Надо Знать

добавить знаний



Жидкость



План:


Введение

Жидкость принимает форму емкости, в которой она находится

Жидкость - один из основных агрегатных состояний вещества наряду с газом и твердым телом. От газа жидкость отличается тем, что сохраняет свой объем, а от твердого тела тем, что не хранит форму.

Движение жидкостей и тел в жидкостях изучает раздел физики гидродинамика, строение и физические свойства жидкостей - физика жидкостей, составляющая частнина молекулярной физики.


1. Общая характеристика

Жидкость - конденсированный агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным. Физическое тело, которому присущи:

Сохранение объема, плотность, показатель преломления, теплота плавления, вязкость - свойства, сближающие жидкости с твердыми телами, а несохранение формы - с газами. Для жидкостей характерно ближний порядок расположения молекул (относительная упорядоченность в расположении молекул ближайшего окружения произвольной молекулы, подобная порядка в кристаллических телах, но на расстоянии нескольких атомных диаметров эта упорядоченность нарушается). Взаимодействие между молекулами жидкости осуществляется Ван дер ваальсовыми и водородными связями. Жидкости, кроме рассолов и сжиженных металлов, плохие проводники электрического тока.

Текучесть жидкостей связана с периодическим "перепрыжкой" их молекул из одного равновесного положения в другое. Большую часть времени отдельная молекула жидкости находится во временной ассоциации с соседними молекулами (близкая упорядоченность), где она осуществляет тепловые колебания. Иногда жидкостью в широком смысле слова называют и газ, при этом жидкость в узком смысле слова, которая удовлетворяет предыдущим двум условиям, называют капельной жидкостью. В газов и капельных жидкостей текучесть проявляется уже при минимальных напряжениях, тогда как в пластических твердых тел - лишь при больших нагрузках, превышающих предел текучести.

Форма, которую принимает жидкость, определяется формой емкости, в которой она находится. Частицы жидкости (обычно молекулы или группы молекул) могут свободно перемещаться по всем ее объема, но сила взаимного притяжения не позволяет частицам оставлять этот объем. Объем жидкости зависит от температуры и давления и является постоянным при данных условиях.

Если объем жидкости меньше объем емкости, в которой она находится, то можно наблюдать поверхность жидкости. Поверхность должна качестве эластичной мембраны с поверхностным натяжением, что позволяет формироваться каплям и пузырькам. Еще одним следствием действия поверхностного натяжения является капиллярность. Обычно жидкости не подвергаются сжатию: например, чтобы заметно сжать воду, необходимое давление порядка гигапаскалей.

Жидкости в гравитационном поле создают давление, как на стенки и дно емкости, так и на любые тела внутри самой жидкости. Это давление по закону Паскаля действует во всех направлениях и растет с глубиной.

Если жидкость находится в состоянии покоя в однородном гравитационном поле, давление на любую точку определяется барометрической формуле :

\ P = \ rho g z

где

Согласно этой формуле, давление на поверхности равна нулю, т.е. считается, что сосуд достаточно широка, и поверхностное натяжение нельзя не учитывать.

Обычно жидкости расширяются при нагревании и сужаются при охлаждении. Вода от 0 4 C составляет один из немногих исключений.

Жидкость при температуре кипения превращается в газ, а при температуре замерзания - на твердое вещество. Но даже при температуре ниже температуру кипения, жидкость испаряется. Этот процесс продолжается, пока не будет достигнуто равновесие парциального давления пары жидкости и давления на поверхности жидкости. Именно поэтому ни жидкость не может существовать длительное время в вакууме.

Все жидкости можно разделить на чистые жидкости, состоящие из молекул одного вещества, и смеси, состоящие из молекул разного сорта. Различные жидкие компоненты смеси можно разделить с помощью фракционной дистилляции. Не все жидкости образуют однородную смесь, если поместить их в один сосуд. Часто жидкости не смешиваются, образуя поверхность между собой. В поле тяготения одна жидкость может плавать на поверхности другой.

