุ่น ออกแรงกดอย่างมีนัยสำคัญต่อมวลภายในของของเหลวในทิศทางปกติกับพื้นผิว ตามการคำนวณ "ความดันภายใน" ซึ่งมีมวลของของเหลวทั้งหมดตั้งอยู่ถึงหลายพันบรรยากาศ เพิ่มขึ้นบนพื้นผิวนูนและลดลงบนพื้นผิวเว้า เนื่องจากมีแนวโน้มว่าพลังงานอิสระจะเหลือน้อยที่สุด ของเหลวใดๆ จึงมีแนวโน้มที่จะอยู่ในรูปแบบที่พื้นผิวซึ่งเป็นจุดกระทำของแรงพื้นผิว มีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ยิ่งพื้นผิวของของเหลวมีขนาดใหญ่ขึ้นเท่าใด พื้นที่ที่ฟิล์มบนพื้นผิวของของเหลวครอบครองก็จะมากขึ้นเท่านั้น การจ่ายพลังงานพื้นผิวอิสระที่ปล่อยออกมาในระหว่างการหดตัวก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ความตึงเครียดที่แต่ละส่วนของฟิล์มพื้นผิวหดตัวกระทำกับชิ้นส่วนที่อยู่ติดกัน (ในทิศทางขนานกับพื้นผิวอิสระ) เรียกว่าความตึงเครียด ตรงกันข้ามกับความตึงแบบยืดหยุ่นของตัวที่ยืดแบบยืดหยุ่น P. n. ไม่อ่อนตัวลงเมื่อฟิล์มพื้นผิวหดตัว ... แรงตึงผิวเท่ากับงานที่ต้องทำเพื่อเพิ่มพื้นที่ว่างของของเหลวทีละหนึ่ง ป.ณ. สังเกตที่ส่วนต่อประสานของของเหลวกับก๊าซ (รวมถึงไอของมันเองด้วย) กับของเหลวอื่นที่ไม่สามารถผสมรวมกันได้ หรือกับของแข็ง ในทำนองเดียวกัน วัตถุที่เป็นของแข็งจะมี P. n. ที่ชายแดนที่มีก๊าซและของเหลว ตรงกันข้ามกับ P. n. ซึ่งของเหลว (หรือของแข็ง) มีบนพื้นผิวว่างติดกับตัวกลางที่เป็นก๊าซ ความตึงเครียดที่ขอบเขตภายในของของเหลวสองเฟส (หรือของเหลวและของแข็ง) ถูกกำหนดอย่างสะดวกโดยใช้คำศัพท์พิเศษที่นำมาใช้ ในวรรณคดีเยอรมัน คำว่า "ความตึงเครียดชายแดน" (Grenzflachenspannung) หากสารละลายในของเหลวซึ่งจะลดค่า P ลง n. ดังนั้นพลังงานอิสระจะลดลงไม่เพียงแต่โดยการลดขนาดของพื้นผิวขอบเขตเท่านั้น แต่ยังผ่านการดูดซับด้วย: สารลดแรงตึงผิว (หรือสารออกฤทธิ์ของเส้นเลือดฝอย) จะสะสมในความเข้มข้นที่เพิ่มขึ้นในชั้นผิว...
…

สารานุกรมทางการแพทย์ขนาดใหญ่ 1970

ทั้งหมดข้างต้นสามารถสรุปได้ด้วยวิธีนี้ - โมเลกุลที่อยู่บนพื้นผิวของของเหลวใด ๆ รวมถึงน้ำจะถูกดึงดูดโดยโมเลกุลอื่น ๆ ภายในของเหลวซึ่งเป็นผลมาจากแรงตึงผิวที่เกิดขึ้น เราเน้นย้ำว่านี่เป็นความเข้าใจที่เรียบง่ายเกี่ยวกับคุณสมบัตินี้

แรงตึงผิวของน้ำ

เพื่อให้เข้าใจคุณสมบัตินี้ได้ดีขึ้น ต่อไปนี้คืออาการต่างๆ ของแรงตึงผิวของน้ำในชีวิตจริง:

• เมื่อเราเห็นน้ำหยดจากปลายก๊อกน้ำแทนที่จะไหล นี่คือแรงตึงผิวของน้ำ
• เมื่อหยดน้ำฝนหล่นเป็นรูปทรงกลมและยาวขึ้นเล็กน้อย นี่คือแรงตึงผิวของน้ำ
• เมื่อน้ำบนพื้นผิวกันน้ำมีรูปร่างเป็นทรงกลม นี่คือแรงตึงผิวของน้ำ
• ระลอกคลื่นที่ปรากฏขึ้นเมื่อลมพัดบนพื้นผิวอ่างเก็บน้ำก็แสดงถึงแรงตึงผิวของน้ำเช่นกัน
• น้ำในอวกาศมีรูปร่างเป็นทรงกลมเนื่องจากแรงตึงผิว
• แมลงน้ำสไตรเดอร์ลอยอยู่บนผิวน้ำด้วยคุณสมบัติของน้ำอย่างแม่นยำ
• หากคุณวางเข็มลงบนผิวน้ำอย่างระมัดระวัง เข็มก็จะลอยขึ้นมา
• หากเราสลับเทของเหลวที่มีความหนาแน่นและสีต่างกันลงในแก้ว เราจะเห็นว่ามันไม่ผสมกัน
• ฟองสบู่สีรุ้งยังแสดงถึงแรงตึงผิวอีกด้วย

ค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิว

พจนานุกรมอธิบายคำศัพท์โพลีเทคนิค

ค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิวคือความหนาแน่นเชิงเส้นของแรงตึงผิวที่พื้นผิวของของเหลวหรือที่จุดเชื่อมต่อระหว่างของเหลวสองชนิดที่ผสมกันไม่ได้

พจนานุกรมอธิบายคำศัพท์โพลีเทคนิค เรียบเรียง: V. Butakov, I. Fagradyants 2014

ด้านล่างนี้เรานำเสนอค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิว (K.s.n.) สำหรับของเหลวต่างๆ ที่อุณหภูมิ 20°C:

• ปริญญาเอก อะซิโตน - 0.0233 นิวตัน / เมตร;
• ปริญญาเอก เบนซิน - 0.0289 นิวตัน / เมตร;
• ปริญญาเอก น้ำกลั่น - 0.0727 นิวตัน / เมตร;
• ปริญญาเอก กลีเซอรอล - 0.0657 นิวตัน / เมตร;
• ปริญญาเอก น้ำมันก๊าด - 0.0289 นิวตัน / เมตร;
• ปริญญาเอก ปรอท - 0.4650 นิวตัน / เมตร;
• ปริญญาเอก เอทิลแอลกอฮอล์ - 0.0223 นิวตัน / เมตร;
• ปริญญาเอก อีเธอร์ - 0.0171 นิวตัน / เมตร

ค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิวของน้ำ

ค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิวขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของของเหลว ให้เรานำเสนอค่าของมันที่อุณหภูมิน้ำต่างๆ

