Каковы свойства жидкостей и чем эти свойства объясняются

Основные свойства жидкостей

Жидкостью называют вещество, которое находится в агрегатном состоянии, являющимся промежуточным между твердым и газообразным. При этом ее состояние, как и в случае с твердыми телами, является конденсируемым, то есть предполагает связь между частицами (атомами, молекулами, ионами). Жидкость обладает свойствами, кардинально отличающими ее от веществ, которые находятся в других агрегатных состояниях. Главное из них – способность к многократному изменению формы под воздействием механических напряжений без потери объема. Сегодня мы с вами выясним, какими свойствами обладают жидкости, и что они вообще собой представляют.

Общая характеристика

Газ не сохраняет объем и форму, твердое тело сохраняет и то, и другое, а жидкость – только объем. Именно поэтому жидкое агрегатное состояние считается промежуточным. Поверхность жидкости представляет подобие упругой мембраны и определяет ее форму. Молекулы таких тел, с одной стороны, не имеют определенного положения, а с другой – не могут получить полную свободу перемещения. Они могут собираться в капли и течь под собственной поверхностью. Между молекулами жидкости существует притяжение, которого достаточно, чтобы удерживать их на близком расстоянии.

Вещество пребывает в жидком состоянии в определенном температурном интервале. Если температура опускается ниже него, происходит переход в твердую форму (кристаллизация), а если поднимается выше – в газообразную (испарение). Границы данного интервала для одной и той же жидкости могут колебаться в зависимости от давления. К примеру, в горах, где давление существенно ниже, чем на равнинах, вода закипает при более низкой температуре.

Обычно жидкость имеет только одну модификацию, поэтому является одновременно и агрегатным состоянием, и термодинамической фазой. Все жидкости делятся на чистые вещества и смеси. Некоторые из таких смесей имеют определяющее значение в жизни человека: кровь, морская вода и прочие.

Рассмотрим основные свойства жидкостей.

Текучесть

От других веществ жидкость отличается, в первую очередь, текучестью. Если к ней приложить внешнюю силу, в направлении ее приложения возникает поток частиц. Таким образом, при воздействии внешних неуравновешенных сил, жидкость не способна к сохранению формы и относительного расположения частиц. По этой же причине, она принимает форму сосуда, в который попадает. В отличие от твердых пластичных тел, жидкости не имеют предела текучести, то есть текут при малейшем выходе из равновесного состояния.

Сохранение объема

Одним из характерных физических свойств жидкостей является способность к сохранению объема при механическом воздействии. Их чрезвычайно трудно сжать из-за высокой плотности молекул. Согласно закону Паскаля, давление, которое производится на жидкость, заключенную в сосуд, без изменения передается в каждую точку ее объема. Наряду с минимальной сжимаемостью, эта особенность широко используется в гидравлике. Большинство жидкостей при нагревании увеличивается в объеме, а при охлаждении – уменьшается.

Вязкость

Среди главных свойств жидкостей, как и в случае с газами, стоит отметить вязкость. Вязкостью называют способность частиц сопротивляться движению друг относительно друга, то есть внутреннее трение. При движении соседних слоев жидкости относительно друг друга, происходит неизбежное столкновение молекул, и возникают силы, которые затормаживают упорядоченное перемещение. Кинетическая энергия упорядоченного движения преобразуется в тепловую энергию хаотического движения. Если жидкость, помещенную в сосуд, переместить, а затем оставить в покое, то она постепенно остановится, но ее температура возрастет.

Свободная поверхность и поверхностное натяжение

Если взглянуть на каплю воды, которая лежит на ровной поверхности, то можно увидеть, что она закруглена. Обусловлено это такими свойствами жидкостей, как образование свободной поверхности и поверхностное натяжение. Способность жидкостей к сохранению объема обуславливает образование свободной поверхности, которая является не иначе как поверхностью раздела фаз: жидкой и газообразной. При соприкосновении этих фаз одного и того же вещества возникают силы, направленные на уменьшение площади плоскости раздела. Их называют поверхностным натяжением. Граница раздела фаз представляет собой упругую мембрану, стремящуюся к стягиванию.

Поверхностное натяжение объясняется также притяжением молекул жидкости друг к другу. Каждая молекула стремится «окружить» себя другими молекулами и уйти с границы раздела. Из-за этого поверхность стремительно уменьшается. Этим объясняется тот факт, что мыльные пузыри и пузыри, образующиеся при кипении, стремятся принять сферическую форму. Если на жидкость будет действовать только сила поверхностного натяжения, она непременно примет такую форму.

Небольшие объекты, плотность которых превышает плотность жидкости, способны оставаться на ее поверхности за счет того, что сила, препятствующая увеличению площади поверхности, больше силы тяготения.

Испарение и конденсация

Испарением называют постепенный переход вещества из жидкого состояния в газообразное. В процессе теплового движения часть молекул покидают жидкость, проходя через ее поверхность, и преобразуются в пар. Параллельно с этим другая часть молекул, наоборот, переходит из пара в жидкость. Когда количество соединений, покинувшее жидкость, превышает количество соединений, пришедших в нее, имеет место процесс испарения.

Конденсацией называют процесс, обратный испарению. Во время конденсации жидкость получает из пара больше молекул, чем отдает.

Оба описанных процесса являются неравновесными и могут продолжаться до тех пор, пока не установится локальное равновесие. При этом жидкость может полностью испариться или же вступить со своим паром в равновесие.

Кипение

Кипением называют процесс внутренних преобразований жидкости. При повышении температуры до определенного показателя, давление пара превышает давление внутри вещества, и в нем начинают образовываться пузырьки. В условиях земного притяжения они всплывают вверх.

Смачивание

Смачиванием называют явление, которое возникает при контакте жидкости с твердым веществом в присутствии пара. Таким образом, оно происходит на границе раздела трех фаз. Это явление характеризует «прилипание» жидкого вещества к твердому, и его растекание по поверхности твердого вещества. Бывает три вида смачивания: ограниченное, полное и несмачивание.

Смешиваемость

Характеризует способность жидкостей растворяться друг в друге. Примером смешиваемых жидкостей могут выступить вода и спирт, а несмешиваемых – вода и масло.

