ЗАВДАННЯ ДЛЯ ПІДСУМКОВОГО КОНТРОЛЮ № 20

Основні фізичні властивості рідин

Фізичні властивості рідин

Плинність

Основною властивістю рідин є плинність. Якщо до ділянки рідини, що знаходиться в рівновазі, докласти зовнішню силу, то виникає потік частинок рідини в тому напрямку, в якому ця сила прикладена: рідина тече. Таким чином, під дією неврівноважених зовнішніх сил рідина не зберігає форму і відносне розташування частин, і тому приймає форму судини, в якому знаходиться.

На відіну від пластичних твердих тіл, рідина не має межі текучості: досить прикласти як завгодно малу зовнішню силу, щоб рідина потекла.

Збереження обсягу

Одним з характерних властивостей рідини є те, що вона має певний обсяг (при незмінних зовнішніх умовах). Рідина надзвичайно важко стиснути механічно, оскільки, на відміну від газу, між молекулами дуже мало вільного простору. Тиск, вироблене на рідину, укладену в посудину, передається без зміни в кожну точку обсягу цієї рідини (закон Паскаля, справедливий також і для газів). Ця особливість, разом з дуже малою сжимаемостью, використовується в гідравлічних машинах.

Рідини зазвичай збільшують об'єм (розширюються) при нагріванні і зменшують обсяг (стискуються) при охолодженні. Втім, зустрічаються і виключення, наприклад, вода стискується при нагріванні, при нормальному тиску і температурі від 0 C до приблизно 4 C. А, наприклад, гальмівна рідина в автомобілях, стискається дуже погано.

В'язкість

Крім того, рідини (як і гази) характеризуються в'язкістю. Вона визначається як здатність чинити опір переміщенню однієї з частин щодо іншої - тобто як внутрішнє тертя.

Коли сусідні шари рідини рухаються відносно один одного, неминуче відбувається зіткнення молекул додатково до того, що обумовлено тепловим рухом. Виникають сили, загальмовують впорядкований рух. При цьому кінетична енергія впорядкованого руху переходить в теплову - енергію хаотичного руху молекул. фі

Рідина в посудині, наведена в рух і надана сама собі, поступово зупиниться, але її температура підвищиться.

Освіта вільної поверхні і поверхневий натяг

Через збереження обсягу рідина здатна утворювати вільну поверхню. Така поверхня є поверхнею розділу фаз даної речовини: по один бік знаходиться рідка фаза, по інший - газоподібна (пар), і, можливо, інші гази, наприклад, повітря.

Якщо рідка і газоподібна фази одного і того ж речовини стикаються, виникають сили, які прагнуть зменшити площу поверхні розділу - сили поверхневого натягу. Поверхня розділу поводиться як пружна мембрана, яка прагне стягтися.

Поверхневий натяг може бути пояснено притяганням між молекулами рідини. Кожна молекула притягує інші молекули, прагне "оточити" себе ними, а значить, піти з поверхні. Відповідно, поверхня прагне зменшитися.

Тому мильні бульбашки і міхури при кипінні прагнуть прийняти сферичну форму: при даному обсязі мінімальної поверхнею має кулю. Якщо на рідину діють лише сили поверхневого натягу, вона обов'язково візьме сферичну форму - наприклад, краплі води в невагомості.

Маленькі об'єкти з щільністю, більшої щільності рідини, здатні "плавати" на поверхні рідини, тому що сила тяжіння менше сили, що перешкоджає збільшенню площі поверхні. (Див. Поверхневий натяг.)

Випаровування і конденсація

Випаровування - поступовий перехід речовини з рідини в газоподібну фазу (пар).

При епловому русі деякі молекули залишають рідину через її поверхню і переходять в пару. Разом з тим, частина молекул переходить назад з пари в рідину. Якщо з рідини йде більше молекул, ніж приходить, то має місце випаровування.

Конденсація - зворотний процес, перехід речовини з газоподібного стану в рідкий. При цьому в рідину переходить з пара більше молекул, ніж у пар з рідини.

