Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

10.2: Властивості рідин

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    22499

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Цілі навчання
    • Розрізняють сили клею і зчеплення
    • Визначте в'язкість, поверхневий натяг та підвищення капілярів
    • Охарактеризуйте ролі міжмолекулярних сил привабливості в кожному з цих властивості/явищ

    Коли ви наливаєте склянку води, або заправляєте машину бензином, ви спостерігаєте, що вода і бензин течуть вільно. Але коли ви наливаєте сироп на млинці або додаєте масло в двигун автомобіля, то зауважте, що сироп і моторне масло течуть не так легко. В'язкість рідини є мірою її опору потоку. Вода, бензин та інші рідини, які вільно протікають, мають низьку в'язкість. Мед, сироп, моторне масло та інші рідини, які не течуть вільно, як показано на малюнку\(\PageIndex{1}\), мають більш високу в'язкість. Ми можемо виміряти в'язкість, виміряючи швидкість, з якою металева кулька потрапляє через рідину (куля повільніше падає через більш в'язку рідину) або вимірюючи швидкість, з якою рідина протікає через вузьку трубку (більш в'язкі рідини течуть повільніше).

    Малюнок\(\PageIndex{1}\): (а) Мед і (б) моторне масло є прикладами рідин з високою в'язкістю; вони течуть повільно. (Кредит а: модифікація роботи Скотта Бауера; кредит b: модифікація роботи Девіда Нагі)
    Дві фотографії показані та марковані «a» та «b». Фото показує банку меду з ведмедицею, що крапає його на печиво. Більше печива показано у кошику на задньому плані. На фото б зображений двигун автомобіля і людина, що додає моторне масло в двигун.

    IMF між молекулами рідини, розмір і форма молекул і температура визначають, наскільки легко протікає рідина. Як\(\PageIndex{1}\) показує таблиця, чим структурно складними є молекули в рідині і чим сильніше ІМФ між ними, тим складніше їм рухатися повз один одного і тим більша в'язкість рідини. Зі збільшенням температури молекули рухаються швидше, і їх кінетичні енергії краще здатні долати сили, які утримують їх разом; таким чином, в'язкість рідини зменшується.

    Таблиця\(\PageIndex{1}\): В'язкість поширених речовин при 25° C
    Речовина Формула В'язкість (мПа·с)
    вода Н 2 О 0,890
    ртуті Hg 1.526
    етанолу З 2 Ч 5 ОН 1.074
    октан З 8 Ч 18 0,508
    етиленгліколь СН 2 (ОН) СН 2 (ОН) 16.1
    мед змінна ~2,000—10 000
    моторне масло змінна ~50-500

     

    Різні IMF між однаковими молекулами речовини є прикладами сил згуртування. Молекули всередині рідини оточені іншими молекулами і притягуються однаково у всіх напрямках силами зчеплення всередині рідини. Однак молекули на поверхні рідини притягуються лише приблизно на половину менше молекул. Через незбалансовані молекулярні атракціони на поверхневих молекулах рідини стискаються, утворюючи форму, яка мінімізує кількість молекул на поверхні - тобто форму з мінімальною площею поверхні. Невелика крапля рідини має тенденцію приймати сферичну форму, як показано на малюнку\(\PageIndex{2}\), оскільки в сфері відношення площі поверхні до обсягу знаходиться на мінімальному рівні. Більші краплі сильніше впливають на гравітацію, опір повітря, поверхневі взаємодії і так далі, і, як наслідок, менш сферичні.

    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Привабливі сили призводять до сферичної краплі води, яка мінімізує площу поверхні; сили зчеплення утримують сферу разом; сили адгезії утримують краплю, прикріплену до полотна. (кредитне фото: модифікація роботи «OlibaC» /Flickr)
    Показано фото павутини з прикріпленими до неї крапельками води. Два зображення показані праворуч від фотографії і стрілки ведуть від фотографії до зображень. На верхньому зображенні показано двадцять вісім синіх сфер, укладених одна на іншу в нижній частині круглого фону. П'ять стрілок малюються спрямованими в сторони і вниз від сфери у верхній середині малюнка. Нижнє зображення показує ще один круглий фон такого ж розміру, як і перший, але цього разу сині сфери заповнюють зображення і упаковані тісно один до одного. Сфера посередині має шість стрілок, що вказують на всі боки від неї.