Диффузия

Когда две смешиваемых жидкости пребывают в одном сосуде, благодаря тепловому движению молекулы начинают преодолевать границу раздела, и жидкости постепенно смешиваются. Данный процесс называется диффузией. Он может происходить и в веществах, которые находятся в иных агрегатных состояниях.

Перегрев и переохлаждение

Среди увлекательных свойств жидкостей стоит отметить перегрев и переохлаждение. Эти процессы нередко ложатся в основу химических фокусов. При равномерном нагреве, без сильных перепадов температур и механических воздействий, жидкость может нагреться выше точки кипения, не вскипев при этом. Этот процесс получил название перегрев. Если в перегретую жидкость бросить какой-либо предмет, она мгновенно вскипит.

Аналогичным образом происходит и переохлаждение жидкости, то есть ее охлаждение до температуры ниже точки замерзания, минуя само замерзание. При легком ударе переохлажденная жидкость мгновенно кристаллизуется и превращается в лед.

Волны на поверхности

Если нарушить равновесие участка поверхности жидкости, то тогда она, под действием возвращающих сил, будет двигаться обратно к равновесию. Это движение не ограничивается одним циклом, а превращается в колебания и распространяется на другие участки. Так получаются волны, которые можно наблюдать на поверхности любой жидкости.

Когда в качестве возвращающей силы выступает преимущественно сила тяжести, волны называют гравитационными. Их можно видеть на воде повсеместно. Если же возвращающая сила формируется преимущественно из силы поверхностного натяжения, то волны называют капиллярными. Теперь вы знаете, какое свойство жидкостей обуславливает знакомое всем волнение воды.

Волны плотности

Жидкость чрезвычайно тяжело сжимается, тем не менее, с изменением температуры, ее объем и плотность все-таки меняются. Происходит это не мгновенно: при сжатии одного участка, другие сжимаются с запаздыванием. Таким образом, внутри жидкости распространяются упругие волны, которые получили название волны плотности. Если по мере распространения волны плотность меняется слабо, то ее называю звуковой, а если достаточно сильно – ударной.

Мы с вами познакомились с общими свойствами жидкостей. Все основные характеристики зависят уже от типа и состава жидкостей.

Классификация

Рассмотрев основные физические свойства жидкостей, давайте узнаем, как они классифицируются. Структура и свойства жидких веществ зависят от индивидуальности частиц, входящих в их состав, а также характера и глубины взаимодействия между ними. Исходя из этого, выделяют:

Вещества первых двух (реже трех) групп называют простыми. Они изучены лучше, чем все остальные. Среди непростых жидкостей, больше всего изучена вода. В данную классификацию не входят жидкие кристаллы и квантовые жидкости, так как они представляют собой особые случаи и рассматриваются отдельно.

С точки зрения гидродинамических свойств, жидкости подразделяют на ньютоновские и неньютоновские. Течение первых подчиняется закону Ньютона. Это значит, что их касательное напряжение линейно зависит от градиента скорости. Коэффициент пропорциональности между указанными величинами называется вязкостью. У неньютоновских жидкостей, вязкость колеблется в зависимости от градиента скорости.

Изучение

Изучением движения и механического равновесия жидкостей и газов, а также их взаимодействия, в том числе с твердыми телами, занимается такой раздел механики как гидроаэромеханика. Его также называют гидродинамикой.

Несжимаемые жидкости изучают в подразделе гидроаэромеханики, который называется просто гидромеханикой. Так как сжимаемость жидкостей очень мала, во многих случаях ею попросту пренебрегают. Сжимаемые жидкости изучает газовая динамика.

Гидромеханику дополнительно подразделяют на гидростатику и гидродинамику (в узком смысле). В первом случае изучается равновесие несжимаемых жидкостей, а во втором – их движение.

Магнитная гидродинамика занимается изучением магнитных и электропроводных жидкостей, а прикладными задачами занимается гидравлика.

Основным законом гидростатики является закон Паскаля. Движение идеальных несжимаемых жидкостей описывается уравнением Эйлера. Для их стационарного потока выполняется закон Бернулли. А формула Торричелли описывает вытекание жидких веществ из отверстий. Движение вязких жидкостей подчиняется уравнению Навье-Стокса, которое, кроме всего прочего, может учитывать и сжимаемость.

Упругие волны и колебания в жидкости (как, впрочем, и в других средах) изучается такая наука как акустика. Гидроакустика – подраздел, который посвящен изучению звука в водной среде для решения задач подводной связи, локации и прочего.

В заключение

Источник

Свойства жидкостей в физике

Содержание:

Жидкость — вещество, находящееся в жидком агрегатном состоянии, занимающем промежуточное положение между твёрдым и газообразным состояниями.

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Свойства жидкостей

Основным свойством жидкости, отличающим ее от веществ, находящихся в других агрегатных состояниях, является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объем.

Молекулярное движение в жидкостях

В жидкостях молекулы расположены значительно более «близко друг к другу, чем в газах. Такое заключение можно сделать на основании того, что плотность воды, например, при нормальном давлении и температуре кипения почти в 1670 раз больше, чем плотность её пара. Поэтому характер движения молекул жидкости и многие её свойства в значительной степени определяются силами взаимодействия между молекулами.

Основное свойство жидкости — текучесть. Все жидкости, подобно газам, обладают текучестью; поэтому жидкость принимает форму того сосуда, в котором она находится. В небольших количествах свободная жидкость принимает форму, близкую к шарообразной. Шаровую форму, например, имеют капли дождя или капли, на которые разбивается струя жидкости.

Большая капля ртути, помещённая на горизонтальную стеклянную пластинку, приплюснута, маленькая шарообразна (рис. 144).

Рнс. 144. Большая капля ртути приплюснута, маленькая шарообразна.

Если накрыть шарообразную каплю пластинкой, то под действием веса пластинки она сплющивается. Приплюснутость большой капли объясняется преобладанием веса над молекулярными силами в жидкости. Можно ожидать, что если предоставить жидкость действию лишь собственных молекулярных сил, то она примет шарообразную форму. Опыт подтверждает такое предположение.