Випаровування і конденсація - нерівноважні процеси, вони відбуваються до тих пір, поки не встановиться рівновага локальне (якщо встановиться), причому рідина може повністю випаруватися, або ж прийти в рівновагу зі своїм парою, коли з рідини виходить стільки ж молекул, скільки повертається.

Кипіння

Кипіння - процес пароутворення всередині рідини. При досить високійтемпературі тиск пари стає вище тиску всередині рідини, і там починають утворюватися бульбашки пари, які (в умовах земного тяжіння) спливають наверх.

Змочування

Змочування - поверхневе явище, яке виникає при контакті рідини з твердою поверхнею у присутності пари, тобто на кордонах розділу трьох фаз.

Змочування характеризує "прилипання" рідини до поверхні і розтікання по ній (або, навпаки, відштовхування і нерастеканіе). Розрізняють три випадки: несмачіваніе, обмежене змочування і повне змочування.

Змішуваність

Змішуваність - здатність рідин розчинятися один в одному. Приклад змішуються рідин: вода і етиловий спирт, приклад незмішуваних: вода та рідке масло.

Дифузія

При знаходженні в посудині двох змішуються рідин молекули в результаті теплового руху починають поступово проходити через поверхню розділу, і таким чином рідини поступово змішуються. Це явище називається дифузією (відбувається також і в речовинах, що знаходяться в інших агрегатних станах).

Перегрів і переохолодження

Рідина можна нагріти вище точки кипіння таким чином, що кипіння не відбувається. Для цього необхідний рівномірний нагрів, без значних перепадів температури в межах обсягу і без механічних впливів, таких, як вібрація. Якщо в перегріту рідину кинути що-небудь, вона миттєво скипає. Перегріту воду легко отримати в мікрохвильової печі.

Переохолодження - охолодження рідини нижче точки замерзання без перетворення в тверде агрегатний стан. Як і для перегріву, для переохолодження необхідно відсутність вібрації і значних перепадів температури.

Хвилі щільності

Хоча рідина надзвичайно важко стиснути, тим не менш, при зміні тиску її обсяг і щільність все ж змінюються. Це відбувається не миттєво; так, якщо стискається одну ділянку, то на інші ділянки таке стиснення передається з запізненням. Це означає, що всередині рідини здатні поширюватися пружні хвилі, більш конкретно, хвилі щільності. Разом з щільністю змінюються й інші фізичні величини, наприклад, температура.

Якщо при поширенні хвилі щільність змінюється досить слабо, така хвиля називається звуковою хвилею, або звуком.

Якщо щільність змінюється досить сильно, то така хвиля називається ударною хвилею. Ударна хвиля описується іншими рівняннями.

Хвилі щільності в рідині є поздовжніми, тобто щільність змінюється вздовж напрямку поширення хвилі. Поперечні пружні хвилі в рідині відсутні через незбереження форми.

Пружні хвилі в рідині з часом затухають, їх енергія поступово переходить в теплову енергію. Причини загасання - в'язкість, "класичне поглинання", молекулярна релаксація та інші. При цьому працює так звана друга, або об'ємна в'язкість - внутрішнє тертя при зміні щільності. Ударна хвиля в результаті загасання через якийсь час переходить в звукову.

Пружні хвилі в рідині схильні також розсіювання на неоднорідностях, що виникають в результаті хаотичного теплового руху молекул.

Хвилі на поверхні

Якщо змістити ділянку поверхню рідини від положення рівноваги, то під дією повертають сил поверхня починає рухатися назад до рівноважного стану. Цей рух, однак, не зупиняється, а перетворюється в коливальний рух близько рівноважного положення і поширюється на інші ділянки. Так иникають хвилі на поверхні рідини.

Якщо повертає сила - це переважно сили тяжіння, то такі хвилі називаються гравітаційними хвилями (не плутати з хвилями гравітації). равітаційні хвилі на воді можна бачити повсюдно.

Якщо повертає сила - це переважно сила поверхневого натягу, то такі хвилі називаються капілярними.

