Жидкость — Википедия

Жи́дкость — вещество, находящееся в жидком агрегатном состоянии, занимающем промежуточное положение между твёрдым и газообразным состояниями^[1].

При этом агрегатное состояние жидкости как и агрегатное состояние твёрдого тела является конденсированным, то есть таким, в котором частицы (атомы, молекулы, ионы) связаны между собой.

Основным свойством жидкости, отличающим её от веществ, находящихся в других агрегатных состояниях, является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объём.

Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твёрдым телом и газом: газ не сохраняет ни объём, ни форму, а твёрдое тело сохраняет и то, и другое

[2].

Форма жидких тел может полностью или отчасти определяться тем, что их поверхность ведёт себя как упругая мембрана. Так, вода может собираться в капли. Но жидкость способна течь даже под своей неподвижной поверхностью, и это тоже означает несохранение формы (внутренних частей жидкого тела).

Молекулы жидкости не имеют определённого положения, но в то же время им недоступна полная свобода перемещений. Между ними существует притяжение, достаточно сильное, чтобы удержать их на близком расстоянии.

Вещество в жидком состоянии существует в определённом интервале температур, ниже которого переходит в твердое состояние (происходит кристаллизация либо превращение в твердотельное аморфное состояние — стекло), выше — в газообразное (происходит испарение). Границы этого интервала зависят от давления.

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 другие. Жидкости могут выполнять функцию растворителей.

Текучесть[править | править код]

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[править | править код]

Одним из характерных свойств жидкости является то, что она имеет определённый объём. Жидкость чрезвычайно трудно сжать механически, поскольку, в отличие от газа, между молекулами очень мало свободного пространства. Давление, производимое на жидкость, заключённую 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 °C до приблизительно 4 °C.

Вязкость[править | править код]

Кроме того, жидкости (как и газы) характеризуются вязкостью. Она определяется как способность оказывать сопротивление перемещению одной из частей 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[править | править код]

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. (См. Поверхностное натяжение.)

Испарение и конденсация[править | править код]

Водяной пар, содержащийся в воздухе, конденсируется в жидкость после соприкосновения с холодной поверхностью бутылки.

Испарение — постепенный переход вещества из жидкости в газообразную фазу (пар).

При тепловом движении некоторые молекулы покидают жидкость через её поверхность и переходят в пар. Вместе с тем, часть молекул переходит обратно из пара в жидкость. Если из жидкости уходит больше молекул, чем приходит, то имеет место испарение.

Конденсация — обратный процесс, переход вещества из газообразного состояния в жидкое. При этом в жидкость переходит из пара больше молекул, чем в пар из жидкости.

Испарение и конденсация — неравновесные процессы, они происходят до тех пор, пока не установится локальное равновесие (если установится), причём жидкость может полностью испариться, или же прийти в равновесие со своим паром, когда из жидкости выходит столько же молекул, сколько возвращается.

Кипение[править | править код]

Кипение — процесс парообразования внутри жидкости. При достаточно высокой температуре давление пара становится выше давления внутри жидкости, и там начинают образовываться пузырьки пара, которые (в условиях земного притяжения) всплывают наверх.

Смачивание[править | править код]

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[править | править код]

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

Диффузия[править | править код]

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[править | править код]

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[править | править код]

Хотя жидкость чрезвычайно трудно сжать, тем не менее, при изменении давления её объём 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 распространяться 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[править | править код]

Волны на поверхности воды

Если сместить участок поверхности 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 затухают под действием вязкости и других факторов.

Сосуществование с другими фазами[править | править код]

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.

Механика[править | править код]

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 ею 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.

Движение идеальной несжимаемой жидкости описывается уравнением Эйлера. Для стационарного потока такой жидкости выполняется закон Бернулли. Вытекание жидкости из отверстий описывается формулой Торричелли.

Движение вязкой жидкости описывается уравнением Навье-Стокса, в котором возможен и учёт сжимаемости.

Упругие колебания и волны в жидкости (и в других средах) исследуются в акустике. Гидроакустика — раздел акустики, в котором изучается звук в реальной водной среде для целей подводной локации, связи и др.

Молекулярно-кинетическое рассмотрение[править | править код]

Агрегатное состояние вещества определяется внешними условиями, главным образом давлением P{\displaystyle P} и температурой T{\displaystyle T}. Характерными параметрами являются средняя кинетическая энергия молекулы Ekin(P,T){\displaystyle E_{kin}(P,T)} и средняя энергия взаимодействия между молекулами (в расчёте на одну молекулу) Eint(P,T){\displaystyle E_{int}(P,T)}. Для жидкостей эти энергии приблизительно равны: Eint≈Ekin;{\displaystyle E_{int}\,\approx \,E_{kin};} для твёрдых тел энергия взаимодействия намного больше кинетической, для газов — намного меньше.

Классификация жидкостей[править | править код]

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.

1. Атомарные жидкости или жидкости из атомов или сферических молекул, связанных центральными ван-дер-ваальсовскими силами (жидкий аргон, жидкий метан).
2. Жидкости из двухатомных молекул, состоящих из одинаковых атомов (жидкий водород, жидкий(натрий, ртуть), в которых частицы (ионы) связаны дальнодействующими кулоновскими силами.
3. Жидкости, состоящие из полярных молекул, связанных диполь-дипольным взаимодействием (жидкий бромоводород).
4. Ассоциированные жидкости, или жидкости с водородными связями (вода, глицерин).
5. 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 не простых жидкостей наиболее хорошо изучена вода. В эту классификацию не входят квантовые жидкости и жидкие кристаллы, которые представляют собой особые случаи и должны рассматриваться отдельно.

В гидродинамике жидкости делятся на ньютоновские и неньютоновские. Течение ньютоновской жидкости подчиняется закону вязкости Ньютона, то есть касательное напряжение и градиент скорости линейно зависимы. Коэффициент пропорциональности между этими величинами известен как вязкость^[3][4][5]. У неньютоновской жидкости вязкость зависит от градиента скорости.^[6][7]

Статистическая теория[править | править код]

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{\displaystyle d}, то уравнение Перкуса-Йевика можно решить аналитически и получить уравнение состояния жидкости:

PnkT=1+η+η2(1−η)3,{\displaystyle {\frac {P}{n\,k\,T}}={\frac {1+\eta +\eta ^{2}}{(1-\eta )^{3}}}\quad ,}

где n{\displaystyle n} — число частиц в единице объёма, η=(1/6)πnd3{\displaystyle \eta =(1/6)\,\pi \,n\,d^{3}} — безразмерная плотность. При малых плотностях это уравнение переходит в уравнение состояния идеального газа: P/nkT=1{\displaystyle P/n\,k\,T=1} . Для предельно больших плотностей, η→1{\displaystyle \eta \to 1}, получается уравнение состояния несжимаемой жидкости: V=const{\displaystyle V\,=\,const}.

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[править | править код]

Тепловые колебания атомов в решётке кристалла: точки — атомы, соединяющие линейные отрезки — межатомные связи Поведение атомов жидкости после перехода кристалла через точку плавления, как в среднем постоянные для заданной температуры разрывы и восстановления межкластерных и внутрикластерных межатомных связей (короткие утолщённые отрезки — разорванные связи)^[8]

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).

По другому представлению^[9][10] в основе кластерной теории жидкости, как о веществе, находящемся в конденсированном (связанном) состоянии (сохранение объёма), а не в состоянии «газоплотного» беспорядка, лежит представление о кластерах, как остаточных после перехода через точку плавления квазикристаллических динамических структурах с постоянным (для заданной температуры) средним числом разрывающихся и восстанавливающихся межкластерных и внутрикластерных межатомных связей, обеспечивающих сохранение объёма и определяющих подвижность (текучесть) и химическую активность жидкости. С ростом температуры количество атомов в кластерах уменьшается за счёт увеличения разорванных связей. Образующиеся свободные атомы (молекулы) испаряются с поверхности жидкости или остаются в межкластерном пространстве в качестве растворённого газа (пара). При температуре кипения вещество переходит в моноатомное (мономолекулярное) газообразное (парообразное) состояние.

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

1. ↑ Жидкость — статья из Физической энциклопедии
2. ↑ В технической гидромеханике иногда жидкостью в широком смысле этого слова называют и газ; при этом жидкость в узком смысле слова называют капельной жидкостью.
3. ↑ «Физическая энциклопедия». В 5 томах. М.: «Советская энциклопедия», 1988
4. ↑ Физическая энциклопедия: Ньютоновская жидкость
5. ↑ Ньютоновская жидкость — статья из Физической энциклопедии
6. ↑ Уилкинсон У. Л., Неньютоновские жидкости, пер. с англ., М., 1964
7. ↑ Астарита Д ж., Марруччи Д ж., Основы гидромеханики неньютоновских жидкостей, пер. с англ., М., 1978
8. ↑ Андреев В. Д. Избранные проблемы теоретической физики.. — Киев: Аванпост-Прим,. — 2012.
9. ↑ Андреев В. Д. Крэш (crash)-конформационная кинематика ковалентной решётки алмаза при плавлении. // Журнал структурной химии. — 2001. — № 3. — С. 486—495.
10. ↑ Андреев В. Д. «Фактор плавления» при межатомных взаимодействиях в алмазной решётке. // Химическая физика. — 2002. — № 8,т.21. — С. 35—40.

Жидкость | Физика

Жидкость — вещество в состоянии, промежуточном между твердым и газообразным. Это аг­регатное состояние вещества, в котором молекулы (или атомы) связаны между собой настолько, что это позволяет ему сохранять свой объем, но недостаточно сильно, чтобы сохранять и форму.

Свойства жидкостей. Жидкости легко меняют свою форму, но сохраняют объем. В обычных условиях они принимают форму сосуда, в котором находятся.

Поверхность жидкости, не соприкасающаяся со стенками сосуда, называетсясвободной повер­хностью. Она образуется в результате действия силы тяжести на молекулы жидкости.

Строение жидкостей. Свойства жидкостей объясняются тем, что промежутки между их молеку­лами малы: молекулы в жидкостях упакованы так плотно, что расстояние между каждыми двумя молекулами меньше размеров молекул. Объяснение поведения жидкостей на основе характера молекулярного движения жидкости было дано советским ученым Я. И. Френкелем. Оно заклю­чается в следующем. Молекула жидкости колеблется около положения временного равновесия, сталкиваясь с другими молекулами из ближайшего окружения. Время от времени ей удается совершить «прыжок», чтобы покинуть своих соседей из ближайшего окружения и продолжать совершать колебания уже среди других соседей. Время оседлой жизни молекулы воды, т. е. вре­мя колебания около одного положения равновесия при комнатной температуре, равно в среднем 10″11 с. Время одного колебания значительно меньше — 10~,2-10~13 с.

Поскольку расстояния между молекулами жидкости малы, то попытка уменьшить объем жид­кости приводит к деформации молекул, они начинают отталкиваться друг от друга, чем и объ­ясняется малая сжимаемость жидкости. Текучесть жидкости объясняется тем, что «прыжки» молекул из одного оседлого положения в другое происходят по всем направлениям с одинаковой частотой. Внешняя сила не меняет заметным образом число «прыжков» в секунду, она лишь задает их преимущественное направление, чем и объясняется текучесть жидкости и то, что она принимает форму сосуда.

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.

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.

Жидкости — это… Что такое Жидкости?

Жи́дкость — одно из агрегатных состояний вещества. Основным свойством жидкости, отличающим её от других агрегатных состояний, является способность неограниченно менять форму под действием механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объём.

Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твёрдым телом и газом: газ не сохраняет ни объём, ни форму, а твёрдое тело сохраняет и то, и другое.

Форма жидких тел может полностью или отчасти определяться тем, что их поверхность ведёт себя как упругая мембрана. Так, вода может собираться в капли. Но жидкость способна течь даже под своей неподвижной поверхностью, и это тоже означает несохранение формы (внутренних частей жидкого тела).

Молекулы жидкости не имеют определённого положения, но в тоже время им недоступна полная свобода перемещений. Между ними существует притяжение, достаточно сильное, чтобы удержать их на близком расстоянии.

Вещество в жидком состоянии существует в определённом интервале температур, ниже которого переходит в твердое состояние (происходит кристаллизация либо превращение в твердотельное аморфное состояние — стекло), выше — в газообразное (происходит испарение). Границы этого интервала зависят от давления.

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

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.

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

Испарение – постепенный переход вещества из жидкости в газообразную фазу (пар).