Если составить раствор соли в воде, плотность которого равна плотности анилина, и ввести в такой раствор некоторое количество анилина, то он в растворе примет форму шара (рис. 145).

Рис. 145. Капля анилина в растворе соли в воде.

Известно, что поверхность шара — наименьшая при заданном объёме. Жидкость под действием одних молекулярных сил принимает такую форму, при которой её поверхность в данных условиях наименьшая.

Это явление объясняется особенностями действия молекулярных сил на каждую молекулу поверхностного слоя жидкости.

Поверхностное натяжение

Рассмотрим действие молекулярных сил на молекулу в глубине и на поверхности жидкости.

На рисунке 146 кружочек А изображает молекулу внутри жидкости, а В — на поверхности. Молекула А со всех сторон окружена другими молекулами той же жидкости, притягивающими её. В среднем все молекулярные силы, действующие на молекулу А, взаимно уравновешены. В ином положении находится молекула В. Над ней находится газ, плотность которого мала по сравнению с плотностью жидкости. Поэтому действием молекул газа на молекулу В можно пренебречь; остаётся действие молекулярных сил жидкости, равнодействующая которых направлена перпендикулярно к поверхности внутрь жидкости. Под действием этих сил часть молекул жидкости уходит с поверхности внутрь жидкости. Поверхностный слой жидкости при этом сокращается и находится в состоянии своеобразного натяжения.

Рис. 146. Силы, действующие на молекулу жидкости внутри и на поверхности жидкости.

Многие свойства поверхностного слоя жидкости могут быть объяснены, если рассматривать его в виде тонкой плёнки с постоянным натяжением, независимо от её формы и размера.

Наглядное представление об этом дают следующие опыты с мыльными плёнками.

На рисунке 147 изображено проволочное кольцо с привязанной к нему в двух точках нитью. Получив на кольце жидкую плёнку, можно заметить, что нить лежит на ней свободно (рис. 147, а). Но если прорвать плёнку с какой-нибудь стороны нити, то нить натянется, приняв форму дуги окружности, так, как показано на рисунке 147, б, или так, как показано на рисунке 147, в, в зависимости от того, с какой стороны нити прорвана плёнка.

Натяжение нити можно объяснить, допуская, что со стороны жидкости на все равные элементы нити действуют равные по величине силы, направленные перпендикулярно к соответствующим элементам (рис. 147, г). Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Рис. 147. К понятию силы поверхностного натяжения.

Если положить на мыльную плёнку нитяную петлю, смоченную водой, то когда плёнка цела, петля свободно лежит на ней (рис. 148). Если же внутри петли проколоть плёнку, то мыльная плёнка, сокращаясь равномерно, растянет петлю, образовав нитяное кольцо.

Рис. 148. Петля в мыльной плёнке лежит свободно, но если прорвать плёнку внутри петли, то последняя принимает форму окружности.

Обволакивая мыльной плёнкой проволочные каркасы различной формы, можно получать разнообразные фигуры, каждая из, которых обладает наименьшей для данной формы поверхностью. Под действием сил поверхностного натяжения мыльная плёнка, обволакивающая проволочный каркас той или другой формы, сокращаясь, принимает наименьшую поверхность из возможных при данных условиях (рис. 149).

Сила поверхностного натяжения направлена перпендикулярно к любому элементу длины линии, ограничивающей поверхность жидкости, и касательна к её поверхности. Если поверхность жидкости плоская, то вектор силы поверхностного натяжения лежит в плоскости поверхности жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения

Дадим теперь количественную характеристику поверхностного натяжения. Проведём следующий опыт. Нальём в бюретку В воды и откроем немного кран К (рис. 150) так, чтобы из бюретки медленно капала вода. Можно заметить, что каждая капля постепенно растёт, отрывается и падает. Если спроектировать конец бюретки с каплей на экран, то видно, что по мере роста капли между ней и жидкостью в трубке образуется шейка, постепенно суживающаяся. Отрыв капли С происходит по окружности шейки АВ (рис. 151). Следовательно, эта окружность в момент отрыва является границей поверхностного слоя. Вдоль неё действуют силы поверхностного натяжения, направленные вверх и удерживающие каплю.

Силы поверхностного натяжения распределены по длине линии, поэтому для установления искомой нами количественной характеристики может служить величина силы поверхностного натяжения, действующая на единицу длины линии.

Величина, измеряемая отношением силы поверхностного натяжения к длине границы поверхностного слоя жидкости, называется коэффициентом поверхностного натяжения».

Рис. 149. Плёнка, сокращаясь, принимает наименьшую возможную поверхность.

Обозначим коэффициент поверхностного натяжения буквой (греч. «сигма»). Тогда, согласно определению:

где F — сила поверхностного натяжения, а — длина границы поверхностного слоя. Если силу выражать в динах, а длину в сантиметрах, то будет измеряться в

Рис. 150. Вытекающая из бюретки капля воды постепенно растёт, отрывается и падает.

Рассмотрим теперь, как рассчитать коэффициент поверхностного натяжения воды в нашем опыте.

Капля отрывается тогда, когда вес её Р становится больше силы поверхностного натяжения F. Если r — радиус шейки АВ, то

Поскольку непосредственно перед моментом отрыва F = Р, то мы можем написать:

Взвесив несколько десятков капель, можно определить средний вес отдельной капли и, приняв r равным внутреннему радиусу трубки (на самом деле r немного меньше этого радиуса), можно найти по этой формуле приближённо величину

Рис. 151. Отрыв капли происходит по окружности шейки.

В таблице приведены значения коэффициента поверхностного натяжения для некоторых жидкостей.

Как видно из таблицы, с повышением температуры поверхностное натяжение у воды уменьшается; то же относится ко всем жидкостям.

Очень велико поверхностное натяжение у расплавленных металлов, очень мало у сжиженных газов, особенно у жидкого гелия.

На величину поверхностного натяжения влияют различные причины. Малейшие примеси в жидкости сильно меняют величину поверхностного натяжения, в большинстве случаев уменьшая её. В практике с этим приходится считаться; в частности, при определении коэффициента поверхностного натяжения надо пользоваться исключительно чистыми жидкостями.