• ที่อุณหภูมิ 0°C - 75.64 σ, 10 –3 นิวตัน / เมตร;
• ที่อุณหภูมิ 10°C - 74.22 σ, 10 –3 นิวตัน / เมตร;
• ที่อุณหภูมิ 20°C - 72.25 σ, 10 –3 นิวตัน / เมตร;
• ที่อุณหภูมิ 30°C - 71.18 σ, 10 –3 นิวตัน / เมตร;
• ที่อุณหภูมิ 40°C - 69.56 σ, 10 –3 นิวตัน / เมตร;
• ที่อุณหภูมิ 50°C - 67.91 σ, 10 –3 นิวตัน / เมตร;
• ที่อุณหภูมิ 60°C - 66.18 σ, 10 –3 นิวตัน / เมตร;
• ที่อุณหภูมิ 70°C - 64.42 σ, 10 –3 นิวตัน / เมตร;
• ที่อุณหภูมิ 80°C - 62.61 σ, 10 –3 นิวตัน / เมตร;
• ที่อุณหภูมิ 90°C - 60.75 σ, 10 –3 นิวตัน / เมตร;
• ที่อุณหภูมิ 100°C - 58.85 σ, 10 -3 นิวตัน/เมตร

บทเรียนนี้จะกล่าวถึงของเหลวและคุณสมบัติของของเหลว จากมุมมองของฟิสิกส์สมัยใหม่ ของเหลวเป็นหัวข้อวิจัยที่ยากที่สุด เพราะเมื่อเปรียบเทียบกับก๊าซแล้ว เป็นไปไม่ได้ที่จะพูดถึงพลังงานอันไม่สำคัญของการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลอีกต่อไป และเมื่อเปรียบเทียบกับของแข็งแล้ว ก็เป็นไปไม่ได้ที่จะพูดถึง การจัดเรียงโมเลกุลของเหลวตามคำสั่ง (ไม่มีลำดับระยะยาวในของเหลว) สิ่งนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าของเหลวมีคุณสมบัติที่น่าสนใจหลายประการและลักษณะที่ปรากฏ เราจะพูดถึงคุณสมบัติดังกล่าวอย่างหนึ่งในบทเรียนนี้

ขั้นแรก เราจะมาพูดถึงคุณสมบัติพิเศษที่โมเลกุลในชั้นผิวของของเหลวมีเมื่อเปรียบเทียบกับโมเลกุลที่อยู่ในปริมาตร

ข้าว. 1. ความแตกต่างระหว่างโมเลกุลของชั้นผิวและโมเลกุลที่อยู่ในกลุ่มของเหลว

ลองพิจารณาโมเลกุล A และ B สองโมเลกุล โมเลกุล A อยู่ภายในของเหลว โมเลกุล B อยู่บนพื้นผิว (รูปที่ 1) โมเลกุล A ถูกล้อมรอบด้วยโมเลกุลอื่น ๆ ของของเหลวอย่างสม่ำเสมอ ดังนั้นแรงที่กระทำต่อโมเลกุล A จากโมเลกุลที่ตกลงไปทรงกลมของปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลจึงได้รับการชดเชยหรือผลลัพธ์ของพวกมันคือศูนย์

เกิดอะไรขึ้นกับโมเลกุล B ซึ่งอยู่ที่พื้นผิวของของเหลว? ให้เราระลึกว่าความเข้มข้นของโมเลกุลก๊าซที่อยู่เหนือของเหลวนั้นน้อยกว่าความเข้มข้นของโมเลกุลของเหลวมาก โมเลกุล B ล้อมรอบด้วยโมเลกุลของเหลวด้านหนึ่ง และอีกด้านหนึ่งมีโมเลกุลก๊าซที่ทำให้บริสุทธิ์สูง เนื่องจากมีโมเลกุลจำนวนมากมากระทำต่อมันจากด้านข้างของของเหลว ผลลัพธ์ของแรงระหว่างโมเลกุลทั้งหมดจึงมุ่งตรงไปยังของเหลว

ดังนั้น เพื่อให้โมเลกุลจากส่วนลึกของของเหลวเข้าสู่ชั้นผิวได้ จะต้องทำงานกับแรงระหว่างโมเลกุลที่ไม่ได้รับการชดเชย

โปรดจำไว้ว่างานคือการเปลี่ยนแปลงของพลังงานศักย์ที่มีเครื่องหมายลบ

ซึ่งหมายความว่าโมเลกุลของชั้นผิวเมื่อเทียบกับโมเลกุลภายในของเหลวมีพลังงานศักย์มากเกินไป

พลังงานส่วนเกินนี้เป็นส่วนประกอบของพลังงานภายในของของเหลวและเรียกว่า พลังงานพื้นผิว. มันถูกกำหนดให้เป็น และวัด เช่นเดียวกับพลังงานอื่นๆ มีหน่วยเป็นจูล

เห็นได้ชัดว่ายิ่งพื้นที่ผิวของของเหลวมีขนาดใหญ่ขึ้น โมเลกุลที่มีพลังงานศักย์มากเกินไปก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นพลังงานพื้นผิวก็จะยิ่งมากขึ้นตามไปด้วย ข้อเท็จจริงนี้สามารถเขียนได้ในรูปแบบของความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้:

,

โดยที่พื้นที่ผิวคือสัมประสิทธิ์สัดส่วนซึ่งเราจะเรียกว่า ค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิวสัมประสิทธิ์นี้เป็นลักษณะของของเหลวนี้หรือของเหลวนั้น ให้เราเขียนคำจำกัดความที่เข้มงวดของปริมาณนี้

แรงตึงผิวของของเหลว (สัมประสิทธิ์แรงตึงผิวของของเหลว) เป็นปริมาณทางกายภาพที่แสดงลักษณะของของเหลวที่กำหนดและเท่ากับอัตราส่วนของพลังงานพื้นผิวต่อพื้นที่ผิวของของเหลว

ค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิววัดเป็นนิวตันหารด้วยเมตร

เรามาคุยกันว่าค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิวของของเหลวขึ้นอยู่กับอะไร ขั้นแรก ให้เราจำไว้ว่าค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิวแสดงถึงลักษณะเฉพาะของพลังงานอันตรกิริยาเฉพาะของโมเลกุล ซึ่งหมายความว่าปัจจัยที่เปลี่ยนแปลงพลังงานนี้ก็จะเปลี่ยนค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิวของของเหลวด้วย

ดังนั้น ค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิวจึงขึ้นอยู่กับ:

1. ธรรมชาติของของเหลว (ของเหลวที่ "ระเหยได้" เช่น อีเทอร์ แอลกอฮอล์ และน้ำมันเบนซิน มีแรงตึงผิวน้อยกว่าของเหลวที่ "ไม่ระเหย" ได้แก่ น้ำ ปรอท และโลหะเหลว)

2. อุณหภูมิ (ยิ่งอุณหภูมิสูง แรงตึงผิวก็จะยิ่งต่ำลง)

3. การมีอยู่ของสารลดแรงตึงผิวที่ช่วยลดแรงตึงผิว (สารลดแรงตึงผิว) เช่น สบู่หรือผงซักฟอก