Якщо ці сили порівнянні, такі хвилі називаються капілярно-гравітаційними.

Формально кажучи, для рівноважного співіснування рідкої фази з іншими фазами тієї ж речовини - газоподібної або кристалічної - потрібні певні умови. Так, при даному тиску потрібна строго певна температура. Тим не менш, у природі і в техніці повсюдно рідина співіснує з парою, чи також і з твердим агрегатним станом - наприклад, вода з водяною парою і часто з льодом (якщо вважати пар окремої фазою, присутньої поряд з повітрям). Це пояснюється наступними причинами.

- Неравновесное стан. Для випаровування рідини потрібен час, поки рідина не випарувалася повністю, вона співіснує з парою. У природі постійно відбувається випаровування води, також як і зворотний процес - конденсація.

- Замкнутий обсяг. Рідина в закритій посудині починає випаровуватися, але оскільки обсяг обмежений, тиск пари підвищується, він стає насиченим ще до повного випаровування рідини, якщо її кількість була досить велика. При досягненні стану насичення кількість випаровуваної рідини дорівнює кількості конденсованої рідини, система приходить в рівновагу. Таким чином, в обмеженому обсязі можуть встановитися умови, необхідні для рівноважного співіснування рідини і пари.

- Присутність атмосфери в умовах земної гравітації. На рідина діє атмосферний тиск (повітря і пар), тоді як для пара має враховуватися практично тільки його парціальний тиск. Тому рідини і пару над її поверхнею відповідають різні точки на фазовій діаграмі, в області існування рідкої фази і в області існування газоподібної відповідно. Це не скасовує випаровування, але на випаровування потрібен час, протягом якого обидві фази співіснують. Без цієї умови рідини скипав б і випаровувалися дуже швидко.

2) Теплообмін випромінюванням

Із теплопровідністю ми стикаємося щоразу, коли визначаємо на дотик ступінь нагрітості якогось тіла. Наприклад, коли опускаємо металеву ложку в гарячий чай, ложка нагрівається не відразу, а поступово. Це пояснюється тим, що вода має вищу температуру, ніж ложка, і її молекули мають більшу кінетичну енергію. Після того, як ложку опустили у воду, молекули води передали частину своєї кінетичної енергії атомам металу.

Поступово температура води і кінетична енергія її молекул зменшуватимуться, а температура ложки і кінетична енергія атомів металу збільшуватимуться аж до вирівнювання температур води і ложки.

Теплопровідність — це явище передачі внутрішньої енергії від однієї частини тіла до іншої або від одного тіла до іншого за їхнього безпосереднього контакту. Зауважимо, що за явища теплопровідності не відбувається перенесення речовини. Різні речовини мають різну теплопровідність. Так, метали краще проводять тепло, ніж дерево, тому ручки сковорідок виготовляють з дерева чи пластмас. Серед металів високу теплопровідність мають срібло і мідь.

Теплопровідність рідин менша, ніж теплопровідність металів. Добре відомо, що низьку теплопровідність мають хутро, вовна, пух, синтепон, оскільки пори в цих матеріалах заповнені повітрям і мало проводять тепло. Тому їх використовують для пошиття зимового одягу. Випромінення (променевий теплообмін), подібно до теплопровідності та конвекції, є видом теплообміну.

Випроміненням енергія може передаватися на великі відстані і не потребує наявності речовини між тілами. Яскравий приклад - випромінення Сонця, яке досягає Землі, проходячи відстань 149 000 000 км. крізь майже безповітряний простір.

Енергію випромінюють усі тіла - і сильно, і слабо нагріті. Чим вища температура тіла, тим більше енергії воно випромінює.

Якщо колбу в описаному досліді повернути до лампочки білим боком, то стовпчик рідини у трубці також з часом зміститься, але на меншу відстань. Це означає, що тіла з темною поверхнею поглинають і випромінюють енергію краще, ніж тіла зі світлою поверхнею, а тому швидше нагріваються і охолоджуються. Променевий теплообмін, як і інші види теплообміну, поширений у природі та використовується в побуті.

Поиск по сайту: