§ 20. Строение и свойства жидкостей

Определения и обозначения

Жидкое состояние — агрегатное состояние вещества, при котором оно сохраняет собственный объём, но не сохраняет форму. Жидкость принимает форму сосуда, однако обычно занимает в нём примерно один и тот же объём. Это определение помогает отличать жидкость от твёрдого тела, которое сохраняет форму, и газа, который заполняет весь доступный объём.

Текучесть — способность жидкости изменять форму и перемещаться под действием силы. Поэтому вода переливается из одного сосуда в другой и каждый раз принимает его форму. Понятие текучести объясняет, почему у жидкости нет собственной формы, хотя её объём остаётся почти постоянным.

Поверхностное натяжение — стремление поверхности жидкости сократить свою площадь под действием сил притяжения между молекулами. Коэффициент поверхностного натяжения обозначают греческой буквой σ; он показывает, какая сила приходится на единицу длины границы поверхности. В простом случае связь записывают так: F = σl, где F — сила, а l — длина границы.

Капиллярное явление — подъём или опускание жидкости в узких трубках, называемых капиллярами. Направление и величина изменения уровня связаны с тем, притягивается ли жидкость к стенкам или, наоборот, слабее взаимодействует с ними. Это понятие помогает объяснить движение воды в тонких трубках и порах.

Как это устроено

В жидкости молекулы находятся близко друг к другу, как и в твёрдом теле, но их расположение менее упорядочено. Частицы непрерывно совершают тепловое движение и сталкиваются, поэтому их соседство постоянно меняется. В твёрдом теле молекулы в основном колеблются около определённых положений, а в газе расстояния между частицами намного больше. Эти различия помогают понять, почему жидкости занимают промежуточное положение между твёрдыми телами и газами.

Молекулы жидкости могут перемещаться относительно соседних, потому что они не закреплены в неизменных положениях. Под действием силы частицы смещаются, и слои жидкости начинают двигаться друг относительно друга: так возникает текучесть. При этом молекулы остаются близко благодаря притяжению, поэтому между ними почти не образуются большие промежутки. Из-за этого жидкость легко меняет форму, но её объём при обычных условиях меняется мало.

Межмолекулярное притяжение действует и внутри жидкости, и у её поверхности. В глубине молекулу со всех сторон окружают другие молекулы, поэтому их воздействия в среднем уравновешиваются. У поверхности соседей с одной стороны меньше, и результирующее притяжение направлено внутрь жидкости. Это помогает объяснить, почему поверхность ведёт себя особым образом и почему жидкость удерживается вместе, а не разлетается на отдельные частицы.

Под действием сил притяжения поверхность жидкости стремится занять площадь поменьше. Поэтому небольшие капли часто приобретают округлую форму: при данном объёме у шара наименьшая площадь поверхности. Поверхностное натяжение не следует путать с давлением внутри жидкости: оно связано с действием сил на поверхности и вдоль её границы. Если поверхность растягивают, сила поверхностного натяжения препятствует этому растяжению.

Взаимодействие жидкости со стенками определяет, смачивает ли она их. Если притяжение между молекулами жидкости и стенкой достаточно сильное, жидкость растекается по стенке; так ведёт себя вода на чистом стекле. В узкой трубке смачивающая жидкость поднимается, потому что взаимодействие со стенками и поверхностное натяжение действуют на жидкость в капилляре. Чем уже трубка, тем выше поднимается вода; при слабом смачивании жидкость может, наоборот, опускаться.

Строение и свойства вещества в разных агрегатных состояниях

Сравнивайте вещества по строкам: так легче увидеть, какие свойства связаны с расположением частиц, а какие — с их движением. Жидкость занимает промежуточное положение: она текучая, как газ, но сохраняет объём, как твёрдое тело. Таблица описывает обычные условия и основные свойства веществ.

Разбор задач

Задача 1. Почему вода в стакане принимает его форму, но после переливания её объём практически не меняется? Нужно объяснить оба наблюдения через строение и движение молекул.

