Основные свойства жидкостей. Жидкие тела: примеры и свойства. Какие бывают жидкие тела Чем объясняется способность жидкостей

Вода и газ. Все они различаются по своим свойствам. Особое место в этом списке занимают жидкости. В отличие от твердых тел, в жидкостях молекулы не расположены упорядочено. Жидкость - это особое состояние вещества, являющееся промежуточным между газом и твердым телом. Вещества в этом виде могут существовать только при строгом соблюдении интервалов определенных температур. Ниже этого интервала жидкое тело превратится в твердое, а выше - в газообразное. При этом границы интервала напрямую зависят от давления.

Вода

Одним из основных примеров жидкого тела является вода. Несмотря на принадлежность к данной категории, вода может принимать форму твердого тела или газа - в зависимости от температуры окружающей среды. В процессе перехода из состояния жидкости в твердое, молекулы обычного вещества сжимаются. Но вода ведет себя совершенно иначе. При замерзании ее плотность снижается, и вместо того, чтобы тонуть, лед выплывает на поверхность. Вода в своем обычном, текучем, состоянии обладает всеми свойствами жидкости - у нее всегда имеется конкретный объем, однако, нет определенной формы.

Поэтому вода всегда сохраняет тепло под поверхностью льда. Даже если температура окружающей среды составляет -50°С, то подо льдом она все равно будет составлять около нуля. Однако в начальной школе можно не углубляться в подробности свойств воды или других веществ. В 3 классе примеры жидких тел можно приводить самые простые - и в этот список желательно включить воду. Ведь ученик начальной школы должен иметь общие представления о свойствах окружающего мира. На данном этапе достаточно знать, что вода в ее обычном состоянии является жидкостью.

Натяжение поверхности - свойство воды

Вода обладает большим, чем другие жидкости, показателем натяжения поверхности. Благодаря этому свойству образуются капли дождя, а, следовательно, и поддерживается круговорот воды в природе. Иначе пары воды не могли бы так легко превратиться в капли и пролиться на поверхность земли в виде дождя. Вода, действительно, является примером жидкого тела, от которого напрямую зависит возможность существования живых организмов на нашей планете.

Поверхностное натяжение объясняется тем, что молекулы жидкости притягиваются друг к другу. Каждая из частиц стремится окружить себя другими и уйти с поверхности жидкого тела. Именно поэтому мыльные и образующиеся при кипении воды пузыри стремятся принять жидкую форму - при этом объеме минимальной толщиной поверхности может обладать только шар.

Жидкие металлы

Однако не только привычные для человека вещества, с которым он имеет дело в повседневности, принадлежат к классу жидких тел. Среди этой категории немало различных элементов периодической системы Менделеева. Примером жидкого тела также является ртуть. Это вещество широко применяется в изготовлении электротехнических приборов, металлургии, химической промышленности.

Ртуть является жидким, блестящим металлом, испаряющимся уже при комнатной температуре. Она способна растворять серебро, золото и цинк, образуя при этом амальгамы. Ртуть является примером того, какие бывают жидкие тела, относящиеся к категории опасных для жизни человека. Ее пары токсичны, опасны для здоровья. Поражающее действие ртути проявляется, как правило, через некоторое время после контакта отравления.

Металл под названием цезий также относится к жидкостям. Уже при комнатной температуре он находится в полужидкой форме. Цезий на вид представляет собой вещество золотисто-белого оттенка. Данный металл немного похож на золото по цвету, однако, светлее его.

Серная кислота

Примером того, какие бывают жидкие тела, также являются и практически все неорганические кислоты. К примеру, серная кислота, на вид представляющая собой тяжелую маслянистую жидкость. У нее нет ни цвета, ни запаха. При нагревании она становится очень сильным окислителем. На холоде она не вступает во взаимодействие с металлами - например, железом и алюминием. Данное вещество проявляет свои характеристики только в чистом виде. Разбавленная серная кислота не проявляет окислительных свойств.

Свойства

Какие жидкие тела существуют помимо перечисленных? Это кровь, нефть, молоко, минеральное масло, алкоголь. Их свойства позволяют этим веществам легко принимать форму тары. Как и другие жидкости, эти вещества не теряют своего объема, если перелить их из одного сосуда в другой. Какие же еще свойства присущи каждому из веществ в данном состоянии? Жидкие тела и их свойства хорошо изучены физиками. Рассмотрим их основные характеристики.

