Основы физики (стр. 4 из 12)
1. На поверхности жидкости, вблизи границы, разделяющей жидкость и ее пар, молекулы испытывают межмолекулярное взаимодействие не такое, как молекулы, находящиеся внутри объема жидкости.
Молекула 1, окруженная со всех сторон другими молекулами той же жидкости, испытывает в среднем одинаковые силы притяжения ко всем своим соседям. Эти силы в среднем взаимно компенсируют друг друга, и их равнодействующая равна нулю.
Молекула 2 испытывает меньшее притяжение вверх со стороны молекул пара и большее притяжение вниз со стороны молекул жидкости. На рис.1 силы притяжения молекулы 2 к молекулам пара показаны пунктиром. В результате на молекулы, расположенные в поверхностном слое, действует направленная вниз равнодействующая R сил, которую принято относить к единице площади поверхностного слоя.
2. Для перенесения молекул из глубины объема жидкости в ее поверхностный слой необходимо совершить работу на преодоление силы R (п. 1). Эта работа идет на увеличение поверхностной энергии. Так называется избыточная потенциальная энергия, которой обладают молекулы в поверхностном слое по сравнению с их потенциальной энергией внутри остального объема жидкости.
Для того чтобы изотермически увеличить поверхностный слой жидкости за счет молекул, находящихся в ее объеме, необходимо совершить работу A, равную
где ПS— потенциальная энергия одной молекулы в поверхностном слое, ПV-потенциальная энергия молекулы в объеме жидкости, N —число молекул в поверхностном слое жидкости.
3. Коэффициентом поверхностного натяжения жидкости называется работа, необходимая для изотермического увеличения площади поверхности жидкости на одну единицу:
где п — число молекул на единице площади поверхности жидкости. Если поверхность жидкости ограничена периметром смачивания, то коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе, действующей на единицу длины периметра смачивания и направленной перпендикулярно к этому периметру:
где l— длина периметра смачивания, F— сила поверхностного натяжения, действующая на длине l периметра смачивания. Сила поверхностного натяжения лежит в плоскости, касательной к поверхности жидкости.
4. Сокращение площади поверхности жидкости уменьшает ее поверхностную энергию. Условием устойчивого равновесия жидкости, как и любого тела, является минимум потенциальной поверхностной энергии. Это значит, что в отсутствие внешних сил жидкость должна иметь при заданном объеме наименьшую площадь поверхности и принимает форму шара.
5. С повышением температуры жидкости и приближением ее к критической, при T > Tкр, коэффициент поверхностного натяжения σ > 0. Вдали от Tкр коэффициент σлинейно убывает при возрастании температуры. Для уменьшения поверхностного натяжения жидкости к ней добавляются специальные примеси, которые располагаются на поверхности и уменьшают поверхностную энергию (поверхностноактивныевещества): мыло, жирные кислоты и т. п.
2. Смачивание. Капиллярные явления
1.На границе соприкосновения твердых тел с жидкостями на блюдаются явления смачивания, состоящие в искривлении свободной поверхности жидкости около твердой стенки сосуда. Поверхность жидкости, искривленная на границе с твердым телом, называется мениском. Линия, по которой мениск пересекается с твердым телом, называется периметромсмачивания.
Рис. 2а Рис. 2б
2. Явление смачивания характеризуется краевымугломθмежду поверхностью твердого тела и мениском в точках их пересечения, т. е. в точках периметра смачивания, Жидкость называется смачивающейтвердое тело, если краевой угол острый: 0 ≤ θ < (рис.2).
Например, вода смачивает чистое стекло, ртуть смачивает цинк. Для жидкостей, не смачивающих твердое тело, краевой угол тупой: π/2 < θ < π (рис. 2б). Например, вода не смачивает парафин, ртуть не смачивает чугун. Если θ = 0, смачивание считается идеальным; θ= πсоответствует идеальному несмачиванию.
При θ =0 и θ = π наблюдается сферическая форма мениска, вогнутая или выпуклая. При θ = л/2 жидкость имеет плоскую свободную поверхность. Этот случай называется отсутствием смачивания и несмачивания.