При тепловом движении некоторые молекулы покидают жидкость через её поверхность и переходят в пар. Вместе с тем, часть молекул переходит обратно из пара в жидкость. Если из жидкости уходит больше молекул, чем приходит, то имеет место испарение.

Конденсация – обратный процесс, переход вещества из газообразного состояния в жидкое. При этом в жидкость переходит из пара больше молекул, чем в пар из жидкости.

Испарение и конденсация – неравновесные процессы, они происходят до тех пор, пока не установится локальное равновесие (если установится), причём жидкость может полностью испариться, или же прийти в равновесие со своим паром, когда из жидкости выходит столько же молекул, сколько возвращается.

Кипение — процесс парообразования внутри жидкости. При достаточно высокой температуре давление пара становится выше давления внутри жидкости, и там начинают образовываться пузырьки пара, которые (в условиях земного притяжения) всплывают наверх.

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

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).

• 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.

Движение идеальной несжимаемой жидкости описывается уравнением Эйлера. Для стационарного потока такой жидкости выполняется закон Бернулли. Вытекание жидкости из отверстий описывается формулой Торичелли.

Движение вязкой жидкости описывается уравнением Навье-Стокса, в котором возможен и учёт сжимаемости.

Упругие колебания и волны в жидкости (и в других средах) исследуются в акустике. Гидроакустика — раздел акустики, в котором изучается звук в реальной водной среде для целей подводной локации, связи и др.

Молекулярно-кинетическое рассмотрение

Агрегатное состояние вещества определяется внешними условиями, главным образом давлением P и температурой T. Характерными параметрами являются средняя кинетическая энергия молекулы E_kin(P,T) и средняя энергия взаимодействия между молекулами (в расчете на одну молекулу) E_int(P,T). Для жидкостей эти энергии приблизительно равны: для твёрдых тел энергия взаимодействия намного больше кинетической, для газов — намного меньше.

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.

1. Атомарные жидкости или жидкости из атомов или сферических молекул, связанных центральными ван-дер-ваальсовскими силами (жидкий аргон, жидкий метан).

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

3. Жидкие непереходные металлы (натрий, ртуть), в которых частицы (ионы) связаны дальнодействующими кулоновскими силами.

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

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

Свойства жидкостей: физика

Все тела, которые окружают человека, состоят из различных веществ и имеют различные свойства и характеристики. Все объекты материального мира построены по единым правилам. Они состоят из атомов, молекул и иных мелких образований на микроуровне. Все соединения не имеют общих показателей, так как они исчисляются миллионами. Поэтому и свойства у них также различны. Все вещества имеют четыре основных агрегатных состояния:

• газообразное;
• твердое;
• в виде жидкости;
• в виде плазмы.

При рассмотрении жидкости необходимо понять, что они также обладают собственными свойствами, характеристиками, а также особенностями строения. При классификации различных жидкостей за основу взяты их основные свойства, структура и химическое строение. Также имеют принципиальное значение типы взаимодействия между различными частицами и их составляющими компонентами.

Рисунок 1. Главные свойства жидкостей. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Выделяют ряд основных видов жидкостей. Среди них преобладают те, которые состоят из атомов, где основной сдерживающей силой является сила Ван-дер-Ваальса. Подобные жидкие газы можно разглядеть в метане, аргоне и некоторых других веществах. Подобные жидкости состоят из пары одинаковых атомов. Также выделяют вещества, которые состоят из связанных между собой ковалентных связей, а также те, где присутствуют элементы водородной связи. Также есть интересные варианты особенных структур жидкости. Они выражаются в виде:

• жидких кристаллов;
• неньютоновской жидкости.

Физические свойства жидкости

Рисунок 2. Физические свойства жидкостей. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Обычно выделяют физические свойства жидкости при рассмотрении характерных черт того или иного вещества. Они отличают их от определенного агрегатного состояния. В настоящее время выделяется достаточно большое количество основных характеристик. Они позволяют с большой степенью точности сделать описание рассматриваемых веществ.

Среди таких физических свойств жидкости выделяют:

• маленькая возможность изменения собственного объема при изменении температуры и давления;
• обладание свойством текучести.

Любая жидкость может легко менять свою форму и распределяться по определенному объему. Форма жидкости зависит от собственных характеристик и воздействия внешних факторов. Сила тяжести позволяет деформировать молекулы жидкости до определенного состояния. Их форма становится неопределенной. При помещении жидкости в такие условия, где силы притяжения ограничены или почти полностью отсутствуют, она примет совершенно новые определенные формы. Жидкости принимает форму идеального шара. Подобный эффект можно наблюдать на орбите Земли на борту Международной космической станции.

При рассмотрении объема жидкости общие признаки соответствия свойств можно разглядеть и у газов. Газы и жидкости могут занимать весь объем пространства, где они находятся в определенное время. Он может быть ограничен лишь стенками сосуда или помещения.

Вязкость

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

Одним из уникальных свойств жидкости является вязкость. При ее рассмотрении активно пользуются рядом основных параметров, которые заключаются в градиенте скорости движения и касательном напряжении. У этих величин есть линейная зависимость, которая отображается в ряде формул и основополагающих правилах. Вязкость подразумевает создание неограниченного движения вещества независимо от воздействия внешних факторов и сил.

Пример 1

В пример можно привести свойство воды при вытекании из сосуда. Жидкость будет продолжать осуществлять этот процесс, несмотря на все приложенные внешние воздействия, которые мешают так или иначе это сделать. К таким воздействиям относят обычно силу трения, силу тяжести и иные факторы.

Для неньютоновских жидкостей действуют иные параметры. Подобный тип жидкостей обладает большой степенью вязкости, поэтому оставляют за движением след. Этот показатель полностью зависит от приложенной температуры. При увеличении температуры вязкость некоторых веществ будет уменьшаться или увеличиваться. Эти действия зависят от химического строения жидкости.

Теплоемкость и поверхностное натяжение

Жидкости обладают способностями по поглощению веществами определенного количества тепла. Это им необходимо для того, чтобы повысить собственную температуру вещества. От веществ с разной степенью соединений и других показателей зависят способности по теплоемкости. Некоторые могут обладать более мощной теплоемкостью по сравнению с другими жидкостями. Одними из самых успешных теплоемких веществ является вода. Она накапливает в своих молекулах определенное количество тепла и сохраняет его некоторое время. Поэтому именно воду принято активно использовать в качестве элемента системы отопления, а также для приготовления пищи и иных нужд человека.

Поверхностное натяжение достигается в тот момент, когда жидкость занимает определенный объем. Она снаружи может граничить с другой средой, например, воздухом или другим веществом. В месте соприкосновения этих веществ создается так называемое разделение фаз. Также это явление принято считать поверхностным натяжением. Молекулы жидкости стремятся в этом положении окружить себя такими же частицами и сжимают жидкость еще больше. Поэтому визуально поверхность жидкого тела словно натягивается. Такое же явление начинает возникать при отсутствии признаков иных внешних факторов, так как идеальной формой жидкости является шар.

Текучесть и сжимаемость

Для твердых и жидких тел выделяют ряд общих свойств. Одним из них стала текучесть. Для жидкостей она носит неограниченный характер. Оно возникает при воздействии внешних усилий к исследуемому объекту. В этом случае существует несколько вариантов развития событий. Жидкости в зависимости от степени и интенсивности воздействия может разделиться на два объекта или может начать перетекать. Новые части точно также заполнят объем сосуда, поскольку каждая из них не теряет первоначальных свойств.

Также жидкости чутко реагируют на воздействие различной температуры. Самая большая метаморфоза происходит при изменении агрегатного состояния вещества. Это достигается в процессе нагрева, охлаждения или кипения.

Сжимаемость характерна больше для газообразной жидкости. Они могут поддаваться сжатию при возникновении определенных условий. Одной из особенностей этого свойства является скорость всего процесса, а также его равномерность.

Помимо этого, жидкости могут испаряться и вновь конденсироваться. При испарении процесс характеризуется постепенным переходом вещества из жидкого агрегатного состояния в твердое. Конденсация обозначает обратный процесс по отношению к испарению.

Физика жидкостей — это… Что такое Физика жидкостей?

