Šķidrums ir viens no vielas agregātstāvokļiem. Tas ir vienīgais agregātstāvoklis, kurā vielai ir konkrēts tilpums, bet nav noteiktas formas. Šķidrumam ir vairākas raksturīgas pazīmes, piemēram, plūstamība, laba sajaukšanās spēja, un fizikālās īpašības visos virzienos ir vienādas. Šķidrumus arī uzskata par praktiski nesaspiežamiem, tomēr, ja pieliek ļoti lielu spēku, tad šķidrumu tomēr nedaudz var saspiest. (1. att.)
1.att. Šķidrumu ir ļoti grūti saspiest
Šķidrumu no apkārtējās vides atdala robežvirsma, ko sauc par šķidruma brīvo virsmu. Molekulas, kas atrodas šķidruma iekšpusē (2. att. a), no visām pusēm ir pakļautas apkārtējo molekulu iedarbībai, kas savstarpēji kompensējas (kopspēks Fa = 0). Bet uz virsmas esošās molekulas (2. att b) kaimiņi ieskauj tikai no vienas puses, no otras puses tās mijiedarbojas ar no šķidruma iztvaikojušajām vai gaisa sastāvā esošajām molekulām. Šī mijiedarbība ir daudzas reizes mazāka nekā mijiedarbība ar šķidrumā esošajā molekulām, tādēļ šķidruma virsmas molekulas tiek pakļautas spēkam Fb, kas tās velk iekšā šķidrumā. Šo spēku sauc par virsmas spraiguma spēku F, un tas nosaka, ka šķidruma virsma atrodas saspriegtā stāvoklī. Šī saspriegtā stāvokļa dēļ virsmai piemīt papildu potenciālā enerģija, ko sauc par virsmas enerģiju un apzīmē ar U.
2.att. Uz šķidruma virsmas esošās molekulas pakļautas virsmas spraiguma spēkam
To, cik ļoti virsma ir saspriegta jeb cik ļoti tā tiecas sarauties, raksturo virsmas spraiguma koeficients σ. Ja šķidrumā iemērc kādu l garuma stieplīti un izmēra spēku F, kas jāpieliek, lai šo stieplīti atrautu no šķidruma (3. att.), tad σ = F: l. Virsmas spraiguma koeficients mainās temperatūras ietekmē. Ja temperatūru palielina, tad virsmas spraiguma koeficients samazinās. Virsas spraiguma koeficientu iespējams mainīt, izmantojot dažādus piejaukumus, piemēram, ziepes un citus mazgāšanas līdzekļus.
3.att. Virsmas spraiguma koeficients ir spēka attiecība pret garumu
Virsmas spraiguma spēks šķidruma virsmai piešķir elastīgas īpašības, tā uzvedas līdzīgi piepūsta košļenes burbuļa virsmai. Piemēram, uz šķidruma virsmas ir iespējams novietot vieglus priekšmetus, kuru materiāla blīvums pārsniedz šķidruma blīvumu (4. att. a), savukārt, ja traukā ielej nedaudz lielāku šķidruma tilpumu nekā trauks atļauj, tad līdz noteiktai robežai šķidrums nelīst pāri malām, bet veido tādu kā uzkalniņu (4. att. b).
Noskaties Jauno Fiziķu skolas nodarbības video par virsmas spraigumu!
4.att. Uz ūdens virsmas noturas metāla saspraude (a). Ūdens ieliets glāzē ar kaudzīti (b)
Virsmas spraiguma spēks vienmēr darbojas tā, lai pēc iespējas samazinātu šķidruma brīvās virsmas laukumu. Pie noteikta tilpuma vismazākais virsmas laukums ir sfērai, tādēļ, izlejot kādu šķidrumu, jārēķinās, ka tas sadalīsies pilienos. To, ka šķidruma piliens tiecas ieņemt sfērisku formu, var novērot pie piloša ūdens krāna (5. att.). Nelielu laika sprīdi pirms piles atdalīšanās no krāna var manīt, ka tā ir ieņēmusi sfērai līdzīgu formu, tomēr sasniegt ideāli sfērisku formu traucē citi spēki, piemēram, smaguma spēks.
