Мы привыкли думать, что жидкости не имеют никакой собственной формы. Это неверно. Естественная форма всякой жидкости – шар. Обычно сила тяжести мешает жидкости принимать эту форму, и жидкость либо растекается тонким слоем, если разлита без сосуда, либо же принимает форму сосуда, если налита в него. Находясь внутри другой жидкости такого же удельного веса, жидкость по закону Архимеда “теряет” свой вес: она словно ничего не весит, тяжесть на нее не действует – и тогда жидкость принимает свою естественную, шарообразную форму.
Прованское масло плавает в воде, но тонет в спирте. Можно поэтому приготовить такую смесь из воды и спирта, в которой масло не тонет и не всплывает. Введя в эту смесь немного масла посредством шприца, мы увидим странную вещь: масло собирается в большую круглую каплю, которая не вплывает и не тонет, а висит неподвижно [Чтобы форма шара не казалась искаженной, нужно производить опыт в сосуде с плоскими стенками (или в сосуде любой формы, но поставленном внутри наполненного водой сосуда с плоскими стенками)].
Рис. Масло внутри сосуда с разбавленным спиртом собирается в шар, который не тонет и не всплывает (опыт Плато).
Рис. Если масляный шар в спирте быстро вращать при помощи воткнутого в него стерженька, от шара отделяется кольцо.
Опыт надо проделывать терпеливо и осторожно, иначе получится не одна большая капля, а несколько шариков поменьше. Но и в таком виде опыт достаточно интересен.
Это, однако, еще не все. Пропустив через центр жидкого масляного шара длинный деревянный стерженек или проволоку, вращают их. Масляный шар принимает участие в этом вращении. (Опыт удается лучше, если насадить на ось небольшой смоченный маслом картонный кружочек, который весь оставался бы внутри шара.) Под влиянием вращения шар начинает сначала сплющиваться, а затем через несколько секунд отделяет от себя кольцо. Разрываясь на части, кольцо это образует не бесформенные куски, а новые шарообразные капли, которые продолжают кружиться около центрального шара.
Рис. Упрощение опыта Плато.
Впервые этот поучительный опыт произвел бельгийский физик Плато. Здесь описан опыт Плато в его классическом виде. Гораздо легче и не менее поучительно произвести его в ином виде. Маленький стакан споласкивают водой, наполняют прованским маслом и ставят на дно большого стакана; в последний наливают осторожно столько спирта, чтобы маленький стакан был весь в него погружен. Затем по стенке большого стакана из ложечки осторожно доливают понемногу воду. Поверхность масла в маленьком стакане становится выпуклой; выпуклость постепенно возрастает и при достаточном количестве подлитой воды поднимается из стакана, образуя шар довольно значительных размеров, висящий внутри смеси спирта и воды (рис. 58).
За неимением спирта можно проделать этот опыт с анилином – жидкостью, которая при обыкновенной температуре тяжелее воды, а при 75 – 85 °С легче ее. Нагревая воду, мы можем, следовательно, заставить анилин плавать внутри нее, причем он принимает форму большой шарообразной капли. При комнатной температуре капля анилина уравновешивается в растворе соли [Из других жидкостей удобен ортотолуидин – темно-красная жидкость; при 24° она имеет такую же плотность, как и соленая вода, в которую и погружают ортотолуидин].
Как правило, вещество в жидком состоянии имеет только одну модификацию. (Наиболее важные исключения - это квантовые жидкости и жидкие кристаллы .) Поэтому в большинстве случаев жидкость является не только агрегатным состоянием, но и термодинамической фазой (жидкая фаза).
Все жидкости принято делить на чистые жидкости и смеси . Некоторые смеси жидкостей имеют большое значение для жизни: кровь , морская вода и др. Жидкости могут выполнять функцию растворителей .
Физические свойства жидкостей
- Текучесть
Основным свойством жидкостей является текучесть. Если к участку жидкости, находящейся в равновесии, приложить внешнюю силу , то возникает поток частиц жидкости в том направлении, в котором эта сила приложена: жидкость течёт. Таким образом, под действием неуравновешенных внешних сил жидкость не сохраняет форму и относительное расположение частей, и поэтому принимает форму сосуда, в котором находится.
В отличие от пластичных твёрдых тел, жидкость не имеет предела текучести : достаточно приложить сколь угодно малую внешнюю силу, чтобы жидкость потекла.