Если бросить на поверхность воды мелкие кусочки камфары, то они начнут совершать сложные, весьма запутанные движения. Чем эти движения вызываются?

Кусочки камфары вследствие неправильной формы в поверхностном слое воды растворяются по-разному. Появление же в воде примесей камфары изменяет величину поверхностного натяжения воды и тем сильнее, чем больше растворяется камфары. Различие в величине поверхностного натяжения воды, окружающей кусочек камфары, и вызывает эти причудливые движения.

Смачивание

Вынув из стакана с водой опущенную туда чистую стеклянную пластинку, мы заметим, что пластинка покрыта водой. К. картонной же пластинке, покрытой парафином или жиром, вода не пристаёт.

При соприкосновении твёрдых тел с жидкостями наблюдаются явления смачивания или несмачивания. Вода смачивает чистое стекло, но не смачивает парафин; ртуть смачивает цинк, но не смачивает чугун.

Смачивание жидкостью твёрдого тела объясняется тем, что сцепление между молекулами жидкости и смачиваемого твёрдого тела сильнее, чем сцепление между молекулами жидкости. В том случае, когда жидкость не смачивает твёрдого тела, взаимное притяжение молекул жидкости между собой больше, чем притяжение их к молекулам твёрдого тела.

Это различие в притяжении молекул жидкости к твёрдому телу заметно, если налить небольшое количество жидкости на пластинку твёрдого тела. Если жидкость смачивает твёрдое тело, она растекается по поверхности тела (рис. 152, а). Если же жидкость не смачивает твёрдого тела, то образуется капля (рис. 152, б).

Рис. 152. а — жидкость, смачивающая твёрдое тело, растекается по его поверхности; б — жидкость, не смачивающая твёрдое тело, не растекается.

Неодинаковое смачивание жидкостями различных тел используется для обогащения руд, т. е. для отделения от руды тех минералов, которые не представляют промышленной ценности (их называют пустой породой). Опыт показывает, что по поверхности таких минералов (кварц, силикаты, окислы железа и др.) вода растекается (имеет место смачивание), образуя тончайшую плёнку. Если бросить кусочки этих минералов в воду, то к ним пузырьки воздуха не прилипнут.

Рис. 153. а — схема флотационной установки; б — к масляной плёнке, содержащей воздух, прилипают кусочки металла и всплывают вверх; пустая же порода осаждается на дно сосуда.

На поверхности же ценных минералов (свинцовый блеск, медный колчедан, сера, графит и др.) вода собирается в виде капель (имеет место несмачивание), а масляные жидкости образуют тонкие плёнки. Мелкие частицы таких минералов прилипают к пузырькам воздуха, взвешенным в воде.

Для обогащения руды её размалывают в порошок; последний взбалтывают с водой и маслом. Получается пена, состоящая из пузырьков воздуха внутри масляной плёнки. К плёнке прилипают кусочки ценного минерала, которые поднимаются с пеной вверх, а кусочки пустой породы, не поддерживаемые пузырьками воздуха, оседают на дно камеры (рис. 153, б). Такой приём обогащения различных руд и разделения разных металлов носит название флотации (от англ. флотин — всплывание).

Различием сил сцепления между молекулами жидкости, с одной стороны, и молекулами твёрдого тела и жидкости — с другой, обусловливается искривление поверхности жидкости у стенок сосуда.

При смачивании силы сцепления между молекулами твёрдого тела и жидкости немного приподнимают жидкость у стенок сосуда и поверхность жидкости получается вогнутой (рис. 154а). Наоборот, в случае несмачивания силы сцепления между молекулами жидкости, направленные внутрь жидкости, отодвигают её от стенок сосуда и поверхность жидкости получается выпуклой (рис. 154б).

Рис. 154а. В случае смачивания жидкость у стенок немного приподнята. Поверхность её в узких сосудах вогнутая.

Рис. 154б. В случае несмачивания жидкость у краёв сосуда немного опущена. В узких сосудах поверхность её выпуклая.

Капиллярность

Кусок сахару, кирпич, промокательная бумага, полотенце и ряд других тел впитывают в себя воду. Чем это объясняется? Во всех таких телах имеется множество мелких каналов, напоминающих трубки с весьма узким просветом.

Такие трубки называются капиллярными (от лат. капиллус — волос).

Погрузим концы нескольких капиллярных стеклянных трубок в сосуд с водой. Вода в этих трубках поднимается значительно выше уровня воды в сосуде, и тем выше, чем уже трубка (рис. 155). Если такие же трубки опустить в сосуд со ртутью, то уровень ртути в них окажется ниже уровня в сосуде (рис. 156).

Поверхность жидкости в капиллярных трубках на всём своём протяжении кривая, её называют мениском. Как показывают рисунки 155 и 156, мениск в случае смачивания вогнутый, а при несмачивании выпуклый.

Высота поднятия жидкости в капиллярных трубках может быть легко вычислена.

На рисунке 157 изображён увеличенный разрез капиллярной трубки, погружённой в жидкость. Поверхность жидкости удерживается на стекле внутри трубки по окружности причём края поверхности почти вертикальны. Сила поверхностного натяжения действует в вертикальном направлении по длине окружности жидкой плёнки, прилипшей к стеклу. Если коэффициент поверхностного натяжения то вся сила, удерживающая жидкость за края поверхностной плёнки, равна где — радиус внутреннего канала трубки. Эта сила удерживает столб жидкости высотой h, вес которого где D — плотность жидкости.

Рис. 155. В случае смачивания уровни жидкости в капиллярных трубках выше уровня жидкости в широком сосуде.

Рис. 156. В случае несмачивания уровни жидкости в капиллярных трубках ниже уровня жидкости в широком сосуде.

Рис. 157. Столб жидкости высотой h в капиллярной трубке удерживается силами поверхностного натяжения, действующими по окружности радиуса r.

Так как жидкость в трубке находится в равновесии, то

Высота поднятия жидкости в капиллярной трубке прямо пропорциональна коэффициенту поверхностного натяжения и обратно пропорциональна радиусу трубки и плотности жидкости.

Выведенная нами формула применима и для несмачивающей жидкости, только в этом случае надо говорить не о поднятии, а об опускании жидкости.

