СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ: ТЕКУЧЕСТЬ, СОХРАНЕНИЕ ОБЪЕМА, ВЯЗКОСТЬ, ИСПАРЕНИЕ, КИПЕНИЕ, ДАВЛЕНИЕ НАСЫЩЕННОГО ПАРА

PROPERTIES OF LIQUIDS: FLUIDITY, VOLUME RETENTION, VISCOSITY, EVAPORATION, BOILING, SATURATED VAPOR PRESSURE

Vahan Panosyan

student, faculty of ecology and environmental protection, Russian state social University,

Moscow, Russia

Anatoliy Ponomarev

Scientific adviser, PhD tech. Sciences, associate professor, Russian state social University,

Moscow, Russia

АННОТАЦИЯ

Жидкое состояние вещества можно встретить на каждом шагу.  Конечно, первостепенное место занимает вода, необычная по ряду своих свойств жидкость. Также различные жидкости неорганического и органического происхождений. К последним относятся кислоты, спирты, продукты переработки нефти и т.п. Отметим еще ртуть – удивительную тяжелую жидкость блестящего цвета, напоминающую расплавленный металл.

В своей работе я собираюсь рассмотреть главные свойства жидкостей, придающие им характерные особенности, которые мы наблюдаем в повседневной жизни.

ABSTRACT

The liquid state of the substance can be found at every step. Of course, the primary place is occupied by water, an unusual liquid in a number of its properties. Also various liquids of inorganic and organic origin. The latter include acids, alcohols, petroleum products, etc. We also note mercury – an amazing heavy liquid of a brilliant color, resembling molten metal.

In my work, I'm going to consider the main properties of liquids that give them the characteristic features that we observe in everyday life.

Ключевые слова: жидкости, свойства, текучесть, вода, РГСУ.

Keywords: liquids, properties, fluidity, water, RUSS.

Жидкость, в первую очередь, рассматривается как одно из агрегатных состояний вещества, находящееся в промежуточном положении между твердым и газообразным состояниями. Твердое тело имеет четко-выраженную структуру кристаллической решетки (частицы располагаются на одном расстоянии друг от друга), а в газообразном теле, наоборот, молекулы находятся в состоянии беспорядочного движения, что нельзя сказать о жидкости, она особенна.

Основным свойством жидкостей является текучесть и это выражается в самом определении: жидкость — это физическое тело, обладающее свойством текучести, т. е. не имеющее способности самостоятельно сохранять свою форму. Текучесть жидкости объясняется подвижностью молекул, образующих структуру жидкости. Представим какую-нибудь жидкость в равновесном положении. Если мы применим внешнюю силу на одну из областей, жидкость потечёт в том направлении, в котором была применена эта сила. Под воздействием силы на какую-либо область образуется поток частиц жидкости. Следовательно, жидкость не может сохранять свою форму, когда на нее действуют неуравновешенные внешние силы и может только принять форму сосуда, в котором она находится.

Интересное наблюдение – текучесть жидкости безгранична, что нельзя конечно сказать о пластичных твёрдых телах. Даже самое слабое воздействие на поверхность жидкости приведет к потоку частиц в конкретной области.

Следующее характерное свойство жидкостей – сохранение объема. В случае, если внешние условия постоянны, то у жидкости определенный объем. Мы фактически не можем сжать жидкость механически. Объяснение этому – небольшое свободное пространство между молекулами в структуре жидкости, по сравнению с газом. Из курсов физики нам известно, что по закону Паскаля давление, производимое на жидкость, находящуюся в сосуде, передаётся без изменений в каждую точку этой жидкости по всему объёму. Гидравлические машины работают за счет этой особенности малой сжимаемости жидкости.

Такие термодинамические параметры, как температура, объём и давление, тесно взаимосвязаны. Так, нагревание жидкости влияет на увеличение объёма (расширение) и уменьшение объёма (сжатие), если жидкость охлаждают. Не обходимся и без исключений: возможно сжатие воды при нагревании, если давление нормальное и температура 0-4 °C. А тормозная жидкость в автомобилях, сжимается очень плохо.

Перейдем к вязкости, посмотрим откуда она берёт начало. Реальные жидкости, находящиеся в движении, обретают внутренние напряжения, что обуславливается силами внутреннего трения жидкости. Объяснение этого явления достаточно сложное: внутренние напряжения основаны на процессе переноса им­пульса (вектора массовой скорости движения жидкости). А факторы, которые приводят к возникновению внутренних напряжений, следующие: деформация сдвига и деформация объёмного сжатия.

