Какое свойство жидкостей и газов используют

Известно, что все, что окружает человека, включая и его самого, — это тела, состоящие из веществ. Те, в свою очередь, построены из молекул, последние из атомов, а они — из еще более мелких структур. Однако окружающее разнообразие столь велико, что сложно представить даже какую-то общность. Так и есть. Соединения исчисляются миллионами, каждое из них уникально по свойствам, строению и выполняемой роли. Всего выделяют несколько фазовых состояний, по которым можно соотнести все вещества.

Агрегатные состояния веществ

Можно назвать четыре варианта агрегатного состояния соединений.

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

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

Классификация жидких тел

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

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

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

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

Свойства жидкостей: форма и объем

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

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

Под действием всем известной силы тяжести капли вещества подвергаются некоей деформации, поэтому их форма нарушается и становится неопределенной. Однако если поместить каплю в условия, при которых гравитация не действует или сильно ограничена, то она примет идеальную форму шара. Таким образом, получив задание: «Назовите свойства жидкостей» человек, считающий себя достаточно сведущим в физике, должен упомянуть об этом факте.

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

Вязкость

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

• касательное напряжение;
• градиент скорости движения.

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

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

От чего же будет зависеть данный показатель?

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

Теплоемкость

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

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

Поверхностное натяжение

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

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

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

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

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

Текучесть

Есть общие свойства жидкостей и твердых тел. Одно из них — текучесть. Вся разница в том, что для первых она неограниченна. В чем заключается суть этого параметра?

Если приложить внешнее воздействие к жидкому телу, то оно разделится на части и отделит их друг от друга, то есть перетечет. При этом каждая часть снова заполнит весь объем сосуда. Для твердых тел это свойство ограниченно и зависит от внешних условий.

Зависимость свойств от температуры

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

• перегрев;
• охлаждение;
• кипение.

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

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

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

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

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

Сосуществование с другими фазами веществ

Можно выделить два варианта по данному параметру.

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

   

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

Сжимаемость

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

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

Испарение и конденсация жидкостей

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

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

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

Механические свойства жидкости

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

• плотность;
• удельный вес;
• вязкость.

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

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

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

Неньютоновские жидкости и их свойства

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

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

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

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

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

Текучесть. Жидкие и газообразные тела отличаются от твёрдых тел свойством текучести. Если на твёрдое тело действуют малые неразрушающие силы, то они незначительно меняют его форму, т.е. относительное положение его частей. Если под действием сколь угодно малых внешних сил тело деформируется неограниченно, пока внутренние касательные напряжения в нём не станут равными нулю, то в этом случае реализуется свойство называемое текучестью.

Многие физические тела двойственны по природе. Например, стекло, которое мы привыкли рассматривать как хрупкое твёрдое тело, под действием длительной нагрузки может вести себя как жидкость. Так оконные стёкла, простоявшие более 100 лет в нижней части толще, чем в верхней, так как под действием сил тяжести материал «стекает» вниз. С другой стороны, такая типичная жидкость как вода при быстром нагружении (ударе) ведёт себя как твёрдое тело.

Попытаемся определить природу этой двойственности на молекулярном уровне. Благодаря действию сил притяжения и отталкивания расположение молекул в пространстве носит упорядоченный характер. Среднее характерное расстояние между молекулами жидкости и твёрдого тела примерно одинаковы и равны » (3¸4)10-8см. Под действием тепла молекулы движутся (хаотически колеблются) около положения равновесия, увеличивая с температурой амплитуду колебаний. В твёрдых телах амплитуда много меньше расстояния между молекулами, в жидкости — это величины одного порядка. Поэтому колебания молекул, совершаемые с амплитудой того же порядка, что и расстояния, могут приводить к тому, что молекулы могут перескакивать из одного места ячейки в другое. В некоторых жидкостях это случается чаще, в других — реже.

