Основные физические свойства жидкости

Свойства жидкостей — что к таковым относят в физике

Жидкость по своим свойствам занимает промежуточное место между двумя другими агрегатными состояниями веществ — твердым и газообразным. Жидкости присущи некоторые свойства и твердого тела (сохраняет объем, обладает определенной прочностью на разрыв), и газа (принимает форму сосуда, в котором находится). Молекулы в жидкости расположены почти вплотную друг к другу, причем упорядоченно, так что можно говорить о существовании в жидкости ближнего порядка.

Основные физические свойства жидкости

Подобно твердому телу, жидкость обладает малой сжимаемостью и большой плотностью. Подобно газу, она не имеет упругости формы и легко течет. Молекулы жидкости, как и частицы твердого тела, совершают тепловые колебания, однако их положение равновесия время от времени изменяется, что и обеспечивает текучесть.

Также жидкости свойственна капиллярность — способность подниматься и опускаться в узких сосудах. Общая величина поверхности жидкости мала, и влияние стенок распространяется на всю поверхность. Сосуд в данном случае считается достаточно узким, капиллярным, если его размеры сравнимы с радиусом кривизны поверхности жидкости в нем. Это явление используют для обнаружения трещин размером от 1 мкм, не видных невооруженным глазом.

Классификация жидких тел 

Жидкости делятся на ньютоновские, т.е. подчиняющиеся законам вязкого трения Ньютона, и неньютоновские.

Каждая молекула жидкости плотно окружена со всех сторон своими ближайшими соседями, находящимися на расстояниях порядка ее диаметра \delta. Она колеблется вокруг положения равновесия, а затем резко перепрыгивает к новому центру колебаний. За секунду молекула успевает сменить место «оседлой жизни» около 100 миллионов раз, совершив между перескоками от тысячи до 100 тысяч колебаний. Чем сильнее межмолекулярное взаимодействие, тем ниже подвижность молекул и больше вязкость. Если на колеблющуюся молекулу действует постоянная внешняя сила, например, со стороны соседнего движущегося слоя, то в направлении этой силы частица будет совершать больше скачков, чем в противоположном. Поэтому и на ее хаотические блуждания наложится упорядоченное перемещение со скоростью\( v\;=\;(N_1\;-\;N_2)\;\times\;\delta.\)

\(\delta\) здесь — длина одного скачка, \(N_1\) и \(N_2\) — среднее число скачков за одну секунду в направлении силы и в противоположном направлении соответственно.

Приложенная сила совершает работу по раздвиганию тех молекул, между которыми протискивается рассматриваемая частица. Эта работа в конечном счете идет на увеличение скорости беспорядочного теплового движения молекул. Скорость упорядоченного движения не меняется со временем, т.е. течение жидкости равномерное, несмотря на действие внешней силы. Значит, приложенную силу уравновешивает сила сопротивления, которая определяется вязкостью. При увеличении температуры подвижность молекул возрастает. Это приводит к уменьшению силы сопротивления, так как в нагретой жидкости чаще создаются благоприятные условия для перемещения частиц в направлении приложенной силы.

Ньютон предположил, что величина этой силы, называемой силой внутреннего трения, пропорциональна разности скоростей элементов жидкости. Конечно, в сплошной среде никаких элементов нет и это понятие используют лишь для наглядности, а скорость жидкости распределена непрерывно. Следовательно, сила внутреннего трения F пропорциональна изменению скорости жидкости v в направлении, перпендикулярном движению, и зависит от площади S соприкосновения элементов жидкости:

\(F\;=\;\eta\;\times\;\frac{d\;\times\;v}{d\;\times\;n}\;\times\;S.\)

Это закон вязкого трения Ньютона. Жидкости, в которых внутреннее трение подобным образом зависит от изменения скорости, называются ньютоновскими, или жидкостями с линейной вязкостью. Вода, бензин, спирт, глицерин и многие другие жидкости являются ньютоновскими.

Но среди жидкостей довольно часто можно встретить такие, динамика которых описывается более сложными соотношениями: например, загустевающие краски, лаки, строительные растворы, мед, смолы, глинистые и болотистые почвы и др.

Первые модели неньютоновских жидких сред были предложены во второй половине XIX века Джеймсом Кларком Максвеллом и Уильямом Томсоном. В ХХ веке благодаря работам Бингама и Рейнера этот раздел механики сплошных сред стал самостоятельной наукой, которая носит название реология, произошедшее от греческого слова «реос» — «течение», «поток».