4. คุณสมบัติของของเหลวที่มีขอบก๊าซ

โปรดทราบว่าค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิวไม่ได้ขึ้นอยู่กับพื้นที่ผิว เนื่องจากสำหรับโมเลกุลที่อยู่ใกล้พื้นผิวแต่ละโมเลกุลนั้นไม่สำคัญอย่างยิ่งว่าจะมีโมเลกุลที่คล้ายกันจำนวนเท่าใดอยู่รอบๆ ให้ความสนใจกับตารางซึ่งแสดงค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิวของสารต่าง ๆ ที่อุณหภูมิ:

ตารางที่ 1. ค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิวของของเหลวที่จุดเชื่อมต่อกับอากาศที่

ดังนั้นโมเลกุลของชั้นผิวจึงมีพลังงานศักย์มากเกินไปเมื่อเปรียบเทียบกับโมเลกุลในกลุ่มของเหลว ในหลักสูตรกลศาสตร์พบว่าระบบใดๆ มีแนวโน้มใช้พลังงานศักย์น้อยที่สุด ตัวอย่างเช่น ร่างที่ถูกโยนลงมาจากที่สูงระดับหนึ่งมักจะล้มลง นอกจากนี้ คุณจะรู้สึกสบายตัวมากขึ้นเมื่อนอนราบ เนื่องจากในกรณีนี้ จุดศูนย์กลางมวลร่างกายของคุณจะต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ความปรารถนาที่จะลดพลังงานศักย์ของตนเองนำไปสู่อะไรในกรณีของของเหลว? เนื่องจากพลังงานพื้นผิวขึ้นอยู่กับพื้นที่ผิว จึงเป็นเรื่องเสียเปรียบอย่างมากที่ของเหลวใดๆ ก็ตามจะมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ในสถานะอิสระ ของเหลวมีแนวโน้มที่จะทำให้พื้นผิวของมันน้อยที่สุด

คุณสามารถตรวจสอบได้อย่างง่ายดายโดยทดลองใช้ฟิล์มสบู่ หากคุณจุ่มโครงลวดบางเส้นลงในสารละลายสบู่ ฟิล์มสบู่จะก่อตัวขึ้น และฟิล์มจะมีรูปทรงที่มีพื้นที่ผิวน้อยที่สุด (รูปที่ 2)

ข้าว. 2.ฟิกเกอร์จากสารละลายสบู่

คุณสามารถตรวจสอบการมีอยู่ของแรงตึงผิวได้โดยใช้การทดลองง่ายๆ หากผูกด้ายเข้ากับวงแหวนลวดสองตำแหน่ง เพื่อให้ความยาวของเกลียวยาวมากกว่าความยาวของคอร์ดที่เชื่อมต่อจุดยึดของเกลียวเล็กน้อย แล้วจุ่มวงแหวนลวดลงในสารละลายสบู่ (รูปที่. 3a) ฟิล์มสบู่จะปกคลุมพื้นผิวทั้งหมดของวงแหวน และด้ายจะวางอยู่บนฟิล์มสบู่ หากคุณฉีกฟิล์มด้านหนึ่งของด้าย ฟิล์มสบู่ที่เหลืออยู่อีกด้านหนึ่งของด้ายจะหดตัวและทำให้ด้ายแน่น (รูปที่ 3b)

ข้าว. 3. การทดลองเพื่อตรวจจับแรงตึงผิว

ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น? ความจริงก็คือสารละลายสบู่ที่เหลืออยู่ด้านบนซึ่งก็คือของเหลวนั้นมีแนวโน้มที่จะลดพื้นที่ผิวของมัน ดังนั้นด้ายจึงถูกดึงขึ้น

ดังนั้นเราจึงเชื่อมั่นในการมีอยู่ของแรงตึงผิว ตอนนี้เรามาเรียนรู้วิธีการคำนวณกัน เพื่อทำสิ่งนี้ เรามาทำการทดลองทางความคิดกัน เราลดโครงลวดลงในสารละลายสบู่ซึ่งด้านใดด้านหนึ่งสามารถเคลื่อนย้ายได้ (รูปที่ 4) เราจะยืดฟิล์มสบู่ออกโดยใช้แรงไปทางด้านที่ขยับของกรอบ ดังนั้นแรงสามแรงกระทำบนคานประตู - แรงภายนอกและแรงตึงผิวสองแรงที่กระทำต่อแต่ละพื้นผิวของฟิล์ม เมื่อใช้กฎข้อที่สองของนิวตัน เราก็เขียนได้

ข้าว. 4. การคำนวณแรงตึงผิว

ภายใต้อิทธิพลของแรงภายนอก หากคานประตูเคลื่อนไปไกล แรงภายนอกนี้จะทำงานได้

เนื่องจากงานนี้พื้นที่ผิวของฟิล์มจะเพิ่มขึ้นตามธรรมชาติซึ่งหมายความว่าพลังงานพื้นผิวก็จะเพิ่มขึ้นด้วยซึ่งเราสามารถกำหนดได้จากค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิว:

การเปลี่ยนแปลงในพื้นที่สามารถกำหนดได้ดังนี้:

ความยาวของส่วนที่เคลื่อนย้ายได้ของโครงลวดคือที่ไหน เมื่อคำนึงถึงสิ่งนี้ เราสามารถเขียนได้ว่างานที่ทำโดยแรงภายนอกมีค่าเท่ากับ

เมื่อเทียบด้านขวามือใน (*) และ (**) เราจะได้นิพจน์สำหรับแรงตึงผิว:

ดังนั้น ค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิวจึงเป็นตัวเลขเท่ากับแรงตึงผิว ซึ่งกระทำต่อความยาวหน่วยของเส้นที่กำหนดขอบเขตพื้นผิว

ดังนั้นเราจึงมั่นใจอีกครั้งว่าของเหลวมีแนวโน้มที่จะมีรูปร่างจนมีพื้นที่ผิวน้อยที่สุด แสดงให้เห็นว่าสำหรับปริมาตรที่กำหนดพื้นที่ผิวของทรงกลมจะน้อยที่สุด ดังนั้นหากไม่มีแรงอื่นมากระทำต่อของเหลวหรือมีผลเพียงเล็กน้อย ของเหลวก็จะมีแนวโน้มที่จะมีรูปร่างเป็นทรงกลม ตัวอย่างเช่นน้ำจะทำงานในแรงโน้มถ่วงเป็นศูนย์ (รูปที่ 5) หรือฟองสบู่ (รูปที่ 6)

ข้าว. 5. น้ำในแรงโน้มถ่วงเป็นศูนย์

ข้าว. 6. ฟองสบู่

การมีอยู่ของแรงตึงผิวยังสามารถอธิบายได้ว่าทำไมเข็มโลหะจึง “วาง” บนผิวน้ำ (รูปที่ 7) เข็มซึ่งวางอย่างระมัดระวังบนพื้นผิวจะทำให้มันเสียรูปซึ่งจะช่วยเพิ่มพื้นที่ของพื้นผิวนี้ ดังนั้นแรงตึงผิวจึงเกิดขึ้น ซึ่งมีแนวโน้มที่จะลดการเปลี่ยนแปลงในพื้นที่ดังกล่าว แรงตึงผิวที่เกิดขึ้นจะพุ่งขึ้นและจะชดเชยแรงโน้มถ่วง