- Сохранение объёма
Одним из характерных свойств жидкости является то, что она имеет определённый объём (при неизменных внешних условиях). Жидкость чрезвычайно трудно сжать механически, поскольку, в отличие от газа , между молекулами очень мало свободного пространства. Давление, производимое на жидкость, заключенную в сосуд, передаётся без изменения в каждую точку объёма этой жидкости (закон Паскаля , справедлив также и для газов). Эта особенность, наряду с очень малой сжимаемостью, используется в гидравлических машинах.
Жидкости обычно увеличивают объём (расширяются) при нагревании и уменьшают объём (сжимаются) при охлаждении. Впрочем, встречаются и исключения, например, вода сжимается при нагревании, при нормальном давлении и температуре от 0°С до приблизительно 4°С.
- Вязкость
Кроме того, жидкости (как и газы) характеризуются вязкостью . Она определяется как способность оказывать сопротивление перемещению одной из части относительно другой - то есть как внутреннее трение.
Когда соседние слои жидкости движутся относительно друг друга, неизбежно происходит столкновение молекул дополнительно к тому, которое обусловлено тепловым движением . Возникают силы, затормаживающие упорядоченное движение. При этом кинетическая энергия упорядоченного движения переходит в тепловую – энергию хаотического движения молекул.
Жидкость в сосуде, приведённая в движение и предоставленная самой себе, постепенно остановится, но её температура повысится.
- Образование свободной поверхности и поверхностное натяжение
Из-за сохранения объёма жидкость способна образовывать свободную поверхность. Такая поверхность является поверхностью раздела фаз данного вещества: по одну сторону находится жидкая фаза, по другую - газообразная (пар), и, возможно, другие газы, например, воздух.
Если жидкая и газообразная фазы одного и того же вещества соприкасаются, возникают силы, которые стремятся уменьшить площадь поверхности раздела - силы поверхностного натяжения. Поверхность раздела ведёт себя как упругая мембрана, которая стремится стянуться.
Поверхностное натяжение может быть объяснено притяжением между молекулами жидкости. Каждая молекула притягивает другие молекулы, стремится "окружить" себя ими, а значит, уйти с поверхности. Соответственно, поверхность стремится уменьшится.
Поэтому мыльные пузыри и пузыри при кипении стремятся принять сферическую форму: при данном объёме минимальной поверхностью обладает шар. Если на жидкость действуют только силы поверхностного натяжения, она обязательно примет сферическую форму - например, капли воды в невесомости.
Маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила тяготения меньше силы, препятствующей увеличению площади поверхности. (См. Поверхностное натяжение .)
- Испарение и конденсация
- Диффузия
При нахождении в сосуде двух смешиваемых жидкостей молекулы в результате теплового движения начинают постепенно проходить через поверхность раздела, и таким образом жидкости постепенно смешиваются. Это явление называется диффузией (происходит также и в веществах, находящихся в других агрегатных состояниях).
- Перегрев и переохлаждение
Жидкость можно нагреть выше точки кипения таким образом, что кипения не происходит. Для этого необходим равномерный нагрев, без значительных перепадов температуры в пределах объёма и без механических воздействий, таких, как вибрация. Если в перегретую жидкость бросить что-либо, она мгновенно вскипает. Перегретую воду легко получить в микроволновой печи .
Переохлаждение - охлаждение жидкости ниже точки замерзания без превращения в твёрдое агрегатное состояние . Как и для перегрева, для переохлаждения необходимо отсутствие вибрации и значительных перепадов температуры.
- Волны плотности
Хотя жидкость чрезвычайно трудно сжать, тем не менее, при изменении давления её объем и плотность всё же меняются. Это происходит не мгновенно; так, если сжимается один участок, то на другие участки такое сжатие передаётся с запаздыванием. Это означает, что внутри жидкости способны распространятся упругие волны , более конкретно, волны плотности. Вместе с плотностью меняются и другие физические величины, например, температура.
Если при распространении волны́ плотность меняется достаточно слабо, такая волна называется звуковой волной, или звуком .
Если плотность меняется достаточно сильно, то такая волна называется ударной волной . Ударная волна описывается другими уравнениями.
Волны плотности в жидкости являются продольными, то есть плотность меняется вдоль направления распространения волны. Поперечные упругие волны в жидкости отсутствуют из-за несохранения формы.
Упругие волны в жидкости со временем затухают, их энергия постепенно переходит в тепловую энергию. Причины затухания - вязкость, "классическое поглощение", молекулярная релаксация и другие. При этом работает так называемая вторая, или объёмная вязкость – внутреннее трение при изменении плотности. Ударная волна в результате затухания через какое-то время переходит в звуковую.
Упругие волны в жидкости подвержены также рассеянию на неоднородностях, возникающих в результате хаотического теплового движения молекул.