5.att. Ūdens piliens spraiguma spēka ietekmē cenšas ieņemt lodveida formu
Noskaidrojām, ka piloša krāna gadījumā piles centienus ieņemt lodveida formu nodrošina šķidruma molekulu savstarpējā mijiedarbība, kas apkopojas virsmas spraiguma spēkā, un ka gravitācijas spēks šo lodveida formu deformē. Tomēr, ja šķidrums ir nonācis kontaktā ar cietu ķermeni (šajā gadījumā krānu), tad lielu lomu šķidruma uzvedībā var spēlēt šķidruma molekulu mijiedarbība ar cietā ķermeņa molekulām. Izrādās, ka šķidruma molekulas mijiedarbojas arī ar tā cietā ķermeņa molekulām, ar kuru tas ir nonācis kontaktā, un šo parādību sauc par slapināšanu. Ja šķidruma un cieta ķermeņa molekulu savstarpējās mijiedarbības spēki ir lielāki nekā šķidruma molekulu pievilkšanās spēki, tad saka, ka šķidrums virsmu slapina, bet pretējā gadījumā šķidrums virsmu neslapina. Ja traukā ielej šķidrumu, kas tā virsmu slapina, tad šķidruma virsma pie trauka sieniņas ir ieliekta (6. att. a), bet, ja šķidrums trauka materiāla virsmu neslapina, tad šķidruma virsma pie trauka sienas ir izliekta (6. att. b).
6.att. Trauka slapināšanas (a) un neslapināšanas (b) gadījums
Ja uz kādas virsmas nonāk šo virsmu slapinoša šķidruma pile, tad tā uz virsmas izplūst (7. att. a), piemēram, ja ūdens piles nonāk uz grīdas vai galda. Bet ja šķidrums ir neslapinošs, tad pile neizplūst (7. att. b un c). Tas novērojams speciāli apstrādātiem audumiem vai, piemēram, ja medus pilienus uzpilina uz svaiga kāposta lapas.
7.att. Virsmu slapinošs (a) un neslapinošs (b un c) šķidrums
Šķidruma virsmas spraigums un slapināšana īpaši izpaužas tievās caurulītēs, ko sauc par kapilāriem. Ja traukā ar šķidrumu iegremdē šādu kapilāru, tad slapināšanas gadījumā šķidruma līmenis kapilārā ir par h augstāks nekā traukā (8. att. a), bet ja slapināšana nenotiek, tad šķidruma līmenis ir pa h zemāks (8. att. b). Šo šķidruma līmeņu atšķirību kapilārā un traukā sauc par kapilārajām parādībām.
Augstumu h var aprēķināt pēc izteiksmes h = 2σ(ρgR), kur
σ - virsmas spraiguma koeficients
ρ- šķidruma blīvums
g - brīvās krišanas paātrinājums
R - kapilāra rādiuss
Šķidruma virsmai kapilārā ir pussfēras forma ar rādiusu R. Slapināšanas gadījumā šī virsma ir ieliekta (8. att. a), bet neslapināšanas gadījumā izliekta (8. att. b).
Ja kāds ķermenis satur kapilārus, tad slapināšanas gadījumā tie uzsūc ūdeni, piemēram, dažādi audumi, dvielis, augsne.
8.att. Kapilārās parādības slapināšanas (a) un neslapināšanas (b) gadījumā
Kapilārās parādības ir nozīmīgas dažādos bioloģiskos procesos, piemēram, kapilārajām parādībām ir pakļautas asinis smalkajos asinsvados – kapilāros. Acs ābola nepārtraukta mitrināšana ar asarām notiek caur divām tievām kapilāru “caurulītēm”. Arī augu barības vielu transportā liela nozīme ir kapilārajām parādībām, jo augu stumbrs sastāv no ļoti daudzu kapilāru sakopojuma.
9.att. Augu barības vielu transportā kapilārajām parādībā ir liela nozīme
Apskaties ar DZM materiālu par “Šķidruma virsmas īpašībām”.
