Оно принимает форму того сосуда в котором находится
Вещество может пребывать в твердом, жидком или газообразном состояниях, а при особых условиях также в плазменном состоянии.
Любое вещество состоит из молекул, а его физические свойства зависят от того, каким образом упорядочены молекулы и как они взаимодействуют между собой. В обычной жизни мы наблюдаем три агрегатных состояния вещества — твердое, жидкое и газообразное.
Газ
Газ расширяется, пока не заполнит весь отведенный ему объем. Если рассмотреть газ на молекулярном уровне, мы увидим беспорядочно мечущиеся и сталкивающиеся между собой и со стенками сосуда молекулы, которые, однако, практически не вступают во взаимодействие друг с другом. Если увеличить или уменьшить объем сосуда, молекулы равномерно перераспределятся в новом объеме. Молекулярно-кинетическая теория связывает молекулярные свойства газа с его макроскопическими свойствами, такими как температура и давление.
Жидкость
В отличие от газа жидкость при заданной температуре занимает фиксированный объем, однако и она принимает форму заполняемого сосуда — но только ниже уровня ее поверхности. На молекулярном уровне жидкость проще всего представить в виде молекул-шариков, которые хотя и находятся в тесном контакте друг с другом, однако имеют свободу перекатываться друг относительно друга, подобно круглым бусинам в банке. Налейте жидкость в сосуд — и молекулы быстро растекутся и заполнят нижнюю часть объема сосуда, в результате жидкость примет его форму, но не распространится в полном объеме сосуда.
Твердое тело
Твердое тело имеет собственную форму, не растекается по объему контейнера и не принимает его форму. На микроскопическом уровне атомы прикрепляются друг к другу химическими связями, и их положение друг относительно друга фиксировано. При этом они могут образовывать как жесткие упорядоченные структуры — кристаллические решетки, — так и беспорядочное нагромождение — аморфные тела (именно такова структура полимеров, которые похожи на перепутанные и слипшиеся макароны в миске).
Плазма
Выше были описаны три классических агрегатных состояния вещества. Имеется, однако, и четвертое состояние, которые физики склонны относить к числу агрегатных. Это плазменное состояние. Плазма характеризуется частичным или полным срывом электронов с их атомных орбит, при этом сами свободные электроны остаются внутри вещества. Таким образом, плазма, будучи ионизированной, в целом остается электрически нейтральной, поскольку число положительных и отрицательных зарядов в ней остается равным. Мы можем наблюдать как холодную и в незначительной степени ионизированную плазму (например, в люминесцентных лампах), так и полностью ионизированную горячую плазму (внутри Солнца, например).
Конденсат Бозе-Эйнштейна
При сверхнизких температурах скорости молекул снижаются настолько, что мы не можем точно определить их местоположение. Это происходит в силу принципа неопределенности Гейзенберга. Когда температура снижается настолько, что степень неопределенности положения атомов оказывается сопоставимой с размерами группы атомов, к которой они принадлежат, вся группа начинает вести себя, как единое целое. Такое состояние вещества называется конденсатом Бозе—Эйнштейна, и его можно считать пятым агрегатным состоянием вещества.
Источник
В небольшом объеме жидкости наблюдается упорядоченное расположение молекул, а в большом объеме оно оказывается хаотическим. Иначе говоря, в жидкости существует ближний порядок в расположении молекул, но отсутствует дальний порядок. Такое строение называется квазикристаллическим. Свойства жидкого состояния вещества ближе к свойствам твердого состояния, чем к свойствам газообразного.
Молекулярное давление поверхностного слоя жидкости
Выясним, чем отличаются действия молекулярных сил внутри жидкости от действия молекулярных сил на ее поверхности. Среднее значение равнодействующей молекулярных сил, действующих на молекулу , равно 0 (рисунок 25), т.к. она со всех сторон окружена молекулами. Радиус действия молекулярных сил . Снизу от молекулы находится много молекул, а сверху мало.
Пар, находящийся над жидкостью, практически не влияет на результирующую силу молекулярных сил .
Равнодействующая молекулярных сил, действующих на молекулу
, значительно меньше, чем на молекулу .
Результирующие силы направлены во внутрь жидкости перпендикулярно ее поверхности.
Под действием результирующих сил все молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое толщиной , втягиваются внутрь жидкости. Поэтому поверхностный слой создает давление. Величина этого давления очень велика. Для воды она порядка 109 Па(11 тысяч атмосфер).