- Волны на поверхности
Если сместить участок поверхность жидкости от положения равновесия, то под действием возвращающих сил поверхность начинает двигаться обратно к равновесному положению. Это движение, однако, не останавливается, а превращается в колебательное движение около равновесного положения и распространяется на другие участки. Так возникают волны на поверхности жидкости .
Если возвращающая сила - это преимущественно силы тяжести, то такие волны называются гравитационными волнами (не путать с волнами гравитации). Гравитационные волны на воде можно видеть повсеместно.
Если возвращающая сила - это преимущественно сила поверхностного натяжения, то такие волны называются капиллярными.
Если эти силы сопоставимы, такие волны называются капиллярно-гравитационными.
Волны на поверхности жидкости звтухают под действием вязкости и других факторов.
- Сосуществование с другими фазами
Формально говоря, для равновесного сосуществования жидкой фазы с другими фазами того же вещества - газообразной или кристаллической - нужны строго определённые условия. Так, при данном давлении нужна строго определённая температура. Тем не менее, в природе и в технике повсеместно жидкость сосуществует с паром, или также и с твёрдым агрегатным состоянием - например, вода с водяным паром и часто со льдом (если считать пар отдельной фазой, присутствующей наряду с воздухом). Это объясняется следующими причинами.
Неравновесное состояние. Для испарения жидкости нужно время, пока жидкость не испарилась полностью, она сосуществует с паром. В природе постоянно происходит испарение воды, также как и обратный процесс - конденсация.
Замкнутый объём. Жидкость в закрытом сосуде начинает испаряться, но поскольку объём ограничен, давление пара повышается, он становится насыщенным ещё до полного испарения жидкости, если её количество было достаточно велико. При достижении состояния насыщения количество испаряемой жидкости равно количеству конденсируемой жидкости, система приходит в равновесие. Таким образом, в ограниченном объёме могут установиться условия, необходимые для равновесного сосуществования жидкости и пара.
Присутствие атмосферы в условиях земной гравитации. На жидкость действует атмосферное давление (воздух и пар), тогда как для пара должно учитываться практически только его парциальное давление . Поэтому жидкости и пару над её поверхностью соответствуют разные точки на фазовой диаграмме, в области существования жидкой фазы и в области существования газообразной соответственно. Это не отменяет испарения, но на испарение нужно время, в течение которого обе фазы сосуществуют. Без этого условия жидкости вскипали бы и испарялись очень быстро.
Теория
Механика
Изучению движения и механического равновесия жидкостей и газов и их взаимодействию между собой и с твёрдыми телами посвящён раздел механики - гидроаэромеханика (часто называется также гидродинамикой). Гидроаэромеханика - часть более общей отрасли механики, механики сплошной среды .
Гидромеханика - это раздел гидроаэромеханики, в котором рассматриваются несжимаемые жидкости. Поскольку сжимаемость жидкостей очень мала, во многих случаях ей можно пренебречь. Изучению сжимаемых жидкостей и газов посвящена газовая динамика .
Гидромеханика подразделяется на гидростатику , в которой изучают равновесие несжимаемых жидкостей, и гидродинамику (в узком смысле), в которой изучают их движение.
Движение электропроводных и магнитных жидкостей изучается в магнитной гидродинамике . Для решения прикладных задач применяется гидравлика .
Основной закон гидростатики - закон Паскаля .
2. Жидкости из двухатомных молекул, состоящих из одинаковых атомов (жидкий водород , жидкий азот). Такие молекулы обладают квадрупольным моментом .
4. Жидкости, состоящие из полярных молекул, связанных диполь-дипольным взаимодействием (жидкий бромоводород).
5. Ассоциированные жидкости, или жидкости с водородными связями (вода , глицерин).
6. Жидкости, состоящие из больших молекул, для которых существенны внутренние степени свободы .
Жидкости первых двух групп (иногда трёх) обычно называют простыми. Простые жидкости изучены лучше других, из непростых жидкостей наиболее хорошо изучена вода. В эту классификацию не входят квантовые жидкости и жидкие кристаллы , которые представляют собой особые случаи и должны рассматриваться отдельно.
Статистическая теория
Наиболее успешно структура и термодинамические свойства жидкостей исследуются с помощью уравнения Перкуса-Йевика.
Если воспользоваться моделью твёрдых шаров, то есть считать молекулы жидкости шарами с диаметром d , то уравнение Перкуса-Йевика можно решить аналитически и получить уравнение состояния жидкости:
где n
- число частиц в единице объёма, 
- безразмерная плотность. При малых плотностях это уравнение переходит в уравнение состояния идеального газа : 
. Для предельно больших плотностей, , получается уравнение состояния несжимаемой жидкости: .
