Что относится к упругим жидкостям
Жидкости
Жидкости
| Механика сплошных сред | ||||||||||
 | ||||||||||
Сплошная среда
|
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.
Содержание
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.
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.
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.
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.
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 – 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 характеризует «прилипание» жидкости к поверхности и растекание по ней (или, наоборот, отталкивание и нерастекание). Различают три случая: несмачивание, ограниченное смачивание и полное смачивание.
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.
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 подвержены также рассеянию на неоднородностях, возникающих в результате хаотического теплового движения молекул.
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 эти силы сопоставимы, такие волны называются капиллярно-гравитационными.
Волны на поверхности жидкости звтухают под действием вязкости и других факторов.
— 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.
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.
Молекулярно-кинетическое рассмотрение
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.
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:
Что относится к упругим жидкостям
В § 58 было уже отмечено первое важное свойство жидкостей — подвижность отдельных частей и способность принимать форму сосуда, в который они помещены.
При этом было показано, что при изменении формы данного объема «кидкости не возникает сил, стремящихся вернуть жидкость к первоначальному состоянию. Этот факт можно определить по-другому: жидкости не обладают упругими свойствами по отношению к изменениям формы.
В то же время оказалось, что жидкости обладают практически идеальными упругими свойствами по отношению к изменениям объема, т. е. деформациям всестороннего сжатия. Впервые это второе замечательное свойство жидкости изучил французский ученый Блез Паскаль (1623—1662) в ряде остроумных опытов, приводящих к парадоксам. Один из этих опытов состоял в следующем. Деревянную бочку доверху наполняли водой (рис. 3.17). В верхнее днище бочки вставляли длинную вертикальную трубу. В трубу постепенно наливали воду. При некоторой высоте уровня воды в трубе боковые стенки бочки разрывались и вода вытекала наружу.
Объяснение опыта состоит в том, что вода в трубе создавала внутри бочки избыточное давление
где 
масса воды в трубе, 
площадь поперечного сечения трубы. Это давление вызывало дополнительное сжатие всех частиц воды. В результате возникали во всем объеме воды упругие напряжения всестороннего сжатия, равные этому давлению. Вода в бочке как бы передавала давления во все стороны. За счет таких дополнительных давлений возникали большие силы, действовавшие на стенки бочки и разрывавшие ее.
Возникновение и передачу упругих давлений в жидкости можно также показать на простом и забавном опыте со «стеклянным водолазом» (рис. 3.18). Широкую стеклянную пробирку доверху заполните водой.
Затем возьмите стеклянную ампулу из-под лекарства (с отбитым концом). Опустите ее в пробирку открытым концом вниз. Осторожно выпуская часть воздуха из ампулы, добейтесь того, чтобы она вся погрузилась в воду, но плавала у ее поверхности. После этого закройте отверстие пробирки туго натянутой резиновой пленкой. Нажмите пальцем на пленку так, чтобы она немного прогнулась. Сразу после этого ампула (ваш «водолаз») начнет опускаться на дно и будет там находиться до тех пор, пока вы будете давить на пленку. Когда вы уберете палец, пленка выпрямится и «водолаз» немедленно поднимется вверх. Так, нажимая на пленку и освобождая ее, вы можете заставлять «водолаза» опускаться на дно и всплывать на поверхность сколько угодно раз.
Почему «водолаз» ведет себя так? Когда он плавает у поверхности воды, действие силы тяжести уравновешивается только архимедовой силой. Последняя определяется главным образом размерами пузырька воздуха, который остался внутри ампулы. При надавливании на пленку создаются небольшие дополнительные внешние давления на верхнюю поверхность воды. Сейчас же в верхнем слое воды возникают напряжения всестороннего сжатия (давления), которые немедленно распространяются на весь объем воды (в том числе и на часть воды, находящуюся внутри ампулы). Равновесие между воздухом и водой внутри ампулы нарушается. Вода проникает в ампулу, размеры пузырька воздуха в ней уменьшаются. Вместе с этим уменьшается архимедова сила, и «водолаз» начинает опускаться на дно. Таким образом, опускание «водолаза» говорит о появлении в воде дополнительных давлений при изменении внешних механических условий. При освобождении пленки все процессы происходят в обратном порядке. Таким образом, всплывание «водолаза» показывает, что при исчезновении внешних сил, действующих на поверхность, исчезают и внутренние напряжения в воде. Она возвращается в начальное состояние.