В основном жидкости - изотропные вещества. Исключение составляют жидкие кристаллы, которые можно отнести к жидкостям учитывая свойство перетекать и занимать объем сосуда, но в которых сохраняются присущие кристаллическим телам анизотропные свойства.


2. Микроскопическое строение

2.1. Классификация жидкостей

Структура и физические свойства жидкости зависят от химической индивидуальности составляющих их частиц и от характера и величины взаимодействия между ними. Можно выделить несколько групп жидкостей в порядке возрастания сложности.

Жидкости первых двух групп (иногда трех) обычно называют простыми. Простые жидкости изучены лучше других, из непростых жидкостей хорошо изучена вода. В эту классификацию не входят квантовые жидкости и жидкие кристаллы, которые представляют собой особые случаи и должны рассматриваться отдельно.

В жидкости молекулы в основном сохраняют свою целостность, хотя многие жидкостей является растворителями, в которых молекулы до некоторой степени диссоциируют. При диссоциации в жидкостях образуются положительно и отрицательно заряженные ионы. Такие жидкости производят электрический ток (см. Электролиты).

С микроскопической точки зрения жидкости отличаются от твердых тел отсутствием дальнего порядка, а от газов - ближним порядком. Это означает, что атомы и молекулы жидкостей основном находятся в отношении своих соседей в тех же положениях, что и в твердом состоянии, однако этот порядок сохраняется для следующего слоя соседей хуже, а в дальнейшем вовсе исчезает. Ближний порядок в жидкостях характеризуют радиальной корреляционной функцией.


2.2. Движение молекул в жидкостях

Молекулы жидкости основном колеблются вокруг временного положения равновесия, которое образуется благодаря взаимодействию с другими молекулами. Для жидкостей потенциальная энергия взаимодействия молекулы с соседями больше, чем кинетическая энергия теплового движения. Однако жидкости характеризуются также высоким коэффициентом самодиффузии - с тем каждая молекула удаляется от своего первоначального положения. Средний квадрат смещения от начального положения молекулы пропорционален времени.


2.3. Структура жидкостей: близкий порядок, радиальная функция распределения

Благодаря взаимодействию молекулы в жидкости расположены не совсем хаотично. Для характеристики взаимного положения молекул используется понятие радиальной функции распределения, которая пропорциональна вероятности того, что на определенном расстоянии от какой-то произвольно-выбранной молекулы, находиться другая молекула. Для идеального газа радиальная функция распределения не зависит от расстояния и везде доривное единицы - движение молекул газа нескорельований, вероятность найти другую молекулу на определенном расстоянии одинакова. Для кристалла такая функция распределения состоит из выразительных максимумов, высота которых практически не уменьшается с расстоянием. Говорят, что в кристаллах сохраняется дальний порядок. В жидкостях радиальная функция распределения имеет несколько максимумов, высота которых уменьшается с расстоянием и через несколько средних межмолекулярных расстояний становится равной единице. Говорят, что в жидкостях сохраняется ближний порядок, и не сохраняется дальний порядок.

Экспериментально радиальную функцию распределения можно получить, проанализировав данные экспериментов с рассеяния рентгеновских лучей или нейтронов.

Малая сжимаемость жидкостей объясняется большим ростом сил отталкивания между частицами жидкости при незначительном приближении одной частицы к другой.


3. Понятие о статистической теории жидкости

4. Типы упорядочения в жидкостях

5. Плотность и удельный вес жидкости

Плотностью жидкости называется ее масса, отнесенная к единице объема:

\ Rho = \ frac {M} {W}

где М - масса жидкости в объеме W.