Модель твёрдых шаров не учитывает притяжение между молекулами, поэтому в ней отсутствует резкий переход между жидкостью и газом при изменении внешних условий.
Если нужно получить более точные результаты, то наилучшее описание структуры и свойств жидкости достигается с помощью теории возмущений . В этом случае модель твёрдых шаров считается нулевым приближением, а силы притяжения между молекулами считаются возмущением и дают поправки.
Кластерная теория
Одной из современных теорий служит «Кластерная теория» . В её основе заключена идея, что жидкость представляется как сочетание твёрдого тела и газа. При этом частицы твёрдой фазы (кристаллы, двигающиеся на короткие расстояния) располагаются в облаке газа, образуя кластерную структуру . Энергия частиц отвечает распределению Больцмана , средняя энергия системы при этом остаётся постоянной (при условии её изолированности). Медленные частицы сталкиваются с кластерами и становятся их частью. Так непрерывно изменяется конфигурация кластеров, система находится в состоянии динамического равновесия. При создании внешнего воздействия система будет вести себя согласно принципу Ле Шателье . Таким образом, легко объяснить фазовое превращение.
Добрый вечер, дорогие читатели сайта Спринт-Ответ. Сегодня у нас суббота, а значит в эфире Первого канала можно смотреть телеигру «Кто хочет стать миллионером?». В этой статье можно ознакомиться с текстовым обзором игры, а также узнать все ответы в игре «Кто хочет стать миллионером?» за 14.10 2017.
В студии Первого канала находятся участники первой части сегодняшней телеигры "Кто хочет стать миллионером" за 14 октября 2017 года: Александр Розенбаум и Леонид Якубович . Участники игры выбрали несгораемую сумму в 200 000 рублей.
1. Как называют водителя, совершающего поездки на большие расстояния?
- стрелок
- бомбардир
- дальнобойщик
- снайпер
2. Какой эффект, как говорят, производит покупка дорогой вещи?
- щёлкает по барсетке
- бьёт по карману
- стреляет по кошельку
- шлёпает по кредитке
3. Как зовут поросёнка, героя популярного мультфильма?
- Франтик
- Финтик
- Фантик
- Фунтик
4. Как заканчивался лозунг эпохи социализма: "Нынешнее поколение советских людей будет жить..."?
- не тужить
- долго и счастливо
- при коммунизме
- на Марсе
5. На что, согласно законам физики, действует подъёмная сила?
- крюк башенного крана
- крыло самолёта
- звонок будильника
- рост производства
6. Как называется склад имущества в воинской части?
- жаровня
- парилка
- каптёрка
- сушилка
7. Какую часть имбиря чаще всего используют в кулинарии?
- корень
- листья
- стебель
- цветок
8. Сколько миллиметров в километре?
- десять тысяч
- сто тысяч
- миллион
- десять миллионов
9. Что "разгорелось" в куплетах из фильма "Весёлые ребята"?
- утюг
- фонарь
- фитиль
- папироса
10. Где покоится прах американского астронома Юджина Шумейкера?
- на Марсе
- на Юпитере
- на Луне
- на Земле
11. С какой болью сравнил любовь поэт Герих Гейне?
- с головной
- с поясничной
- с зубной
- с фантомной
12. Какую должность при дворе царицы Тамары занимал Шота Руставели?
- казначей
- придворный поэт
- главный визирь
- посол
К сожалению игроки ответили неправильно на двенадцатый вопрос, но всё же ушли с игры с несгораемой суммой в 200 000 рублей, с чем мы их и поздравляем. Далее сайта Спринт-Ответ ознакомит вас с обзором второй части сегодняшнего выпуска игры "Кто хочет стать миллионером?" за 14 октября 2017 года.
Во второй части игры кресла игроков заняли Вера Брежнева и Александр Ревва . Игроки выбрали несгораемую сумму в 200 000 рублей.
1. Куда во время чаепития обычно кладут варенье?
- в розетку
- в штепсель
- в удлинитель
- в тройник
2. О чём говорят: "Ни свет ни заря"?
- о потухшем костре
- о раннем утре
- о закончившемся фейерверке
- о перегоревших пробках
3. Какую карточную масть часто называют "сердечками"?
- трефы
- червы
- бубны
4. Какими бывают хранилища данных в Интернете?
- облачными
- тучными
- дождевыми
- радужными
5. Что стало жилищем героев известной песни "Битлз"?
- синий троллейбус
- жёлтая подводная лодка
- зелёный поезд
- последняя электричка
6. Что в прошлом не использовалось для письма?