Основные характеристики, описывающие жидкости

Форма, объем и вязкость

Силы взаимного притяжения молекул в жидкостях достаточно велики, чтобы удерживать молекулы вместе, так что в отличие от газов жидкости имеют постоянный собственный объем. В то же время эти силы недостаточны, чтобы держать молекулы в жесткой упорядоченной структуре, и поэтому у жидкостей нет постоянной формы.

На практике распространена внесистемная единица вязкости пуаз, обозначаемый буквой П.

\(1 П = 0,1 Па \;\times\;с.\)

Эта единица измерения названа в честь французского физика Жана Луи Пуазёйля, который вывел формулу для объема жидкости V, протекающей за время t по трубе с гладкими стенками длиной l и диаметром d при разнице давлений на концах трубы \triangle p:

\(V\;=\;\frac{\mathrm\pi\;\times\;\mathrm d^4}{128\;\times\;\eta\;\times\;l}\;\times\;\triangle p.\)

Коэффициент пропорциональности \eta в этой формуле называется коэффициентом динамической вязкости.

Теплоемкость

В небольшом диапазоне температур можно считать, что внутренняя энергия u 1 моля вещества линейно зависит от температуры:

\(u\;=\;c_v\;\times\;T.\)

\(c_v\) здесь — молярная теплоемкость вещества при постоянном объеме.

Теплоемкость — характеристика процесса, зависящая от многих факторов, поэтому его параметры обычно оговариваются, например, давление считается равным атмосферному, а объем вещества постоянным. У жидкостей теплоемкость зависит от температуры, при этом для разных жидкостей эта зависимость различна. У одних жидкостей теплоемкость повышается при нагревании, у других — понижается, у третьих — падает до определенного минимума и начинает расти.

Поверхностное натяжение, сжимаемость и текучесть

Во внутреннем объеме жидкости молекулы имеют максимально возможное число «соседей», а на поверхности образуют меньше связей и потому обладают избытком энергии. Этим обусловлено одно из важнейших свойств жидкости — поверхностное натяжение: жидкость всегда стремится уменьшить свою поверхность. Вот почему свободно падающая жидкость принимает форму капли, а в невесомости — форму шара, поверхность которого при данном объеме минимальна.

Поскольку молекулы жидкого вещества уже находятся в довольно тесном контакте, сжимаемость жидкостей на много порядков ниже, чем газов.

Основное свойство жидкости — текучесть — древнегреческий философ Эпикур объяснял тем, что она состоит из круглых и гладких частиц, не способных зацепляться друг за друга. Аргументы в пользу этой точки зрения можно найти в труде римского ученого Тита Лукреция, жившего в I веке до н. э. Он объяснял текучесть жидкости, сравнивая ее поведение с поведением сыпучих тел.

В настоящее время известно, что движение частиц в жидкости представляет собой сочетание колебательного движения около некоторых положений равновесия и происходящих время от времени перескоков молекул из одних центров колебаний в другие. Если на жидкость действует внешняя сила, сохраняющая свое направление более длительное время, чем интервалы между скачками, жидкость начинает течь. Течение жидкости, таким образом, является результатом преимущественного перескакивания ее молекул в направлении действия внешней силы.

Испарение и конденсация жидкостей

Подобно молекулам газа, молекулы жидкости находятся в постоянном, хотя и сильно ограниченном, движении. Некоторые из них обладают достаточной энергией, чтобы преодолеть силы межмолекулярного притяжения и, оторвавшись от поверхности жидкости, перейти в газовую фазу. Этот процесс — испарение — происходит непрерывно. Одновременно идет и обратный процесс — конденсация, когда молекулы из газовой фазы возвращаются в жидкую.

При неизменной температуре в замкнутом объеме между процессами испарения и конденсации устанавливается динамическое равновесие, и давление пара принимает постоянное значение; это давление насыщенного пара жидкости при данной температуре. Если температура повышается, все больше молекул в жидкости приобретают необходимую для испарения энергию, поэтому давление насыщенного пара увеличивается. Наконец, когда давление пара сравнивается с внешним давлением, начинается интенсивное испарение не только на поверхности жидкости, но и в ее объеме — кипение. При постоянном давлении температура кипения жидкости также постоянна.

Сосуществование с другими фазами веществ

Жидкость часто сосуществует с паром или льдом. В неравновесном состоянии это сосуществование объясняется процессами испарения и конденсации, которые происходят не мгновенно. В равновесном состоянии, например, в замкнутом пространстве, пар становится насыщенным раньше, чем жидкость полностью испарится, и количество испаряемой жидкости становится равно количеству конденсируемой.