Жидкость

Жидкость принимает форму емкости, в которой она находится Жидкость – 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.