ข้าว. 7. เข็มบนผิวน้ำ

หลักการทำงานของปิเปตสามารถอธิบายได้ในลักษณะเดียวกัน หยดซึ่งได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงจะถูกดึงลงมา จึงเป็นการเพิ่มพื้นที่ผิว โดยธรรมชาติแล้ว แรงตึงผิวจะเกิดขึ้น ซึ่งผลลัพธ์จะตรงข้ามกับทิศทางของแรงโน้มถ่วง และป้องกันไม่ให้หยดยืดออก (รูปที่ 8) เมื่อคุณกดฝายางของปิเปต คุณจะสร้างแรงกดดันเพิ่มเติม ซึ่งช่วยเพิ่มแรงโน้มถ่วง และส่งผลให้หยดตกลงมา

ข้าว. 8. วิธีการทำงานของปิเปต

ขอยกตัวอย่างจากชีวิตประจำวันอีกเรื่องหนึ่ง ถ้าคุณจุ่มแปรงทาสีลงในแก้วน้ำ ขนจะขึ้นฟู หากตอนนี้คุณนำแปรงนี้ออกจากน้ำ คุณจะสังเกตเห็นว่าขนทั้งหมดติดกัน เนื่องจากพื้นที่ผิวของน้ำที่เกาะติดกับแปรงจะมีน้อยมาก

และอีกตัวอย่างหนึ่ง หากคุณต้องการสร้างปราสาทจากทรายแห้ง คุณไม่น่าจะประสบความสำเร็จ เนื่องจากทรายจะพังทลายภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง อย่างไรก็ตาม หากคุณทำให้ทรายเปียก ทรายก็จะคงรูปร่างไว้ได้เนื่องจากแรงตึงผิวของน้ำระหว่างเม็ดทราย

สุดท้ายนี้ เราสังเกตว่าทฤษฎีแรงตึงผิวช่วยในการค้นหาการเปรียบเทียบที่สวยงามและเรียบง่ายสำหรับการแก้ปัญหาทางกายภาพที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น ตัวอย่างเช่น เมื่อคุณต้องการสร้างโครงสร้างที่มีน้ำหนักเบาและในเวลาเดียวกันก็แข็งแกร่ง ฟิสิกส์ของฟองสบู่ก็เข้ามาช่วยเหลือ และเป็นไปได้ที่จะสร้างแบบจำลองที่เหมาะสมครั้งแรกของนิวเคลียสของอะตอมโดยการเปรียบเทียบนิวเคลียสของอะตอมนี้กับของเหลวที่มีประจุหยดหนึ่ง

บรรณานุกรม

1. G. Ya. Myakishev, B. B. Bukhovtsev, N. N. Sotsky "ฟิสิกส์ 10" - อ.: การศึกษา, 2551.
2. Ya. E. Geguzin “Bubbles”, ห้องสมุดควอนตัม - ม.: เนากา, 2528.
3. B. M. Yavorsky, A. A. Pinsky “ความรู้พื้นฐานของฟิสิกส์” เล่ม 1
4. G.S. Landsberg “หนังสือเรียนฟิสิกส์เบื้องต้น” เล่ม 1

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

การบ้าน

1. เมื่อแก้ไขปัญหาสำหรับบทเรียนนี้แล้ว คุณสามารถเตรียมคำถาม 7,8,9 ของการสอบ State และคำถาม A8, A9, A10 ของการสอบ Unified State
2. Gelfgat I.M., Nenashev I.Yu. "ฟิสิกส์. รวมโจทย์ ป.10" 5.34, 5.43, 5.44, 5.47 ()
3. จากปัญหา 5.47 ให้หาค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิวของน้ำและสารละลายสบู่

รายการคำถามและคำตอบ

คำถาม:เหตุใดแรงตึงผิวจึงเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ

คำตอบ:เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น โมเลกุลของของเหลวจะเริ่มเคลื่อนที่เร็วขึ้น ดังนั้นโมเลกุลจึงเอาชนะแรงดึงดูดที่อาจเกิดขึ้นได้ง่ายขึ้น ซึ่งส่งผลให้แรงตึงผิวลดลงซึ่งเป็นแรงศักย์ที่จะจับโมเลกุลของชั้นผิวของของเหลว

คำถาม:ค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิวขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของของเหลวหรือไม่?

คำตอบ:ใช่แล้ว เนื่องจากพลังงานของโมเลกุลในชั้นผิวของของเหลวนั้นขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของของเหลว

คำถาม:มีวิธีใดบ้างในการหาค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิวของของเหลว

คำตอบ:ในหลักสูตรของโรงเรียน พวกเขาศึกษาสองวิธีในการกำหนดค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิวของของเหลว วิธีแรกคือวิธีการฉีกลวด หลักการอธิบายไว้ในปัญหา 5.44 จากการบ้าน วิธีที่สองคือวิธีการนับหยด ตามที่อธิบายไว้ในปัญหา 5.47

คำถาม:ทำไมฟองสบู่ถึงยุบหลังจากผ่านไประยะหนึ่ง?

คำตอบ:ความจริงก็คือหลังจากผ่านไประยะหนึ่งภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงฟองที่ด้านล่างจะหนากว่าด้านบนและจากนั้นภายใต้อิทธิพลของการระเหยฟองก็จะยุบตัวลง ณ จุดใดจุดหนึ่ง สิ่งนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าฟองทั้งหมดเหมือนบอลลูนพังทลายลงภายใต้อิทธิพลของแรงตึงผิวที่ไม่มีการชดเชย

แรงตึงผิวอธิบายความสามารถของของเหลวในการต้านทานแรงโน้มถ่วง ตัวอย่างเช่น น้ำบนพื้นผิวโต๊ะก่อตัวเป็นหยดเนื่องจากโมเลกุลของน้ำถูกดึงดูดเข้าหากัน ซึ่งต้านแรงโน้มถ่วง ต้องขอบคุณแรงตึงผิวที่ทำให้วัตถุที่หนักกว่า เช่น แมลง สามารถจับไว้บนผิวน้ำได้ แรงตึงผิววัดเป็นแรง (N) หารด้วยความยาวหน่วย (m) หรือปริมาณพลังงานต่อหน่วยพื้นที่ แรงที่โมเลกุลของน้ำทำปฏิกิริยากัน (แรงยึดเกาะ) ทำให้เกิดความตึงเครียด ส่งผลให้เกิดหยดน้ำ (หรือของเหลวอื่นๆ) สามารถวัดแรงตึงผิวได้โดยใช้อุปกรณ์ง่ายๆ ไม่กี่อย่างที่พบในเกือบทุกบ้านและเครื่องคิดเลข

ขั้นตอน

การใช้โยก

เขียนสมการแรงตึงผิวลงไปในการทดลองนี้สมการในการหาแรงตึงผิวมีดังนี้ เอฟ = 2ซ, ที่ไหน เอฟ- แรงเป็นนิวตัน (N) ส- แรงตึงผิวเป็นนิวตันต่อเมตร (N/m) ง- ความยาวของเข็มที่ใช้ในการทดลอง ให้เราแสดงแรงตึงผิวจากสมการนี้: ส = F/2วัน.