Текучесть тела определяется характерным временем tr нахождения молекулы в каждой ячейке с момента попадания в неё до момента перескакивания в другую ячейку. Если время нахождения молекулы в ячейке много меньше времени действия силы, то за период действия силы молекулы могут многократно изменить своё положение в пространстве, т.е. позволяя силе непрерывно и необратимо деформировать тело (т.е. вести себя как текучая среда). Такое тело мы называем жидкостью. В противном случае мы имеем дело с твёрдым телом. С повышением температуры текучесть тела увеличивается.

Для газообразных тел характерной особенностью является хаотическое движение и столкновение молекул в пространстве. Поэтому газы обладают не только текучестью, но и сжимаемостью.

Рис.1.2. К определению коэффициента объёмного сжатия

Сжимаемость жидкостей и газов. Приложим силу DF и увеличим давление в объёме V на величину Dp (рис.1.2). Сплошная среда при этом сожмётся, уменьшив свой объём на величину DV. Эмпирически получено, что связь между изменением объёма и давлением линейна, т.е. для каждой жидкости и газа можно ввести константу, которую называют коэффициентом объёмного расширения (при постоянной температуре):

. (1.3.1)

Коэффициент объёмного сжатия имеет размерность (Па)-1. Знак минус вводится для того, чтобы отразить уменьшение объёма под действием сжатия, но для практических расчётов удобно иметь его положительным.

Модулем объёмной упругости ЕV называется величина, обратная bV:

. (1.3.2)

Обе эти величины зависят от температуры и вида жидкости.Модуль объёмной упругости для воды при Т = 293°К равен ЕV = 2×109 Па »20000 кгс/см2.

Пример. Если на воду помимо атмосферного давления (ра =101325 Па или 1.033 кгс/см2), будет дополнительно действовать такое же давление, то объём воды уменьшится приблизительно на 1/20000, т.е. практически это заметить невозможно. Следовательно, воду и другие жидкости можно считать несжимаемыми и принимать их плотность постоянной (r = const), не зависящей от давления.

Для газа можно достаточно эффективно использовать модель идеального газа, характеризуемую уравнением Клапейрона — Менделеева

или , (1.3.3)

где R — удельная газовая постоянная, не зависящая от плотности и температуры, но различная в зависимости от природы газа (например, для воздуха R = 287Дж/кгК). С помощью уравнения (1.5.3) можно найти плотность воздуха при атмосферном давлении и температуре окружающей среды равной 20ºС:

.

Из этого закона следует закон Бойля — Мариотта, устанавливающий изотермическую связь между давлением и плотностью:

(1.3.4)

для заданного объёма газа при постоянной температуре.

Для адиабатического процесса (когда отсутствует теплообмен между выделенным объёмом газа и окружающей средой) характерна следующая зависимость:

, (1.3.5)

где —адиабатическая постоянная газа; сv— теплоёмкость газа при постоянном объёме; ср— то же при постоянном давлении.

Отличие механики жидкости от механики газа. Несмотря на то, что свойство текучести является основным при изучении жидкостей и газа, тем не менее, следует в некоторых случаях отличать жидкости от газов.

· Основное отличие заключается в том, что газ легко сжимается и в нём скорость распространения звука (а следовательно и всех механических возмущений) значительно меньше, чем в жидкости. Эта особенность газа должна учитываться, когда скорость движения (или скорость движения в нём твёрдого тела) становится соизмеримой со скоростью звука или превышает её.

· В отличие от газа жидкость имеет граничную поверхность между ней и окружающим её газом, которая называется свободной поверхностью. В поле сил тяжести свободная поверхность жидкости имеет горизонтальный профиль. В условиях невесомости, благодаря поверхностному натяжению, свободная поверхность сферична. Это свойство жидкости, как и её малая сжимаемость, обусловлено постоянным взаимодействием соседних молекул. В газе молекулы взаимодействуют друг с другом только в момент столкновения, большую часть времени они свободно движутся в пространстве, поэтому вследствие хаотичности движения газ стремится равномерно распределиться по всей замкнутой части пространства. Если пространство не замкнуто, то объём газа может неограниченно возрастать.