Поэтому с помощью внешнего давления сжать жидкость очень трудно. При относительно малых давлениях, с которыми мы имеем дело в жизни и технике, жидкость можно считать несжимаемой.
Энергия поверхностного слоя жидкости.
Молекулы поверхностного слоя жидкости имеют большую потенциальную энергию, чем молекулы, распложенные внутри жидкости. Эту дополнительную энергию называют свободной энергией. За счет ее может быть совершена работа, связанная с уменьшением свободной поверхности жидкости.
где Δ – изменение площади свободной поверхности. Коэффициент поверхностного натяжения ( ) измеряется работой молекулярных сил при уменьшении площади свободной поверхности жидкости на единицу. Его размерность: [ ]=1 .
Т.к. любая система стремится к минимуму энергии, то жидкость стремится к минимуму площади поверхности – к шару. Поэтому капли и мыльные пузыри круглые.
Поверхностное натяжение
Сила поверхностного натяжения , обусловленная взаимодействием молекул жидкости, вызывающая сокращение площади ее свободной поверхности и направлена по касательной к этой поверхности, называется силой поверхностного натяжения(рисунок 26).
Работа силы поверхностного натяжения:
Коэффициент поверхностного натяжения σ численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины границы свободной поверхности жидкости.
На величину влияет температура жидкости и среда, находящаяся над поверхностью жидкости.
Смачивание
Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют смачивающей.
Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твердых веществ, то жидкостьназывают не смачивающей.
Например, вода, – смачивающая жидкость для стекла (рисунок 27а), и не смачивающая для парафина (рисунок 27б).
Угол Θ называют краевым углом. Для
смачивающих жидкостей угол Θ острый, а для не смачивающих – тупой. Мерой смачиваемости служит Θ. Он положителен для смачивающих жидкостей и отрицателен для не смачивающих жидкостей. При полном смачивании , при полном не смачивании cosQ = -1.
Мениск
Искривление поверхности жидкости у краев сосуда отчетливо видно в тонких трубках. В трубке с круглым сечением эта поверхность является частью поверхности сферы и называется мениском. У смачивающей жидкости мениск вогнутый (рисунок 28а), а у не смачивающей выпуклый (рисунок 28б).
Искривленная поверхность жидкости стремится выпрямиться под действием давления Лапласа . Французский ученый Лаплас определил величину этого давления. Для сферической формы свободной поверхности жидкости с радиусом r это давление выражается:
=
Рисунок 28. Образование мениска в трубках малого диаметра |
Капиллярность
Если в воду опустить тонкую стеклянную трубку, то вода втягивается в трубку и ее уровень поднимается на высоту .
На очень большую высоту поднимается жидкость в трубке, диаметр которой меньше диаметра волоса. Такие трубки называют капиллярнымитрубками, от греческого “капиллярис” – волос, тонкий. Смачивающая жидкость поднимается по трубке вверх, а не смачивающая опускается вниз (рисунок 29). Это объясняется тем, что давление Лапласа РЛ в случае смачивающей жидкости направлено вверх. Оно втягивает воду до тех пор, пока гидростатическое давление РГ столба воды высотой h не уравновесит систему.
При этом ; ; ® Отсюда: и высота подъема жидкости , где: =9,81 , а – плотность жидкости.
Высота подъема жидкости тем больше, чем меньше радиус трубки .
Формула справедлива при краевом угле Θ=0. Если Θ отличается от нуля, то .
Высота подъема жидкости h в капилляре зависит от температуры.Чем выше температура, тем меньше , а значит и h.
Капиллярные явления играют большую роль в природе и технике. Мельчайшие капилляры имеются в растениях. По ним влага поднимается из почвы до вершины. В почве тоже есть капилляры, осушающие почву. В домах между фундаментом и стеной обязательно укладывают слой материала, не обладающего капиллярной структурой. Тогда вода из земли не попадает в стены здания.
Контрольные вопросы:
1. Дайте определение жидкого состояния вещества.
2. Расскажите о молекулярном давлении поверхностного слоя жидкости.
3. Расскажите об энергии поверхностного слоя жидкости. Что такое коэффициент поверхностного натяжения?
4. Что такое смачивающая и не смачивающая жидкость? Что служит мерой смачиваемости?
5. Что такое мениск и под действием какого давления он образуется?
6. Что такое капиллярная трубка и как вычислить высоту, на которую поднимается жидкость по капиллярной трубке?
Источник