Этот опыт подтверждает наше предположение о том, что давления, возникающие в жидкости, действительно носят упругий характер.
Третье важное свойство жидкости, которое позволяет говорить об идеальной ее упругости, состоит в том, что для жидкостей практически нельзя указать предела упругости для всестороннего сжатия. Ученые в настоящее время научились создавать давления в сотни тысяч атмосфер. При таких давлениях, не меняя температуры, можно заставить жидкость кристаллизоваться. Вплоть до таких гигантских давлений жидкость сохраняет свою упругость по отношению к изменениям объема. После прекращения действия таких давлений она снова возвращается в первоначальное состояние.
Отметим еще одну, четвертую особенность в упругих свойствах жидкостей: все жидкости обладают очень малой сжимаемостью. Это означает, что даже при больших внешних давлениях изменения объема жидкости остаются очень малыми. В жидкости могут возникать большие давления уже при очень малых деформациях сжатия.
Так, например, чтобы изменить объем воды только на 1%, необходимо создать давление 200 ат. А для изменения объема жидкой ртути на 1% нужно уже давление 2500 ат. Такая несжимаемость жидкостей имеет большое практическое значение и широко используется в технике.
Все четыре особенности упругих свойств жидкостей позволили человеку создать большое количество разнообразных гидравлических машин, со многими из которых вы знакомы. Подвижность отдельных частей жидкости, ее способность создавать упругие давления, практическая несжимаемость жидкостей используется в гидравлических домкратах, прессах, тормозах, передачах, подъемниках. Эти свойства используются в гидравлически поднимающихся креслах у зубных врачей и парикмахеров и даже в тюбиках для зубной пасты.
Кровеносная система в нашем теле тоже является гидравлической машиной, в которой используются несжимаемость жидкости и ее способность создавать и передавать упругие давления. Наше сердце во время сокращения не просто выталкивает из себя кровь. Оно своим усилием создает дополнительное давление в крови, которое распространяется по всей артериальной системе и заставляет кровь проходить через капилляры. Пощупайте свой пульс, и вы почувствуете изменения давления в упругой и несжимаемой жидкости, которой является кровь.
Способность жидкости создавать давления и ее малая сжимаемость должны учитываться нами при решении задач. В большинстве задач будут встречаться сравнительно небольшие давления, поэтому изменениями объема жидкости за счет- этих давлений можно пренебречь и считать жидкость несжимаемым телом, объем которого остается постоянным при любых условиях. В задачах о движении жидкостей на пятом этапе решения можно вводить дополнительное уравнение, представляющее собой условие несжимаемости.
Условие несжимаемости вы ражает постоянство объема жидкости во время движения. Например, вода течет по трубе переменного сечения (рис 3.19). Известно, что сечение А имеет площадь 
и вода проходит через это сечение со скоростью Площадь сечеиия В равна 
Нужно определить, с какой скоростью 
вода будет проходить через это сечение.
Каждую секунду через сечение А проходит объем воды 
Через сечение В за секунду пройдет объем воды 
.
По условию несжимаемости эти объемы должны быть равны
Отсюда скорость воды в сечении В равна
Скорость воды при течении по трубе изменяется обратно пропорционально площади поперечного сечения этой трубы.
Сжимаемость и упругость жидкостей
Сжимаемость и упругость жидкостей
Сжимаемость и упругость жидкостей. Сжимаемость-это обратимое изменение объема жидкости под действием универсального давления. Сжимаемость жидкости характеризуется объемным коэффициентом сжимаемости pp, который численно равен относительному уменьшению объема CS с увеличением единицы давления p. 1 ш д Ар Знак минус формулы (2.6) обусловлен тем, что положительное (увеличение) давления Р соответствует отрицательному (уменьшению) объема уравнения состояния.
Если считать, что жидкость несжимаемая, то окажется, что скорость распространения звука в жидкости по приведенной формуле окажется бесконечной. Людмила Фирмаль
В таких случаях пренебрежение сжимаемостью приводит к существенным погрешностям. Людмила Фирмаль
Смотрите также:
Возможно эти страницы вам будут полезны:
Образовательный сайт для студентов и школьников
Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.
© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института