· В газе можно неограниченно уменьшать давление и повышать температуру, и при этом свойства газа будут меняться непрерывно. В жидкости давление может уменьшаться до некоторого значения, ниже которого начинается образование внутри неё газовых пузырьков, и начинаются фазовые переходы, которые качественно меняют свойства текучей среды. То же самое может происходить и при повышении температуры жидкости.

Вязкость жидкостей и газов. Реологические свойства жидкостей. Вязкостью называется свойство текучей среды, которое заключается в возникновении в ней внутренних сил, препятствующих её деформации, т.е. изменению относительного положения её частей. Рассмотрим частный случай молекулярно-кинетической теории идеального газа — простое сдвиговое течение (рис.1.3).

Рис.1.3. Вязкие напряжения в жидкостях и газах

Элементарная площадка поверхности, разделяющей слои 1 и 2, движется вместе с жидкостью. При этом слой жидкости 1 скользит по слою 2 с относительной скоростью . Молекулы газа участвуют в движениях двух видов:

· упорядоченном (продольном) со скоростью uх или uх + D uх в зависимости от того, в каком слое они находятся;

· хаотическом, неупорядоченном (в том числе и поперечном) тепловом движении, скорость которого обычно на два порядка выше скорости упорядоченного движения.

Вязкость газа обусловлена переносом молекулами при их тепловом движении через элементарную площадку DхDу, лежащую в плоскости, ко­торая разделяет два слоя, имеющие различные продольные скорости uх и uх + Duх, количества движения, обусловленного разностью Duх скоростей этих слоев. Молекулы движутся хаотически беспорядочно, при этом они переходят из одного слоя в другой, пересекая площадку DхDу. Молекулы, имеющие упорядоченную скорость uх, переходят в слой 2 и замедляют его движение, а такое же количество молекул, попавшее в слой 1 из слоя 2, ускоряет слой 1.

Вводя модель сплошной среды (т.е. исключая из рассмотрения мо­лекулярное строение вещества), считают, что на площадке DхDу действу­ет касательное напряжение, компенсирующее перенос количества дви­жения, обусловленный тепловым движением молекул. Согласно молеку-лярно-кинетической теории касательное напряжение

(1.3.6)

где h — динамический коэффициент вязкости, или просто динамическая вяз­кость газа. Это гидродинамическая характеристика, определяемая физичес­кими свойствами текучей среды. Знак напряжения таков, как будто оно «пы­тается» уменьшить разность скоростей слоев. С увеличением температуры ско­рость хаотического движения молекул возрастает, что приводит к увеличению количества молекул, пересекающих в единицу времени площадку DхDу; следовательно, увеличивается и перенос количества движения из одного слоя в другой и, соответственно, касательное напряжение pzx. Соглас­но (1.3.6) это означает, что с увеличением температуры динамический ко­эффициент вязкости газа возрастает.

В жидкости основной причиной воздействия одного слоя на другой (т.е. переноса количества движения) является взаимодействие молекул, рас­положенных по разные стороны границы между слоями, а не перенос молекул через эту границу. Как уже отмечалось, молекулярно-кинетическая теория жидкости еще недостаточно развита, поэтому механизм вязкости в жидкости изучен значительно хуже, чем в газах. Обычно считают, что в жидкости непрерывно образуются и разрушаются при относительном сколь­жении слоев квазикристаллические структуры, а силы, необходимые для их разрушения, и обусловливают вязкость. Естественно, с увеличением темпе­ратуры молекулы жидкости становятся более подвижными и разрушение структур происходит при меньших значениях сдвигающих сил. Таким об­разом, динамический коэффициент вязкости жидкости с увеличением тем­пературы уменьшается (в отличие от газов — см. выше).