    Поверхневий натяг визначається як енергія, необхідна для збільшення площі поверхні рідини, або сила, необхідна для збільшення довжини поверхні рідини на задану кількість. Ця властивість виникає внаслідок сил зчеплення між молекулами на поверхні рідини, і це змушує поверхню рідини вести себе як розтягнута гумова мембрана. Поверхневі натяги декількох рідин представлені в табл\(\PageIndex{2}\).

    Таблиця\(\PageIndex{2}\): Поверхневі натяги поширених речовин при 25° C
    Речовина Формула Поверхневий натяг (мН/м)
    вода Н 2 О 71.99
    ртуті Hg 458.48
    етанолу З 2 Ч 5 ОН 21.97
    октан З 8 Ч 18 21.14
    етиленгліколь СН 2 (ОН) СН 2 (ОН) 47.99

    Серед поширених рідин вода проявляє чітко високий поверхневий натяг завдяки сильному водневому зв'язку між її молекулами. В результаті такого високого поверхневого натягу поверхня води являє собою відносно «жорстку шкіру», яка витримує значну силу, не руйнуючись. Сталева голка, акуратно поставлена на воду, буде плавати. Деякі комахи, як показано на малюнку\(\PageIndex{3}\), хоча вони щільніші за воду, рухаються по її поверхні, оскільки підтримуються поверхневим натягом.

    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Поверхневий натяг (праворуч) запобігає зануренню цієї комахи, «водяного страйдера».
    Фото і схема, як показано, і стрілка, спрямована вправо, веде від фотографії до зображення. На фото зображено комаха, що стоїть на поверхні зразка води. На зображенні показано квадратний фон, який є двома третинами, покритими синіми сферами, які тісно упаковані разом. Коричнева лінія починається у верхньому лівому куті фону і спирається поверх першого ряду сфер. Сфера безпосередньо під цією низькою точкою лінії має чотири намальовані на ній стрілки, які спрямовані в обидві сторони і вниз. Сфера в нижньому центрі зображення має шість намальованих стрілок, які всі звернені назовні в різні боки.

    IMF тяжіння між двома різними молекулами називаються адгезійними силами. Розглянемо, що відбувається при зіткненні води з якоюсь поверхнею. Якщо сили адгезії між молекулами води і молекулами поверхні слабкі в порівнянні з силами зчеплення між молекулами води, вода не «змочує» поверхню. Наприклад, вода не змочує вощені поверхні або багато пластмас, таких як поліетилен. Вода утворює краплі на цих поверхнях, оскільки сили зчеплення всередині крапель більше, ніж сили адгезії між водою та пластиком. Вода поширюється по склу, оскільки сила адгезії між водою та склом більша, ніж сили зчеплення всередині води. Коли вода обмежена в скляній трубці, її меніск (поверхня) має увігнуту форму, оскільки вода змочує скло і повзає вгору по стороні трубки. З іншого боку, сили зчеплення між атомами ртуті набагато більше, ніж сили адгезії між ртуттю і склом. Тому ртуть не змочує скло, і вона утворює опуклий меніск при обмеженні в трубці, оскільки сили згуртування всередині ртуті мають тенденцію втягувати його в краплю (рис.\(\PageIndex{4}\)).

    Малюнок\(\PageIndex{4}\): Відмінності у відносних силах зчеплення та адгезії призводять до різних форм меніска для ртуті (зліва) та води (праворуч) у скляних трубках. (кредит: Марк Отт)
    На цьому малюнку зображені дві пробірки. Пробірка зліва містить ртуть з меніском, який округляється вгору. Пробірка праворуч містить воду з меніском, який округляється вниз.

    Якщо помістити один кінець паперового рушника в пролите вино, як показано на малюнку\(\PageIndex{5}\), рідина відводить паперовий рушник. Подібний процес відбувається в тканинному рушнику, коли ви використовуєте його для висихання після душу. Це приклади капілярної дії - коли рідина тече всередині пористого матеріалу через притягання молекул рідини до поверхні матеріалу та інших молекул рідини. Сили адгезії між рідиною та пористим матеріалом у поєднанні з силами зчеплення всередині рідини можуть бути досить сильними, щоб рухатися рідина вгору проти сили тяжіння.