- папирус
- бумазея
- пергамент
- глиняные таблички
7. Чем паук-серебрянка наполняет своё подводное гнездо?
В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с тремя состояниями вещества - жидким, газообразным и твердым. О том, что представляют собой твердые тела и газы, мы имеем довольно ясное представление. Газ - совокупность молекул, которые движутся беспорядочно по всем направлениям. Все молекулы твердого тела сохраняют взаимное расположение. Они совершают только незначительные колебания.
Особенности жидкого вещества
А что же представляют собой жидкие вещества? Основной их особенностью является то, что, занимая промежуточное положение между кристаллами и газами, они сочетают в себе определенные свойства двух этих состояний. Например, для жидкостей, так же как и для твердых свойственно наличие объема. Однако в то же время жидкие вещества, так же как и газы, принимают форму сосуда, в котором находятся. Многие из нас полагают, что у них нет своей собственной формы. Однако это не так. Естественная форма любой жидкости - шар. Сила тяжести обычно мешает ей принять эту форму, поэтому жидкость либо принимает форму сосуда, либо растекается по поверхности тонким слоем.
По своим свойствам жидкое состояние вещества особенно сложно, что обусловлено промежуточным его положением. Оно начало изучаться еще со времен Архимеда (2200 лет назад). Однако анализ того, как ведут себя молекулы жидкого вещества, до сих пор является одной из наиболее трудных областей прикладной науки. Общепризнанной и вполне законченной теории жидкостей все еще нет. Однако кое-что об их поведении мы можем сказать вполне определенно.
Поведение молекул в жидкости
Жидкость - что-то такое, что может течь. Ближний порядок наблюдается в расположении ее частиц. Это означает, что расположение соседей, ближайших к ней, по отношению к любой частице является упорядоченным. Однако по мере того, как она удаляется от других, положение ее по отношению к ним делается все менее упорядоченным, а затем порядок и вовсе исчезает. Жидкие вещества состоят из молекул, которые движутся намного более свободно, чем в твердых телах (а в газах - еще свободнее). В течение определенного времени каждая из них устремляется то в одну сторону, то в другую, не удаляясь от своих соседей. Однако молекула жидкости время от времени вырывается из окружения. Она попадает в новое, переходя в другое место. Здесь снова в течение определенного времени она совершает подобные колебанию движения.
Вклад Я. И. Френкеля в изучение жидкостей
Я. И. Френкелю, советскому ученому, принадлежат большие заслуги в разработке целого ряда проблем, посвященных такой теме, как жидкие вещества. Химия сильно продвинулась вперед благодаря его открытиям. Он считал, что в жидкостях тепловое движение имеет следующий характер. В течение определенного времени каждая молекула колеблется около положения равновесия. Однако она меняет свое место время от времени, перемещаясь скачком на новое положение, которое от предыдущего отстоит на расстояние, составляющее примерно размеры самой этой молекулы. Другими словами, внутри жидкости молекулы перемещаются, но медленно. Часть времени они пребывают около определенных мест. Следовательно, движение их представляет собой что-то вроде смеси совершаемых в газе и в твердом теле движений. Колебания на одном месте через некоторое время сменяются свободным переходом с места на место.
Давление в жидкости
Некоторые свойства жидкого вещества нам известны благодаря постоянному взаимодействию с ними. Так, из опыта повседневности мы знаем о том, что оно действует на поверхность твердых тел, которые соприкасаются с ней, с известными силами. Они именуются силами
Например, приоткрывая отверстие водопроводного крана пальцем и включая воду, мы ощущаем, как она давит на палец. А пловец, который нырнул на большую глубину, не случайно испытывает боль в ушах. Она объясняется тем, что на барабанную перепонку уха воздействуют силы давления. Вода - жидкое вещество, поэтому она обладает всеми его свойствами. Для того чтобы измерить температуру воды на глубине моря, следует использовать очень прочные термометры, чтобы их не могло раздавить давление жидкости.
Это давление обусловлено сжатием, то есть изменением объема жидкости. Она обладает по отношению к этому изменению упругостью. Силы давления - это и есть силы упругости. Следовательно, если жидкость действует на тела, соприкасающиеся с ней, значит, она сжата. Поскольку плотность вещества при сжатии растет, можно считать, что жидкости по отношению к изменению плотности обладают упругостью.
Испарение
Продолжая рассматривать свойства жидкого вещества, переходим к испарению. Вблизи поверхности его, а также непосредственно в поверхностном слое действуют силы, обеспечивающие само существование этого слоя. Они не позволяют покидать объем жидкости молекулам, находящимся в нем. Однако некоторая их часть благодаря тепловому движению развивает довольно большие скорости, с помощью которых становится возможно преодолеть эти силы и покинуть жидкость. Мы называем это явление испарением. Его можно наблюдать при любой температуре воздуха, однако с ее увеличением интенсивность испарения возрастает.