Плотность воды при 4 C ρ = 1000 кг / м 3. Если жидкость неоднородна, то эта формула определяет лишь среднюю плотность жидкости. Для определения плотности в заданной точке следует воспользоваться формулой

\ Rho = \ lim_ {\ Delta W \ to 0} \ frac {\ Delta M} {\ Delta W}

В практике о массе жидкости судят по его весу. Вес жидкости приходится на единицу объема, называется удельным весом:

\ Gamma = \ frac {G} {W}

где G - вес жидкости в объеме W. Удельный вес воды при 4 C γ = 9810 Н / м 3 (1000 кгс / м 3). Для неоднородной жидкости, чтобы определить удельный вес в точке, следует пользоваться формулой:

\ Gamma = \ lim_ {\ Delta W \ to 0} \ frac {\ Delta G} {\ Delta W}

где ΔG - вес жидкости в объеме ΔW.

Плотность и удельный вес связаны между собой известным соотношением

\ Gamma = \ rho g,

где g - ускорение свободного падения. Относительной удельным весом жидкости (или относительной весом) δ называется отношение удельного веса данной жидкости с удельным весом воды при 4 С:

\ Delta = \ frac {\ gamma_p} {\ gamma_B}.

Эта величина является безразмерной.


6. Изменение объема (плотности) жидкости

Изменение объема жидкости может происходить либо в результате изменения давления (это свойство называется "Сжимаемость"), либо в результате изменения температуры ( тепловое расширение / сжатие).

6.1. Сжимаемость жидкостей

Все реальные жидкости в той или иной степени сжимаются, т.е. под действием внешнего давления уменьшают свой ​​объем. Сжимаемость - способность жидкости изменять свой ​​объем при изменении давления.

Сжимаемость жидкости определяется уравнением состояния и, как правило, имела величиной. Малая сжимаемость жидкости обусловлена ​​тем, что жидкость характеризуется сильной молекулярной взаимодействием, а изменения величин давления в технических процессах сравнительно невелики.

Учитывая относительную малость давлений, встречающихся в реалиях допускают, что жидкость сжимается по законом Гука (по линейной зависимости). Мерой сжимаемости жидкостей служит коэффициент объемного сжатия жидкости β S, который представляет собой относительное уменьшение объема V при повышении давления p на единицу:

\ Beta_S = - \ frac {1} {V} \ left (\ frac {\ partial V} {\ partial p} \ right) _S

Знак "минус" в формуле означает, что при увеличении давления объем уменьшается. Если считать, что единицей давления является Паскаль, то коэффициент объемного сжатия будет измеряться в Па -12 / Н).

Упругость - это способность жидкости восстанавливать свой ​​объем после прекращения действия внешних силовых воздействий.

Для качественной характеристики упругих свойств используют понятие модуля объемной упругости К, который, по сути, является обратной величиной к коэффициенту сжимаемости, то К = 1 / β S. Например, для воды β S = 0,51 10 -9 Па -1, что указывает на весьма малую сжимаемость воды.

Гипотетическую жидкость, для которой β S = 0, называют несжимаемой.


6.2. Тепловое расширение жидкостей

Поскольку габаритные размеры жидкостей определяются размерами сосуда, поэтому температурное расширение для жидкостей рассматривается лишь в объемном плане:

V = V_ {0} (1 + \ alpha_V \ Delta T) \,

где

V \, - Объем жидкости после изменения температуры,
V_ {0} \, - Начальный объем жидкости,
\ Alpha_V \, - коэффициент теплового расширения.

Коэффициент теплового расширения указывает на сколько изменится начальный объем 1 м жидкости при росте температуры на 1 K или 1 C). Коэффициент теплового расширения воды при 20 C составляет α V = 2,07 10 4 C -1.


7. Вязкость жидкости

Жидкости характеризуются вязкостью. Она определяется как способность оказывать сопротивление перемещению одной из части жидкости относительно другой - есть как внутреннее трение.

Когда соседние слои жидкости движутся друг относительно друга, неизбежно происходит столкновение молекул дополнительно к обусловленное тепловым движением. Возникают силы, затормаживают упорядоченное движение. При этом кинетическая энергия упорядоченного движения переходит в тепловую - энергию хаотического движения молекул.

В зависимости от модели вязкости которая положена в основу рассмотрения вязких характеристик жидкостей, они делятся на ньютоновские жидкости (классическая модель) и неньютоновские жидкости.