Капиллярностью объясняется распространение жидкостей по пористым телам, например поднятие жидкости по фитилю, проникновение жидкости по камням фундамента, поднятие влаги в почве. Капиллярность почвы имеет весьма важное значение для сохранения и перемещения в ней влаги — факт, с которым серьёзно считаются в сельском хозяйстве.

Дело в том, что влага, находящаяся в почве, поднимается по капиллярам на поверхность и испаряется. Чтобы уменьшить испарение, нужно разрушить капилляры. Это достигается разрыхлением почвы.

Иногда требуется, наоборот, усилить приток влаги по капиллярам. Тогда почву укатывают, увеличивая этим количество капиллярных каналов.

Особенно важную роль капиллярные явления играют в биологии. Большинство растительных и животных тканей пронизано громадным количеством всякого рода каналов, представляющих собой капиллярные сосуды. Движением жидкостей в этих сосудах объясняются, например, такие биологические явления, как распространение питательных соков от корня до верхушек растений.

Свойства жидкостей и их определение

Жидкость — вещество, находящееся в жидком агрегатном состоянии, занимающем промежуточное положение между твёрдым и газообразным состояниями.

Основным свойством жидкости, отличающим её от веществ, находящихся в других агрегатных состояниях, является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объём.

Одним из характерных свойств жидкости является то, что она имеет определённый объём. Жидкость чрезвычайно трудно сжать механически, поскольку, в отличие от газа, между молекулами очень мало свободного пространства. Давление, производимое на жидкость, заключённую в сосуд, передаётся без изменения в каждую точку объёма этой жидкости (закон Паскаля, справедлив также и для газов).

Характеристика жидкого состояния вещества

Как известно, вещество в жидком состоянии сохраняет свой объем, но принимает форму сосуда, в котором оно находится. Выясним, как это объясняет молекулярно-кинетическая теория.

Сохранение объема у жидкости доказывает, что между ее молекулами действуют силы притяжения. Следовательно, расстояния между молекулами жидкости должны быть меньше радиуса молекулярного действия. Итак, если вокруг молекулы жидкости описать

Так как молекулы жидкости расположены почти вплотную друг к другу, то, получив достаточно большую кинетическую энергию, они хотя и могут преодолеть притяжение своих ближайших соседей и выйти из сферы их действия, но попадут в сферу действия других молекул и окажутся в новом временном положении равновесия. Лишь находящиеся на свободной поверхности жидкости молекулы могут вылететь за пределы жидкости, чем и объясняется процесс ее испарения.

Итак, если в жидкости выделить очень малый объем, то в течение времени оседлой жизни в нем существует упорядоченное расположение молекул, подобное их расположению в кристаллической решетке твердого тела. Затем оно распадается, но возникает в другом месте. Таким образом, все пространство, занятое жидкостью, как бы состоит из множества зародышей кристаллов, которые, однако, неустойчивы, т. е. распадаются в одних местах, но снова возникают в других.

Итак, в небольшом объеме жидкости наблюдается упорядоченное расположение ее молекул, а в большом объеме оно оказывается хаотическим. В этом смысле говорят, что в жидкости существует ближний порядок в расположении молекул и отсутствует дальний порядок. Такое строение жидкости называют квазикристаллическим (кристаллоподобным). Отметим, что при достаточно сильном нагревании время оседлой жизни становится очень маленьким и ближний порядок в жидкости практически исчезает.

Жидкость может обнаруживать механические свойства, присущие твердому телу. Если время действия силы на жидкость мало, то жидкость проявляет упругие свойства. Например, при резком ударе палкой о поверхность воды палка может вылететь из руки или сломаться; камень можно бросить так, что он при ударе о поверхность воды отскакивает от нее, и лишь совершив несколько скачков, тонет в воде. Если же время воздействия на жидкость велико, то вместо упругости проявляется текучесть жидкости. Например, рука легко проникает внутрь воды.

При кратковременном действии силы на струю жидкости последняя обнаруживает хрупкость. Прочность жидкости на разрыв хотя и меньше, чем у твердых веществ, но мало уступает им по величине. Для воды она составляет 2,5 . 10 7 Па. Сжимаемость жидкости тоже очень мала, хотя она и больше, чем у этих же веществ в твердом состоянии. Например, при увеличении давления на 1 атм объем воды уменьшается на 50 миллионных долей.

Разрывы внутри жидкости, в которой нет посторонних веществ, например воздуха, могут получаться только при интенсивном воздействии на жидкость, например при вращении гребных винтов в воде, при распространении в жидкости ультразвуковых волн (§25.8). Такого рода пустоты внутри жидкости долго существовать не могут и резко захлопываются, т. е. исчезают. Это явление называют кавитацией (от греческого «кавитас» — полость). Оно служит причиной быстрого износа гребных винтов.

Итак, у жидкостей имеется много свойств, общих со свойствами твердых тел. Однако чем выше становится температура жидкости, тем больше ее свойства приближаются к свойствам плотных газов н сильнее отличаются от свойств твердых тел. Это означает, что жидкое состояние является промежуточным между твердым и газообразным состояниями вещества.

Отметим еще, что при переходе вещества из твердого состояния в жидкое происходит менее резкое изменение свойств, чем при переходе из жидкого в газообразное. Это означает, что, вообще говоря, свойства жидкого состояния вещества ближе к свойствам твердого состояния, чем к свойствам газообразного.

Поверхностный слой жидкости

Выясним, чем отличаются действия молекулярных сил внутри жидкости и на ее поверхности.

Среднее значение равнодействующей молекулярных сил притяжения, приложенных к молекуле Ми которая находится внутри жидкости (рис. 10.1), близко к нулю. Случайные флуктуации этой равнодействующей заставляют молекулу М₁ совершать лишь хаотическое движение внутри жидкости. Несколько иначе обстоит дело с молекулами М₂ и М₃, находящимися в поверхностном слое жидкости.

Таким образом, все молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое толщиной, равной радиусу молекулярного действия (рис. 10.1), втягиваются внутрь жидкости. Но пространство внутри жидкости занято другими молекулами, поэтому поверхностный слой создает давление на жидкость, которое называют молекулярным давлением.