Конденсация
Если молекулы, покинувшие жидкость, удаляются из пространства, находящегося вблизи ее поверхности, то вся она, в конце концов, испаряется. Если же покинувшие ее молекулы не удаляются, они формируют пар. Попавшие в область, находящуюся вблизи поверхности жидкости, молекулы пара втягиваются в нее Этот процесс получил название конденсации.
Следовательно, если молекулы не удаляются, со временем уменьшается скорость испарения. Если плотность пара в дальнейшем увеличивается, достигается ситуация, при которой количество молекул, покидающих за определенное время жидкость, будет равняться количеству молекул, которые возвращаются за это же время в нее. Так возникает состояние динамического равновесия. Пар, находящийся в нем, называется насыщенным. Давление и плотность его увеличиваются с повышением температуры. Чем она выше, тем большее количество молекул жидкости имеет достаточную для испарения энергию и тем большей плотностью должен обладать пар для того, чтобы с испарением могла сравняться конденсация.
Кипение
Когда в процессе нагревания жидких веществ достигается такая температура, при которой насыщенные пары имеют такое же давление, как и внешняя среда, устанавливается равновесие между насыщенным паром и жидкостью. Если жидкость сообщает дополнительное количество теплоты, сразу же происходит превращение в пар соответствующей массы жидкости. Этот процесс именуют кипением.
Кипение представляет собой интенсивное испарение жидкости. Оно происходит не только с поверхности, а касается всего ее объема. Внутри жидкости появляются пузырьки пара. Для того чтобы перейти в пар из жидкости, молекулам необходимо приобрести энергию. Она нужна для преодоления сил притяжения, благодаря которым они удерживаются в жидкости.
Температура кипения
Это та, при которой наблюдается равенство двух давлений - внешнего и насыщенных паров. Она увеличивается при увеличении давления и уменьшается при его уменьшении. Из-за того, что с высотой столба давление в жидкости меняется, кипение в ней происходит на различных уровнях при разной температуре. Только находящийся над поверхностью жидкости в процессе кипения, имеет определенную температуру. Она определяется лишь внешним давлением. Именно ее мы и имеем в виду, когда говорим о температуре кипения. Она отличается у разных жидкостей, что широко применяется в технике, в частности, при разгонке нефтепродуктов.
Скрытая теплота парообразования - это количество тепла, необходимое для того, чтобы превратить в пар изотермически определенное количество жидкости, если внешнее давление то же, что и давление насыщенных паров.
Свойства жидкостных пленок
Все мы знаем о том, как можно получить пену, растворив в воде мыло. Это не что иное, как множество пузырьков, которые ограничены состоящей из жидкости тончайшей пленкой. Однако из образующей пену жидкости можно получить также и отдельную пленку. Свойства ее очень интересны. Пленки эти могут быть очень тонкими: их толщина в самых тонких частях не превышает стотысячной доли миллиметра. Однако они порой очень устойчивы, несмотря на это. Мыльную пленку можно подвергать деформации и растяжению, сквозь нее может проходить струя воды, при этом не разрушая ее. Как же объяснить такую устойчивость? Для того чтобы появилась пленка, необходимо к чистой жидкости прибавить вещества, растворяющиеся в ней. Но не любые, а такие, которые значительно понижают поверхностное натяжение.
Жидкостные пленки в природе и технике
В технике и природе мы встречаемся главным образом не с отдельными пленками, а с пеной, которая представляет собой их совокупность. Ее нередко можно наблюдать в ручьях, где в спокойную воду падают небольшие струйки. Способность воды пениться в данном случае связана с наличием в ней органического вещества, которое выделяют корни растений. Это пример того, как пенятся природные жидкие вещества. А как же обстоит дело с техникой? При строительстве, например, используют специальные материалы, которые обладают ячеистой структурой, напоминающей пену. Они легки, дешевы, достаточно прочны, плохо проводят звуки и теплоту. Для получения их в специальные растворы добавляют способствующие пенообразованию вещества.
Вывод
Итак, мы узнали, какие вещества относятся к жидким, выяснили, что жидкость является промежуточным состоянием вещества между газообразным и твердым. Поэтому у нее есть свойства, характерные для того и другого. которые сегодня широко используются в технике и промышленности (например, жидкокристаллические дисплеи) являются ярким примером этого состояния вещества. В них объединены свойства твердых тел и жидкостей. Сложно представить, какие вещества жидкие изобретет в будущем наука. Однако ясно, что в этом состоянии вещества есть большой потенциал, который можно использовать во благо человечества.