8. Понятие об идеальной жидкости

Во многих случаях с достаточной для практики точностью в гидравлике можно пренебречь сжимаемостью жидкости и сопротивлением растяжению и рассматривать жидкость как абсолютно несжимаема с отсутствием сопротивления растяжению.

В гидрогазодинамици встречается ряд задач, когда можно пренебречь и вязкостью, принимая, что касательные напряжения отсутствуют так, как это имеет место в жидкости, находящейся в состоянии покоя.

Описанная гипотетическая жидкость с перечисленными свойствами, а именно:

  • абсолютной неизменностью объема;
  • отсутствием вязкости

называется идеальной жидкостью.

Понятие "Идеальная жидкость" впервые было введено Л. Эйлером.

Такая жидкость является предельной абстрактной моделью и лишь приближенно отражает объективно существующие свойства реальных жидкостей. Эта модель позволяет с достаточной точностью решать много очень важных вопросов гидрогазодинамики и способствует упрощению сложных задач.


9. Поверхностное натяжение, смачиваемость и капиллярные явления

9.1. Поверхностное натяжение

Жидкость способна образовывать свободную поверхность. Такая поверхность является поверхностью раздела фаз данного вещества: по одну сторону находится жидкая фаза, по другую - газообразная (пара), и, возможно, другие газы, например, воздух.

Поверхностное натяжение - физическое явление, суть которого в стремлении жидкости сократить площадь своей поверхности при неизменном объеме. Своим появлением силы поверхностного натяжения обязаны поверхностной энергии. Поверхностное натяжение может быть объяснен притяжением между молекулами жидкости. Он возникает как в случае поверхности раздела между жидкостью и газом, так и в случае поверхности раздела двух различных жидкостей.

Поверхностная энергия пропорциональна площади поверхности раздела двух фаз S:

E п = σ S.

Коэффициент пропорциональности σ, называют коэффициентом поверхностного натяжения. Его значение зависит от природы соприкасающихся сред. Этот коэффициент можно представить в виде

\ Sigma = - \ frac {F} {l}

где F - сила поверхностного натяжения;

l - длина линии, ограничивающей поверхность раздела.
Капля воды на поверхности твердого тела при низкой смачивания
Капиллярный эффект в тонких трубках различной толщины

Поверхностное натяжение жидкости чувствителен к ее чистоте, состава и температуры. Вещества, способные в значительной степени снизить силы поверхностного натяжения, называются поверхностно-активными веществами (ПАВ). При повышении температуры величина сил поверхностного натяжения уменьшается, а в критической точке кипения жидкости стремится к нулю.

На границе раздела вода - воздуха при t = 20 С коэффициент поверхностного натяжения σ = 0,073 Дж / ​​м 2, а для границы раздела ртуть - воздух коэффициент σ = 0,48 Дж / ​​м 2.


9.2. Смачиваемость жидкостей

На поверхности раздела трех фаз, например, твердой стенки, жидкости и газа между поверхностью жидкости и твердой стенкой образуется так называемый краевой угол θ. Величина краевого угла зависит от природы соприкасающихся сред (от поверхностных натяжений на их пределах) и не зависит ни от формы сосуда, ни от действия силы тяжести. Если край жидкости поднят, ее поверхность имеет вогнутую форму - краевой угол острый. В этом случае жидкость смачивает твердую поверхность. Чем хуже смачивающая способность жидкости, тем больше краевой угол. При θ> 90 жидкость считается несмачивающая, при полном несмачивание θ = 180 . Капли такой жидкости словно пидгортаються, пытаясь уменьшить площадь контакта с твердой поверхностью.


9.3. Капиллярные явления

От явления смачивания зависит поведение жидкости в тонкой (капиллярной) трубке, погруженной в нее. В случае смачивания жидкость в трубке поднимается над уровнем свободной поверхности, в противном случае - опускается. Высоту капиллярного поднятия (опускания) жидкости находят по формуле

\ Delta h = \ frac {2 \ sigma} {\ gamma r} \ cos \ theta,

где γ - удельный вес жидкости;

r - радиус трубки.

