Жидкие и твёрдые тела

Главное по теме

• Поверхностное натяжение: сила F = σ · l, действующая вдоль границы длиной l. σ воды около 0,072 Н/м, единица Н/м. Жидкость стремится к минимальной площади поверхности, поэтому капля круглая.
• Смачивание: жидкость смачивает поверхность, если притяжение к ней сильнее притяжения молекул друг к другу (мениск вогнутый). Не смачивает - мениск выпуклый (ртуть на стекле).
• Капиллярность: в узкой трубке радиусом r смачивающая жидкость поднимается, несмачивающая опускается. Высота h = 2σ / (ρ · g · r), чем тоньше трубка, тем выше подъём.
• Парообразование: испарение идёт при любой температуре с поверхности, кипение - во всём объёме при температуре кипения. Q = L · m, L - удельная теплота парообразования (вода около 2,3 МДж/кг).
• Относительная влажность φ = p / p_нас · 100%, p - парциальное давление пара, p_нас - давление насыщенного пара при этой температуре. Точка росы - температура, при которой пар становится насыщенным.
• Плавление и кристаллизация: Q = λ · m, температура при плавлении постоянна. Удельная теплота плавления льда λ = 330 кДж/кг. При кристаллизации тепло выделяется в том же количестве.
• Кристаллические тела имеют дальний порядок, чёткую температуру плавления, анизотропны (свойства зависят от направления). Аморфные тела (стекло, смола) плавятся постепенно и изотропны.
• Деформации: растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб, кручение. Упругая деформация исчезает после снятия нагрузки, пластическая остаётся.
• Механическое напряжение σ = F / S (Па), относительное удлинение ε = Δl / l. Закон Гука: σ = E · ε, E - модуль Юнга. Также F = k · Δl, k = E · S / l.
• Нагрев вещества и фазовые переходы считай по ступеням: Q = c · m · Δt на участках нагрева и Q = λ · m или L · m при переходе. На участках плавления и кипения график температуры горизонтален.

Задания с разбором

Где теряют баллы

• Жидкие и твёрдые тела: влажность, плавление, деформация

  Ловушка: Относительную влажность дают в процентах, а в ответах доля; удельную теплоту плавления путают с теплоёмкостью.

  Как решать: φ = p / pнас. Лёд при 0 °C: Q = λm, без нагрева. Механическое напряжение σ = FS, закон Гука σ = Eε.

Объяснение простыми словами

Налей воды в стакан, чуть выше края, и она не выльется, а образует выпуклую горку. Водомерка бегает по воде и не тонет. Капля воды на листе почти шарик. Эти явления объясняет поверхностное натяжение: молекулы на поверхности жидкости притянуты соседями изнутри, поверхность ведёт себя как натянутая плёнка и стремится сократиться. Из всех форм при данном объёме наименьшая поверхность у шара, поэтому свободные капли круглые. Сила поверхностного натяжения F = σ · l, где l - длина границы, σ - коэффициент в Н/м. У воды σ примерно 0,072 Н/м, например на границе длиной 0,1 м сила 0,0072 Н. Нагрев и моющие средства уменьшают σ.

Что происходит, когда жидкость касается твёрдого тела? Если молекулы жидкости притягиваются к стенке сильнее, чем друг к другу, жидкость смачивает поверхность и растекается: вода на чистом стекле. Её край у стенки загибается вверх, это вогнутый мениск. Если притяжение друг к другу сильнее, как у ртути на стекле, жидкость не смачивает, собирается в шарики, а мениск выпуклый. Одна и та же жидкость может смачивать одно тело и не смачивать другое: вода смачивает стекло, но не смачивает жирную поверхность.

Дальше в Biik: продолжение объяснения, видеоразбор и проверка из 8 заданий по этой теме.

Термины

Поверхностное натяжение

Свойство поверхности жидкости сокращаться; характеризуется коэффициентом σ = F / l.

Коэффициент поверхностного натяжения

Отношение силы поверхностного натяжения к длине границы, на которую она действует, единица Н/м.

Смачивание

Явление, при котором жидкость растекается по поверхности твёрдого тела, потому что молекулы жидкости сильнее притягиваются к нему, чем друг к другу.

Мениск

Искривлённая поверхность жидкости у стенок сосуда: вогнутая при смачивании, выпуклая при несмачивании.

Капиллярность

Подъём или опускание жидкости в узких трубках (капиллярах) из-за смачивания и поверхностного натяжения.

Испарение

Превращение жидкости в пар с её поверхности при любой температуре.

Кипение

Интенсивное парообразование по всему объёму жидкости при температуре кипения, зависящей от давления.

Удельная теплота парообразования

Количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкости в пар при температуре кипения, L.

Насыщенный пар

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью: сколько молекул вылетает, столько и возвращается.

Ненасыщенный пар

Пар, давление которого ниже давления насыщенного при данной температуре.

Относительная влажность

Отношение парциального давления водяного пара к давлению насыщенного пара при той же температуре, в процентах.

Точка росы

Температура, при которой пар в воздухе становится насыщенным и начинает конденсироваться.

Плавление

Переход вещества из твёрдого состояния в жидкое при постоянной температуре плавления.

Кристаллизация

Переход вещества из жидкого состояния в твёрдое с выделением теплоты.

Удельная теплота плавления

Количество теплоты, необходимое для плавления 1 кг вещества при температуре плавления, λ.

Кристаллическое тело

Твёрдое тело с упорядоченным расположением частиц (кристаллическая решётка) и определённой температурой плавления.

Аморфное тело

Твёрдое тело без дальнего порядка, размягчающееся постепенно, например стекло, пластмасса.

Анизотропия

Зависимость физических свойств кристалла от направления.

Деформация

Изменение формы или размеров тела под действием внешних сил.

Модуль Юнга

Величина E, характеризующая жёсткость материала в законе Гука σ = E · ε; измеряется в паскалях.