Текучесть

Одна из главнейших характеристик любого тела данной категории - это текучесть. Под данным термином понимается способность тела принимать различную форму, даже если не него оказывается относительно слабое воздействие извне. Именно благодаря данному свойству каждая жидкость может разливаться струями, разбрызгиваться по окружающей поверхности каплями. Если бы тела данной категории не обладали текучестью, было бы невозможным налить воду из бутылки в стакан.

При этом данное свойство выражается у разных веществ в различной степени. Например, мед меняет форму очень медленно по сравнению с водой. Данную характеристику называют вязкостью. Это свойство зависит от внутреннего строения жидкого тела. Например, молекулы меда больше похожи на ветви дерева, а молекулы воды, скорее, напоминают шарики с небольшими выпуклостями. При движении жидкости частицы меда будто «цепляются друг за друга» - именно этот процесс и придает ему большую вязкость, нежели другим типам жидкостей.

Сохранение формы

Нужно помнить и о том, что о каком бы примере жидких тел ни шла речь, они меняют только форму, но не меняют объем. Если налить воды в мензурку, и перелить ее в другую емкость, данная характеристика не изменится, хотя и само тело примет форму нового сосуда, в который его только что перелили. Свойство сохранения объема объясняется тем, что между молекулами действуют как силы взаимного притяжения, так и отталкивающие. Нужно отметить, что жидкости практически невозможно сжать посредством внешнего воздействия за счет того, что они всегда принимают форму контейнера.

Жидкие и твердые тела отличаются тем, что последние не подчиняются Напомним, что данное правило описывает поведение всех жидкостей и газов, и заключается в их свойстве передавать оказываемое на них давление во все стороны. Однако нужно отметить, что те жидкости, которые обладают меньшей вязкостью, делают это быстрее, чем более вязкие жидкие тела. Например, если оказать давление на воду или спирт, то оно распространится достаточно быстро.

В отличие от этих веществ, давление на мед или жидкое масло будет распространяться медленнее, однако, так же равномерно. В 3 классе примеры жидких тел можно приводить без указания их свойств. Более детальные знания школьникам понадобятся в старших классах. Однако если ученик подготовит дополнительный материал, это может поспособствовать получению более высокой оценки на уроке.

Продемонстрируйте твердые тела различной формы. Обратите внимание на то, что все твердые тела имеют определенную форму, изменить которую трудно.

Вывод : сохранение объема и формы – свойство твердых тел.

В цилиндрическом стакане с делениями находится жидкость. Отметьте уровень жидкости в стакане. Затем эту жидкость последовательно перелейте в колбу, в конический стакан, в узкую высокую мензурку, а затем вновь в цилиндрический стакан с делениями.

Вывод: жидкость сохраняет объем, но легко меняет свою форму.

Повторите опыты - сжатие газа и жидкости. Газы в тысячу раз более сжимаемы, чем жидкости.

Перевяжите нитью воздушный шарик. Надуйте его и перевяжите отверстие шара нитью. Отвяжите первую нить. Воздух займет весь предоставленный ему объем.

Вывод: газы не имеют постоянного объема и собственной формы – заполняют весь предоставленный им объем.

Опыт 3. Модель пространственной решетки кристалла .

Познакомьте учащихся с особенностью строения кристаллических тел на модели пространственной решетки кристалла поваренной соли (NаCl). Для этого соберите модель и установите ее на подставке.

Обратите внимание, что шары одного цвета имитируют собой ионы натрия, а другого - ионы хлора. Каждый ион в кристалле совершает колебательное движение около некоторого среднего положения – узла. Если соединить узлы прямыми линиями, то образуется пространственная решетка аналогичная представленной модели.

Ионы чередуются между собой; они расположены на равных расстояниях друг от друга по трем взаимно перпендикулярным направлениям и образуют в пространстве правильную кубическую форму. Каждый из ионов натрия окружен шестью ионами хлора, и наоборот, каждый ион хлора – шестью ионами натрия.

Если на той или иной грани решетки выбрать одно из вертикальных или горизонтальных направлений, можно заметить, что по этим направлениям всегда будут встречаться чередующиеся ионы натрия и хлора.

Если же провести прямую линию по диагонали, на ней окажутся только шарики одного цвета, то есть ионы одного элемента.

Это наблюдение может служить основанием для объяснения анизотропии кристаллов.

Заполните таблицу.

Лабораторная работа 2

Давление твердых тел, жидкостей и газов.

Тема 1. Давление газа. Закон Паскаля.

Опыт 1.Раздувание резиновой камеры под колоколом воздушного насоса.

