Свойства жидкости

Жидкость является агрегатным состоянием вещества, промежуточным между газообразным и твердым, поэтому она обладает свойствами как газообразных, так и твердых тел. Жидкости, подобно твердым телам, обладают определенным объемом, а подобно газам, принимают форму сосуда, в котором они находятся. Молекулы газа занимают предоставленный им объем, так как практически отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия и средняя кинетическая энергия теплового движения молекул газа гораздо больше средней потенциальной энергии, обусловленной силами притяжения между ними. Поэтому молекулы газа разлетаются и газ занимает предоставленный ему объем сосуда. В твердых и жидких телах силы притяжения между молекулами уже существенны и удерживают молекулы на определенном расстоянии друг от друга. Средняя кинетическая энергия теплового движения молекул меньше средней потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия, поэтому ее недостаточно для преодоления сил притяжения между молекулами в результате твердые тела и жидкости имеют определенный объем.

Рентгеноструктурный анализ жидкости показал, что характер расположения частиц жидкости промежуточен между газом и твердым телом. В газах молекулы движутся хаотично, т. е. нет никакой закономерности в их взаимном расположении. Для твердых тел характерен дальний порядок расположения частиц, т. е. упорядоченность в их расположении, повторяющаяся на больших расстояниях. Для жидкостей характерен ближний порядок, то есть упорядоченность в их расположении, повторяющаяся на расстояниях, сравнимых с межмолекулярными.

Теория жидкости до настоящего времени полностью не разработана. Разработка ряда проблем в исследовании свойств жидкости принадлежит Я.И. Френкелю. Тепловое движение в жидкости объясняется тем, что каждая молекула в течении некоторого времени колеблется около определенного положения равновесия, после чего скачком переходит в новое положения, отстоящее от прежнего на межмолекулярное состояние. Таким образом, молекулы жидкости довольно медленно перемещаются по всей массе жидкости. С повышением температуры частота колебательного движения резко увеличивается, возрастает подвижность молекул. Между молекулами существуют силы притяжения, которые проявляются на расстоянии порядка 10^-9 м, называемом радиусом молекулярного действия. Силы притяжения уменьшаются с увеличением расстояния между молекулами. Для жидкостей характерно наличие свободной поверхности.

Рис. 1.1. Течение жидкости по трубе

В жидкостях наблюдаются явления переноса: диффузия, теплопроводность и вязкость. Вязкость жидкости – это перенос импульса от слоя к слою, текущей, например, по трубе жидкости (рис. 1.1).

При течении жидкости по трубе различные слои имеют разные скорости. Наибольшая скорость течения у центрального слоя. Слой, прилегающий к стенкам трубы, покоится. Поэтому в направлении оси Х, перпендикулярной к направлению течения, возникает градиент скорости . Перенос импульса от слоя к слою осуществляется молекулами, изредка совершающими скачкообразные поступательные движения, меняя при этом положение равновесия, около которых они совершают колебания. При не очень высоких температурах такие перескоки происходят сравнительно редко. Перенос импульса вызывает изменение скорости движения слоев, то есть начинает действовать сила, которая по закону Ньютона равна

, (1.1)

где F – сила внутреннего трения (вязкости) между слоями жидкости; – градиент скорости, характеризующий быстроту изменения скорости вдоль оси х, перпендикулярной к скорости; S – площадь поверхности, разделяющая два соседних слоя жидкости; h – коэффициент вязкости или коэффициент внутреннего трения.

Его физический смысл заключается в том, что она численно равен силе внутреннего трения, действующей на единичную площадь соприкасающихся слоев при градиенте скорости этих слоев равном единице. Размерность коэффициента вязкости в системе СИ:

Характерным для жидкости является сильная зависимость коэффициента вязкости от температуры. С повышением температуры вязкости жидкости быстро падает. При обычных давлениях коэффициент вязкости почти не зависит от давления. При давлении в тысячи и десятки тысячи атмосфер коэффициент вязкости быстро возрастает с ростом давления. Это объясняется тем, что в сильно сжатых жидкостях скачкообразные поступательные движения молекул становятся все более затруднительными. Молекулам все реже удается перескочить в другое место, так что обмен импульсом между слоями жидкости уменьшается. Коэффициент вязкости зависит от природы жидкости. Например, у бензина коэффициент вязкости ; у глицерина – .