1. Жидкое состояние вещества и его свойства.

2.1 Закон Бернулли.

2.2 Закон Паскаля.

2.3 Ламинарное течение жидкостей.

2.4 Закон Пуайзеля.

2.5 Турбулентное течение жидкостей.

3.1 Измерение вязкости жидкости.

3.2 Измерение объёма и расхода жидкости

1. Жидкое состояние вещества и его свойства.

Жидкости занимают промежуточное положение между газо­образными и твердыми веществами. При температурах, близких к температурам кипения, свойства жидкостей приближаются к свойствам газов; при температурах, близких к температурам плавления, свойства жидкостей приближаются к свойствам твер­дых веществ. Если для твердых веществ характерна строгая упо­рядоченность частиц, распространяющаяся на расстояния до со­тен тысяч межатомных или межмолекулярных радиусов, то в жидком веществе обычно бывает не более нескольких десятков упорядоченных частиц - объясняется это тем, что упорядоченность между частицами в разных местах жидкого вещества так же быстро возникает, как и вновь «размывается» тепловым колебанием частиц. Вместе с тем общая плотность упаковки частиц жидкого вещества мало отличается от твердого вещества - поэтому их плотность близка к плотности твердых тел, а сжимаемость очень мала. Например, чтобы уменьшить объем, занимаемый жидкой водой, на 1%, требуется приложить давление ~ в 200 атм, тогда как для такого же уменьшения объема газов требуется давление порядка 0,01 атм. Следовательно, сжимаемость жид­костей примерно в 200: 0,01 = 20000 раз меньше сжимаемости газов.

Выше отмечалось, что жидкости имеют определенный собственный объем и принимают форму сосуда, в котором находятся; эти их свойства значительно ближе к свойствам твердого, чем газообразного вещества. Большая близость жидкого состояния к твердому подтверждается также данными по стандартным энтальпиям испарения ∆Н° исп и стандартным энтальпиям плавления ∆Н° пл. Стандартной энтальпией испарения называют количество теплоты, необходимое для превращения 1 моль жидкости в пар при 1 атм (101,3 кПа). То же количество теплоты выделяется при конденсации 1 моль пара в жидкость при 1 атм. Количество теплоты, расходуемое на превращение 1 моль твердого тела в жидкость при 1 атм, называют стандартной энтальпией плавления (то же количество теплоты высвобождается при «замерзании» («отвердевании») 1 моль жидкости при 1 атм). Известно, что ∆Н° пл намного меньше соответствующих значений ∆Н° исп, что легко понять, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притя­жения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.

Ряд других важных свойств жидкостей больше напоминает свойства газов. Так, подобно газам жидкости могут течь - это их свойство называется текучестью. Сопротивляемость течению определяется вязкостью. На текучесть и вязкость влияют силы притяжения между молекулами жидкости, их относительная мо­лекулярная масса, а также целый ряд других факторов. Вязкость жидкостей ~ в 100 раз больше, чем у газов. Так же, как и газы, жидкости способны диффундировать, хотя и гораздо медленнее, поскольку частицы жидкости упакованы гораздо плотнее, чем частицы газа.

Одно из важнейших свойств именно жидкости - ее поверхностное натяжение (это свойство не присуще ни газам, ни твер­дым веществам). На молекулу, находящуюся в жидкости, со всех сторон равномерно действуют межмолекулярные силы. Однако на поверхности жидкости баланс этих сил нарушается, и вследст­вие этого «поверхностные» молекулы оказываются под действием некой результирующей силы, направленной внутрь жидкости. По этой причине поверхность жидкости оказывается в состоянии натяжения. Поверхностное натяжение - это минимальная сила, сдерживающая движение частиц жидкости в глубину жидкости и тем самым удерживающая поверхность жидкости от сокращения. Именно поверхностным натяжением объясняется «каплевидная» форма свободно падающих частиц жидкости.

Из-за сохранения объёма жидкость способна образовывать свободную поверхность. Такая поверхность является поверхностью раздела фаз данного вещества: по одну сторону находится жидкая фаза, по другую - газообразная (пар), и, возможно, другие газы, например, воздух. Если жидкая и газообразная фазы одного и того же вещества соприкасаются, возникают силы, которые стремятся уменьшить площадь поверхности раздела - силы поверхностного натяжения. Поверхность раздела ведёт себя как упругая мембрана, которая стремится стянуться.

Поверхностное натяжение может быть объяснено притяжением между молекулами жидкости. Каждая молекула притягивает другие молекулы, стремится «окружить» себя ими, а значит, уйти с поверхности. Соответственно, поверхность стремится уменьшиться. Поэтому мыльные пузыри и пузыри при кипении стремятся принять сферическую форму: при данном объёме минимальной поверхностью обладает шар. Если на жидкость действуют только силы поверхностного натяжения, она обязательно примет сферическую форму - например, капли воды в невесомости.

Маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила тяготения меньше силы, препятствующей увеличению площади поверхности.

Смачивание - поверхностное явление, возникающее при контакте жидкости с твёрдой поверхностью в присутствии пара, то есть на границах раздела трёх фаз. Смачивание характеризует «прилипание» жидкости к поверхности и растекание по ней (или, наоборот, отталкивание и нерастекание). Различают три случая: несмачивание, ограниченное смачивание и полное смачивание.

Смешиваемость - способность жидкостей растворяться друг в друге. Пример смешиваемых жидкостей: вода и этиловый спирт, пример несмешиваемых: вода и жидкое масло.

При нахождении в сосуде двух смешиваемых жидкостей молекулы в результате теплового движения начинают постепенно проходить через поверхность раздела, и таким образом жидкости постепенно смешиваются. Это явление называется диффузией (происходит также и в веществах, находящихся в других агрегатных состояниях).

Жидкость можно нагреть выше точки кипения таким образом, что кипения не происходит. Для этого необходим равномерный нагрев, без значительных перепадов температуры в пределах объёма и без механических воздействий, таких, как вибрация. Если в перегретую жидкость бросить что-либо, она мгновенно вскипает. Перегретую воду легко получить в микроволновой печи.

Переохлаждение - охлаждение жидкости ниже точки замерзания без превращения в твёрдое агрегатное состояние. Как и для перегрева, для переохлаждения необходимо отсутствие вибрации и значительных перепадов температуры.

Если сместить участок поверхность жидкости от положения равновесия, то под действием возвращающих сил поверхность начинает двигаться обратно к равновесному положению. Это движение, однако, не останавливается, а превращается в колебательное движение около равновесного положения и распространяется на другие участки. Так возникают волны на поверхности жидкости.

Если возвращающая сила - это преимущественно силы тяжести, то такие волны называются гравитационными волнами. Гравитационные волны на воде можно видеть повсеместно.

Если возвращающая сила - это преимущественно сила поверхностного натяжения, то такие волны называются капиллярными. Если эти силы сопоставимы, такие волны называются капиллярно-гравитационными. Волны на поверхности жидкости затухают под действием вязкости и других факторов.

Формально говоря, для равновесного сосуществования жидкой фазы с другими фазами того же вещества - газообразной или кристаллической - нужны строго определённые условия. Так, при данном давлении нужна строго определённая температура. Тем не менее, в природе и в технике повсеместно жидкость сосуществует с паром, или также и с твёрдым агрегатным состоянием - например, вода с водяным паром и часто со льдом (если считать пар отдельной фазой, присутствующей наряду с воздухом). Это объясняется следующими причинами.

Неравновесное состояние. Для испарения жидкости нужно время, пока жидкость не испарилась полностью, она сосуществует с паром. В природе постоянно происходит испарение воды, также как и обратный процесс - конденсация.

Замкнутый объём. Жидкость в закрытом сосуде начинает испаряться, но поскольку объём ограничен, давление пара повышается, он становится насыщенным ещё до полного испарения жидкости, если её количество было достаточно велико. При достижении состояния насыщения количество испаряемой жидкости равно количеству конденсируемой жидкости, система приходит в равновесие. Таким образом, в ограниченном объёме могут установиться условия, необходимые для равновесного сосуществования жидкости и пара.

Присутствие атмосферы в условиях земной гравитации. На жидкость действует атмосферное давление (воздух и пар), тогда как для пара должно учитываться практически только его парциальное давление. Поэтому жидкости и пару над её поверхностью соответствуют разные точки на фазовой диаграмме, в области существования жидкой фазы и в области существования газообразной соответственно. Это не отменяет испарения, но на испарение нужно время, в течение которого обе фазы сосуществуют. Без этого условия жидкости вскипали бы и испарялись очень быстро.

2.1 Закон Бернулли - является следствием закона сохранения энергии для стационарного потока идеальной (то есть без внутреннего трения) несжимаемой жидкости:

- плотность жидкости, - скорость потока, - высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости,

В отличие от газов между молекулами жидкости действуют достаточно большие силы взаимного притяжения, что определяет своеобразный характер молекулярного движения. Тепловое движение молекулы жидкости включает колебательное и поступательное движения. Каждая молекула в течение какого-то времени колеблется около определенной точки равновесия, затем перемещается и снова занимает новое равновесное положение. Это определяет ее текучесть. Силы межмолекулярного притяжения не дают молекулам при их движении далеко отходить друг от друга. Суммарный эффект притяжения молекул можно представить, как внутреннее давление жидкостей, которое достигает очень больших значений. Этим и объясняются постоянство объема и практическая несжимаемость жидкостей, хотя они легко принимают любую форму.