1. Молекулы воды могут перемещаться относительно друг друга. Поэтому вода течёт и принимает очертания стакана или другой ёмкости.
2. Частицы при этом остаются близко и притягиваются. Между ними не возникает больших промежутков, поэтому жидкость трудно сжать.
3. Значит, при переливании меняется форма воды, но объём остаётся почти прежним.

Ответ: вода текуча из-за подвижности молекул, а близкое расположение и притяжение частиц помогают ей сохранять объём.

Задача 2. На рамку с подвижной перекладиной действует сила поверхностного натяжения 0,04 Н. Длина перекладины 0,10 м. Найти коэффициент поверхностного натяжения, учитывая две поверхности плёнки.

1. Записываем связь силы и коэффициента поверхностного натяжения для плёнки: F = 2σl. Множитель 2 учитывает обе поверхности плёнки.
2. Выражаем неизвестный коэффициент: σ = F/(2l). Подставляем данные: σ = 0,04 Н/(2 · 0,10 м).
3. Вычисляем: σ = 0,04/0,20 = 0,20 Н/м. Единица Н/м получается потому, что силу делим на длину.

Ответ: коэффициент поверхностного натяжения равен 0,20 Н/м.

Задача 3. В две капиллярные трубки разного радиуса опустили воду. В какой трубке вода поднимется выше? В условии не нужны числовые данные: достаточно применить качественную зависимость для смачиваемой водой трубки.

1. Вода смачивает стенки капилляра, поэтому взаимодействие со стенками способствует подъёму жидкости.
2. При меньшем радиусе трубки влияние стенок и поверхностного натяжения на воду в узком капилляре заметнее.
3. Следовательно, уровень воды выше в более узкой трубке. Если радиусы отличаются, но сами значения не указаны, численно вычислить разницу высот нельзя.

Ответ: вода поднимется выше в трубке меньшего радиуса, потому что она смачивает её стенки, а узкий капилляр усиливает проявление капиллярного явления.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что жидкость сохраняет форму. Так можно решить, глядя на воду, оставленную в стакане: кажется, что очертания принадлежат самой жидкости. Но при переливании они меняются, тогда как объём остаётся почти постоянным. Для проверки представьте жидкость в сосуде другой формы: она повторит его очертания.

Ошибка: считать молекулы жидкости неподвижными, как в твёрдом теле. Такое представление возникает из-за того, что молекулы расположены близко. Однако близость не означает неподвижности: частицы движутся и перемещаются относительно друг друга. Проверка — способность жидкости течь и менять форму.

Ошибка: путать поверхностное натяжение с давлением внутри жидкости. Оба явления связаны с действием сил, поэтому их легко смешать. Но поверхностное натяжение проявляется у поверхности и вдоль её границы, а давление характеризует действие жидкости на площадку внутри или на стенку. Чтобы проверить себя, выясните, о какой области жидкости идёт речь: о поверхности или о внутренней части.

Ошибка: учитывать у плёнки только одну поверхность. В этом случае в формуле получится F = σl, и расчётная сила будет вдвое меньше нужной. Путаница возникает, если представлять плёнку как тонкую линию, а не как слой с двумя сторонами. Перед подстановкой проверьте, сколько поверхностей тянет перекладину: у плёнки их две, поэтому F = 2σl.

Связь с другими темами

Перед изучением свойств жидкости полезно повторить молекулярное строение вещества, тепловое движение и взаимодействие молекул. Эти идеи объясняют, почему частицы жидкости остаются близко, но могут перемещаться, а также откуда берутся силы поверхностного натяжения. Знание о смачивании и капиллярных явлениях пригодится при изучении движения жидкостей в тонких трубках и порах. Оно помогает объяснять и природные процессы, в которых вода перемещается по узким каналам.

Что запомнить

• Жидкость сохраняет объём, но не сохраняет форму.
• Молекулы жидкости расположены близко и непрерывно движутся.
• Текучесть жидкости связана с возможностью молекул перемещаться друг относительно друга.
• Поверхностное натяжение связано с межмолекулярным притяжением у поверхности.
• Смачиваемость стенок влияет на поведение жидкости в капиллярах.
• Вода в узком смачиваемом капилляре поднимается выше, чем в широком.