• แรงจะถูกคำนวณเมื่อสิ้นสุดการทดลอง
• ก่อนเริ่มการทดลอง ให้ใช้ไม้บรรทัดวัดความยาวของเข็มเป็นเมตร

1. สร้างแขนโยกขนาดเล็กในการทดลองนี้ จะใช้ตัวโยกและเข็มเล็กๆ ที่ลอยอยู่บนผิวน้ำเพื่อกำหนดแรงตึงผิว มีความจำเป็นต้องพิจารณาการก่อสร้างตัวโยกอย่างรอบคอบเนื่องจากความแม่นยำของผลลัพธ์ขึ้นอยู่กับสิ่งนี้ คุณสามารถใช้วัสดุต่าง ๆ สิ่งสำคัญคือทำคานแนวนอนจากสิ่งที่แข็ง: ไม้ พลาสติก หรือกระดาษแข็งหนา

   • หาจุดกึ่งกลางของแท่ง (เช่น หลอดหรือไม้บรรทัดพลาสติก) ที่คุณต้องการใช้เป็นคาน และเจาะหรือเจาะรูที่ตำแหน่งนั้น นี่จะเป็นจุดศูนย์กลางของคานที่จะหมุนได้อย่างอิสระ หากคุณใช้หลอดพลาสติก ก็แค่ใช้หมุดหรือตะปูจิ้มมัน
   • เจาะหรือเจาะรูที่ปลายคานประตูเพื่อให้มีระยะห่างจากศูนย์กลางเท่ากัน ร้อยด้ายผ่านรูเพื่อแขวนถ้วยตุ้มน้ำหนักและเข็ม
   • หากจำเป็น ให้ค้ำแขนโยกด้วยหนังสือหรือวัตถุอื่นที่แข็งเพียงพอเพื่อให้คานขวางอยู่ในแนวนอน จำเป็นต้องหมุนคานประตูอย่างอิสระรอบตะปูหรือแกนที่สอดเข้าไปตรงกลาง

2. นำอลูมิเนียมฟอยล์แผ่นหนึ่งมาม้วนเป็นรูปกล่องหรือจานรองไม่จำเป็นเลยที่จานรองนี้จะต้องมีรูปทรงสี่เหลี่ยมหรือทรงกลมที่ถูกต้อง คุณจะต้องเติมน้ำหรือน้ำหนักอื่นๆ ลงไป ดังนั้นตรวจสอบให้แน่ใจว่าสามารถรองรับน้ำหนักได้

   • แขวนกล่องฟอยล์หรือจานรองไว้ที่ปลายด้านหนึ่งของแท่ง ทำรูเล็ก ๆ ตามขอบของจานรองแล้วร้อยด้ายผ่านเพื่อให้จานรองแขวนอยู่บนคานประตู

3. แขวนเข็มหรือคลิปหนีบกระดาษไว้ที่ปลายอีกด้านของแท่งให้เป็นแนวนอนผูกเข็มหรือคลิปหนีบกระดาษในแนวนอนกับด้ายที่ห้อยจากปลายอีกด้านของคานประตู เพื่อให้การทดลองประสบความสำเร็จ จำเป็นต้องวางเข็มหรือคลิปหนีบกระดาษในแนวนอนพอดี

4. วางสิ่งของ เช่น แป้งโดว์ ไว้บนแท่งเพื่อให้ภาชนะอลูมิเนียมฟอยล์สมดุล ก่อนเริ่มการทดสอบ จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าคานอยู่ในแนวนอน จานรองฟอยล์หนักกว่าเข็ม ดังนั้นคานที่ด้านข้างจะเลื่อนลงมา ติดดินน้ำมันให้เพียงพอกับด้านตรงข้ามของคานเพื่อให้เป็นแนวนอน

   • สิ่งนี้เรียกว่าการปรับสมดุล

5. วางเข็มหรือคลิปหนีบกระดาษที่ห้อยจากด้ายลงในภาชนะที่มีน้ำขั้นตอนนี้จะต้องใช้ความพยายามเป็นพิเศษในการวางเข็มบนผิวน้ำ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าเข็มไม่จุ่มลงในน้ำ เติมน้ำลงในภาชนะ (หรือของเหลวอื่นที่ไม่ทราบแรงตึงผิว) แล้ววางไว้ใต้เข็มที่แขวนไว้เพื่อให้เข็มอยู่บนพื้นผิวของของเหลวโดยตรง

   • ตรวจสอบให้แน่ใจว่าเชือกที่ยึดเข็มอยู่กับที่และตึงเพียงพอ

6. ชั่งน้ำหนักหมุดสองสามอันหรือหยดน้ำที่วัดได้จำนวนเล็กน้อยในขนาดเล็กคุณจะต้องเติมน้ำหนึ่งพินหรือหยดน้ำลงในจานรองอะลูมิเนียมบนแขนโยก ในกรณีนี้ จำเป็นต้องทราบน้ำหนักที่แน่นอนที่เข็มจะหลุดออกจากผิวน้ำ

   • นับจำนวนพินหรือหยดน้ำแล้วชั่งน้ำหนัก
   • กำหนดน้ำหนักของเข็มหนึ่งหรือหยดน้ำ เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ให้หารน้ำหนักรวมด้วยจำนวนหมุดหรือหยด
   • สมมติว่า 30 พินหนัก 15 กรัม จากนั้น 15/30 = 0.5 นั่นคือ 1 พินหนัก 0.5 กรัม

7. เติมหมุดหรือหยดน้ำทีละหยดลงในจานรองอลูมิเนียมฟอยล์ จนกระทั่งหมุดจะยกขึ้นจากผิวน้ำ ค่อยๆ เติมน้ำทีละหนึ่งเข็มหรือหยดน้ำ ดูเข็มอย่างระมัดระวังเพื่อไม่ให้พลาดช่วงเวลาที่เข็มจะหลุดออกจากน้ำหลังจากเพิ่มภาระครั้งต่อไป เมื่อเข็มหลุดออกจากพื้นผิวของของเหลวแล้ว ให้หยุดตอกหมุดหรือหยดน้ำ

   • นับจำนวนเข็มหรือหยดน้ำก่อนที่เข็มที่อยู่อีกด้านของแท่งจะหลุดออกจากผิวน้ำ
   • เขียนผลลัพธ์
   • ทำการทดลองซ้ำหลายๆ (5 หรือ 6) ครั้งเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำยิ่งขึ้น
   • คำนวณค่าเฉลี่ยของผลลัพธ์ที่ได้รับ เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ให้บวกจำนวนพินหรือหยดในการทดลองทั้งหมด และหารผลรวมด้วยจำนวนการทดลอง

8. แปลงจำนวนพินให้แข็งแรงเมื่อต้องการทำเช่นนี้ ให้คูณจำนวนกรัมด้วย 0.00981 N/g ในการคำนวณแรงตึงผิว คุณจำเป็นต้องทราบแรงที่ต้องใช้ในการยกเข็มขึ้นจากผิวน้ำ เนื่องจากคุณคำนวณน้ำหนักของหมุดในขั้นตอนที่แล้ว หากต้องการหาแรง ให้คูณน้ำหนักนั้นด้วย 0.00981 N/g

