Рідина являє одне з трьох станів, в яких існує матерія. Більшість фізиків виділяють також четвертий стан матерії – плазму. Рідина (поряд з газом) є текучим станом матерії, тобто при впливі малих зовнішніх сил вона легко змінює свою форму, однак обсяг її зберігається постійним при тому ж тиску і температурі. Відповідь на питання про те, чим пояснюється здатність рідин зберігати свій обсяг, полягає в особливостях їх будови.
Відмінність рідини від твердих тіл і газів
Молекули, складові рідини і гази, що не перебувають у постійних положеннях. Вони можуть вільно переміщатися по всьому об’єму, що відрізняє ці два типи матерії від твердих тіл, в яких кожен атом або молекула займають строго певне місце. Завдяки вільному переміщенню молекул рідина і газ набувають форму посудини, в який їх поміщають. Тому при відповіді на питання про те, якими властивостями володіють рідини, слід в першу чергу називати їх здатність змінювати свою форму.
Однак гази і рідини мають істотну відмінність між собою. Наприклад, гази не зберігають об’єм і здатні заповнювати його повністю в тому просторі, яке їм надано. Рідини, в свою чергу, обсяг зберігають. Чим пояснюється здатність рідин зберігати свій обсяг?
Вся різниця між трьома станами матерії полягає у величині сил, які зв’язують молекули і атоми. У твердих тілах ці сили великі, тому кожна частка твердої речовини зберігає своє становище. У рідинах ці сили слабші, тому вони і дозволяють вільно переміщатися молекулам по всьому їх обсягом. Проте ці сили набагато більше таких для газів, у яких у ряді випадків можна знехтувати їх існуванням.
Якими властивостями володіють рідини?
Рідина, як і газ, відноситься до текучості тіл, тобто до такого стану речовини, дія мінімальної зовнішньої сили на яке викликає просторове зміщення його окремих молекул і цілих шарів відносно один одного. Якщо говорити тільки про будову і властивості рідин, то потрібно назвати наступні їх основні фізичні характеристики:
- в’язкість;
- поверхневий натяг;
- когезия і адгезія;
- капілярність;
- щільність;
- гідростатичний тиск.
Поняття в’язкості
В’язкість є фізичною величиною, яка визначає здатність рідини чинити опір будь-зміщення у її обсязі. Незважаючи на те, що рідина є текучою матерією, при дії зовнішньої сили, яка прагне змістити молекули рідини, в ній з’являються внутрішні сили, які перешкоджають такому зсуву. Ці внутрішні сили називаються когезионными. Вони відповідають не тільки за існування в’язкості, але і є відповіддю на поставлене запитання. Чим і пояснюється здатність рідин зберігати свій обсяг.
Якби рідина не мала в’язкість, то вона могла б текти по будь трубі під дією власної інерції, і не потрібно було б прикладати різницю тисків на кінцях цієї труби, щоб привести рідина в рух.
В’язкість таких речовин залежить від температури назад пропорційно, тобто з її збільшенням в’язкість зменшується. Ця залежність пов’язана з ослабленням міжмолекулярних сил при збільшенні температури рідин. Наприклад, вода при температурі 0 ºC має в’язкість 0,0018 Па*с, а при 60 ºC – вже 0,00065 Па*с.
Поверхневий натяг
Говорячи про поверхневі властивості рідини, в першу чергу слід назвати поверхневий натяг. Суть цієї фізичної величини полягає в тому, що вільна поверхня речовини проявляє властивості тонкої еластичної мембрани. Подібний феномен пов’язаний з наявністю сил притягання між молекулами рідини.
Сили тяжіння, які діють на кожну молекулу в товщі речовини, спрямовані в усі сторони, тому вони компенсують один одного. Результуюча сил тяжіння, що впливає на поверхневі молекули рідини, спрямована всередину рідини. Іншими словами, перпендикулярно її поверхні. Саме ця сила відповідальна за утворення поверхневого натягу.
Завдяки силам поверхневого натягу рідина завжди прагне прийняти форму, що відповідає найменшій площі поверхні при такому обсязі. Такою формою є куля. Саме тому краплі води в невагомості мають форму кулі. Поверхневий натяг зменшується із збільшенням температури через зменшення когезійних сил між молекулами рідини.
Когезия, адгезія і капілярність
Когезия – властивість молекул однієї і тієї ж рідини притягатися один до одного. Сили, що діють в результаті когезії, називаються когезионными. Завдяки цим силам молекули рідини прагнуть зібратися разом. Явище когезії відповідає на питання про те, чим пояснюється здатність рідин зберігати свій обсяг. Для газів когезионные сили можна вважати рівними нулю, тому вони займають будь наданий їм об’єм.
Адгезія – здатність рідини і твердого тіла притягатися один до одного. Такі ситуації виникають часто, коли рідину наливають у посудину або розливають по поверхні. Вона вступає в контакт з твердим тілом. Величина адгезійної сили залежить від властивостей конкретної рідини і твердого тіла.
Когезия і адгезія є конкуруючими властивостями фізики рідин. Так, якщо когезионная сила більше адгезійною, тоді таке речовина не змочує поверхню твердого тіла, і навпаки, якщо адгезія проявляється сильніше, ніж когезия, тоді говорять про явище змочуваності.
З явищами адгезії і когезії також пов’язана така властивість рідин, як капілярність, тобто здатність рідин підніматися або опускатися в тонких трубках на висоту, відмінну від загального рівня рідини. Товщина трубок повинна бути близько 1 мм, щоб явище капілярності було помітним.
Щільність рідини
Ця властивість характерна для будь-якого стану матерії і визначається як кількість цієї матерії або її маса, що міститься в одиниці об’єму. Враховуючи, що із збільшенням температури багато тіла розширюються, їх щільність зменшується. Однак для деяких речовин це правило може не діяти в певних інтервалах температур. Так, вода при 0 ºC має меншу щільність, ніж при 4 ºC.
Щільність, згідно з її визначенням, дорівнює: ρ = m / V, звідси можна визначити, чому дорівнює об’єм рідини або чому дорівнює її маса, якщо знати дві інші величини. Наприклад, вода при 4 ºC масою 1 кг займає об’єм V = m / ρ = 0,001 м3 = 1 л.
Гідростатичний тиск
Під гідростатичним тиском розуміють тиск, який чинить рідина на занурене в неї тіло через наявність власної ваги рідини. Це тиск збільшується з глибиною лінійно. Гідростатичний тиск діє у всіх напрямках однаково. Крім глибини, воно залежить ще від щільності рідини. Наявність цієї властивості обумовлює існування виштовхувальної сили, відкритої Архімедом.
Зазначимо, що молекули рідини розташовані досить близько один до одного, крім того, при незначному їх зближення виникають великі відразливі сили, тому збільшення зовнішнього тиску в широких межах практично не змінює густини рідини. Цей факт є відповіддю на питання про те, чим пояснюється здатність рідин зберігати свій об’єм і не стискатися в значному інтервалі зовнішніх тисків.