Теперь становится понятным, почему с помощью внешнего давления трудно заметно сжать жидкость. Действительно, для этого нужно создать давление того же порядка, что и молекулярное давление самой жидкости. Поскольку последнее очень велико, это сделать трудно. Следовательно, при не слишком высоких давлениях практически жидкость можно считать несжимаемой.

Энергия поверхностного слоя жидкости

Поверхностное натяжение. Поскольку молекулы жидкости, находящиеся в ее поверхностном слое, втягиваются внутрь жидкости, их потенциальная энергия больше, чем у молекул внутри жидкости. К этому выводу можно также прийти, если вспомнить, что потенциальная энергия взаимодействия молекул отрицательна (§ 2.4), и учесть, что молекулы в поверхностном слое жидкости ( и на рис. 10.1) взаимодействуют с меньшим числом молекул, чем молекулы внутри жидкости ().

Эту дополнительную потенциальную энергию молекул поверхностного слоя жидкости называют свободной энергией; за счет нее может быть произведена работа, связанная с уменьшением свободной поверхности жидкости. Наоборот, для того чтобы вывести молекулы, находящиеся внутри жидкости, на ее поверхность, нужно преодолеть противодействие молекулярных сил, т. е. произвести работу, которая нужна для увеличения свободной энергии поверхностного слоя жидкости. Нетрудно сообразить, что при этом изменение свободной энергии прямо пропорционально изменению площади свободной поверхности жидкости :

Так как , то имеем

Итак, работа молекулярных сил А при уменьшении площади свободной поверхности жидкости прямо. пропорциональна . Но эта работа должна еще зависеть от рода жидкости и внешних условий, например от температуры. Эту зависимость и выражает коэффициент .

Величина , характеризующая зависимость работы молекулярных сил при изменении площади свободной поверхности жидкости от рода жидкости и внешних условий, называется коэффициентом поверхностного натяжения жидкости (или просто поверхностным натяжением); измеряется работой молекулярных сил при уменьшении площади свободной поверхности жидкости на единицу:

Выведем единицу поверхностного, натяжения а в СИ:

Так как всякая система самопроизвольно переходит в состояние, при котором ее потенциальная энергия минимальна, то жидкость должна самопроизвольно переходить в такое состояние, при котором площадь ее свободной поверхности имеет наименьшую величину. Это можно показать с помощью следующего опыта.

На проволоке, изогнутой в виде буквы П, укрепляют подвижную поперечину (рис. 10.2).

Полученную таким образом рамку затягивают мыльной пленкой, опуская рамку в мыльный раствор. После вынимания рамки из раствора поперечина перемещается вверх, т. е. молекулярные силы действительно уменьшают площадь свободной поверхности жидкости. (Подумайте, куда девается при этом освободившаяся энергия.)

Поскольку при одном и том же объеме наименьшая площадь поверхности имеется у шара, жидкость в состоянии невесомости принимает форму шара. По этой же причине маленькие капли жидкости имеют шарообразную форму. Форма мыльных пленок на различных каркасах всегда соответствует наименьшей площади свободной поверхности жидкости.

Сила поверхностного натяжения

Молекула которая расположена на поверхности жидкости (рис. 10.3), взаимодействует не только с молекулами, находящимися внутри жидкости, но и с молекулами на поверхности жидкости, расположенными в пределах сферы молекулярного действия. Для молекулы равнодействующая R молекулярных сил, направленных вдоль поверхности жидкости, равна нулю, а для молекулы , расположенной у края поверхности, R отлична от нуля. Из рис. 10.3 видно, что сила R направлена по нормали к границе свободной поверхности и по касательной к самой поверхности.

Молекулярные силы, направленные вдоль поверхности жидкости, действуют на любую замкнутую линию на свободной поверхности жидкости по нормали к этой линии таким образом, что стремятся сократить площадь поверхности жидкости, ограниченную замкнутой линией. Это можно показать на следующем опыте.

На проволочном кольце укрепляется нитка длиной (рис. 10.4, а). Если затянуть кольцо мыльной пленкой, то нитка свободно расположится на этой пленке, так как молекулярные силы будут стремиться сократить площадь поверхности, ограниченную как верхним замкнутым контуром, так и нижним. Прорвем мыльную пленку с нижней стороны нитки. Тогда молекулярные силы сократят поверхность, ограниченную верхним контуром, и натянут нитку (рис. 10.4, б).

Сила , обусловленная взаимодействием молекул жидкости, вызывающая сокращение площади ее свободной поверхности и направленная по касательной к этой поверхности, называется силой поверхностного натяжения.

Покажем, что сила поверхностного натяжения действующая на поперечину (рис. 10.2, а), пропорциональна I. Работа, совершаемая силами поверхностного натяжения при перемещении поперечины из положения 1 в положение 2, выражается формулой (10.2): . При этом суммарное сокращение площади свободной поверхности жидкости равно , поэтому .

С другой стороны, работу А можно найти, умножив силу на путь. Поскольку в нашем примере у поверхности пленки две линии соприкосновения с поперечиной (рис. 10.2, б), то общая сила равна 2 и . Таким образом, , или

Из (10.3а) следует, что поверхностное натяжение а численно равно силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины границы свободной поверхности жидкости.

что можно получить и непосредственно из формулы (10.3а).

Теперь легко понять, почему жидкость принимает форму, при которой площадь ее свободной поверхности оказывается наименьшей: силы молекулярного давления втягивают молекулы с поверхности внутрь жидкости, а силы поверхностного натяжения сокращают площадь свободной поверхности, т. е. закрывают образовавшиеся «окна» на этой поверхности.

Итак, поверхностный слой жидкости всегда находится в состоянии натяжения. Однако это состояние нельзя сравнивать с натяжением упругой растянутой пленки. Упругие силы возрастают по мере увеличения площади растянутой пленки, а силы поверхностного натяжения от площади поверхности жидкости не зависят. Сила в положениях 1 и 2 на рис. 10.2 одинакова, поскольку число молекул на единице площади свободной поверхности жидкости при любой величине площади остается одинаковым.