   • คูณจำนวนพินที่วางอยู่ในจานรองด้วยน้ำหนักของพินหนึ่งอัน ตัวอย่างเช่น หากคุณใส่พิน 5 อันน้ำหนัก 0.5 กรัม น้ำหนักรวมของพินเหล่านั้นจะเท่ากับ 0.5 กรัม/พิน = 5 x 0.5 = 2.5 กรัม
   • คูณจำนวนกรัมด้วยตัวประกอบของ 0.00981 N/g: 2.5 x 0.00981 = 0.025 N

9. แทนค่าผลลัพธ์ลงในสมการและค้นหาค่าที่ต้องการใช้ผลลัพธ์ที่ได้รับระหว่างการทดลองเพื่อกำหนดแรงตึงผิว เพียงเสียบค่าที่พบแล้วคำนวณผลลัพธ์

   • สมมติว่าในตัวอย่างข้างต้น ความยาวของเข็มคือ 0.025 เมตร เราแทนค่าลงในสมการแล้วได้: S = F/2d = 0.025 N/(2 x 0.025) = 0.05 N/m ดังนั้นแรงตึงผิวของของเหลวคือ 0.05 N/m

ของเหลว–สารที่อยู่ในสถานะของเหลวของการรวมตัวซึ่งมีตำแหน่งตรงกลางระหว่างสถานะของแข็งและก๊าซ คุณสมบัติหลักของของเหลวซึ่งแตกต่างจากสารในสถานะการรวมตัวอื่น ๆ คือความสามารถในการเปลี่ยนรูปร่างของมันอย่างไม่มีกำหนดภายใต้อิทธิพลของความเค้นเชิงกลในวงสัมผัสแม้จะเล็กน้อยโดยพลการในขณะที่ยังคงรักษาปริมาตรไว้ได้จริง

ข้อมูลทั่วไปเกี่ยวกับสถานะของเหลว

สถานะของเหลวมักจะถือว่าอยู่ตรงกลางระหว่างของแข็งและก๊าซ โดยก๊าซจะไม่รักษาปริมาตรหรือรูปร่างไว้ แต่ของแข็งจะรักษาทั้งสองอย่างไว้

รูปร่างของของเหลวสามารถกำหนดได้ทั้งหมดหรือบางส่วนโดยข้อเท็จจริงที่ว่าพื้นผิวของพวกมันมีลักษณะเหมือนเมมเบรนยืดหยุ่น ดังนั้นน้ำจึงสามารถสะสมเป็นหยดได้ แต่ของเหลวสามารถไหลได้แม้อยู่ใต้พื้นผิวที่อยู่นิ่ง และนี่ก็หมายความว่ารูปร่าง (ส่วนภายในของตัวของเหลว) จะไม่ถูกรักษาไว้

โมเลกุลของเหลวไม่มีตำแหน่งที่แน่นอน แต่ในขณะเดียวกันก็ไม่มีอิสระในการเคลื่อนไหวอย่างสมบูรณ์ มีแรงดึงดูดระหว่างพวกเขา แข็งแกร่งพอที่จะทำให้พวกเขาใกล้ชิด

สารในสถานะของเหลวมีอยู่ในช่วงอุณหภูมิที่กำหนด ซึ่งต่ำกว่านั้นจะกลายเป็นสถานะของแข็ง (เกิดการตกผลึกหรือเปลี่ยนเป็นสถานะของแข็งอสัณฐาน - แก้ว) ซึ่งสูงกว่านั้นจะกลายเป็นสถานะก๊าซ (เกิดการระเหย) ขอบเขตของช่วงเวลานี้ขึ้นอยู่กับความกดดัน

ตามกฎแล้วสารในสถานะของเหลวจะมีการดัดแปลงเพียงครั้งเดียวเท่านั้น (ข้อยกเว้นที่สำคัญที่สุดคือของเหลวควอนตัมและผลึกเหลว) ดังนั้น ในกรณีส่วนใหญ่ ของเหลวไม่ได้เป็นเพียงสถานะของการรวมตัวเท่านั้น แต่ยังรวมถึงเฟสทางอุณหพลศาสตร์ด้วย (เฟสของเหลว)

ของเหลวทั้งหมดมักจะแบ่งออกเป็นของเหลวและของผสมบริสุทธิ์ ส่วนผสมของของเหลวบางชนิดมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อชีวิต: เลือด น้ำทะเลเป็นต้น ของเหลวสามารถทำหน้าที่เป็นตัวทำละลายได้

คุณสมบัติทางกายภาพของเหลว

1 ).ความลื่นไหล

คุณสมบัติหลักของของเหลวคือความลื่นไหล หากใช้แรงภายนอกกับส่วนของของเหลวที่อยู่ในสมดุล การไหลของอนุภาคของเหลวจะเกิดขึ้นในทิศทางที่ใช้แรงนี้ ซึ่งก็คือของเหลวจะไหล ดังนั้นภายใต้อิทธิพลของความไม่สมดุล กองกำลังภายนอกของเหลวไม่คงรูปร่างและการจัดเรียงชิ้นส่วนที่สัมพันธ์กันดังนั้นจึงใช้รูปร่างของภาชนะที่มันตั้งอยู่

ของเหลวไม่มีขีดจำกัดอัตราผลตอบแทนซึ่งต่างจากของแข็งพลาสติก: ก็เพียงพอแล้วที่จะใช้แรงภายนอกเล็กน้อยเพื่อให้ของเหลวไหล

2).การอนุรักษ์ปริมาณ

คุณสมบัติเฉพาะประการหนึ่งของของเหลวคือมีปริมาตรที่แน่นอน (ภายใต้สภาวะภายนอกคงที่) ของเหลวนั้นยากต่อการบีบอัดด้วยกลไกเพราะว่าระหว่างโมเลกุลนั้นต่างจากก๊าซตรงที่มีน้อยมาก ที่ว่าง. ความดันที่กระทำกับของเหลวที่อยู่ในภาชนะจะถูกส่งต่อไปยังแต่ละจุดในปริมาตรของของเหลวโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลง (กฎของปาสกาลใช้ได้กับก๊าซเช่นกัน) คุณลักษณะนี้พร้อมกับความสามารถในการอัดต่ำมากถูกนำมาใช้ในเครื่องจักรไฮดรอลิก

โดยทั่วไปของเหลวจะมีปริมาตรเพิ่มขึ้น (ขยายตัว) เมื่อถูกความร้อน และลดปริมาตร (หดตัว) เมื่อเย็นลง อย่างไรก็ตาม มีข้อยกเว้น เช่น น้ำหดตัวเมื่อถูกความร้อน ที่ความดันและอุณหภูมิปกติตั้งแต่ถึงประมาณ

3).ความหนืด

นอกจากนี้ของเหลว (เช่นก๊าซ) ยังมีความหนืดอีกด้วย มันถูกกำหนดให้เป็นความสามารถในการต้านทานการเคลื่อนไหวของส่วนหนึ่งสัมพันธ์กับอีกส่วนหนึ่ง - นั่นคือเป็นแรงเสียดทานภายใน

เมื่อชั้นของของเหลวที่อยู่ติดกันเคลื่อนที่สัมพันธ์กัน การชนกันของโมเลกุลจะเกิดขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ นอกเหนือจากการชนกันที่เกิดจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน พลังที่เกิดขึ้นขัดขวางการเคลื่อนไหวอย่างเป็นระเบียบ ในกรณีนี้พลังงานจลน์ของการเคลื่อนไหวที่ได้รับคำสั่งจะเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลที่วุ่นวาย