Физика жидкостей (физика жидкого состояния вещества) — раздел физики, в котором изучаются механические и физические свойства жидкостей. Статистическая теория жидкостей является разделом статистической физики. Важнейшим результатом является вывод уравнений гидродинамики из уравнений Лиувилля, реализованный Н. Н. Боголюбовым в 1948 году. В физике квантовых жидкостей изучается явление сверхтекучести, нашедшее объяснение в работах Н. Н. Боголюбова 1947—1949 годов.

Успехи теории фазовых переходов между газообразным и жидким состоянием вещества, созданной Ван-дер-Ваальсом, укрепили представления о структурной близости этих состояний, как неупорядоченных и различающихся лишь плотностью частиц. После первых ренгеноструктурных исследований распределения частиц в жидкости выяснилось, что жидкости не являются бесструктурными. В теории рассеяния света в жидкости, разработанной Цернике и Пирсом в 1927 году, возникает функция распределения. Я. И. Френкель ввел представление о колебательно-поступательном движении молекул в жидкостях и развил кинетические модели в физике жидкостей. Строгая статистическая теория жидкостей была построена в работах Н. Н. Боголюбовым в 1947—1949 годах. И. З. Фишер использовал цепочку уравнений Боголюбова во втором порядке ^[1] для описания жидкости. Также, И. З. Фишер создал лагранжеву теорию тепловых гидродинамических флуктуаций. В предисловии автора к русскому изданию своей книги К. А. Крокстон писал в 1976 году: «Последние два или три десятилетия физика жидкого состояния … достигла значительных успехов, в основном благодаря пионерским работам советских авторов — главным образом Н. Н. Боголюбова, Я. И. Френкеля и И. З. Фишера».^[1]

Литература

• Боголюбов Н. Н. «Уравнения гидродинамики в статистической механике» (1948) в Боголюбов Н. Н. Избранные труды в трех томах. Том 2. Киев: Наукова думка, 1970. стр.258-276.
• Боголюбов Н. Н. «К теории сверхтекучести» Изв. АН СССР, Сер физ. 1947. Том 11. N.1. 77-90; Боголюбов Н. Н. Избранные труды в трех томах. Том 2. Киев: Наукова думка, 1970. стр.210-224.
• Крокстон К. Физика жидкого состояния. Статистическое введение. пер с англ. М.: Мир, 1978. — 400с.
• Оно С., Кондо С. Молекулярная теория поверхностного натяжения в жидкостях. М.: ИИЛ, 1963. — 292с.
• Фишер И. З. Статистическая теория жидкостей. М.: Наука, 1961. — 280с.
• Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей. Изд-во АН СССР, 1945. и Л.: Наука, 1975.
• Пайнс Д., Нозьер Ф., Теория квантовых жидкостей, пер. с англ., М., 1967.
• Резибуа П., Де Ленер М. Классическая кинетическая теория жидкостей и газов. М.: Мир, 1980. — 424с.
• Данилов В. И. Строение и кристаллизация жидкости.Избранные статьи. Под.ред. Курдюмова Г. В. Киев. Изд-во АН УССР, 1956. — 568 с.
• Юльметьев Р. М. Введение в статистическую физику жидкостей. Казань: Изд-во КГПИ, 1972. — 218с.
• Физика простых жидкостей. 1. Статистическая теория. Перевод с англ. под ред. Д. Н. Зубарева и Н. М. Плакиды. М.: Мир, 1971. — 308 с.
• Физика простых жидкостей. 2. Экспериментальные исследования. Перевод с англ. под ред. А. 3. Голика и Ю. И. Шиманского. М.: Мир, 1973. — 400 с.
• Скрипов В. П. Метастабильная жидкость. М.: Наука, 1972. — 312 с

См. также

Примечания

1. ↑ ^{1 2} Крокстон К. Физика жидкого состояния. Статистическое введение. пер с англ. М.: Мир, 1978. — 400с.

Физические свойства жидкости, термины, определения и параметры :: HighExpert.RU

Термины, определения и параметры

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.

Поверхностное натяжение жидкости

где

dF — сила, действующая на участо контура свободной поверхности нормально к контуру и по касательной к поверхности к длине dl этого участка.

dl — длина участка поверхности жидкости.

Ньютон на метр [Н/м] равен поверхностному натяжению жидкости, создаваемому силой 1 Н, действующей на участок контура свободной поверхности длиной 1 м нормально к контуру и по касательной к поверхности.

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.