Основные физические свойства жидкости

Структура жидкости

С точки зрения физики все тела делятся на твердые, жидкие и газообразные. Жидкости – промежуточная фаза между твердыми телами и газами. При низких температурах и малых удельных объемах свойства жидкостей близки к свойствам твердых тел. А при высокой температуре и большом удельном объеме жидкости имеют свойства, близкие к свойствам газов.

В твердых кристаллических телах молекулы расположены на определенных расстояниях друг от друга, образуя кристаллическую решетку. Тепловые колебания молекулы совершают около устойчивых положений, этим объясняется то, что твердые тела сохраняют форму и объем.

В газах межмолекулярные расстояния велики, силы притяжения малы. Каждая молекула практически не испытывает действия связей с другими молекулами (исключая моменты столкновения). Модель газа, при которой отсутствуют силы притяжения между молекулами, называют совершенным газом.

Жидкости по молекулярному строению занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и газами. С точки зрения молекулярного строения, тепловые движения молекул жидкости представляют собой колебания около некоторых центров. Если кинетическая энергия отдельных молекул оказывается достаточной для преодоления межмолекулярных связей, то такие молекулы скачком изменяют свое положение, переходя в другой центр колебаний. То есть некоторое время, называемое «временем оседлой жизни», молекула находится в одной упорядоченной структуре, а, совершив переход, оказывается среди нового окружения, никак не предопределенного прежним положением. Именно непрерывно и в большом количестве совершающиеся скачкообразные переходы молекул с места на место и обусловливают такое свойство жидкостей, как текучесть.

Итак, основное свойство жидкой среды – текучесть, то есть легкая подвижность частиц, способность неограниченно деформироваться и приходить в движение под действием малых сил. Именно благодаря текучести жидкость приобретает любую форму, предоставленную ей в пространстве, без нарушения своей структуры.

При приложении к жидкости внешней сдвигающей силы хаотические скачки молекул приобретают преимущественную направленность, и возникает течение в направлении действия силы.

Если время действия внешней силы t_с много больше «времени оседлой жизни» молекулы жидкости t_т, то при действии этой силы происходит необратимая деформация жидкого тела и, следовательно, тело ведет себя как текучая среда. Если t_c << t_т, то тело ведет себя как твердое. Естественно, что с ростом температуры амплитуды теплового колебательного движения молекул возрастают, им легче переместиться из одного положения в другое, «время оседлой жизни» уменьшается и среда становится более текучей.

В случае газообразного состояния вещества отсутствие межмолекулярных связей обусловливает не только текучесть, но и сжимаемость газа. Заметим, что в упорядоченных структурах – твердых и жидких телах – сжимаемость практически отсутствует.

Для упрощения изучения жидкостей в гидравлике их молекулярное строение и движение молекул, как правило, не рассматриваются. В рамках гидравлики жидкость представляется непрерывной сплошной средой, в которой нет разрывов и пустот.

Гипотеза о сплошности жидкой среды была введена в науку Ж. Даламбером и Л. Эйлером в XVIII веке. И. Ньютон представлял себе жидкость состоящей «из равных частиц, свободно расположенных на равных расстояниях». Но всегда линейные размеры тех «частиц» жидкости (элементарных объемов), которые мы рассматриваем в рамках гидравлики при выводе закономерностей течения, значительно больше, чем длина свободного пробега молекул жидкости. Это и есть условие сплошности жидкости, при выполнении которого жидкость можно считать средой без разрывов и пустот.

С точки зрения механических свойств, жидкости и газы имеют много общего. Характер поведения и законы, описывающие состояние и движение среды, для жидкостей и газов во многих случаях одинаковы. Тем не менее, в некоторых случаях проявляются особенности их строения. Отметим, при изучении каких явлений следует отличать жидкости от газов.

Первое отличие заключается в том, что газы – это среды, которые обладают свойством легко сжиматься, и в которых скорость распространения механических возмущений (скорость звука) значительно меньше, чем в жидкостях. Эту особенность следует учитывать, если рассматриваются случаи, когда скорость движения газа (или скорость движения твердого тела в нем) становится соизмеримой со скоростью звука или превышает ее. Область механики жидкости и газа, в которой возникает необходимость учитывать сжимаемость изучаемой среды, выделена в отдельный раздел, называемый газовой динамикой. В рамках этого раздела изучается движение сверхзвуковых самолетов, космических объектов, высокоскоростных паровых и газовых турбин.

Второе отличие жидкости от газа заключается в способности жидкости иметь граничную поверхность между нею и окружающим ее газом. Такая граница называется свободной поверхностью.