    Малюнок\(\PageIndex{5}\): Вино підтягує паперовий рушник (зліва) через сильні атракціони молекул води (та етанолу) до груп −OH на волокні целюлози рушника та сильних атракціонів молекул води до інших молекул води (та етанолу) (праворуч). (кредитне фото: модифікація роботи Марка Блейзера)
    Фото і схема показані. На фото паперовий рушник занурюється в миску, наповнену червоною рідиною, що сидить на стільниці. Червона рідина рухається вгору по нижній частині паперового рушника, і цей розділ фотографії має квадрат, намальований навколо нього. Стрілка, спрямована вправо, веде від цього квадрата до зображення. Зображення квадратне і має фон двох типів молекул, змішаних між собою. Перший тип молекули складається з двох зв'язаних чорних сфер, одна з яких є одинарною, пов'язаною з трьома білими сферами, і одна з яких єдина пов'язана з двома білими сферами і червоною сферою, яка сама по собі пов'язана з білою сферою. Інший тип молекули складається з шести чорних сфер, з'єднаних між собою в ряд і з'єднаних з іншими червоними та білими сферами. Шість стрілок, спрямованих вгору, намальовані на цьому тлі. Вони мають позитивні знаки на нижніх кінцях і негативні знаки на голові. Чотири спрямовані вгору стрілки намальовані зі зворотними знаками.

    Рушники вбирають рідини, як вода, оскільки волокна рушника складаються з молекул, які притягуються до молекул води. Більшість тканинних рушників виготовляються з бавовни, а паперові рушники, як правило, виготовляються з паперової маси. Обидва складаються з довгих молекул целюлози, які містять багато груп −OH. Молекули води притягуються до цих груп −OH і утворюють з ними водневі зв'язки, які витягують молекули H 2 O вгору по молекулах целюлози. Молекули води також притягуються один до одного, тому велика кількість води витягується целюлозними волокнами.

    Капілярна дія може виникнути і при зануренні одного кінця трубки невеликого діаметру в рідину, як показано на малюнку\(\PageIndex{6}\). Якщо молекули рідини сильно притягуються до молекул трубки, рідина повзає вгору по внутрішній частині трубки до тих пір, поки вага рідини і сили адгезії не будуть в рівновазі. Чим менше діаметр трубки, тим вище піднімається рідина. Частково завдяки капілярній дії, що відбувається в клітині рослин, які називаються ксилемою, вода та розчинені поживні речовини потрапляють з ґрунту вгору через коріння та в рослину. Капілярна дія є основою для тонкошарової хроматографії, лабораторної методики, яка зазвичай використовується для поділу невеликих кількостей сумішей. Ви залежите від постійного запасу сліз, щоб тримати очі змащеними, і від капілярної дії, щоб відкачувати слізну рідину.

    Малюнок\(\PageIndex{6}\): Залежно від відносної сили клею та сил зчеплення, рідина може підніматися (наприклад, вода) або падати (наприклад, ртуть) у скляну капілярну трубку. Ступінь підйому (або падіння) прямо пропорційна поверхневому натягу рідини і обернено пропорційна щільності рідини і радіусу трубки.
    Показано зображення двох мензурок і трубки. Перший стакан, намальований зліва і позначений «Вода», намальований наполовину повною синьою рідиною. Дві трубки поміщаються вертикально в склянку і вставляються в рідину. Рідина показана вище в трубках, ніж у склянці, і має маркування «Капілярне тяжіння». Другий стакан, намальований посередині і позначений «Меркурій», намальований наполовину повною сірою рідиною. Дві трубки поміщаються вертикально в склянку і вставляються в рідину. Рідина показана нижче в трубках, ніж у склянці, і має маркування «Капілярне відштовхування». Лінії вказують на вертикальні трубки і маркують їх «Капілярні трубки». Окремий креслення однієї з вертикальних трубочок від першої мензурки показаний справа. Стрілка, спрямована вправо, веде від рідини в трубці до квадратного вікна виклику, який показує крупним планом вигляд поверхні рідини. Відстань через трубку позначено «2 r» на цьому зображенні.

    Висота, на яку підніметься рідина в капілярній трубці, визначається декількома факторами, як показано в наступному рівнянні:

    \[h=\dfrac{2T\cosθ}{rρg} \label{10.2.1} \]

    де

    • h - висота рідини всередині капілярної трубки щодо поверхні рідини поза трубкою,
    • Т - поверхневий натяг рідини,
    • θ - кут контакту між рідиною і трубкою,
    • r - радіус трубки, ρ - щільність рідини, а
    • g - прискорення за рахунок сили тяжіння, 9,8 м/с 2.