3. Различие краевых углов в явлениях смачивания и несмачивания объясняется соотношением сил притяжения между молекулами твердых тел и жидкостей и сил межмолекулярного притяжения в жидкостях. Если силы притяжения между молекулами твердого тела и жидкости больше, чем силы притяжения молекул жидкости друг к другу, то жидкость будет смачивающей. Если молекулярное притяжение в жидкости превышает силы притяжения молекул жидкости к молекулам твердого тела, то жидкость не смачивает твердое тело.
4. Искривление поверхности жидкости создает дополнительное (избыточное) давление на жидкость по сравнению с давлением под плоской поверхностью. Для сферической поверхности жидкости, при краевом угле д, равном 0 или я, дополнительное давление рм равно
где σ — коэффициент поверхностного натяжения, R— радиус сферической поверхности; рм>0, если мениск выпуклый; рм<0, если мениск вогнутый (рис.3). При выпуклом мениске рм у в е л и ч и в а е т то давление, которое существует под плоской поверхностью жидкости (например, атмосферное давление на свободную поверхность жидкости).
При вогнутой мениске давление под плоской поверхностью у м е н ь ш а е т с я на величину рM. Дополни тельное давление внутри сферического пузыря радиусаR вызывается избыточным давлением на обеих поверхностях пузыря и равнорМ=4σ/R.
5. Узкие цилиндрические трубки с диаметром около миллиметра и менее называются капиллярами. Уровень идеально смачивающей (несмачивающей) жидкости в капилляре радиуса rвыше (ниже), чем в сообщающемся с ним широком сосуде, на высоту h, равную
12. Кристаллы. Энергетические зоны. Электроны в кристаллах
Кристаллы – твердые тела, обладающие периодической атомарной структурой (пространственной решеткой) и формой правильных многогранников. При плавлении кристалла разрываются однотипные межатомные связи и разрушается дальний порядок (закономерное чередование атомов на одних и тех же расстояниях). Таким образом, основными особенностями кристаллического состояния можно считать:
1) дальний порядок и как следствие, анизотропию физических свойств;
2) наличие точки плавления, сопровождающееся скачкообразным изменением физических свойств.
Пространственные решетки кристаллов построены из закономерно расположенных в пространстве точек – узлов, которые могут быть получены путем параллельных переносов – трансляций, определяемых базисными векторами. Параллелепипед, построенный на трех базисных векторах
, 
и 
, называется элементарной ячейкой. При этом весь кристалл, заполняющий бесконечное пространство, получается бесконечным повторением элементарных ячеек.
Элементарная ячейка кристаллической решетки
Помимо трансляционной симметрии, существуют еще и точечная симметрия кристалла, определяющая его форму. Требование сочетания трансляционной и точечной симметрий ограничивает возможные пространственные решетки кристаллов.
Кубическая и гексагональная кристаллические решетки
Кристалл образуется в результате сближения свободных атомов до столь малых расстояний, что волновые функции электронов начинают перекрываться. Вследствие этого атомные уровни энергии электронов расширяются, образуя энергетические зоны. По мере сближения атомов между ними возникает все усиливающее взаимодействие, которое приводит к изменению положения (энергии) уровней. Вместо одного одинакового для всех N атомов уровня возникает N очень близких, но все же не совпадающих уровней. Таким образом, каждый уровень изолированного атома расщепляется в кристалле на N близкорасположенных уровней, образующих полосу или зону.
Образование и спектр энергетических зон в кристалле
Спектр возможных значений энергии валентных электронов распадается на ряд чередующихся разрешенных и запрещенных зон. Физическая причина этого в том, что электроны в кристалле движутся не свободно, а в периодическом электрическом поле кристаллической решетки. Запрещенная энергетическая зона соответствует значениям энергии, которыми не могут обладать электроны в кристалле. Каждая из разрешенных зон состоит из близко расположенных дискретных уровней энергии, число которых равно N – количеству атомов в кристалле. Так как энергетическое расстояние между отдельными уровнями в зоне около 10–23 эВ, то разрешенная зона характеризуется квазинепрерывным спектром энергии.