Эти два отличия свойств жидкости и газа обусловлены разницей их молекулярной структуры. Как уже отмечено, в жидкости существенную роль играет постоянное взаимодействие соседних молекул. В газах молекулы взаимодействуют только в моменты столкновения друг с другом, большую часть времени они свободно перемещаются в пространстве. Поэтому вследствие хаотического характера теплового движения молекул газа, он стремится равномерно распределиться по всей занимаемой им части пространства. Часть пространства, занимаемая газом, как правило, ограничена твердыми или жидкими границами, если эта часть пространства не замкнута, то объем газа может неограниченно возрастать.

Третье отличие жидкости от газа заключается в том, что в газе можно неограниченно уменьшать давление или повышать температуру, при этом свойства газа меняются непрерывно. В жидкости при уменьшении давления ниже определенного значения, внутри нее образуются паровоздушные пузырьки, то есть возникают фазовые переходы. Это явление носит название кавитации и играет существенную роль в процессах движения жидкостей. При возникновении кавитации качественно меняются свойства текучей среды и характер течения. Аналогичные явления могут иметь место и при повышении температуры жидкости.

Таким образом, основные отличия жидкости от газа – сжимаемость газа, наличие свободных поверхностей и фазовых переходов в жидкостях. Как правило, ограничения, накладываемые этими отличиями, сравнительно легко устанавливаются.

Поэтому собственно жидкости называют капельными или несжимаемыми. Сжимаемые среды – это газообразные тела.

Для гидравлики наиболее интересны и существенны те свойства жидкостей, которые связаны с проявлением инерции, вязкости и сжимаемости. Иногда учитывают теплоемкость, теплопроводность, объемное тепловое расширение.

Физические свойства реальных жидкостей характеризуются следующими основными физическими характеристиками:

· плотностью,

· сжимаемостью,

· вязкостью,

· температурным расширением,

· поверхностным натяжением.

Основные физические свойства жидкости

Плотность

В рамках гипотезы сплошности считается, что масса жидкости распределена в объеме занимаемого ею пространства непрерывно и в общем случае неравномерно.

Плотность– это масса единицы объема жидкости, то есть величина, характеризующая распределение массы тела в пространстве, занятом жидкостью.

Численно плотность однородной среды определяется как

,

где m – масса жидкости, заключенная в объеме V.

Если среда неоднородна, плотность жидкости в какой-либо точке определяется предельным переходом:

,

где Δm – масса малого объема жидкости ΔV, содержащего рассматриваемую точку.

Единица измерения плотности в СИ , в технической системе – кГ·с²/м⁴.

Наряду с плотностью, в гидравлике используется понятие объемного веса.

Объемный вес жидкости – это вес единицы объема жидкости:

,

где G – вес однородной жидкости в объеме V, а ΔG – вес жидкости в малом объеме ΔV.

Единицы измерения объемного веса в СИ – Н/м³, в технической системе – кГ/м³, Г/см³ и т. д.

Связь плотности и объемного веса просто устанавливается из второго закона Ньютона, записанного для силы тяжести:

Сжимаемость

Сжимаемость жидкости – это свойство изменять свой объем под действием внешнего давления. Сжимаемость характеризуется коэффициентом объемной сжимаемости, который представляет собой изменение объема жидкости на единицу изменения давления, отнесенное к единице объема (относительное изменение объема):

где V – первоначальный объем жидкости, dV – изменение объема жидкости при увеличении давления на величину dp.

Коэффициент объемной сжимаемости измеряется в СИ в м²/Н (1/Па), в технической системе – в см²/кГ, м²/кГ.

Знак «минус» в формуле для коэффициента объемной сжимаемости обусловлен тем, что увеличению (положительному приращению) давления соответствует уменьшение (отрицательное приращение) объема жидкости.

В жидкостях велико внутримолекулярное давление, поэтому сжимаемость их очень мала. Например, для воды при не очень больших давлениях коэффициент объемной сжимаемости

Иначе говоря, если на воду, находящуюся при атмосферном давлении, наложить дополнительно еще такое же давление, то объем воды уменьшится на 1/21 000, то есть практически незаметно. Поэтому воду и другие жидкости обычно считают несжимаемыми и принимают их плотность постоянной и независящей от давления.

Величина, обратная коэффициенту объемной сжимаемости, называется модулем объемной упругости жидкости,

Представив в формуле для коэффициента объемной сжимаемости , где – объем после изменения давления, получаем

,

откуда

; .

Так как , где G – вес жидкости, то для плотности после изменения давления получим