Жидкое состояние вещества

оглавление

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:

Здесь

 — плотность жидкости,

 — скорость потока,

 — высота, на которой находится рассматриваемый  элемент жидкости,

 — давление в точке пространства, где расположен центр массы рассматриваемого элемента жидкости,

 — ускорение свободного падения.

Константа в правой части обычно называется напором, или полным давлением, а также интегралом Бернулли. Размерность всех слагаемых — единица энергии, приходящейся на единицу объёма жидкости.

Это соотношение, выведенное Даниилом Бернулли в 1738 г., было названо в его честь  уравнением Бернулли. Для горизонтальной трубы h = 0 и уравнение Бернулли принимает вид:  

.

Эта форма  уравнения Бернулли может быть получена путём интегрирования уравнения  Эйлера для стационарного одномерного  потока жидкости, при постоянной плотности  ρ:  

.

Согласно  закону Бернулли полное давление в  установившемся потоке жидкости остается постоянным вдоль этого потока.

Полное  давление состоит из весового (ρgh), статического (p) и динамического (ρν²/2) давлений.

Из закона Бернулли следует, что при уменьшении сечения потока, из-за возрастания  скорости, то есть динамического давления, статическое давление падает. Это  является основной причиной эффекта  Магнуса. Закон Бернулли справедлив и для ламинарных потоков газа. Явление понижения давления при  увеличении скорости потока лежит в  основе работы различного рода расходомеров (например труба Вентури), водо- и  пароструйных насосов. А последовательное применение закона Бернулли привело  к появлению технической гидромеханической  дисциплины — гидравлики.

Закон Бернулли справедлив в чистом виде только для жидкостей, вязкость которых  равна нулю, то есть таких жидкостей, которые не прилипают к поверхности  трубы. На самом деле экспериментально установлено, что скорость жидкости на поверхности твердого тела почти  всегда в точности равна нулю (кроме  случаев отрыва струй при некоторых  редких условиях). 
 
 

2.2 Закон Паскаля формулируется так:

Давление, оказываемое на жидкость(или  газ) в каком-либо одном месте  на ее границе, например, поршнем, передается без изменения во все точки  жидкости(или газа).

  Основное свойство  жидкостей и газов - передавать давление без изменения по всем направлениям - лежит в основе конструкции гидравлических и пневматических устройств и машин.

Во сколько  раз площадь одного поршня больше площади другого, во столько же раз  гидравлическая машина дает выигрыш  в силе. 
 
 
 

2.3 Ламина́рное тече́ние (лат. lamina — пластинка, полоска) — течение, при котором жидкость или газ перемещается слоями без перемешивания и пульсаций (то есть беспорядочных быстрых изменений скорости и давления).

Ламинарное  течение возможно только до некоторого критического значения числа Рейнольдса, после которого оно переходит  в турбулентное. Критическое значение числа Рейнольдса зависит от конкретного  вида течения (течение в круглой  трубе, обтекание шара и т. п.). Например, для течения в круглой трубе