Свойства жидкостей зависят также от объема молекул, формы и полярности их. Если молекулы жидкости полярны, то происходит объединение (ассоциация) двух и более молекул в сложный комплекс. Такие жидкости называют ассоциированными жидкостями. Ассоциированные жидкости (вода, ацетон, спирты) имеют более высокие температуры кипения, обладают меньшей летучестью, более высокой диэлектрической проницаемостью. Например, этиловый спирт и диметиловый эфир имеют одинаковую молекулярную формулу (С 2 Н 6 О). Спирт является ассоциированной жидкостью и кипит при более высокой температуре, чем диметиловый эфир, который относится к неассоциированным жидкостям.

Жидкое состояние характеризуют такие физические свойства, как плотность, вязкость, поверхностное натяжение.

Поверхностное натяжение.

Состояние молекул, находящихся в поверхностном слое, существенно отличается от состояния молекул в глубине жидкости. Рассмотрим простой случай - жидкость - пар (рис. 2).

Рис. 2.

На рис. 2 молекула (а) находится внутри жидкости, молекула (б) - в поверхностном слое. Сферы вокруг них - расстояния, на которые распространяются силы межмолекулярного притяжения окружающих молекул.

На молекулу (а) равномерно действуют межмолекулярные силы со стороны окружающих молекул, поэтому силы межмолекулярного взаимодействия компенсируются, равнодействующая этих сил равна нулю (f=0).

Плотность пара значительно меньше плотности жидкости, так как молекулы удалены друг от друга на большие расстояния. Поэтому молекулы, находящиеся в поверхностном слое, почти не испытывают силы притяжения со стороны этих молекул. Равнодействующая всех этих сил будет направлена внутрь жидкости перпендикулярно ее поверхности. Таким образом, поверхностные молекулы жидкости всегда находятся под действием силы, стремящейся втянуть их внутрь и, тем самым, сократить поверхность жидкости.

Чтобы увеличить поверхность раздела жидкости, необходимо затратить работу А (Дж). Работа, необходимая для увеличения поверхности раздела S на 1 м 2 , является мерой поверхностной энергии или поверхностным натяжением .

Таким образом, поверхностное натяжение д (Дж/м 2 = Нм/м 2 = Н/м) - результат некомпенсированности межмолекулярных сил в поверхностном слое:

д = F/S (F - поверхностная энергия) (2.3)

Существует большое число методов определения поверхностного натяжения. Наиболее распространены сталагмометрический метод (метод счета капель) и метод наибольшего давления газовых пузырьков.

При помощи методов рентгеноструктурного анализа было установлено, что в жидкостях есть некоторая упорядоченность пространствен-ного расположения молекул в отдельных микрообъемах. Вблизи каждой молекулы наблюдается так называемый ближний порядок. При удалении от нее на некоторое расстояние эта закономерность нарушается. И во всем объеме жидкости порядка в расположении частиц нет.

Рис. 3.

Вязкость з (Па·с) - свойство оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости отно-сительно другой. В практической жизни человек сталкивается с большим множеством жидких систем, вязкость которых различна, - вода, молоко, растительные масла, сметана, мед, соки, патока и т.д.

Вязкость жидкостей обусловлена межмолекулярным воздействием, ограничивающим подвижность молекул. Она зависит от природы жидкости, температуры, давления.

Для измерения вязкости служат приборы, называемые вискозиметрами. Выбор вискозиметра и метода определения вязкости зависит от состояния исследуемой системы и ее концентрации.

Для жидкостей с малой величиной вязкости или небольшой концентрацией широко используют вискозиметры капиллярного типа.

Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой. Каждая молекула жидкости, также как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако, время от времени любая молекула может переместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах, и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей. Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком (рис. 1).

Рис. 2 иллюстрирует отличие газообразного вещества от жидкости на примере воды. Молекула воды H2O состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, расположенных под углом 104°. Среднее расстояние между молекулами пара в десятки раз превышает среднее расстояние между молекулами воды. В отличие от рис. 1, где молекулы воды изображены в виде шариков, рис. 2 даёт представление о структуре молекулы воды.

Вследствие плотной упаковки молекул сжимаемость жидкостей, то есть изменение объема при изменении давления, очень мала; она в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем в газах. Жидкости, как и твердые тела, изменяют свой объем при изменении температуры. Тепловое расширение воды имеет интересную и важную для жизни на Земле аномалию. При температуре ниже 4 °С вода расширяется при понижении температуры. Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С. При замерзании вода расширяется, поэтому лед остается плавать на поверхности замерзающего водоема. Температура замерзающей воды подо льдом равна 0 °С. В более плотных слоях воды у дна водоема температура оказывается порядка 4 °С. Благодаря этому может существовать жизнь в воде замерзающих водоемов. Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности . Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Молекулы в пограничном слое жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же жидкости не со всех сторон. Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимно скомпенсированы. Любая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости (силами, действующими на данную молекулу жидкости со стороны молекул газа (или пара) можно пренебречь). В результате появляется некоторая равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости. Коэффициент σ называется коэффициентом поверхностного натяжения (σ > 0). Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу. В СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м 2) или в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м 2). Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией . Потенциальная энергия E p поверхности жидкости пропорциональна ее площади:

E p = A внеш = σS.

Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения. Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (то есть от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости. Некоторые жидкости, как, например, мыльная вода, обладают способностью образовывать тонкие пленки. Всем хорошо известные мыльные пузыри имеют правильную сферическую форму – в этом тоже проявляется действие сил поверхностного натяжения. Если в мыльный раствор опустить проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна, то вся она затянется пленкой жидкости (рис. 3).

Силы поверхностного натяжения стремятся сократить поверхность пленки. Для равновесия подвижной стороны рамки к ней нужно приложить внешнюю силу ${\vec{F}}_{внеш}=-\vec{{F}_{н}}$. Если под действием силы ${\vec{F}}_{внеш}$ перекладина переместиться на Δx, то будет произведена работа ΔA внеш = F внеш Δx = ΔE p = σΔS, где ΔS = 2LΔx – приращение площади поверхности обеих сторон мыльной пленки. Так как модули сил ${\vec{F}}_{внеш}$ и $\vec{{F}_{н}}$ одинаковы, можно записать:

$$ {F}_{н}\Delta x=\sigma 2L\Delta x \: или \: \sigma =\frac{{F}_{н}}{2L}$$

Вблизи границы между жидкостью, твердым телом и газом форма свободной поверхности жидкости зависит от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела (взаимодействием с молекулами газа (или пара) можно пренебречь). Если эти силы больше сил взаимодействия между молекулами самой жидкости, то жидкость смачивает поверхность твердого тела. В этом случае жидкость подходит к поверхности твердого тела под некоторым острым углом θ, характерным для данной пары жидкость – твердое тело. Угол θ называется краевым углом. Если силы взаимодействия между молекулами жидкости превосходят силы их взаимодействия с молекулами твердого тела, то краевой угол θ оказывается тупым (рис. 4). В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность твердого тела. При полном смачивании θ = 0, при полном несмачивании θ = 180°.

Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра – капиллярах . Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, несмачивающие – опускаются. На рис. 5 изображена капиллярная трубка некоторого радиуса r, опущенная нижним концом в смачивающую жидкость плотности ρ. Верхний конец капилляра открыт. Подъем жидкости в капилляре продолжается до тех пор, пока сила тяжести действующая на столб жидкости в капилляре, не станет равной по модулю результирующей F н сил поверхностного натяжения, действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра: F т = F н, где F т = mg = ρhπr2g, F н = σ2πr cos θ. Отсюда следует:

$$ h=\frac{2\sigma \cos \theta }{\rho gr} $$

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

$$ h=\frac{2\sigma }{\rho gr} $$

При полном несмачивании θ = 180°, cos θ = –1 и, следовательно, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр. Вода практически полностью смачивает чистую поверхность стекла. Наоборот, ртуть полностью не смачивает стеклянную поверхность. Поэтому уровень ртути в стеклянном капилляре опускается ниже уровня в сосуде.

Ответьте на вопросы:

1. Почему жидкость обладает свойством текучести?

2. Как зависит тепловое расширение жидкости от температуры?

3. За счет чего возникают силы поверхностного натяжения?

4. Почему капли дождя имеют форму шара?

5. Что такое капиллярное явление?

6. Почему жидкость поднимается по капилляру?

7. Когда жидкость поднимается по капилляру, а когда опускается?

Жидкостями называют вещества, находящиеся в жидком агрегатном состоянии при обычных условиях. По внешним признакам это состояние характеризуется наличием постоянного объема для данной порции жидкости, текучестью, способностью постепенно испаряться. Собственной формой жидкости является шар (капля), который образует жидкость под действием силы поверхностного натяжения. Это возможно при отсутствии силы тяжести. Капли образуются при свободном падении жидкости, а в пространстве космического корабля, в условиях невесомости, форму шара может принять значительный объем жидкости. В спокойном состоянии жидкость растекается но поверхности или заполняет объем любого сосуда. Среди неорганических веществ к жидкостям относятся вода, бром, ртуть, немногочисленные устойчивые безводные кислоты (серная, фтороводородная и др.). Очень много жидкостей среди органических соединений: углеводороды, спирты, кислоты и т.д. Практически во всех гомологических рядах органических соединений есть жидкости. При охлаждении в жидкое состояние переходят газы, а при нагревании - металлы, устойчивые соли, оксиды металлов.