Разберем опыт, который подтверждает и наглядно показывает наличие сил вязкостного трения в жидкости, которая находится в движении. Представим два цилиндра разных размеров, заполненных жидкостью. Опустим маленький цилиндр во вращающемся состоянии в большой цилиндр, находящийся в состоянии покоя. Мы заметим, как вслед за маленьким цилиндром, вращающимся вокруг своей оси, начнет вращаться большой цилиндр вместе с жидкостью в том же направлении. Это говорит о том, что вращательный момент от вращающегося цилиндра передается через вязкую жидкость самой ёмкости, заполненной жидкостью.

Вязкость — это свойство жидкости проявлять внутреннее трение при её движении, обусловленное сопротивлением взаимному сдвигу её частиц. Вязкость не будет проявляться, если жидкость находится в состоянии покоя. Существуют динамическая и кинематическая вязкости, легко переводящиеся одна в другую.

Поговорим о капельных жидкостях. Капельные жидкости входят в категорию плохо сжимаемых тел. Причины небольших изменений объёма жидкости при возрастании давления очевидны. Из-за малых межмолекулярных расстояний в капельной жидкости при деформации жидко­сть преодолевает значительные силы отталкивания, которые действуют между мо­лекулами, а ещё жидкость испытывает влияние сил, которые действуют внутри атома. Также известно, что капельные жидкости обладают упругими свойствами за счет превосходства своей сжимаемости в 5 - 10 раз по сравнению со сжимаемостью твёрдых тел.

Как известно, особенность кристаллических твердых тел заключается в периодичности пространственного расположения атомов, молекул или ионов, образующих кристаллы. Количество таких периодически расположенных частиц составляют структуру, называемую кристаллической решеткой. Такой периодичности частиц присвоено название дальнего порядка. На рис. 1а можно увидеть пример такого двумерного дальнего порядка.

Для чёткого установления структуры кристаллической решетки жидкого состояния вещества проводились экспериментальные исследования. Через наблюдение дифракции рентгеновских лучей и потоков нейтронов в момент их прохождения через жидкие среды было обнаружено наличие в жидкости ближнего порядка. Другими словами, некоторая упорядоченность в расположении частиц только на малом расстоянии от какой-либо конкретной позиции. Можем наблюдать на рис. 1б.

Рисунок 1. Дальний и ближний порядок

а – двумерная модель твердого тела, иллюстрирующая наличие дальнего порядка; б – двумерная модель жидкости, иллюстрирующая наличие только ближнего порядка.

Кипение жидкости – процесс ее испарения, при котором происходит быстрое образование и увеличение пузырьков пара, прорывающихся через поверхность жидкости наружу. Если мы будем нагревать жидкость в емкости при неизменяющемся внешнем давлении, то заметим спокойное образование пара жидкости. Это потому, что испарение происходит только со свободной поверхности жидкости. Несмотря на это, существует температура кипения – определенная температура, при достижении которой пар начинает образовываться не только со свободной поверхности, но и изнутри жидкости.

В довершение рассмотрим давление насыщенного пара. Обычно, в самой жидкости или на стенках ёмкости, в которой она находится, присутствует растворенный воздух или другого рода газ. И если мы будем нагревать жидкость, в ней будут образовываться пузырьки воздуха, которые наполнятся насыщенным паром окружающей жидкости. Приблизимся к условиям процесса. В состоянии механического равновесия сумма давлений воздуха и пара внутри пузырька должна равняться внешнему давлению вне пузырька, которое складывается из давления атмосферы и гидростатического давления окружающей жидкости. Вспомним про зависимость термодинамических параметров, а именно температуры, давления и объёма. Повышение температуры жидкости приводит к росту внутреннего давления в пузырьках, следом у них увеличивается объём, и они начинают подниматься вверх под действием архимедовой подъемной силы. В результате, подобная двухфазная система (жидкость с воздушными пузырьками) получается неустойчивой и начинается бурный процесс кипения.

Итак, условие температуры кипения - давление насыщенного пара равно сумме атмосферного и гидростатического давления на имеющейся высоте. Отсюда получаем, что температура кипения жидкости значительно зависит от внешнего давления. Приведем примеры, иллюстрирующие вышеописанное. Ёмкость с водой поместили под колпак воздушного насоса, стали откачивать воздух до определенного давления, и вода начала кипеть при комнатной температуре. Аналогичную ситуацию можно наблюдать при подъёме в горах на большие высоты. В этом случае мы увидим понижение температуры кипения жидкости, из-за низкого атмосферного давления воздуха у подножья. Как факт, температура кипения воды на высоте 4000 м составляет лишь 85° C по сравнению с температурой кипения 100° C на уровне моря.

Таким образом, в работе мы рассмотрели и проиллюстрировали главные свойства жидкостей: текучесть, сохранение объема, вязкость, испарение, кипение, давление насыщенного пара.

Список литературы:

1. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Л., изд. АН СССР, 1945
2. Фишер И.З. Статистическая теория жидкостей/ М., Физматгиз, 1961
3. Крокстон К. Физика жидкого состояния. М., Мир, 1978