Особый интерес к рассмотрению физико-химических процессов, протекающих в жидком состоянии, обусловлен тем, что сам человек состоит на 90% из воды, которая является самой распространенной на Земле жидкостью. Именно в ней происходят все жизненно важные процессы как в растительном, так и в животном мире. Поэтому для всех нас актуально изучать жидкое состояние вещества.
Жидкость принимает форму емкости, в которой она находится – одно из основных агрегатных состояний вещества наряду с газом и твердым телом. От газа жидкость отличается тем, что сохраняет свой объем, а от твердого тела тем, что не сохраняет форму.
Движение жидкостей и тел в жидкостях изучает раздел физики гидродинамика, строение и физические свойства жидкостей – физика жидкостей, составляющая частнина молекулярной физики.
Жидкость – конденсированный агрегатное состояние вещества, промежуточный между твердым и газообразным. Физическое тело, которому присуща:
Сохранения объема, плотность, показатель преломления, теплота плавления, вязкость – свойства, сближающие жидкости с твердыми телами, а несохранение формы – с газами. Для жидкостей характерно ближний порядок расположения молекул (относительная упорядоченность в расположении молекул ближайшего окружения произвольной молекулы, подобная порядка в кристаллических телах, но на расстоянии нескольких атомных диаметров эта упорядоченность нарушается). Взаимодействие между молекулами жидкости осуществляется Ван дер ваальсовыми и водородными связями. Жидкости, кроме рассолов и сжиженных металлов, плохие проводники электрического тока.
Текучесть жидкостей связана с периодическим "перепрыгиванием" их молекул из одного равновесного положения в другое. Большую часть времени отдельная молекула жидкости находится во временной ассоциации с соседними молекулами (близкая упорядоченность), где она осуществляет тепловые колебания. Иногда жидкостью в широком смысле слова называют и газ, при этом жидкость в узком смысле слова, которая удовлетворяет предыдущим двум условиям, называют капельной жидкостью.
Форма, которую принимает жидкость определяется формой емкости, в которой она находится. Частицы жидкости (обычно молекулы или группы молекул) могут свободно перемещаться по всему ее объему, но сила взаимного притяжения не позволяет частицам оставлять этот объем. Объем жидкости зависит от температуры и давления и является постоянным при данных условиях.
Если объем жидкости меньше объем емкости, в которой она содержится, то можно наблюдать поверхность жидкости. Поверхность должна качества эластичной мембраны с поверхностным натяжением, что позволяет формироваться каплям и пузырькам. Еще одним следствием действия поверхностного натяжения является капиллярность. Обычно жидкости не поддаются сжатию: например, чтобы заметно сжать воду, необходимо давление порядка гигапаскалей.
Жидкости в гравитационном поле создают давление, как на стенки и дно емкости, так и на любые тела внутри самой жидкости. Это давление действует во всех направлениях (Закон Паскаля) и растет с глубиной.
Если жидкость находится в состоянии покоя в однородном гравитационном поле, давление на любую точку определяется барометрической формуле:
Где:
Согласно этой формуле, давление на поверхности равна нулю, то есть считается, что сосуд достаточно широка, и поверхностное натяжение можно не учитывать.
Обычно жидкости расширяются при нагревании и сужаются при охлаждении. Вода между 0 и 4 ° C составляет один из немногих исключений.
Жидкость при температуре кипения превращается в газ, а при температуре замерзания – в твердое вещество. Но даже при температуре ниже температуры кипения, жидкость испаряется. Этот процесс продолжается, пока не будет достигнуто равновесия парциального давления паров жидкости и давления на поверхности жидкости. Именно поэтому ни одна жидкость не может существовать длительное время в вакууме.
Все жидкости можно разделить на чистые жидкости, состоящие из молекул одного вещества, и смеси, состоящие из молекул разного сорта. Различные жидкие компоненты смеси можно разделить с помощью фракцийонои дистилляции. Не все жидкости образуют однородную смесь, если поместить их в один сосуд. Часто жидкости не смешиваются, образуя поверхность между собой. В поле тяготения одна жидкость может плавать на поверхности другой.
Основном жидкости – изотропные вещества. Исключение составляют жидкие кристаллы, которые можно отнести к жидкостям учитывая свойство перетекать и занимать объем сосуда, но в которых хранятся свойственные кристаллическим телам анизотропные свойства.