Жидкости можно классифицировать по природе составляющих их частиц на атомные (сжиженные благородные газы), молекулярные (большинство обычных жидкостей), металлические (расплавленные металлы), ионные (расплавленные соли, оксиды металлов). Кроме индивидуальных веществ, в жидком состоянии находятся смеси жидкостей и растворы самых разнообразных веществ в жидкостях. Наибольшее практическое значение среди жидкостей имеет вода, что определяется ее уникальной ролью как биологического растворителя. В химии и прикладных областях жидкости наряду с газами наиболее важны как среда для проведения всевозможных процессов превращения веществ. Жидкости используются также для передачи тепла по трубам, в гидравлических устройствах - как рабочее тело, в качестве смазки движущихся деталей машин.

В жидком состоянии вещества частицы находятся на расстояниях, близких к сумме их вандерваальсовых радиусов. Потенциальная энергия молекул становится отрицательной по отношению к их энергии в газе. Для ее преодоления при переходе в газообразное состояние молекулам необходима кинетическая энергия, приблизительно равная потенциальной энергии. Поэтому вещество находится в жидком состоянии в таком температурном интервале, в котором средняя кинетическая энергия приблизительно равна потенциальной энергии взаимодействия или ниже нее, но не падает до нуля.

где е - основание натуральных логарифмов; R - универсальная газовая постоянная; АН исп - молярная теплота испарения жидкости; Л - постоянная, зависящая от свойств жидкости.

Анализ уравнения показывает, что давление пара жидкости быстро возрастает с повышением температуры, так как температура находится в знаменателе отрицательного показателя степени. Уравнение (7.13) достаточно точно выполняется при условии, что температура значительно ниже критической температуры пара данного вещества.

При достижении температуры, при которой давление пара жидкости становится равным атмосферному давлению, жидкость закипает. При этом подразумевается, что над поверхностью жидкости находится воздух. Если же заключить жидкость в закрытый сосуд, например в цилиндр, с поршнем, производящим давление, равное атмосферному (101,3 кПа), то при нагревании жидкости до температуры кипения пар над жидкостью еще не обра-

Среди молекул как газа, так и жидкости имеются как более быстрые, так и более медленные молекулы относительно средней скорости их движения. Быстрые молекулы преодолевают притяжение и переходят в газовую фазу при наличии свободного объема. При испарении за счет потери более быстрых молекул жидкость охлаждается. Над поверхностью жидкости в замкнутом объеме устанавливается определенное давление ее пара, зависящее от природы жидкости и от температуры. Зависимость выражается экспоненциальным уравнением зуется. При превышении температуры кипения появится пар, т.е. газовая фаза, и поршень начнет подниматься по мере подвода теплоты и увеличения объема пара (рис. 7.4).

Рис. 7.4.

Жидкости, кипящие при температуре ниже температуры кипения воды, обычно называют летучими. Из открытого сосуда они довольно быстро улетучиваются. При температуре кипения 20-22 °С вещество фактически оказывается пограничным между летучей жидкостью и легко сжижающимся газом. Примерами таких веществ являются ацетальдегид СН 3 СНО (? кип = 21°С) и фтороводород HF (? кип = 19,4°С).

Практически важными физическими характеристиками жидкостей, кроме температуры кипения, являются температура замерзания, цвет, плотность, коэффициент вязкости, показатель преломления. Для однородных сред, какими являются жидкости, показатель преломления легко измеряется и служит для идентификации жидкости. Некоторые константы жидкостей приведены в табл. 7.3.

Равновесие между жидкой, твердой и газообразной фазами данного вещества изображается в виде диаграммы состояния. На рис. 7.5 показана диаграмма состояния воды. Диаграмма состояния представляет собой график, на котором нанесены зависимости давления насыщенного пара от температуры для жидкой воды и льда (кривые ОА и ОВ) и зависимость температуры плавления воды от давления (кривая ОС). Наличие небольшого давления пара над льдом (кривая ОВ) означает, что лед может испаряться (сублимировать), если давление паров воды в воздухе меньше равновесного давления над льдом. Пунктир, продолжающий кривую ОА влево от точки О, соответствует давлению пара над переохлажденной водой. Это давление превышает давление пара над льдом при той же температуре. Поэтому переохлажденная вода неустойчива и может спонтанно превратиться в лед. Иногда в холодную погоду наблюдается явление выпадения дождя, капли которого превращаются в лед при ударе о твердую поверхность. На поверхности возникает ледяная корка. Следует отметить, что и другие жидкости могут находиться в неустойчивом переохлажденном состоянии.

Некоторые практически важные жидкости

Название		Плотность р, г/см 3 (20°С)	Коэффициент преломления, и(20°С,
Фтороводород
Серная кислота	h 2 so 4
Муравьиная
Уксусная кислота
Глицерин
Тстрахлорид углерода
Хлороформ
Нитробензол	c g ii 5 no 2

Рис. 75.

Кривые делят диаграмму на три поля - воды, льда и пара. Каждая точка на диаграмме означает определенное состояние системы. Точки внутри полей соответствуют существованию воды только в одной из трех фаз. Например, при 60 °С и давлении 50 к11а вода существует только в жидком состоянии. Точки, лежащие на кривых ОА, ОВ и ОС, соответствуют равновесию между двумя фазами. Например, при температурах и давлениях вдоль кривой ОА в равновесии находятся вода и пар. Точка пересечения О трех кривых с координатами 0,61 кПа и 0,01 °С соответствует равновесию между тремя фазами воды - льдом, жидкой водой и ее паром. Это так называемая тройная точка воды . Указанная температура на 0,01 °С выше, чем нормальная температура замерзания воды 0 °С, относящаяся к давлению 101,3 кПа. Из этого следует вывод, что при повышении внешнего давления температура замерзания воды понижается. Приведем еще одну точку: при давлении 615 атм (6,23-10 4 кПа) температура замерзания воды понижается до -5 °С.

По способности смешиваться между собой жидкости резко отличаются от газов. В жидкостях, в противоположность газам, важную роль играет межмолекулярное взаимодействие. Поэтому смешиваются между собой в любых соотношениях лишь такие жидкости, которые достаточно близки по энергии межмолекулярного взаимодействия. Например, между молекулами воды не только действуют ваидерваальсовы силы, но и образуются водородные связи. Поэтому смешиваются с водой разные жидкости, молекулы которых также могут давать с водой водородные связи: фтороводо- род, многие кислородсодержащие кислоты, низшие члены гомологического ряда спиртов, ацетон и др. Жидкости, не образующие водородные связи или препятствующие образованию таких связей между молекулами воды, с водой не смешиваются, но могут в той или иной мере, т.е. ограниченно, растворяться. Так, спирты с радикалами, состоящими из четырех и более атомов углерода, ограниченно растворимы в воде, так как радикалы, оказываясь между молекулами воды, мешают образованию водородных связей и выталкиваются из объема воды.

Внутреннее строение жидкостей характеризуется как относительно свободным взаимным перемещением молекул, так и возникновением структуры, сближающей жидкость с твердым состоянием. Выше говорилось о том, что в кристаллах на упорядоченно расположенных атомах происходит рассеяние рентгеновских лучей. Максимумы интенсивности рассеивания возникают при определенных углах падения исходного луча на плоскости, образуемые атомами внутри кристалла. В жидкостях также происходит рассеяние рентгеновского излучения. При небольшом угле падения, соответствующем рассеянию на близко расположенных атомах, возникает максимум, указывающий па наличие упорядоченности в ближайшем окружении атома. Но при увеличении угла падения максимумы быстро затухают, что указывает на отсутствие закономерного расположения для удаленных атомов. Таким образом, про жидкости можно сказать, что в них обнаруживается ближний порядок, при отсутствии дальнего порядка.

Структурирование жидкостей обнаруживается при изучении различных физических свойств. Известно, например, что вода при охлаждении до 4°С уплотняется, а при дальнейшем охлаждении снова начинает расширяться. Это объясняется образованием более ажурной структуры, соответствующей направленности водородных связей между молекулами. После замерзания эти связи окончательно стабилизируются, что следует из уменьшения плотности льда.

· Уравнение Эйлера · Уравнения Навье - Стокса · Уравнение диффузии · Закон Гука

Как правило, вещество в жидком состоянии имеет только одну модификацию. (Наиболее важные исключения - это квантовые жидкости и жидкие кристаллы .) Поэтому в большинстве случаев жидкость является не только агрегатным состоянием, но и термодинамической фазой (жидкая фаза).

Все жидкости принято делить на чистые жидкости и смеси . Некоторые смеси жидкостей имеют большое значение для жизни: кровь , морская вода и др. Жидкости могут выполнять функцию растворителей .

Физические свойства жидкостей

• Текучесть

Основным свойством жидкостей является текучесть. Если к участку жидкости, находящейся в равновесии, приложить внешнюю силу , то возникает поток частиц жидкости в том направлении, в котором эта сила приложена: жидкость течёт. Таким образом, под действием неуравновешенных внешних сил жидкость не сохраняет форму и относительное расположение частей, и поэтому принимает форму сосуда, в котором находится.

В отличие от пластичных твёрдых тел, жидкость не имеет предела текучести : достаточно приложить сколь угодно малую внешнюю силу, чтобы жидкость потекла.

• Сохранение объёма

Одним из характерных свойств жидкости является то, что она имеет определённый объём (при неизменных внешних условиях). Жидкость чрезвычайно трудно сжать механически, поскольку, в отличие от газа , между молекулами очень мало свободного пространства. Давление, производимое на жидкость, заключенную в сосуд, передаётся без изменения в каждую точку объёма этой жидкости (закон Паскаля , справедлив также и для газов). Эта особенность, наряду с очень малой сжимаемостью, используется в гидравлических машинах.

Жидкости обычно увеличивают объём (расширяются) при нагревании и уменьшают объём (сжимаются) при охлаждении. Впрочем, встречаются и исключения, например, вода сжимается при нагревании, при нормальном давлении и температуре от 0°С до приблизительно 4°С.

• Вязкость

Кроме того, жидкости (как и газы) характеризуются вязкостью . Она определяется как способность оказывать сопротивление перемещению одной из части относительно другой - то есть как внутреннее трение.

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

Жидкость в сосуде, приведённая в движение и предоставленная самой себе, постепенно остановится, но её температура повысится.

• Образование свободной поверхности и поверхностное натяжение

Из-за сохранения объёма жидкость способна образовывать свободную поверхность. Такая поверхность является поверхностью раздела фаз данного вещества: по одну сторону находится жидкая фаза, по другую - газообразная (пар), и, возможно, другие газы, например, воздух.

Если жидкая и газообразная фазы одного и того же вещества соприкасаются, возникают силы, которые стремятся уменьшить площадь поверхности раздела - силы поверхностного натяжения. Поверхность раздела ведёт себя как упругая мембрана, которая стремится стянуться.

Поверхностное натяжение может быть объяснено притяжением между молекулами жидкости. Каждая молекула притягивает другие молекулы, стремится "окружить" себя ими, а значит, уйти с поверхности. Соответственно, поверхность стремится уменьшится.

Поэтому мыльные пузыри и пузыри при кипении стремятся принять сферическую форму: при данном объёме минимальной поверхностью обладает шар. Если на жидкость действуют только силы поверхностного натяжения, она обязательно примет сферическую форму - например, капли воды в невесомости.

Маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила тяготения меньше силы, препятствующей увеличению площади поверхности. (См. Поверхностное натяжение .)

• Испарение и конденсация

• Диффузия

При нахождении в сосуде двух смешиваемых жидкостей молекулы в результате теплового движения начинают постепенно проходить через поверхность раздела, и таким образом жидкости постепенно смешиваются. Это явление называется диффузией (происходит также и в веществах, находящихся в других агрегатных состояниях).

• Перегрев и переохлаждение

Жидкость можно нагреть выше точки кипения таким образом, что кипения не происходит. Для этого необходим равномерный нагрев, без значительных перепадов температуры в пределах объёма и без механических воздействий, таких, как вибрация. Если в перегретую жидкость бросить что-либо, она мгновенно вскипает. Перегретую воду легко получить в микроволновой печи .

Переохлаждение - охлаждение жидкости ниже точки замерзания без превращения в твёрдое агрегатное состояние . Как и для перегрева, для переохлаждения необходимо отсутствие вибрации и значительных перепадов температуры.

• Волны плотности

Хотя жидкость чрезвычайно трудно сжать, тем не менее, при изменении давления её объем и плотность всё же меняются. Это происходит не мгновенно; так, если сжимается один участок, то на другие участки такое сжатие передаётся с запаздыванием. Это означает, что внутри жидкости способны распространятся упругие волны , более конкретно, волны плотности. Вместе с плотностью меняются и другие физические величины, например, температура.

Если при распространении волны́ плотность меняется достаточно слабо, такая волна называется звуковой волной, или звуком .

Если плотность меняется достаточно сильно, то такая волна называется ударной волной . Ударная волна описывается другими уравнениями.

Волны плотности в жидкости являются продольными, то есть плотность меняется вдоль направления распространения волны. Поперечные упругие волны в жидкости отсутствуют из-за несохранения формы.

Упругие волны в жидкости со временем затухают, их энергия постепенно переходит в тепловую энергию. Причины затухания - вязкость, "классическое поглощение", молекулярная релаксация и другие. При этом работает так называемая вторая, или объёмная вязкость – внутреннее трение при изменении плотности. Ударная волна в результате затухания через какое-то время переходит в звуковую.

Упругие волны в жидкости подвержены также рассеянию на неоднородностях, возникающих в результате хаотического теплового движения молекул.

• Волны на поверхности

Если сместить участок поверхность жидкости от положения равновесия, то под действием возвращающих сил поверхность начинает двигаться обратно к равновесному положению. Это движение, однако, не останавливается, а превращается в колебательное движение около равновесного положения и распространяется на другие участки. Так возникают волны на поверхности жидкости .

Если возвращающая сила - это преимущественно силы тяжести, то такие волны называются гравитационными волнами (не путать с волнами гравитации). Гравитационные волны на воде можно видеть повсеместно.

Если возвращающая сила - это преимущественно сила поверхностного натяжения, то такие волны называются капиллярными.

Если эти силы сопоставимы, такие волны называются капиллярно-гравитационными.

Волны на поверхности жидкости звтухают под действием вязкости и других факторов.

• Сосуществование с другими фазами

Формально говоря, для равновесного сосуществования жидкой фазы с другими фазами того же вещества - газообразной или кристаллической - нужны строго определённые условия. Так, при данном давлении нужна строго определённая температура. Тем не менее, в природе и в технике повсеместно жидкость сосуществует с паром, или также и с твёрдым агрегатным состоянием - например, вода с водяным паром и часто со льдом (если считать пар отдельной фазой, присутствующей наряду с воздухом). Это объясняется следующими причинами.