В резиновой камере (шарик, перчатка) оставьте небольшое количество воздуха, отверстие пережмите зажимом. Положите камеру на тарелку воздушного насоса так, чтобы она не закрывала отверстие отводной трубки тарелки, и накройте стеклянным колоколом. Соедините тарелку с насосом и выкачивайте воздух. По мере разряжения воздуха объем камеры будет увеличиваться и примет форму шара. Затем под колокол вакуумной тарелки медленно впустите воздух. Пронаблюдайте обратное явление.

Молекулы воздуха в результате своего движения непрерывно бомбардируют стенки камеры изнутри и снаружи. Пока давление воздуха с обеих сторон было одинаково, она не изменяла своей формы. При откачивании воздуха число молекул, приходящееся на единицу объема в колоколе, уменьшается по сравнению с камерой. Поэтому число ударов молекул о стенки камеры изнутри становится больше числа ударов снаружи и камера раздувается. Шарообразная форма камеры показывает, что воздух давит на стенки камеры по всем направлениям одинаково. Последнее является следствием беспорядочного движения молекул.

Опыт 2. Механическая модель газа.

В плоском прозрачном сосуде в потоке воздуха движутся поролоновые шарики, имитирующие молекулы. Обращаем внимание на беспорядочное движение «молекул». Поршень прибора поднимите выше, увеличивая объем потока воздуха, опустите ниже. Увеличивается и уменьшается скорость потока воздуха, вызывая увеличение и уменьшение скорости движения «молекул». Обратите внимание на частоту ударов «молекул» о стенки сосуда в зависимости от объема воздуха и скорости их движения.

Давление газа на стенки сосуда вызывается ударами молекул газа.

Опыт 3. Изменение давления газа при изменении его объема и температуры.

Конец стеклянной трубки с поршнем плотно закройте пробкой, в которую вставьте воронку. Широкий конец воронки предварительно затяните тонкой резиновой пленкой, которую закрепите на воронке с помощью нескольких витков прочной нити. Все соединения должны обеспечивать герметичность. Разъясните учащимся, что резиновая пленка будет служить индикатором давления воздуха.

В начале опыта давление воздуха с обеих сторон пленки одинаково, поэтому она имеет плоскую поверхность. Перемещая поршень вниз, уменьшим объем воздуха в трубке. Резиновая пленка прогибается наружу, что доказывает повышение давления в трубке.

При выдвижении поршня пленка снова становится плоской, а потом прогибается внутрь воронки, указывая на уменьшение внутреннего давления воздуха. Можно сделать вывод, что при уменьшении объема газа давление уменьшается. Изменение давления объясняется изменением числа ударов молекул о стенки сосуда.

Для демонстрации зависимости давления газа от температуры, воронку с натянутой на ней резиновой пленкой вынимают из трубки и плотно вставляют в горлышко стеклянной колбы. Воздух в колбе осторожно нагревают над пламенем спиртовки. Наблюдают, как по мере повышения температуры резиновая пленка выгибается, указывая на увеличение давления воздуха внутри колбы.

Расположите колбу над кюветой и облейте ее холодной водой. Пленка прогибается внутрь воронки. Рассматриваемое явление объясняется изменением скорости движения молекул, в результате чего изменяется сила и частота их ударов о стенки сосуда.

Опыт 4. Передача давления газами и жидкостями.

Возьмите прибор «шар Паскаля». Отвинтите шар от цилиндра прибора и выдвиньте поршень со штоком до отказа. В цилиндр налейте воду и снова приверните к нему шар. Расположив прибор над противнем, медленно вдвигайте поршень. Струи из всех отверстий шара разбрызгиваются примерно на одинаковые расстояния, что говорит об одинаковой скорости истечения воды из всех отверстий. Струи желательно осветить боковым светом. В этом случае они рельефно выделяются на темном фоне доски.

Для демонстрации передачи давления в газах можно в качестве индикатора взять зубной порошок. Отвинтив шар, насыпьте в него немного зубного порошка. Затем встряхните шар несколько раз и привинтите его к цилиндру прибора. При уменьшении объема воздуха в цилиндре при перемещении поршня струи порошка (дыма) выбиваются из отверстий шара по всем направлениям на одинаковое расстояние.

Давление, производимое на жидкость или газ, передается без изменения в каждую точку жидкости или газа.

Опыт 4. Устройство и принцип действия гидравлического пресса.

Сделайте в тетради схематический чертеж гидропресса с манометром и предохранительным клапаном. Сопоставьте основные части пресса с их схематическими изображениями на доске. Называя отдельные части прибора и их назначение, расскажите, как устроен гидравлический пресс и как взаимодействуют его отдельные части между собой. Подумайте, какие устройства в прессе предохраняют его от разрушения.

Объясните, каким образом на прессах получают большой выигрыш в силе.