    Коли трубка виготовлена з матеріалу, до якого сильно притягуються молекули рідини, вони повністю розповзнуться по поверхні, що відповідає куту контакту 0°. Така ситуація для води, що піднімається в скляній трубці.

    Приклад\(\PageIndex{1}\): Capillary Rise

    При 25° C, наскільки високо підніметься вода в скляній капілярній трубці з внутрішнім діаметром 0,25 мм?

    Для води Т = 71,99 мН/м і ρ = 1,0 г/см 3.

    Рішення

    Рідина підніметься на висоту h, задану рівнянням\(\ref{10.2.1}\):

    \[h=\dfrac{2T\cosθ}{rρg} \nonumber \]

    Ньютон визначається як кг м/с 2, і тому наданий поверхневий натяг еквівалентний 0,07199 кг/с 2. Передбачена щільність повинна бути перетворена в одиниці, які відповідним чином скасують: ρ = 1000 кг/м 3. Діаметр трубки в метрах становить 0,00025 м, тому радіус 0,000125 м Для скляної трубки, зануреної у воду, кут контакту становить θ = 0°, тому cos θ = 1. Нарешті, прискорення за рахунок гравітації на землі становить g = 9,8 м/с 2. Підставивши ці значення в рівняння, і скасовуючи одиниці, маємо:

    \[h=\mathrm{\dfrac{2(0.07199\:kg/s^2)}{(0.000125\:m)(1000\:kg/m^3)(9.8\:m/s^2)}=0.12\:m=12\: cm} \nonumber \]

    Вправа\(\PageIndex{1}\)

    Вода піднімається в скляній капілярній трубці на висоту 8,4 см. Який діаметр капілярної трубки?

    Відповідь

    діаметр = 0,36 мм

    Застосування: Капілярна дія використовується для забору крові

    Багато медичних тестів вимагають збирання невеликої кількості крові, наприклад, для визначення кількості глюкози у когось із цукровим діабетом або рівня гематокриту у спортсмена. Цю процедуру можна легко зробити через капілярного дії, здатності рідини стікати по невеликій трубці проти сили тяжіння, як показано на малюнку\(\PageIndex{7}\). Коли ваш палець колотий, крапля крові утворюється і тримається разом через поверхневий натяг - незбалансовані міжмолекулярні атракціони на поверхні краплі. Потім, коли відкритий кінець скляної трубки вузького діаметра торкається краплі крові, сили адгезії між молекулами в крові та молекулами на поверхні скла витягують кров вгору по трубці. Наскільки далеко йде кров по трубці, залежить від діаметра трубки (і виду рідини). Невелика трубка має відносно велику площу поверхні для заданого об'єму крові, що призводить до більших (відносних) сил притягання, дозволяючи крові витягуватися далі вгору по трубці. Сама рідина утримується власними згуртованими силами. Коли вага рідини в трубці генерує низхідну силу, рівну висхідній силі, пов'язаній з капілярною дією, рідина перестає підніматися.

    Малюнок\(\PageIndex{7}\): Кров збирається для медичного аналізу шляхом капілярної дії, яка втягує кров в скляну трубку невеликого діаметру. (кредит: зміна роботи Центрів контролю та профілактики захворювань)
    На фотографії зображена рука людини, яку тримає людина в медичних рукавичках. Тонка скляна трубка притискається до пальця людини і кров рухається вгору по трубці.

    Ключові поняття та резюме

    Міжмолекулярні сили між молекулами в рідкому стані змінюються залежно від їх хімічної ідентичності і призводять до відповідних варіацій різних фізичних властивостей. Сили зчеплення між подібними молекулами відповідають за в'язкість рідини (опір потоку) і поверхневий натяг (еластичність поверхні рідини). Адгезійні сили між молекулами рідини та різними молекулами, що складають поверхню, що контактує з рідиною, відповідають за такі явища, як змочування поверхні та підйом капілярів.

    Ключові рівняння

    • \(h=\dfrac{2T\cosθ}{rρg}\)

    Глосарій

    сила зчеплення
    сила тяжіння між молекулами різної хімічної ідентичності
    капілярна дія
    протікання рідини всередині пористого матеріалу за рахунок притягання молекул рідини до поверхні матеріалу і до інших молекул рідини
    сила згуртованості
    сила тяжіння між однаковими молекулами
    поверхневий натяг
    енергія, необхідна для збільшення площі або довжини поверхні рідини на задану кількість
    в'язкість
    міра опору рідини потоку