ของเหลวในภาชนะที่เคลื่อนที่และปล่อยทิ้งไว้ตามอุปกรณ์ของตัวเอง จะค่อยๆ หยุด แต่อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้น

4).การเข้ากัน

การผสมกันคือความสามารถของของเหลวในการละลายซึ่งกันและกัน ตัวอย่างของของเหลวที่ผสมกันไม่ได้: น้ำและเอทิลแอลกอฮอล์ ตัวอย่างของของเหลวที่ผสมกันไม่ได้: น้ำและน้ำมันเหลว

5).การเกิดพื้นผิวอิสระและแรงตึงผิว

เนื่องจากการอนุรักษ์ปริมาตร ของเหลวจึงสามารถสร้างพื้นผิวอิสระได้ พื้นผิวดังกล่าวเป็นส่วนต่อประสานระหว่างเฟสของสารที่กำหนด: ด้านหนึ่งมีเฟสของเหลวอีกด้านหนึ่งมีเฟสก๊าซ (ไอน้ำ) และอาจเป็นก๊าซอื่น ๆ เช่นอากาศ

หากเฟสของเหลวและก๊าซของสารชนิดเดียวกันสัมผัสกัน แรงจะเกิดขึ้นซึ่งมีแนวโน้มที่จะลดพื้นที่ส่วนต่อประสาน - แรงตึงผิว อินเทอร์เฟซทำงานเหมือนเมมเบรนยืดหยุ่นที่มีแนวโน้มหดตัว

6).คลื่นความหนาแน่น

แม้ว่าของเหลวจะบีบอัดได้ยากมาก แต่ปริมาตรและความหนาแน่นของของเหลวยังคงเปลี่ยนแปลงเมื่อความดันเปลี่ยนแปลง สิ่งนี้ไม่ได้เกิดขึ้นทันที ดังนั้นหากพื้นที่หนึ่งถูกบีบอัด การบีบอัดดังกล่าวจะถูกส่งไปยังพื้นที่อื่นด้วยความล่าช้า ซึ่งหมายความว่าคลื่นยืดหยุ่น โดยเฉพาะคลื่นความหนาแน่น สามารถแพร่กระจายภายในของเหลวได้ นอกจากความหนาแน่นแล้ว ปริมาณทางกายภาพอื่นๆ เช่น อุณหภูมิ ก็เปลี่ยนแปลงไปด้วย

ขณะที่คลื่นแพร่กระจาย ความหนาแน่นเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย คลื่นดังกล่าวเรียกว่าคลื่นเสียง หรือเสียง

หากความหนาแน่นเปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรงเพียงพอ คลื่นดังกล่าวจะเรียกว่าคลื่นกระแทก คลื่นกระแทกอธิบายได้ด้วยสมการอื่น

คลื่นความหนาแน่นในของเหลวมีลักษณะเป็นแนวยาว กล่าวคือ ความหนาแน่นจะเปลี่ยนไปตามทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น ไม่มีคลื่นยืดหยุ่นตามขวางในของเหลวเนื่องจากไม่รักษารูปร่าง

คลื่นยืดหยุ่นในของเหลวค่อยๆ จางลงเมื่อเวลาผ่านไป พลังงานของพวกมันจะค่อยๆ เปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน สาเหตุของการลดทอนได้แก่ ความหนืด "การดูดซึมแบบคลาสสิก" การคลายตัวของโมเลกุล และอื่นๆ ในกรณีนี้สิ่งที่เรียกว่าความหนืดวินาทีหรือปริมาตร - แรงเสียดทานภายในเมื่อความหนาแน่นเปลี่ยนแปลง คลื่นกระแทกซึ่งเป็นผลมาจากการลดทอนในเวลาต่อมาจะกลายเป็นคลื่นเสียง

คลื่นยืดหยุ่นในของเหลวยังอาจมีการกระเจิงโดยความไม่เป็นเนื้อเดียวกันซึ่งเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนที่วุ่นวายของโมเลกุล

โครงสร้างของของเหลว

การศึกษาเชิงทดลองเกี่ยวกับสถานะของเหลวของสสาร โดยอาศัยการสังเกตการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์และฟลักซ์นิวตรอนขณะที่พวกมันผ่านตัวกลางของเหลว ได้ค้นพบการมีอยู่ของ คำสั่งระยะสั้น, เช่น. การมีอยู่ของคำสั่งบางอย่างในการจัดเรียงอนุภาคในระยะเพียงเล็กน้อยจากตำแหน่งที่เลือก (รูปที่ 140)

การจัดเรียงร่วมกันของอนุภาคข้างเคียงในของเหลวนั้นคล้ายคลึงกับการจัดเรียงอนุภาคข้างเคียงตามลำดับในผลึก อย่างไรก็ตาม การเรียงลำดับของเหลวนี้จะสังเกตได้เฉพาะในปริมาณน้อยเท่านั้น ที่ระยะห่าง: จากโมเลกุล "ศูนย์กลาง" ที่เลือกไว้ ลำดับจะหยุดชะงัก (คือเส้นผ่านศูนย์กลางประสิทธิผลของโมเลกุล) การจัดลำดับในการจัดเรียงอนุภาคในของเหลวดังกล่าวเรียกว่าลำดับระยะสั้น .

เนื่องจากขาดการเรียงลำดับระยะยาว ของเหลวจึงไม่แสดงคุณลักษณะแอนไอโซโทรปีของคริสตัล โดยมีข้อยกเว้นบางประการ ด้วยเหตุนี้ โครงสร้างของของเหลวบางครั้งจึงเรียกว่าควอซิคริสตัลไลน์หรือคล้ายคริสตัล .

เป็นครั้งแรกที่มีการแสดงออกถึงความคล้ายคลึงกันของคุณสมบัติบางอย่างของของเหลว (โดยเฉพาะการหลอมของโลหะ) และของแข็งที่เป็นผลึกในผลงานของ Ya.I. Frenkel นักฟิสิกส์ชาวโซเวียตในช่วงทศวรรษที่ 1930-1940 ตามมุมมองของ Frenkel ซึ่งปัจจุบันได้รับการยอมรับในระดับสากล การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอะตอมและโมเลกุลในของเหลวประกอบด้วยการสั่นสะเทือนที่ผิดปกติ โดยมีความถี่เฉลี่ยใกล้เคียงกับความถี่ของการสั่นสะเทือนของอะตอมในตัวผลึก จุดศูนย์กลางของการแกว่งถูกกำหนดโดยสนามแรงของอนุภาคข้างเคียง และเลื่อนไปพร้อมกับการกระจัดของอนุภาคเหล่านี้