10. Переход из жидкого в газообразное состояние и наоборот

10.1. Испарение

Испарение - это вид парообразования в процессе постепенного перехода вещества из жидкой в газообразную фазу (пар) через свободную поверхность.

При тепловом движении некоторые молекулы покидают жидкость с ее поверхности и переходят в пар. Вместе с тем, часть молекул переходит обратно из пара в жидкость. Если из жидкости получается больше молекул, чем приходит, то имеет место испарение. Испарение сопровождается снижением температуры, поскольку жидкости вылетают молекулы с энергией, превышающей среднюю. Количественно калориметрия испарения характеризуется удельной теплотой парообразования - физической величиной, которая определяет количество теплоты, необходимая для испарения 1 кг жидкости при неизменной температуре. Для воды при 0 C удельная теплота парообразования составляет L = 2413 Дж / ​​г. Тогда количество теплоты, поглощаемой при испарения жидкости массой m может быть определена по формуле:

Q п = L ​​m

10.2. Конденсация

Конденсация - обратный испарению процесс, переход вещества из газообразного состояния в жидкое. При этом в жидкость переходит из пары больше молекул, чем пару из жидкости. В отличие от испарения, во время которого теплота поглощается, при конденсации теплота выделяется. Ее количество определяют по той же формуле, что и теплоту парообразования. Удельная теплота конденсации по значению такая же, как и теплота парообразования.

10.3. Кипение

Кипение - процесс перехода жидкости в пары, который характеризуется, в отличие от испарения, тем, что образование пара происходит не только на поверхности, но и во всей массе жидкости.

Кипение возможно, если давление насыщенного пара жидкости равно внутреннему давлению. Поэтому данная жидкость, находясь под этим внешним давлением, кипит при вполне определенной температуре. Обычно температуру кипения приводят при атмосферном давлении. Например, при атмосферном давлении вода кипит при 373 К или 100 С.


11. Кавитация

Кавитация - образование внутри жидкости полостей (как и при кипении), заполненных газом, паром или их смесью (кавитационных пузырьков), что приводит к нарушению сплошности жидкости.

Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости до определенного критического значения р кр (в реальной жидкости значения р кр близкий к давления насыщенного пара этой жидкости при данной температуре), что может происходить либо при увеличении скорости движения жидкости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация).


12. Распространение звука в жидкостях

Поскольку жидкости имеют большую жесткость только при объемном сжатии и есть податливыми при сдвиговых деформациях, скорость звука c в жидкости будет определяться величиной модуля всестороннего сжатия :

c = \ sqrt {\ frac {K} {\ rho}}

где

K - модуль упругости жидкости при объемном сжатии (модуль всестороннего сжатия)
ρ - плотность жидкости.

В пресной воде, звук распространяется примерно со скоростью 1497 м / с при 25 C.


См.. также


Источники

  • Использованы материалы из статьи в английской Википедии.
  • Малая горная энциклопедия. В 3-х т. / Под ред. С. Белецкого. - М.: "Донбасс", 2004. - ISBN 966-7804-14-3.
  • Крокстон К. Физика жидкого состояния. М., Мир, 1978.
  • Завойко Б. М. Техническая механика жидкостей и газов: основные теоретические положения и задачи [Навч.пос. для студентов инженерно-технических специальностей] / Б. Завойко, Н. П. Лещий. - М.: мир-2000 ", 2004. - 119 с.
  • Адаменко И., Булавин Л. А. Физика жидкостей и жидких систем. - М.: АКМА, 2006.
  • Фишер И. З. Статистическая теория жидкостей. - М.: Изд-во физ.-мат лет., 1969.
  • Константинов Ю. М. Техническая механика жидкости и газа [Учебник] / Ю. М. Константинов, А. Гижа. - М.: Высшая школа, 2002. - 277 с.
  • Batchelor GK: An Introduction to Fluid Dynamics, Cambridge University Press, Cambridge, (1965).

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам