Физика жидкостей

Содержание
  1. Свойства жидкостей
  2. Текучесть
  3. Вязкость
  4. Объём
  5. Волны плотности
  6. Поверхностное натяжение жидкости
  7. Смешиваемость
  8. Адгезия
  9. Капиллярность
  10. Физика жидкостей
  11. Классификация и свойства жидких тел
  12. Вязкость и теплоемкость жидкости
  13. Механические характеристики жидкости
  14. Свойства жидкостей. Основные физические свойства жидкости
  15. Агрегатные состояния веществ
  16. Классификация жидких тел
  17. Свойства жидкостей: форма и объем
  18. Теплоемкость
  19. Поверхностное натяжение
  20. Зависимость свойств от температуры
  21. Сжимаемость
  22. Испарение и конденсация жидкостей
  23. Механические свойства жидкости
  24. Неньютоновские жидкости и их свойства
  25. Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение
  26. Свойства жидкостей
  27. Капиллярные явления
  28. Физические свойства жидкости
  29. Плотность жидкости
  30. Динамическая вязкость жидкости
  31. Кинематическая вязкость жидкости
  32. Коэффициент теплопроводности жидкости
  33. Теплоемкость жидкости
  34. Удельная массовая теплоемкость жидкости при постоянном давлении
  35. Температуропроводность жидкости

Свойства жидкостей

Физика жидкостей
Подробности Категория: Молекулярно-кинетическая теория 05.11.2014 12:37 13045

Жидкость — агрегатное состояние вещества, занимающее промежуточное положение между его твёрдым и газообразным состояниями.

Самая распространённая жидкость на Земле — вода. Её твёрдое состояние — лёд, а газообразное — пар.

В жидкостях молекулы расположены почти вплотную друг к другу. Они обладают большей свободой, чем молекулы твёрдого вещества, хотя полностью свободно перемещаться не могут.

Притяжение между ними хоть и слабее, чем в твёрдых телах, но всё-таки его достаточно, чтобы молекулы удерживались на близком расстоянии друг от друга. Каждая молекула жидкости может колебаться около какого-то центра равновесия.

Но под действием внешней силы молекулы могут перескакивать на свободное место в направлении приложенной силы. Этим объясняется текучесть жидкости.

Текучесть

Основное физическое свойство жидкости — текучесть. Когда к жидкости прикладывается внешняя сила, в ней возникает поток частиц, направление которого совпадает с направлением этой силы.

Наклонив чайник с водой, мы увидим, как вода потечёт из его носика вниз под действием силы тяжести. Точно так же вытекает вода из лейки, когда мы поливаем растения в саду.

Подобное явление мы наблюдаем в водопадах.

Вследствие текучести жидкость способна менять форму за малое время под действием даже небольшой силы. Все жидкости могут литься струёй, разбрызгиваться каплями. Их легко перелить из одного сосуда в другой.

При этом онине сохраняют форму, а принимают форму того сосуда, в котором находятся. Это свойство жидкости используют, например, при литье металлических деталей. Расплавленный жидкий металл разливают в формы определённой конфигурации.

Остывая, он превращается в твёрдое тело, сохраняющее эту конфигурацию.

Текучесть увеличивается с ростом температуры жидкости и уменьшается при её снижении. Это объясняется тем, что с повышением температуры расстояние между частицами жидкости также увеличивается, и они становятся более подвижными. Зависит текучесть и от структуры молекул. Чем сложнее их форма, тем меньшей текучестью обладает жидкость.

Вязкость

Различные жидкости имеют разную текучесть. Так, вода из бутылки вытекает быстрее, чем растительное масло. Мёд из стакана выливается медленнее, чем молоко. На эти жидкости действуют одинаковые силы тяжести. Так почему же их текучесть отличаются? Всё дело в том, что они обладают различной вязкостью. Чем выше вязкость жидкости, тем меньше её текучесть.

Что же такое вязкость, и какова её природа? Вязкость также называют внутренним трением. Это способность жидкости сопротивляться перемещению различных слоёв жидкости относительно друг друга.

Молекулы, находящиеся в одном из слоёв и сталкивающиеся между собой во время теплового движения, сталкиваются ещё и с молекулами соседних слоёв. Возникают силы, тормозящие их движение.

Они направлены в сторону, противоположную движению рассматриваемого слоя.

Вязкость — важная характеристика жидкостей. Её учитывают в различных технологических процессах, например, когда по трубопроводам необходимо перекачивать жидкость.

Вязкость жидкости измеряют с помощью прибора, называемого вискозиметром. Самым простым считается капиллярный вискозиметр. Принцип его действия не сложен. Подсчитывается время, за которое заданный объём жидкости протекает через тонкую трубочку (капилляр) под воздействием разности давлений на его концах.

Так как известны диаметр и длина капилляра, разность давлений, то можно произвести расчёты на основании закона Пуазёйля, согласно которому проходящий в секунду объём жидкости (секундный объёмный расход) прямо пропорционален перепаду давления на единицу длины трубы и четвертой степени её радиуса и обратно пропорционален коэффициенту вязкости жидкости.

где Q — секундный расход жидкости, м3/с;

р1 — р2 = ∆р — перепад давлений на концах капилляра, Па;

R — радиус капилляра, м;

d — диаметр капилляра, м;

ƞ — коэффициент динамической вязкости, Па/с;

l — длина капилляра, м.

Объём

Расстояние между молекулами внутри жидкости очень мало. Оно меньше размеров самих молекул. Поэтому жидкость очень трудно сжать механически.

Давление, производимое на жидкость, заключённую в сосуд, передается в любую точку без изменений во всех направлениях. Так формулируется закон Паскаля.

На этой особенности жидкостей основана работа тормозных систем, гидравлических прессов и других гидравлических устройств.

Жидкость сохраняет свой объём, если не изменяются внешние условия (давление, температура). Но при нагревании объём жидкости увеличивается, а при охлаждении уменьшается. Впрочем, здесь есть исключение. При нормальном давлении и повышении температуры от 0 до 4о объём воды не увеличивается, а уменьшается.

Волны плотности

Сжать жидкость очень трудно. Но при изменении давления всё же возможно. И в этом случае меняется её плотность и объём.

Если сжатие произойдёт в одном участке жидкости, то на другие участки оно будут передаваться постепенно. Это означает, что в жидкости будут распространяться упругие волны.

Если плотность меняется слабо, то получаем звуковую волну. А если достаточно сильно, то возникает ударная волна.

Поверхностное натяжение жидкости

Явление поверхностного натяжения мы наблюдаем каждый раз, когда вода медленно капает из водопроводного крана. Сначала мы видим тонкую прозрачную плёнку, которая растягивается под тяжестью воды. Но она не рвётся, а охватывает небольшое количество воды и образует капельку, падающую из крана. Её создают силы поверхностного натяжения, которые стягивают воду в маленькое подобие шара.

Как возникают эти силы? В отличие от газа жидкость заполняет только часть объёма сосуда, в котором находится. Её поверхность — это граница раздела между самой жидкостью и газом (воздухом или паром).

Со всех сторон молекулу, находящуюся внутри жидкости окружают другие молекулы той же жидкости. На неё действуют силы межмолекулярного воздействия. Они взаимно уравновешены.

Равнодействующая этих сил равна нулю.

А на молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости, силы притяжения со стороны молекул этой же жидкости могут действовать только с одной стороны. С другой стороны на них действуют силы притяжения молекул воздуха. Но так как они очень малы, ими пренебрегают.

Равнодействующая всех сил, действующих на молекулу, находящуюся на поверхности, направлена внутрь жидкости. И чтобы не оказаться втянутой в жидкость и остаться на поверхности, молекула совершает работу против этой силы. В результате молекулы верхнего слоя получают дополнительный запас потенциальной энергии.

Чем больше поверхность жидкости, тем большее количество молекул находится там, и тем больше потенциальная энергия. Но в природе всё устроено так, что любая система старается свести свою потенциальную энергию до минимума. Следователь, существует сила, которая будет стремиться сократить свободную поверхность жидкости.

Эта сила называется силой поверхностного натяжения.

Натяжение поверхности жидкости очень велико. И чтобы его разорвать требуется довольно значительная сила. Ненарушенная поверхность воды может легко удерживать монету, лезвие бритвы или стальную иголку, хотя эти предметы значительно тяжелее воды. Сила тяжести, действующая на них, оказывается меньше силы поверхностного натяжения воды.

Наименьшую поверхность из всех геометрических объёмных тел имеет шар. Поэтому если на жидкость действуют только силы поверхностного натяжения, то она принимает форму сферы. Такую форму имеют капли воды в невесомости. Мыльные пузыри или пузыри кипящей жидкости также стараются принять сферическую форму.

Смешиваемость

Жидкости могут растворяться друг в друге. Эта их способность называется смешиваемостью.

Если поместить в один сосуд две смешиваемые жидкости, то в результате теплового движения их молекулы постепенно будут переходить через границу раздела. В результате произойдёт смешивание.

Но не все жидкости могу смешиваться. Например, вода и растительное масло не смешиваются никогда. А воду и спирт смешать очень легко.

Адгезия

Все мы знаем, что гуси и утки выходят из воды сухими. Почему же их перья не намокают? Оказывается, у них есть специальная железа, которая выделяет жир, которым водоплавающие птицы при помощи клюва смазывают свои перья. И они остаются сухими, потому что вода стекает с них капельками.

Поместим каплю воды на пластинку из полистирола. Она принимает форму сплющенного шарика. Такую же каплю попробуем поместить на стеклянную пластинку. Мы увидим, что на стекле она растекается.

Что же происходит с водой? Всё дело в том, что силы притяжения действуют не только между молекулами самой жидкости, но и между молекулами разных веществ в поверхностном слое.

Эти силы называются силами адгезии (от латинского adhaesio — прилипание).

Взаимодействие жидкости с твёрдым телом называют смачиванием. Но поверхность твёрдого тела смачивается не всегда.

Если окажется, что молекулы самой жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к твёрдой поверхности, то жидкость соберётся в капельку. Именно так ведёт себя вода на пластинке из полистирола. Она не смачивает эту пластинку.

Точно так же не растекаются капельки утренней росы на листиках растений. И по этой же причине вода стекает с покрытых жиром перьев водоплавающих птиц.

А если притяжение молекул жидкости к твёрдой поверхности сильнее сил притяжения между самими молекулами, то жидкость расплывается на поверхности. Поэтому наша капелька на стекле также растеклась. В этом случае вода смачивает поверхность стекла.

Нальём воду в сосуд из полистирола. Посмотрев на поверхность воды, мы увидим, что она не горизонтальная. У краёв сосуда она искривляется вниз. Так происходит, потому что силы притяжения между молекулами воды больше, чем силы адгезии (прилипания).

А в стеклянном сосуде поверхность воды у краёв искривляется вверх. В этом случае силы прилипания больше внутримолекулярных сил воды. В широких сосудах это искривление наблюдается только у стенок сосудов.

А если сосуд узкий, то это искривление заметно по всей поверхности воды.

Явление адгезии широко используется в различных отраслях промышленности — лакокрасочной, фармацевтической, косметической и др.

Смачивание необходимо при склеивании, крашении тканей, нанесении на поверхность красок, лаков. А при строительстве бассейнов их стенки, наоборот, покрывают материалом, который не смачивается водой.

Такие же материалы используют для зонтов, плащей, непромокаемой обуви, тентов.

Капиллярность

Ещё одна интересная особенность жидкости — капиллярный эффект. Так называют её способность изменять свой уровень в трубках, узких сосудах, пористых телах.

Если опустить узкую стеклянную трубку (капилляр) в воду, то можно увидеть, как поднимается в ней водяной столбик. Чем уже трубка, тем выше столбик воды. Если опустить такую же трубку в жидкую ртуть, то высота столбика ртути окажется ниже уровня жидкости в сосуде.

Жидкость в капиллярах способна подниматься по узкому каналу (капилляру) только в том случае, если она смачивает его стенки. Так происходит в грунте, песке, стеклянных трубках, по которым легко поднимается влага.

По этой же причине пропитывается керосином фитиль в керосиновой лампе, полотенце впитывает влагу от мокрых рук, происходят различные химические процессы. В растениях по капиллярам поступают к листьям питательные вещества и влага.

Благодаря капиллярному эффекту возможна жизнедеятельность живых организмов.

Источник: http://ency.info/materiya-i-dvigenie/molekulyarno-kineticheskaya-teoriya/355-svojstva-zhidkoste

Физика жидкостей

Физика жидкостей

Определение 1

Физика жидкостей — обширный раздел физики, изучающий физические и механические свойства жидкостей.

Рисунок 1. Давление жидкостей. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Статистическая гипотеза жидкостей считается основным направлением классической физики.

Определение 2

Жидкость — физическое вещество, которое оснащено характеристиками текучести и не имеет способности самостоятельно сохранять собственную форму.

Такой процесс обусловлен непосредственно подвижностью молекул, входящих в состав жидкости.

Жидкостью также называется агрегатное состояние твердого вещества, промежуточное между газообразным и твердым, которое Жидкость характеризуется такими главными свойствами:

  • сохраняет начальный объем;
  • формирует поверхность;
  • обладает стабильностью и прочностью на разрыв;
  • принимает любую форму сосуда;
  • имеет текучесть.

Свойства жидкости аналогичны особенностям строения твердых тел и газа. Законы движения и равновесия, которые комплексно изучаются в гидравлике, делятся на два обширных класса: сжимаемые газы или жидкости, а также практически несжимаемые — капельные жидкости.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Классификация и свойства жидких тел

Рисунок 2. Свойства жидкости. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В основу указанного деления были положены характеристики жидкостей, их химическое строение и структура, а также виды взаимодействий между основными составляющими соединения частицами. Такие жидкости, состоящие из атомов, способны удерживаться между собой физическими силами Ван-дер-Ваальса.

Пример 1

Примерами могут выступать жидкие газы (метан аргон и другие) а еще такие элементы, которые включают в себя два одинаковых атома: газы в сжиженном виде и жидкие металлы. Вещества, состоящие из частиц, связанных ковалентными полярными соединениями могут также удерживать взаимосвязь, например, сероводород, хлороводород и йодоводород.

Структуры, обладающие прочными водородными связи. Примеры: спирты, вода и аммиак в растворе.

Существуют и особенные структурные элементы – типа неньютоновских жидкостей и жидких кристаллов, которые оснащены универсальными свойствами.

На сегодняшний день исследователи выделяют примерно 15 характеристик, позволяющие детально описать, что же представляют собой рассматриваемые физические тела, и в чем заключается их особенности и ценность.

Самые первые физические характеристики жидкости, которые приходят на ум при упоминании данного агрегатного состояния, это возможность менять начальную форму и занимать в пространстве определенный объем.

Так, например, если вспомнить форму жидких веществ, то многие считают ее отсутствующей. Однако это совершенно не так.

Замечание 1

Под воздействием всем известной силы тяжести капли любого жидкого элемента подвергаются незначительной деформации, в результате чего их форма нарушается и становится неоднозначной.

Однако если поместить каплю в такие условия, при которых гравитация не влияет или практически ограничена, то она вновь примет идеальную шарообразную форму.

Вязкость и теплоемкость жидкости

Рисунок 3. Вязкость жидкости. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Физические свойства жидкости весьма уникальны и многогранны. Но самым уникальным из них является такое явление, как вязкость. Что это такое и чем определяется? Главные показатели, от которых непосредственно зависит рассматриваемая физическая величина, это: градиент скорости движения и касательное напряжение.

Зависимость указанных параметров всегда линейная.

Если же сформулировать данный процесс более простыми словам, то вязкость, как и внутренний объем, — это такие характеристики жидкостей и газов, выступающие для них общими и подразумевающие неограниченное движение независимо от внешних факторов воздействия. То есть, если вода вытекает из какого-либо сосуда, она будет продолжать это делать при любых условиях (трение, сила тяжести и других параметрах).

В этом состоит основное отличие от неньютоновских жидкостей, обладающих большей вязкостью, что помогает им оставлять вслед за движением среды, которая заполняется со временем. Этот показатель напрямую зависит от:

  1. Температуры. С повышением температуры вязкость одних элементов увеличивается, а других, наоборот, падает. На такой процесс влияет конкретное соединение и химическое строение жидкости.
  2. Давления. Повышение автоматически вызывает увеличение параметра вязкости.
  3. Химического состава самого вещества. Вязкость изменяется при наличии определенных примесей и посторонних компонентов в навеске чистого элемента.

Теплоемкость определяет способность физического вещества поглощать любое количество тепла для дальнейшего увеличения собственной температуры примерно на один градус по Цельсию. Существуют различные соединения по указанному показателю. Одни оснащены большей, другие меньшей теплоемкостью.

Пример 2

Например, вода — очень хороший и самый яркий теплонакопитель, что помогает широко использовать ее для систем отопления, приготовления еды и прочих нужд.

В целом, сам показатель теплоемкости в конкретной ситуации может меняться, так как строго индивидуален для отдельно взятого объекта.

Механические характеристики жидкости

Механические особенности жидкости выступают центральным предметом изучения такой науки, как гидромеханика. Конкретно — ее раздела — гипотезы механики газа и жидкости. К главным механическим показателям, которые комплексно характеризуют рассматриваемое агрегатное состояние физических веществ, относятся: удельный вес, плотность и вязкость.

Под плотностью жидкого тела понимают его начальную массу, содержащуюся в одной единице объема. Этот параметр для разных химических соединений варьируется. Существуют уже измеренные и рассчитанные экспериментальным путем сведения по этому показателю, которые размещены в специальные таблицы.

Удельным весом в физике принято считать вес одной единицы общего объема жидкости. Данная величина напрямую зависит от температуры (при повышении ее вес постепенно снижается).

Для чего необходимо изучать механические свойства жидкостей? Эти знания считаются основой для понимания физических процессов, которые происходят в природе, внутри самого человеческого организма.

Также при разработке технических средств и различной продукции следует учитывать принципы физики жидкости.

Ведь жидкие вещества являются одной из самых распространенных агрегатных форм на нашей планете.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fizika_zhidkostey/

Свойства жидкостей. Основные физические свойства жидкости

Физика жидкостей

Известно, что все, что окружает человека, включая и его самого, — это тела, состоящие из веществ. Те, в свою очередь, построены из молекул, последние из атомов, а они — из еще более мелких структур.

Однако окружающее разнообразие столь велико, что сложно представить даже какую-то общность. Так и есть. Соединения исчисляются миллионами, каждое из них уникально по свойствам, строению и выполняемой роли.

Всего выделяют несколько фазовых состояний, по которым можно соотнести все вещества.

Агрегатные состояния веществ

Можно назвать четыре варианта агрегатного состояния соединений.

  1. Газы.
  2. Твердые вещества.
  3. Жидкости.
  4. Плазма — сильно разреженные ионизированные газы.

В данной статье мы рассмотрим свойства жидкостей, особенности их строения и возможные параметры характеристик.

Классификация жидких тел

В основу данного деления положены свойства жидкостей, их структура и химическое строение, а также типы взаимодействий между составляющими соединения частицами.

  1. Такие жидкости, которые состоят из атомов, удерживающихся между собой силами Ван-дер-Ваальса. Примерами могут служить жидкие газы (аргон, метан и другие).
  2. Такие вещества, которые состоят из двух одинаковых атомов. Примеры: газы в сжиженном виде — водород, азот, кислород и другие.
  3. Жидкие металлы — ртуть.
  4. Вещества, состоящие из элементов, связанных ковалентными полярными связями. Примеры: хлороводород, йодоводород, сероводород и прочие.
  5. Соединения, в которых присутствуют водородные связи. Примеры: вода, спирты, аммиак в растворе.

Существуют и особенные структуры — типа жидких кристаллов, неньютоновских жидкостей, которые обладают особыми свойствами.

Мы же рассмотрим основные свойства жидкости, которые отличают ее от всех других агрегатных состояний. В первую очередь это такие, которые принято называть физическими.

Свойства жидкостей: форма и объем

Всего можно выделить около 15 характеристик, которые позволяют описать, что же представляют собой рассматриваемые вещества и в чем заключается их ценность, особенности.

Самые первые физические свойства жидкости, которые приходят на ум при упоминании этого агрегатного состояния, это способность менять форму и занимать определенный объем. Так, например, если говорить о форме жидких веществ, то общепринято считать ее отсутствующей. Однако это не так.

Под действием всем известной силы тяжести капли вещества подвергаются некоей деформации, поэтому их форма нарушается и становится неопределенной.

Однако если поместить каплю в условия, при которых гравитация не действует или сильно ограничена, то она примет идеальную форму шара.

Таким образом, получив задание: «Назовите свойства жидкостей» человек, считающий себя достаточно сведущим в физике, должен упомянуть об этом факте.

Что касается объема, то здесь следует заметить общие свойства газов и жидкостей. И те и другие способны занимать весь объем пространства, в котором находятся, ограничиваясь лишь стенками сосуда.

Физические свойства жидкости весьма разнообразны. Но уникальным является такое из них, как вязкость. Что это такое и чем определяется? Главные параметры, от которых зависит рассматриваемая величина, это:

  • касательное напряжение;
  • градиент скорости движения.

Зависимость указанных величин линейная.

Если же объяснить более простыми словам, то вязкость, как и объем, — это такие свойства жидкостей и газов, которые являются для них общими и подразумевают неограниченное движение независимо от внешних сил воздействия. То есть если вода вытекает из сосуда, она будет продолжать это делать при любых воздействиях (сила тяжести, трения и прочих параметрах).

В этом состоит отличие от неньютоновских жидкостей, которые обладают большей вязкостью и могут оставлять вслед за движением дыры, заполняющиеся со временем.

От чего же будет зависеть данный показатель?

  1. От температуры. С увеличением температуры вязкость одних жидкостей увеличивается, а других, наоборот, уменьшается. Это зависит от конкретного соединения и его химического строения.
  2. От давления. Повышение вызывает увеличение показателя вязкости.
  3. От химического состава вещества. Вязкость изменяется при наличии примесей и посторонних компонентов в навеске чистого вещества.

Теплоемкость

Этот термин определяет способность вещества поглощать определенное количество тепла для увеличения собственной температуры на один градус по Цельсию. Существуют разные соединения по данному показателю. Одни обладают большей, другие меньшей теплоемкостью.

Так, например, вода — очень хороший теплонакопитель, что позволяет ее широко использовать для систем отопления, приготовления пищи и прочих нужд. В целом, показатель теплоемкости строго индивидуален для каждой отдельно взятой жидкости.

Поверхностное натяжение

Часто, получив задание: «Назовите свойства жидкостей» сразу вспоминают о поверхностном натяжении. Ведь с ним детей знакомят на уроках физики, химии и биологии. И каждый предмет объясняет этот важный параметр со своей стороны.

Классическое определение поверхностного натяжения следующее: это граница раздела фаз. То есть в то время, когда жидкость заняла определенный объем, она снаружи граничит с газовой средой — воздухом, паром или еще каким-либо веществом. Таким образом, на месте соприкосновения возникает разделение фаз.

При этом молекулы стремятся окружить себя как можно большим числом частиц и, таким образом, приводят как бы к сжиманию жидкости в целом. Следовательно, поверхность словно натягивается. Этим же свойством можно объяснить и шарообразную форму капель жидкости при отсутствии воздействия сил тяжести. Ведь именно такая форма идеальна с точки зрения энергии молекулы. Примеры:

  • мыльные пузыри;
  • кипящая вода;
  • капли жидкости в невесомости.

Некоторые насекомые приспособились к «хождению» по поверхности воды именно благодаря поверхностному натяжению. Примеры: водомерки, водоплавающие жуки, некоторые личинки.

Зависимость свойств от температуры

К таковым можно отнести три параметра, характеризующие рассматриваемые нами вещества:

  • перегрев;
  • охлаждение;
  • кипение.

Такие свойства жидкостей, как перегревание и переохлаждение, напрямую связаны с критическими температурами (точками) кипения и замерзания соответственно. Перегревшейся называют жидкость, которая преодолела порог критической точки нагревания при воздействии температуры, однако внешних признаков кипения не подала.

Переохлажденной, соответственно, называют жидкость, которая преодолела порог критической точки перехода в другую фазу под воздействием низких температур, однако твердой не стала.

Как в первом, так и во втором случае есть условия для проявления таких свойств.

  1. Отсутствие механических воздействий на систему (движение, вибрация).
  2. Равномерная температура, без резких скачков и перепадов.

Интересен факт, что если в перегретую жидкость (например, воду) бросить посторонний предмет, то она мгновенно вскипит. Получить же ее можно нагреванием под воздействием излучения (в микроволновой печи).

Можно выделить два варианта по данному параметру.

  1. Жидкость — газ. Такие системы являются наиболее широко распространенными, поскольку существуют в природе повсеместно. Ведь испарение воды — часть естественного круговорота. При этом образующийся пар существует одновременно с жидкой водой. Если же говорить о замкнутой системе, то и там происходит испарение. Просто пар становится насыщенным очень быстро и вся система в целом приходит к равновесию: жидкость — насыщенный пар.
  2. Жидкость — твердые вещества. Особенно на таких системах заметно еще одно свойство — смачиваемость. При взаимодействии воды и твердого вещества последнее может смачиваться полностью, частично или вообще отталкивать воду. Существуют соединения, которые растворяются в воде быстро и практически неограниченно. Есть и те, что вообще к этому не способны (некоторые металлы, алмаз и прочие).

В целом изучением взаимодействия жидкостей с соединениями в других агрегатных состояниях занимается дисциплина гидроаэромеханика.

Сжимаемость

Основные свойства жидкости были бы неполными, если бы мы не упомянули о сжимаемости. Конечно, этот параметр больше характерен для газовых систем. Однако и рассматриваемые нами также могут поддаваться сжатию при определенных условиях.

Главное отличие — это скорость процесса и его равномерность. Если газ можно сжать быстро и под небольшим давлением, то жидкости сжимаются неравномерно, достаточно долго и при специально подобранных условиях.

Испарение и конденсация жидкостей

Это еще два свойства жидкости. Физика дает им следующие объяснения:

  1. Испарение — это процесс, который характеризует постепенный переход вещества из жидкого агрегатного состояния в твердое. Происходит это под действием тепловых воздействий на систему. Молекулы приходят в движение и, меняя свою кристаллическую решетку, переходят в газообразное состояние. Процесс может происходить до тех пор, пока вся жидкость не перейдет в пар (для открытых систем). Или же до установления равновесия (для замкнутых сосудов).
  2. Конденсация — процесс, противоположный выше обозначенному. Здесь пар переходит в молекулы жидкости. Так происходит до установления равновесия или полного фазового перехода. Пар отдает в жидкость большее количество частиц, чем она ему.

Типичные примеры этих двух процессов в природе — испарение воды с поверхности Мирового океана, конденсация ее в верхних слоях атмосферы, а затем выпадение в виде осадков.

Механические свойства жидкости

Данные свойства являются предметом изучения такой науки, как гидромеханика. Конкретно — ее раздела, теории механики жидкости и газа. К основным механическим параметрам, характеризующим рассматриваемое агрегатное состояние веществ, относятся:

  • плотность;
  • удельный вес;
  • вязкость.

Под плотностью жидкого тела понимают его массу, которая содержится в одной единице объема. Данный показатель для разных соединений варьируется. Существуют уже рассчитанные и измеренные экспериментальным путем данные по этому показателю, которые занесены в специальные таблицы.

Удельным весом принято считать вес одной единицы объема жидкости. Данный показатель сильно зависит от температуры (при повышении ее вес снижается).

Для чего следует изучать механические свойства жидкостей? Данные знания являются важными для понимания процессов, происходящих в природе, внутри человеческого организма. Также при создании технических средств, различной продукции. Ведь жидкие вещества — одна из самых распространенных агрегатных форм на нашей планете.

Неньютоновские жидкости и их свойства

Свойства газов, жидкостей, твердых тел — это объект изучения физики, а также некоторых смежных с ней дисциплин. Однако помимо традиционных жидких веществ, существуют еще и так называемые неньютоновские, их тоже изучает эта наука. Что они собой представляют и почему получили такое название?

Для понимания того, что собой представляют подобные соединения, приведем самые распространенные бытовые примеры:

  • «лизун», которым играют дети;
  • «хенд гам», или жвачка для рук;
  • обычная строительная краска;
  • раствор крахмала в воде и прочее.

То есть это такие жидкости, вязкость которых подчиняется градиенту скорости. Чем быстрее воздействие, тем выше показатель вязкости. Поэтому при резком ударе хенд гама об пол он превращается в совершенно твердое вещество, способное расколоться на части.

Если же оставить его в покое, то буквально через несколько минут он растечется липкой лужицей. Неньютоновские жидкости — достаточно уникальные по свойствам вещества, которые нашли применение не только в технических целях, но и в культурно-бытовых.

Источник: https://FB.ru/article/181575/svoystva-jidkostey-osnovnyie-fizicheskie-svoystva-jidkosti

Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение

Физика жидкостей

Вещество, находящееся в жидком состоянии, характеризуется крайне плотным расположением молекул друг относительно друга.

Отличаясь от твердых кристаллических тел, чьи молекулы формируют упорядоченные структуры по всему объему кристалла и ограничены в своих тепловых колебаниях фиксированными центрами, молекулы жидкости обладают значительной степенью свободы.

Любая конкретная молекула жидкого вещества, как это происходит и в твердых телах, «зажата» соседними молекулами и может совершать тепловые колебания поблизости с некоторым положением равновесия. Несмотря на это, в какой-то момент, любая молекула может переместиться на соседнее вакантное место.

Подобные перемещения в жидкостях происходят довольно часто, благодаря чему молекулы не привязаны к конкретным центрам, как в кристаллах, а имеют возможность перемещаться по всему объему жидкости. Именно на этом факте основывается текучесть жидкостей.

Определение 1

По причине сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные, то есть неустойчивые, упорядоченные группы, включающие в себя несколько молекул. Данное явление носит название ближнего порядка (рис. 3.5.1).

Рисунок 3.5.1. Пример ближнего порядка молекул жидкости и дальнего порядка молекул кристаллического вещества: 1 – вода; 2 – лед.

Свойства жидкостей

На рисунке 3.5.2, на примере воды, проиллюстрировано различие между газообразным веществом и жидкостью. Молекула воды H2O включает в свой состав один атом кислорода и два атома водорода, которые расположены под углом 104°.

В среднем, расстояние между молекулами пара в десятки раз больше, чем между молекулами воды. На рисунке 3.5.2, в отличие от рисунка 3.5.

1, на котором молекулы воды представляют из себя шарики, дается представление о структуре молекулы воды.

Рисунок 3.5.2.Водяной пар (1) и вода (2). Молекулы воды увеличены примерно в 5·107 раз.

Сжимаемость жидкостей, то есть изменение объема вещества при изменении давления, по причине плотности расположения молекул в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем сжимаемость газов. К примеру, чтобы изменить объем воды всего на 1 % необходимо повысить значение давления примерно в 200 раз. Подобное увеличение давления по сравнению с атмосферным достигается на глубине близкой к 2 км.

Подобно твердым телам, жидкости имеют свойство менять свой объем при изменении температуры. В случае не самых больших интервалов температур относительное изменение объема ΔVV0 пропорционально изменению температуры ΔT, что может быть записано в виде следующего соотношения: 

ΔVV0=β∆T.

В котором коэффициент β представляет собой температурный коэффициент объемного расширения. Данный коэффициент у жидкостей в десятки раз превышает значение такого же у твердых тел.

Пример 1

К примеру, у воды в случае, если температура равна 20 °С βв≈2·10–4 К–1, у стали βст≈3,6·10–5 К–1, у кварцевого стекла βкв≈9·10–6 К–1.

Тепловое расширение воды обладает важным для жизни на Земле эффектом. В условиях температуры ниже 4 °С вода начинает расширяется при снижении температуры β0).

Определение 2

Из всего вышесказанного следует, что коэффициент поверхностного натяжения — это величина равная работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу.

В СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м2) или же в ньютонах на метр (1 Н/м=1 Дж/м2).

Таким образом, по сравнению с молекулами внутри жидкости молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной потенциальной энергией. Потенциальная энергия Eр поверхности жидкости пропорциональна ее площади и выражается в виде следующей формулы: 

Eр=Aвнеш=σS.

Из раздела механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Следовательно, свободная поверхность жидкости стремится уменьшить свою площадь. По данной причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму.

Определение 3

Жидкость ведет себя таким образом, будто по касательной к ее поверхности действуют сокращающие данную поверхность силы. Такие силы называются силами поверхностного натяжения.

Силы поверхностного натяжения влияют на поверхность жидкости таким образом, что она становится похожей на упругую растянутую пленку, с той лишь разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности, то есть от степени деформированности пленки, а силы поверхностного натяжения, зависимости от площади поверхности жидкости не имеют.

Пример 2

Некоторые жидкости, например, мыльная вода, имеют способность формировать тонкие пленки.

Хорошо известные каждому человеку мыльные пузыри обладают правильной сферической формой, в чем также проявляется воздействие сил поверхностного натяжения.

В случае, когда в мыльный раствор опускают проволочную рамку с одной подвижной стороной, вся она затягивается пленкой жидкости, как это показано на рисунке 3.5.3.

Рисунок 3.5.3. Подвижная сторона проволочной рамки в равновесии под действием внешней силы Fвн→ и результирующей сил поверхностного натяжения Fн→.

Силы поверхностного натяжения действуют на уменьшение поверхности пленки. Ради равновесия подвижной стороны рамки к ней необходимо приложить внешнюю силу
Fвн→=-Fн→.

Если воздействие силы Fвн→ спровоцирует перемещение перекладины на некоторое Δx, то будет произведена работа ΔAвн=FвнΔx=ΔEp=σΔS, где ΔS=2LΔx является увеличением площади поверхности обеих сторон мыльной пленки.

По той причине, что модули сил Fвн→ и Fн→ эквивалентны, справедливой будет запись: 

Fн∆x=σ2L∆x или σ=Fн2L.

Определение 4

Исходя из этого, можно заявить, что коэффициент поверхностного натяжения σ может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность.

По причине воздействия сил поверхностного натяжения на капли жидкости и их действия внутри мыльных пузырей появляется некоторое избыточное давление Δp.

При мысленном разрезании сферической капли с радиусом R на две равные части каждая из половин должна находиться в равновесии под действием приложенных к границе разреза длиной 2πR и сил избыточного давления, действующих на площадь πR2 сечения (рис.

 3.5.4) сил поверхностного натяжения. Условие равновесия может быть записано в следующем виде:

σ2πR=∆pπR2.

Исходя из этого, можно заявить, что избыточное давление внутри капли эквивалентно: 

∆p=2σR(капля жидкости).

Рисунок 3.5.4.Сечение сферической капли жидкости.

Из-за того, что пленка обладает двумя поверхностями, величина избыточного давления внутри мыльного пузыря в два раза выше, чем в капле: 

∆p=4σR(мыльный пузырь).

Пренебрегая взаимодействием с молекулами газа, можно сказать, что поблизости с границей между твердым телом, жидкостью и газом форма свободной поверхности жидкости зависима от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела. 

Определение 5

В случае, когда данные силы превышают силы взаимодействия между молекулами жидкости, жидкость смачивает поверхность твердого тела. В таком случае жидкость подходит к поверхности твердого тела под некоторым характерным для данной пары жидкость – твердое тело острым углом θ. Такой угол носит название краевого угла.

Краевой угол θ является тупым (рисунок 3.5.5), в случае, если силы взаимодействия между молекулами жидкости превосходят силы их взаимодействия с молекулами твердого тела. В подобном случае можно сказать, что поверхность твердого тела не смачивается жидкостью. В условиях полного смачивания θ=0, полного несмачивания θ=180°.

Рисунок 3.5.5. Краевые углы смачивающей (1) и несмачивающей (2) жидкостей.

Капиллярные явления

Определение 6

Капиллярными явлениями называют процесс подъема или опускания жидкости в трубках малого диаметра, другими словами, в капиллярах.

Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, несмачивающие – опускаются. На рисунке 3.5.6 проиллюстрирована опущенная нижним концом в смачивающую жидкость плотности ρ капиллярная трубка, обладающая некоторым радиусом r. При этом верхний конец капилляра является открытым.

Подъем жидкости в капилляре будет происходить до тех пор, пока сила тяжести Fт→, оказывающая воздействие на столб жидкости в капилляре, не станет эквивалентна по модулю результирующей Fн действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра сил поверхностного натяжения: Fт=Fн, где Fт=mg=ρhπr2g, Fн=σ2πr cos θ.

Из этого следует: 

h=2σ cos θρgr.

Рисунок 3.5.6. Подъем смачивающей жидкости в капилляре.

При полном смачивании θ=0, cos θ=1. В таком случае:

h=2σρgr.

При полном несмачивании θ=180°, cos θ=–1 и, соответственно, h

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/molekuljarno-kineticheskaja-teorija/svojstva-zhidkostej-poverhnostnoe-natjazhenie/

Физические свойства жидкости

Физика жидкостей

Жидкость — физическое тело, которое обладает свойством текучести, т. е. не имеющее способности самостоятельно сохранять свою форму.Текучесть жидкости обусловлена подвижностью молекул, составляющих жидкость.

Жидкостью называется агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным. Жидкость характеризуется следующими свойствами: 1) сохраняет объем; 2) образует поверхность; 3) обладает прочностью на разрыв; 4) принимает форму сосуда; 5) обладает текучестью. Свойства жидкости с 1) по 3) подобны свойствам твёрдых тел, а свойство 4) — свойству жидкости.

Жидкости, законы движения и равновесия которых изучаются в гидравлике (механике жидкости и жидкости), делятся на два класса: сжимаемые жидкости или газы, почти несжимаемые — капельные жидкости.

В гидравлике рассматриваются как идеальные, так и реальные жидкости.

Идеальная жидкость — жидкость, между частицами которой отсутствуют силы внутреннего трения. Вследствие этого такая жидкость не сопротивляется касательным силам сдвига и силам растяжения.

Идеальная жидкость совершенно не сжимается, она оказывает бесконечно большое сопротивление силам сжатия.

Такой жидкости в природе не существует — это научная абстракция, необходимая для упрощения анализа общих законов механики применительно к жидким телам.

Реальная жидкость — жидкость, которая не обладает в совершенстве свойствами идеальной жидкости, она в некоторой степени сопротивляется касательным и растягивающим усилиям, а также отчасти сжимается.

Для решения многих задач гидравлики этим отличием в свойствах идеальной и реальной жидкостей можно пренебречь.

В связи с этим физические законы, выведенные для идеальной жидкости, могут быть применены к жидкостям реальным с соответствующими поправками.

Ниже кратко представлены общие сведения, касающиеся физических свойств жидкостей. Конкретные физические свойства разных жидкостей находятся в подразделах нашего сайта. Эти разделы будут постепенно пополняться новой информацией, которая, возможно, окажется полезной инженерам и конструкторам при проведении расчетов.

Плотность жидкости

Килограмм на кубический метр [кг/м3] равен плотности однородного газообразного вещества, масса которого при объёме 1 м3 равна 1 кг.

где

dm — масса элемента жидкости, объёмом dV;

dV — объём элемента жидкости.

Динамическая вязкость жидкости

где

F — сила внутреннего трения жидкости.

ΔS — площадь поверхности слоя жидкости, на которую рассчитывается сила внутреннего трения.

— величина, обратная градиенту скорости жидкости.

Паскаль-секунда [Па • с] равна динамической вязкости жидкости, касательное напряжение в которой при ламинарном течении на расстоянии 1 м по нормали к направлению скорости, равно 1 Па.

Кинематическая вязкость жидкости

где

μ — динамическая вязкость жидкости;

ρ — плотность жидкости;

Квадратный метр на секунду [м2/с] равен кинематической вязкости жидкости с динамической вязкостью 1 Па с и плотностью 1 кг/м3.

Коэффициент теплопроводности жидкости

где

t — время;

S — площадь поверхности;

Q — количество теплоты [Дж], перенесённое за время t через поверхность площадью S.

— величина, обратная градиенту температуры жидкости.

Ватт на метр-Кельвин [Вт/(м • К)] равен коэффициенту теплопроводности жидкости, в котором при стационарном режиме с поверхностной плотностью теплового потока 1 Вт/м2 устанавливается температурный градиент 1 К/м.

Теплоемкость жидкости

где

dQ — количество теплоты, необходимое для нагревания жидкости;

dT — разность температуры.

Джоуль на Кельвин [Дж/К] равен теплоемкости жидкости, температура которого повышается на 1 К при подведении к нему количества теплоты 1 Дж.

Удельная массовая теплоемкость жидкости при постоянном давлении

Джоуль на килограмм-Кельвин [Дж/(кг • К)] равен удельной теплоемкости жидкости, имеющего при массе 1 кг теплоемкость 1 Дж/К.

Температуропроводность жидкости

где

λ — теплопроводность жидкости;

Cp — удельная массовая теплоемкость жидкости.

ρ — плотность жидкости.

Квадратный метр на секунду [м2/с] равен температуропроводности жидкости с коэффициентом теплопроводности 1 Вт/(м К), удельной теплоемкостью при постоянном давлении 1 [Дж/(кг • К) и плотностью 1 кг/м3.

Источник: http://www.highexpert.ru/content/liquids/liquid_properties.html

Booksm
Добавить комментарий