Один объём — разная поверхность
Разделяй один и тот же объём на одинаковые сферические капли. Сравни радиус и общую площадь.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Геометрическое дополнение: объём постоянен, капли сферические, тяжесть и контакт с опорой не учитываются. Sобщ/S₁ = N^(1/3).
Соседи: плотность почти как у твёрдого тела
В жидкости частицы находятся близко друг к другу, поэтому объём мало меняется при обычных изменениях давления. Жидкости трудно сжать, хотя их сжимаемость не равна строго нулю. Собственный объём сохраняется приблизительно.
В отличие от кристалла, положения соседей со временем перестраиваются. Частица некоторое время колеблется около временного положения, затем перемещается в новое. Дальний порядок отсутствует, а ближний сохраняется.
Близкое расположение
Малая сжимаемость и определённый объём
Перестройка соседей
Текучесть и принятие формы сосуда
Текучесть жидкости связана с возможностью перестройки взаимного расположения частиц.
Почему жидкость не занимает весь сосуд как газ?
Межмолекулярное притяжение удерживает частицы близко; обычный газ значительно более разрежен.
Сравнение: не «средняя смесь» двух состояний
Газ заполняет доступный объём и сравнительно легко сжимается. Жидкость сохраняет объём и течёт. Кристалл в обычных условиях сохраняет форму и объём. Все три состояния имеют тепловое движение.
Выражение «жидкость не имеет формы» означает отсутствие собственной устойчивой формы при земном тяготении и наличии сосуда. Свободная небольшая капля может иметь почти сферическую форму благодаря поверхностному натяжению.
| Признак | Газ | Жидкость | Кристалл |
|---|---|---|---|
| Расстояния | Обычно большие | Малые | Малые |
| Форма | По всему сосуду | Определяется условиями и сосудом | Сохраняется |
| Дальний порядок | Нет | Нет | Есть |
| Сжимаемость | Заметная | Малая | Малая |
Форма жидкости определяется не только сосудом, но и действующими силами.
Почему большая капля на столе не идеальный шар?
Тяжесть и взаимодействие с опорой деформируют её. Сферичность приближённо проявляется, когда эти влияния малы.
Капля воды на листе
Поверхностное натяжение помогает капле сохранять округлую форму. Контакт с листом и сила тяжести отклоняют её от идеального шара.
Mightyhansa · CC BY-SA 3.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Опыт с подкрашенной тёплой и холодной водой
Жидкость способна течь и переносить вещество. Текучесть связана с перестройкой окружения молекул, а не с отсутствием их взаимодействия.
Abduvosid2008 · CC BY 4.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Поверхность: образование новой границы требует энергии
Частицы у границы жидкости находятся в иных условиях взаимодействия, чем внутри. Увеличение свободной поверхности требует дополнительной энергии. Поэтому при данных условиях поверхностное натяжение стремится уменьшить площадь границы.
При заданном объёме наименьшую площадь имеет шар. Этим объясняется почти сферическая форма малых свободных капель. Называть поверхность настоящей упругой плёнкой неправильно: это полезное сравнение, но жидкость не имеет отдельной твёрдой оболочки.
Создали дополнительную поверхность
Изменили окружение частиц
Затратили энергию
Увеличили поверхностную энергию
Свободная система
Стремится уменьшить площадь при данных ограничениях
Поверхностное натяжение связано с энергетической ценой создания поверхности.
Почему две капли могут сливаться в одну?
При сохранении общего объёма площадь поверхности уменьшается; часть поверхностной энергии переходит в другие формы.
Наглядность: объём и площадь меняются по-разному
В модели один и тот же общий объём разделяется на одинаковые сферические капли. Если число капель N увеличено, радиус каждой уменьшается как 1/∛N, а суммарная площадь возрастает как ∛N. Для восьми капель радиус вдвое меньше, площадь вдвое больше.
Это геометрическое дополнение к параграфу. Оно не рассчитывает распылитель и не описывает действие тяжести или испарение. Сравнивай отдельно размер одной капли, суммарный объём и общую площадь.
Объём сохранён
NR³ = const для одинаковых сфер
Размер капли
R ∝ 1/∛N
Общая площадь
Sобщ ∝ ∛N
Раздробление жидкости при том же объёме увеличивает суммарную поверхность.
Почему мелкие капли обычно быстрее испаряются?
На единицу объёма у них больше поверхности. Реальная скорость зависит также от температуры, влажности и движения воздуха.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 10 класс», § 8. Тема и содержание сверены с файлом «10 класс. Физика — § 08. Строение и свойства жидкостей.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.