ด้วยวิธีที่เรียบง่าย เราสามารถจินตนาการถึงการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน เช่น การซ้อนทับของการกระโดดของอนุภาคที่ค่อนข้างหายากจากตำแหน่งสมดุลชั่วคราวที่หนึ่งไปยังอีกตำแหน่งหนึ่ง และการแกว่งของความร้อนในช่วงเวลาระหว่างการกระโดด เวลาเฉลี่ยของการคงอยู่ของโมเลกุลของเหลวใกล้กับตำแหน่งสมดุลที่แน่นอนเรียกว่า เวลาแห่งการพักผ่อนเมื่อเวลาผ่านไปโมเลกุลจะเปลี่ยนสถานที่สมดุลโดยเคลื่อนไปยังตำแหน่งใหม่ทันทีโดยแยกจากตำแหน่งก่อนหน้าตามระยะห่างของลำดับขนาดของโมเลกุลเอง ดังนั้นโมเลกุลจึงเคลื่อนที่ช้าๆ ภายในของเหลว เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น เวลาลดลง การเคลื่อนที่ของโมเลกุลเพิ่มขึ้น ซึ่งทำให้ความหนืดของของเหลวลดลง (ของเหลวเพิ่มขึ้น) ตามการแสดงออกโดยนัยของ Ya.I. Frenkel โมเลกุลจะเคลื่อนที่ไปทั่วทั้งปริมาตรของของเหลวซึ่งนำไปสู่วิถีชีวิตเร่ร่อนซึ่งการเคลื่อนไหวในระยะสั้นจะถูกแทนที่ด้วยช่วงชีวิตที่อยู่ประจำที่ค่อนข้างยาวนาน

ของแข็งอสัณฐาน (แก้ว เรซิน น้ำมันดิน ฯลฯ) ถือได้ว่าเป็นของเหลวที่มีความเย็นยิ่งยวด ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีการเคลื่อนที่จำกัดเนื่องจากมีความหนืดเพิ่มขึ้นอย่างมาก

เนื่องจากสถานะของเหลวมีลำดับต่ำ ทฤษฎีของของเหลวจึงมีการพัฒนาน้อยกว่าทฤษฎีของก๊าซและของแข็งที่เป็นผลึก ยังไม่มีทฤษฎีที่สมบูรณ์เกี่ยวกับของเหลว

ของเหลวชนิดพิเศษคือสารประกอบอินทรีย์บางชนิดที่ประกอบด้วยโมเลกุลที่มีลักษณะยาวหรือมีรูปร่างเป็นดิสก์ หรือที่เรียกว่าผลึกเหลว ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลในของเหลวดังกล่าวมีแนวโน้มที่จะจัดแนวแกนยาวของโมเลกุลให้อยู่ในลำดับที่แน่นอน ที่อุณหภูมิสูง การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนจะป้องกันสิ่งนี้ และสารนี้เป็นของเหลวธรรมดา ที่อุณหภูมิต่ำกว่าวิกฤต ทิศทางที่ต้องการจะปรากฏในของเหลวและเกิดลำดับการวางแนวระยะยาว ในขณะที่ยังคงคุณสมบัติพื้นฐานของของเหลวไว้ เช่น ความลื่นไหล ผลึกเหลวก็มีคุณสมบัติที่เป็นลักษณะเฉพาะของผลึกของแข็ง - แอนไอโซโทรปีของแม่เหล็ก ไฟฟ้า และ คุณสมบัติทางแสง. คุณสมบัติเหล่านี้ (รวมถึงความลื่นไหล) มีมากมาย การใช้งานทางเทคนิคตัวอย่างเช่นในนาฬิกาอิเล็กทรอนิกส์ เครื่องคิดเลข โทรศัพท์มือถือ ตลอดจนในจอคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล โทรทัศน์ เพื่อเป็นตัวบ่งชี้ ป้ายบอกคะแนน และหน้าจอสำหรับแสดงข้อมูลดิจิทัล ตัวอักษร และแอนะล็อก

แรงตึงผิว

คุณลักษณะที่น่าสนใจที่สุดของของเหลวคือการมีอยู่ พื้นผิวฟรี. เชื่อมต่อกับพื้นผิวของของเหลว พลังงานฟรี, สัดส่วนกับพื้นที่ผิวอิสระของของเหลว: . เนื่องจากพลังงานอิสระของระบบแยกเดี่ยวมีแนวโน้มที่จะมีน้อยที่สุด ของเหลว (ในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอก) จึงมีแนวโน้มที่จะอยู่ในรูปแบบที่มีพื้นที่ผิวขั้นต่ำ ดังนั้น ปัญหาของรูปร่างของของเหลวจึงลดลงเป็นปัญหาไอโซพีอริเมตริกภายใต้เงื่อนไขเพิ่มเติมที่กำหนด (การกระจายเริ่มต้น ปริมาตร ฯลฯ) การหยดอย่างอิสระจะกลายเป็นทรงกลม แต่ภายใต้เงื่อนไขที่ซับซ้อนมากขึ้น ปัญหารูปร่างของพื้นผิวของเหลวจะยากมาก

ของเหลวไม่เหมือนกับก๊าซตรงที่ไม่สามารถเติมปริมาตรทั้งหมดของภาชนะที่เทลงไปได้ ส่วนต่อประสานถูกสร้างขึ้นระหว่างของเหลวกับก๊าซ (หรือไอ) ซึ่งอยู่ในสภาวะพิเศษเมื่อเปรียบเทียบกับส่วนที่เหลือของของเหลว โมเลกุลในชั้นขอบเขตของของเหลว ซึ่งแตกต่างจากโมเลกุลที่อยู่ลึกลงไป จะไม่ถูกล้อมรอบด้วยโมเลกุลอื่นที่เป็นของเหลวชนิดเดียวกันทุกด้าน แรงของอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุลที่กระทำต่อโมเลกุลตัวใดตัวหนึ่งภายในของเหลวจากโมเลกุลข้างเคียงนั้น โดยเฉลี่ยแล้วจะได้รับการชดเชยร่วมกัน (รูปที่ 141)

แต่โมเลกุลทั้งหมดรวมทั้งโมเลกุลของชั้นขอบเขตจะต้องอยู่ในสภาพสมดุล ความสมดุลนี้เกิดขึ้นได้โดยการลดระยะห่างระหว่างโมเลกุลของชั้นผิวกับเพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุดภายในของเหลวลงเล็กน้อย เมื่อระยะห่างระหว่างโมเลกุลลดลง แรงผลักจึงเกิดขึ้น โมเลกุลของชั้นผิวถูกอัดแน่นค่อนข้างหนาแน่นกว่า ดังนั้นจึงมีแหล่งพลังงานศักย์เพิ่มเติมเมื่อเปรียบเทียบกับโมเลกุลภายใน เพราะฉะนั้น, โมเลกุลของชั้นผิวของของเหลวมีพลังงานศักย์มากเกินไปเมื่อเปรียบเทียบกับโมเลกุลที่อยู่ภายในของเหลวเท่ากับพลังงานอิสระ ดังนั้น พลังงานศักย์ของพื้นผิวของของเหลวจึงแปรผันตามพื้นที่ของมัน:

เป็นที่ทราบกันดีจากกลศาสตร์ว่าสภาวะสมดุลของระบบสอดคล้องกับค่าต่ำสุดของพลังงานศักย์นั่นคือ พื้นผิวที่ว่างของของเหลวมีแนวโน้มที่จะลดพื้นที่ลง ของเหลวมีพฤติกรรมราวกับว่าแรงที่กระทำต่อพื้นผิวของมันกำลังหดตัว (ดึง) พื้นผิวนี้ กองกำลังเหล่านี้เรียกว่า แรงตึงผิว .