В жидкости молекулы основном сохраняют свою целостность, хотя многие жидкостей являются растворителями, в которых молекулы до некоторой степени диссоциируют. При диссоциации в жидкостях образуются положительно и отрицательно заряженные ионы. Такие жидкости проводят электрический ток (см. Электролиты).
С микроскопической точки зрения жидкости отличаются от твердых тел отсутствием дальнего порядка, а от газов – ближним порядком. Это означает, что атомы и молекулы жидкостей основном находятся относительно своих соседей в тех же положениях, что и в твердом состоянии, однако этот порядок сохраняется для последующего слоя соседей хуже, а в дальнейшем совсем исчезает. Ближний порядок в жидкостях характеризуют радиальной корреляционной функцией.
Молекулы жидкостей основном колеблются вокруг временного положения равновесия, которое образуется благодаря взаимодействию с другими молекулами. Для жидкостей потенциальная энергия взаимодействия молекулы с соседями больше, чем кинетическая энергия теплового движения. Однако жидкости характеризуются также высоким коэффициентом самодиффузии – со временем каждая молекула удаляется от своего первоначального положения. Средний квадрат смещения от исходного положения молекулы пропорционален времени.
Благодаря взаимодействию молекулы в жидкости расположены не совсем хаотично. Для характеристики взаимного положения молекул используется понятие радиальной функции распределения, которая пропорциональна вероятности того, что на определенном расстоянии от какой произвольно-выбранной молекулы, находиться другая молекула. Для идеального газа радиальная функция распределения не зависит от расстояния и везде доривное единицы – движение молекул газа нескорельований, вероятность найти другую молекулу на определенном расстоянии одинакова. Для кристалла такая функция распределения состоит из выразительных максимумов, высота которых практически не уменьшается с расстоянием. Говорят, что в кристаллах сохраняется дальний порядок. В жидкостях радиальная функция распределения имеет несколько максимумов, высота которых уменьшается с расстоянием и через несколько средних межмолекулярных расстояний становится равной единице. Говорят, что в жидкостях сохраняется ближний порядок, и не сохраняется дальний порядок.
Экспериментально радиальную функцию распределения можно получить, проанализировав данные экспериментов с рассеяния рентгеновских лучей или нейтронов.
Малая сжимаемость жидкостей объясняется большим ростом сил отталкивания между частицами жидкости при незначительном приближении одной частицы к другой..
Все реальные жидкости в той или иной степени сжимаются, то есть под действием внешнего давления уменьшают свой объем. Сжимаемость
– это способность жидкости изменять свой объем при изменении давления.
Сжимаемость жидкости определяется уравнением состояния и, как правило, имела по величине. Малая сжимаемость жидкости обусловлена тем, что жидкость характеризуется сильной молекулярной взаимодействием, а изменения величин давления в технических процессах сравнительно невелики.
Учитывая относительную малость давлений, встречающихся в реалиях допускают, что жидкость сжимается по закону Гука (по линейной зависимости). Степени сжимаемости жидкостей служит коэффициент объемного сжатия жидкости ? S,
представляющий собой относительное уменьшение объема V
при повышении давления p
на единицу:
Знак «минус» в формуле означает, что при увеличении давления объем уменьшается. Если считать, что единицей давления является Паскаль, то коэффициент объемного сжатия будет измеряться в Па -1 (м 2 / Н).
Упругость – это способность жидкости восстанавливать свой объем после прекращения действия внешних силовых воздействий.
Для качественной характеристики упругих свойств используют понятие модуля объемной упругости К,
который, по сути, является обратной величиной к коэффициенту сжимаемости, т.е. К = 1 / ? S.
Например, для воды ? S = 0,51 · 10 -9 Па -1,
что указывает на достаточно малую сжимаемость воды.
Гипотетическую жидкость, для которой ? S = 0,
называют несжимаемой.
Во многих случаях с достаточной для практики точностью в гидравлике можно пренебречь сжимаемостью жидкости и сопротивлением растяжению и рассматривать жидкость как абсолютно несжимаема с отсутствием сопротивления растяжению.
В гидрогазодинамике встречается ряд задач, когда можно пренебречь и вязкостью, принимая, что касательные напряжения отсутствуют так, как это имеет место в жидкости, находящейся в состоянии покоя.
Описанная гипотетическая жидкость с перечисленными свойствами, а именно:
называется идеальной жидкостью.
Понятие «идеальная жидкость» впервые было введено Л. Эйлером.
Такая жидкость является предельной абстрактной моделью и лишь приближенно отражают объективно существующие свойства реальных жидкостей. Эта модель позволяет с достаточной точностью решать много очень важных вопросов гидрогазодинамики и способствует упрощению сложных задач.