Опыт показал, что на величину о влияет среда, находящаяся над поверхностью жидкости, и температура жидкости. При повышении температуры жидкости ее поверхностное натяжение уменьшается (объясните, почему) и при критической температуре становится равным нулю (рис. 10.5).

Это лишний раз показывает, что при критическом состоянии исчезает всякое различие между жидкостью и ее паром.

Смачивание

Краевой угол. Если опустить стеклянную палочку в ртуть и затем вынуть ее, то ртути на ней не окажется. Если же эту палочку опустить в воду, то после вытаскивания на ее конце останется капля воды. Этот опыт показывает, что молекулы ртути притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам стекла, а молекулы воды притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам стекла. Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют смачивающей это вещество. Например, вода смачивает чистое стекло и не смачивает парафин. Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют не смачивающей это вещество. Ртуть не смачивает стекло, однако она смачивает чистые медь и цинк.

Расположим горизонтально плоскую пластинку из какого-либо твердого вещества и капнем на нее исследуемую жидкость. Тогда капля расположится либо так, как показано на рис. 10.6, а, либо так, как показано на рис. 10.6, б.

В первом случае жидкость смачивает твердое вещество, а во втором — нет. Отмеченный на рис. 10.6 угол называют краевым углом. Краевой угол образуется плоской поверхностью твердого тела и плоскостью, касательной к свободной поверхности жидкости, проходящей через точку А (рис. 10.6), где граничат твердое тело, жидкость и газ; внутри краевого угла всегда находится жидкость. Для смачивающих жидкостей краевой угол острый, а для несмачивающих — тупой. Чтобы действие силы тяжести не искажало краевой угол, каплю надо брать как можно меньше.

Поскольку краевой угол сохраняется при вертикальном положении твердой поверхности, то смачивающая жидкость у краев сосуда, в который она налита, приподнимается (рис. 10.7, а), а несмачивающая жидкость опускается (рис. 10.7, б).

Мерой смачивания обычно служит косинус краевого угла, т. е. , который положителен для смачивающих жидкостей и отрицателен для несмачивающих. При полном смачивании =1. В этом случае жидкость растекается по всей поверхности твердого тела. Получить на горизонтальной поверхности тела каплю при полном смачивании нельзя. Например, вода полностью смачивает чистую поверхность стекла. При полном несмачивании =—1. Маленькая капля жидкости на горизонтальной поверхности твердого тела в этом случае должна иметь форму шара.

Мениск. Давление, создаваемое искривленной поверхностью жидкости

Искривление поверхности жидкости у краев сосуда легко обнаружить на опыте. Особенно отчетливо это видно в узких трубках, где искривляется вся свободная поверхность жидкости. В трубке с круглым сечением эта поверхность представляет собой часть поверхности сферы и называется мениском (от греческого «менискос» — лунный серп). У смачивающей жидкости образуется вогнутый мениск (рис. 10.8, а), а у несмачивакмцей выпуклый (рис. 10.8, б).

Так как площадь поверхности мениска больше, чем площадь внутреннего сечения трубки, то под действием молекулярных сил искривленная поверхность жидкости стремится выпрямиться и этим создает дополнительное давление , которое при смачивании (вогнутый мениск) направлено от жидкости, а при несмачивании (выпуклый мениск) — внутрь жидкости. Величина этого давления была определена французским ученым П. Лапласом, поэтому его часто называют лапласовским давлением.

Для сферической формы свободной поверхности жидкости с радиусом R это давление выражается формулой

Зависимость лапласовского давления от радиуса кривизны поверхности жидкости можно показать на следующем опыте. С помощью специальной трубки выдувают два мыльных пузыря разных размеров (рис. 10.9). Если затем закрыть выходное отверстие трубки, то будет видно, что маленький пузырь уменьшается в размере, а большой увеличивается. Объясняется это тем, что в маленьком пузыре лапласовское давление больше, чем в большом. Оно и перегоняет воздух из маленького пузыря в большой.

Капиллярность

Капиллярные явления в природе и технике. Искривление поверхности жидкости в узких трубках приводит к кажущемуся нарушению закона сообщающихся сосудов. Если в воду опустить узкую стеклянную трубку (рис. 10.10, а), то вода втягивается в трубку и ее уровень располагается на высоте h над уровнем воды вне трубки. Объясняется это тем, что лапласовское давление в трубке направлено вверх. Оно и втягивает воду вверх до тех пор, пока не окажется уравновешенным гидростатическим давлением столба воды в трубке высотой h, равным . Поскольку (см. (10.4)), то при имеем , откуда ‘

При полном смачивании (=0) мениск в узкой трубке имеет форму полусферы и радиус сферической поверхности R в (10.5) равен внутреннему радиусу трубки r; тогда

При неполном смачивании радиус мениска (рис. 10.10, в) и

Из (10.5а, б) видно, что высота h тем больше, чем меньше внутренний радиус трубки r. Подъем воды имеет значительную величину в трубках, внутренний диаметр которых соизмерим с диаметром волоса (или еще меньше); поэтому такие трубки называют капиллярами (от греческого «капиллярис» — волосной, тонкий). Смачивающая жидкость в капиллярах поднимается вверх (рис. 10.10, а), а несмачивающая — опускается вниз (рис. 10.10, б). Явления, обусловленные втягиванием смачивающих жидкостей. в капилляры или выталкиванием несмачивающих жидкостей из капилляров, называются капиллярными явлениями.

Капиллярные явления можно наблюдать не только в трубках,

Понятие о вязкости среды

Ламинарное течение жидкости. При движении лодки в воде возникают силы, которые противодействуют этому движению. Силы противодействия, обусловленные движением какого-либо тела в жидкой или газообразной среде, называются силами сопротивления среды.

Очень важной особенностью этих сил является отсутствие для них трения покоя. В этом можно убедиться, надавливая на плавающий деревянный брусок тонкой стеклянной нитью (рис. 10.12).

При увеличении скорости движения тела силы сопротивления среды начинают быстро возрастать, так как тело увлекает за собой частицы среды и приводит в движение ее слои относительно друг друга. Поэтому на движение тел в среде с большой скоростью затрачивается много энергии. Чтобы уменьшить расход энергии при таком движении, надо знать, чем определяется сила сопротивления среды. Оказалось, что она зависит от формы движущегося тела, от скорости его движения и от свойств самой среды.

Сила сопротивления воздуха при движении сигарообразного тела в 30 раз меньше, чем при движении диска и в 5 раз меньше, чем при движении шарика того же поперечного сечения, при одинаковой скорости их движения (рис. 10.13).

Зависимость силы сопротивления жидкости от скорости движения тела довольно сложна и определяется как характером движения частей жидкости относительно друг друга, так и свойствами самой жидкости.

При движении частей жидкости относительно друг друга возникают тормозящие это движение силы, которые называются силами Внутреннего трения или силами вязкости. Следовательно, под вязкостью подразумевают свойство среды, характеризуемое действием в ней сил внутреннего трения при движении частей среды относительно друг друга. Отметим, что силы внутреннего трения стремятся выравнять скорости движения частей среды относительно друг друга.

Движение среды называют установившимся или ламинарным, если скорость течения в каждой точке пространства не изменяется со временем. При ламинарном течении жидкости в цилиндрической трубе максимальную скорость имеет жидкость, движущаяся по оси трубы (рис. 10.14), а непосредственно у стенок скорость течения равна нулю.

При этом вся жидкость разбивается на цилиндрические слои, скорости течения которых вдоль

трубы убывают по направлению от центра трубы к ее стенкам. Таким образом, при ламинарном течении трения между трубой и жидкостью нет, так. как слой жидкости у стенок трубы неподвижен, а существует только внутреннее трение, обусловленное вязкостью самой жидкости.

Перепад скоростей при движении слоев жидкости, характеризуют градиентом скорости. Градиентом называют вектор, характеризующий быстроту пространственного изменения какой-либо величины. Этот вектор направлен по касательной к линии, вдоль которой происходит быстрейшее изменение величины в сторону ее возрастания. Числовое значение градиента определяется изменением этой величины на единицу длины указанной линии. Градиент скорости обозначается .

В нашем примере при равномерном изменении скорости течения вдоль радиуса трубы r получим

где — изменение скорости на отрезке . Однако в действительности скорости вдоль радиуса меняются неравномерно и формула (10.6) верна только для очень малого .

Закон Ньютона для внутреннего трения. Динамическая вязкость

Пусть плоские слои жидкости, находящиеся на расстоянии , движутся со скоростями и (рис. 10.15).

Тогда нижний слой будет ускорять движение среднего слоя, а верхний слой — замедлять его. В результате под действием сил внутреннего трения средний слой будет двигаться.со скоростью , большей но меньшей . При равномерном изменении скоростей движения слоев в направлении х значение будет во всех точках среды одинаково и численно равно или .

Ньютон показал, что сила внутреннего трения, действующая на средний слой, прямо пропорциональна градиенту скорости и площади поверхности слоя . Математически закон Ньютона для внутреннего трения выражается формулой

Величина, выражающая зависимость силы внутреннего трения от рода вещества и от внешних условий, называется динамической вязкостью среды.

Выведем единицу динамической вязкости :

Вязкость газов обусловлена перелетом молекул из слоя в слой в результате их хаотического движения, которое они совершают помимо направленного движения со своим слоем. При этом молекулы, залетающие из нижнего слоя в средний (рис. 10.15), ускоряют его движение, а молекулы, залетающие из верхнего слоя в средний, замедляют его движение. Так как при повышении температуры скорость хаотического движения молекул возрастает, то вязкость газов увеличивается при нагревании.

В 1840 г. французский ученый Л. Пуазейль показал, что объем жидкости, вытекающей через трубу при ламинарном течении, пропорционален четвертой степени радиуса трубы. В настоящее время формулу Пуазебля записывают в следующем виде:

Здесь V — объем жидкости, вытекающей через трубу в радиусом r и длиной l за время t при разности давлений в начале и в конце трубы . Формула (10.8) позволяет сравнивать вязкости различных жидкостей, протекающих через одну и ту же трубу, c помощью прибора, называемого вискозиметром.

Аморфные вещества

Некоторые жидкости обладают большой вязкостью, например глицерин, мед и т. д. Однако смола, битум, жидкое стекло имеют еще большую вязкость, которая при охлаждении этих жидкостей настолько возрастает, что их молекулы теряют свою подвижность, т. е. их время оседлой жизни становится очень большим. Такие вещества внешне ничем не отличаются от твердых веществ, т. е. сохраняют свой объем и форму. Однако расположении их молекул имеется ближний порядок, но отсутствует дальний порядок. Следовательно, такие вещества по своему внутреннему строению являются жидкостями, но имеющими очень большую вязкость (большое время оседлой жизни молекул).

При охлаждении жидкостей с большой вязкостью их молекулы сближаются, молекулярные силы стремятся расположить эти молекулы правильными рядами так, чтобы получился дальний порядок, но вследствие большой вязкости они не успевают занять нужное положение и застревают во временных положениях равновесия. При значительном охлаждении таких веществ молекулярные силы оказываются недостаточными для того, чтобы создать дальний порядок в расположении молекул, и получается вещество внешне твердое, но с таким же расположением молекул, как в жидкости. Такие внешне твердые вещества, но не имеющие кристаллического строения называются аморфными или стекловидными, так как типичным представителем этих веществ является стекло; к ним относятся различные смолы, пластмассы.

Сходство аморфных веществ с жидкостью обнаруживается не только во внутреннем строении. Если аморфные вещества не слишком сильно охлаждены, то они обнаруживают медленную текучесть. Например, битум медленно растекается. Твердые тела, изготовленные из более плотного вещества, медленно тонут в аморфных телах, а из более легкого вещества — медленно всплывают.

В физике аморфные вещества считают переохлажденными жидкостями, в которых процесс кристаллизации не произошел вследствие большой вязкости этих веществ. С течением времени аморфные вещества могут очень медленно переходить в кристаллические. Некоторые вещества, например сера и кварц, встречаются как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии.

В заключение отметим, что при охлаждении аморфные вещества постепенно густеют, а при нагревании постепенно приобретают текучесть. Обнаружить резкую границу между областями твердого и жидкого состояний у аморфных веществ невозможно.

Услуги по физике:

Лекции по физике:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Источник