Несмотря на различный молекулярный механизм возникновения на­пряжений в жидкостях и в газах, в обеих этих средах касательные напря­жения связывают с изменчивостью поля скорости одной и той же зависи-

мостью (1.3.6), которая называется законом Ньютона для вязких напряже­ний. В отличие от закона для сухого трения сдвиговое касательное напря­жение в жидкостях и газах не зависит от нормального напряжения.

Согласно определению (1.3.6) динамический коэффициент вязкости h имеет следующую единицу измерения:

.

Размерность h выражается через размерности напряжения Па и вре­мени с. Иногда в качестве единицы h используют г/см×с, которая называ­ется пуаз (в честь французского врача А. Пуазейля, выполнившего фунда­ментальные исследования движения вязкой жидкости) и обозначается П:

Па×с = 10×П.

Зависимость (1.3.6) характеризует перенос поперек потока количе­ства движения слоев текучей среды, которое пропорционально как ско­рости uх, так и плотности текучей среды r. Имея это в виду, закон Нью­тона целесообразно представить в форме

,

где

. (1.3.7)

Эта величина имеет размерность

.

Ввиду того, что в размерность n входят только метры и секунды (и не входит размерность массы), эту величину называют кинематическим коэф­фициентом вязкости (или кинематической вязкостью). Размерность см2/с называется стокс (в честь английского гидромеханика Дж. Стокса, кото­рый сформулировал дифференциальные уравнения движения вязкой жид­кости), и обозначается Ст:

1Ст = 10-4 м2/с.

В заключение отметим, что в газах и вязкость (характеризующая пере­нос количества движения), и молекулярная диффузия (характеризующая пе­ренос инородного газа) обусловлены тепловым хаотическим движением мо­лекул. Поэтому коэффициент вязкости n имеет один порядок величины с коэффициентом молекулярной диффузии в законе Фика. В жидкостях вяз­кость (и связанный с этим перенос количества движения) обусловлена раз­рушением межмолекулярных связей, а диффузия — тепловым движением молекул, т.е. эти явления имеют различную физическую природу. Как следствие этого коэффициент диффузии в жидкости в сотни раз меньше коэффициента вязкости n.В табл. 1.1 приведены значения h, r, n­ для некоторых жидкостей и газов.

Таблица 1.1

Значения h, r, n­ для некоторых жидкостей и газов

Из приведенных значений коэффициентов вязкости следует, что вязкость воды уменьшается с увеличением температуры от 0 до 100° Спочти в семь раз, а вязкость воздуха возрастает с увеличением темпе­ратуры от 20 до 50°С на 25%.

Для расчетов в инженерной практике пользуются ориентировочным значением кинематического коэффициента вязкости воды n = 0,01 см2/с = 0,01 Ст. Жидкости, для которых справедлива зависимость (1.3.6), называются ньютоновскими.

Рис. 1.4. Реологические законы в жидкостях:
1 — ньютоновская жидкость;
2 — бингамовский пластик;
3 — псевдопластическая жидкость;
4 — дилатантная жидкость

Однако существует много жидкостей, для которых закон Ньютона не выполняется. Наука о характере зависимости называется реологией (греч. reo — течь, logos — учение). Если представить зависимость (1.3.6) в виде графика (рис.1.4), то она будет иметь вид прямой линии 1.

При экспериментальном исследовании некоторых жидкостей может иметь вид кривой 2. Такие жидкости, которые сопротивля­ются небольшим (pzx< ) сдвигающим напряжениям, как твердое тело, а при (pzx> ) ведут себя как жидкие тела, называются жидкостями Бингама — Шведова.

Жидкости, поведение которых описывается кривыми 3, 4, называют­ся жидкостями Оствальда — Вейля. Если они подчиняются зависимостям 3, то они называются псевдопластическими, а если следуют зависимости 4 — дилатантными. Механика движения таких жидкостей (это смолы, нефтепродукты, растворы полимеров и т.п.) очень сложна.