Неравновесное состояние. Для испарения жидкости нужно время, пока жидкость не испарилась полностью, она сосуществует с паром. В природе постоянно происходит испарение воды, также как и обратный процесс - конденсация.

Замкнутый объём. Жидкость в закрытом сосуде начинает испаряться, но поскольку объём ограничен, давление пара повышается, он становится насыщенным ещё до полного испарения жидкости, если её количество было достаточно велико. При достижении состояния насыщения количество испаряемой жидкости равно количеству конденсируемой жидкости, система приходит в равновесие. Таким образом, в ограниченном объёме могут установиться условия, необходимые для равновесного сосуществования жидкости и пара.

Присутствие атмосферы в условиях земной гравитации. На жидкость действует атмосферное давление (воздух и пар), тогда как для пара должно учитываться практически только его парциальное давление . Поэтому жидкости и пару над её поверхностью соответствуют разные точки на фазовой диаграмме, в области существования жидкой фазы и в области существования газообразной соответственно. Это не отменяет испарения, но на испарение нужно время, в течение которого обе фазы сосуществуют. Без этого условия жидкости вскипали бы и испарялись очень быстро.

Теория

Механика

Изучению движения и механического равновесия жидкостей и газов и их взаимодействию между собой и с твёрдыми телами посвящён раздел механики - гидроаэромеханика (часто называется также гидродинамикой). Гидроаэромеханика - часть более общей отрасли механики, механики сплошной среды .

Гидромеханика - это раздел гидроаэромеханики, в котором рассматриваются несжимаемые жидкости. Поскольку сжимаемость жидкостей очень мала, во многих случаях ей можно пренебречь. Изучению сжимаемых жидкостей и газов посвящена газовая динамика .

Гидромеханика подразделяется на гидростатику , в которой изучают равновесие несжимаемых жидкостей, и гидродинамику (в узком смысле), в которой изучают их движение.

Движение электропроводных и магнитных жидкостей изучается в магнитной гидродинамике . Для решения прикладных задач применяется гидравлика .

Основной закон гидростатики - закон Паскаля .

2. Жидкости из двухатомных молекул, состоящих из одинаковых атомов (жидкий водород , жидкий азот). Такие молекулы обладают квадрупольным моментом .

4. Жидкости, состоящие из полярных молекул, связанных диполь-дипольным взаимодействием (жидкий бромоводород).

5. Ассоциированные жидкости, или жидкости с водородными связями (вода , глицерин).

6. Жидкости, состоящие из больших молекул, для которых существенны внутренние степени свободы .

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

Статистическая теория

Наиболее успешно структура и термодинамические свойства жидкостей исследуются с помощью уравнения Перкуса-Йевика.

Если воспользоваться моделью твёрдых шаров, то есть считать молекулы жидкости шарами с диаметром d , то уравнение Перкуса-Йевика можно решить аналитически и получить уравнение состояния жидкости:

где n - число частиц в единице объёма, - безразмерная плотность. При малых плотностях это уравнение переходит в уравнение состояния идеального газа : . Для предельно больших плотностей, , получается уравнение состояния несжимаемой жидкости: .

Модель твёрдых шаров не учитывает притяжение между молекулами, поэтому в ней отсутствует резкий переход между жидкостью и газом при изменении внешних условий.

Если нужно получить более точные результаты, то наилучшее описание структуры и свойств жидкости достигается с помощью теории возмущений . В этом случае модель твёрдых шаров считается нулевым приближением, а силы притяжения между молекулами считаются возмущением и дают поправки.

Кластерная теория

Одной из современных теорий служит «Кластерная теория» . В её основе заключена идея, что жидкость представляется как сочетание твёрдого тела и газа. При этом частицы твёрдой фазы (кристаллы, двигающиеся на короткие расстояния) располагаются в облаке газа, образуя кластерную структуру . Энергия частиц отвечает распределению Больцмана , средняя энергия системы при этом остаётся постоянной (при условии её изолированности). Медленные частицы сталкиваются с кластерами и становятся их частью. Так непрерывно изменяется конфигурация кластеров, система находится в состоянии динамического равновесия. При создании внешнего воздействия система будет вести себя согласно принципу Ле Шателье . Таким образом, легко объяснить фазовое превращение:

• При нагревании система постепенно превратится в газ (кипение)
• При охлаждении система постепенно превратится в твёрдое тело (замерзание).

Экспериментальные методы изучения

Структуру жидкостей изучают с помощью методов рентгеновского структурного анализа , электронографии и нейтронографии .

См. также

• Особенности поверхостного слоя жидкости

Ссылки

Термодинамические состояния вещества
Физика : Твёрдое тело Жидкость Газ Плазма