Продемонстрируйте действие прибора. Установите на приборе приспособление для сгибания и разрушьте деревянный брусок шириной 30 – 40мм, длиной 25 -30 мм. Брусок укладывают в прибор так, чтобы сгибание и разрушение его происходило поперек волокон.

Тема 2. Давление в жидкости.

Опыт 1. Свободная поверхность жидкости.

В стеклянный сосуд налейте воду. Покажите, что при любых наклонах сосуда жидкость в сосуде сохраняет горизонтальное направление.

Свободной поверхностью жидкости называют ту ее поверхность, которая не соприкасается со стенками сосуда.

Опыт 2. Устройство и принцип действия уровня.

Свойство свободной поверхности жидкости располагаться на горизонтальном уровне используется в приборах для проверки горизонтальности поверхности, которые кратко называются уровнями.

Конструкции уровней могут быть различны. Продемонстрируйте различные модели уровней.

Опыт 3. Сила давления жидкости на дно сосуда.

Натяните нить и прижмите пластинку к нижней пришлифованной кромке цилиндра. Затем опустите цилиндр с прижатым к нему донышком в сосуд с водой и отпустите нить. Обратите внимание на то, что на донышко со стороны жидкости действует сила давления, направленная снизу вверх, поэтому оно не отпадает от цилиндра.

Для определения величины этой силы медленно начните наливать подкрашенную воду цилиндр. По мере наполнения цилиндра водой увеличивается сила давления жидкости на дно цилиндра направленная сверху вниз. Как только уровни воды в сосуде и цилиндре станут одинаковыми, донышко отпадет. Сила давления воды на дно снизу равна весу столба жидкости в цилиндре, дно отпадает вследствие действия на него силы тяжести.

Опыт 4. Давление жидкости на стенки сосуда.

Возьмите цилиндр с боковыми отверстиями. Отверстия можно закрыть, например, спичками. Заполните цилиндр водой. Быстро выньте спички из отверстий в цилиндре. Обратите внимание на то, что, чем ниже отверстие, тем с большей скоростью и дальше вытекает из него струя, то есть тем больше давление воды у отверстия. Во время опыта желательно все время подливать воду в цилиндр.

Жидкость оказывает давление не только на дно, но и на стенки сосуда. Это давление зависит от высоты столба жидкости.

Опыт 5. Сила давления жидкости на дно не зависит от формы сосуда.

Рассмотрите устройство прибора Паскаля. Он состоит из основания, на котором укреплена кольцеобразная оправа с резьбой. Оправа затянута снизу тонкой резиновой пленкой, опирающейся на круглую пластинку, соединенную рычагом с легкоподвижной стрелкой.

К прибору прилагаются три сосуда разной формы и объема, но с одинаковой площадью основания.

На каждом сосуде имеется резьба, с помощью которой он устанавливается на приборе.

Закрепите в оправе цилиндрический сосуд и налейте в него воду на высоту 2 см ниже верхней кромки. Уровень воды в сосуде отметьте перемещающимся по стержню указателем, а место стрелки на шкале специальным указателем. Через сливной кран вылейте воду.

Установите в оправу по очереди сосуды другой формы. Убедитесь, что воды приходится брать значительно больше или меньше, чем для цилиндрического сосуда, а стрелка каждый раз устанавливается в одном и том же положении на шкале, когда уровень воды в сосудах поднимался до отмеченного в первом случае. В этом и заключается «парадокс» Паскаля или гидростатический парадокс.

Тема 3. Сообщающиеся сосуды.

Опыт 1. Две прозрачные трубки соедините шлангом с зажимом. В одну из трубок налейте подкрашенную воду. Снимите зажим. Вода из одной трубки пепетекает в другую до тех пор, пока поверхности воды в обеих трубках не сравняются.

Сосуды, в которых жидкость может свободно перетекать из одного сосуда в другой, называются сообщающимися.Измените положение одной трубки относительно другой. Убедитесь, что свободные поверхности покоящейся жидкости в сообщающихся сосудах любой формы находятся на одном уровне.

Опыт 2. Повторите опыт 1, но в одну из трубок в начале опыта налейте воду, а в другую насыщенный подкрашенный раствор поваренной соли или керосин. После снятия зажима убедитесь в том, что уровни жидкости в трубках окажутся разными.

Свободные поверхности покоящихся неоднородных жидкостей находятся на разных уровнях.

Опыт 3. Устройство и принцип действия водопровода.

При изучении устройства и действия водопровода обратите внимание на то, что техническое сооружение обычно состоит из двух основных частей, имеющих различное назначение.

Одна часть водопровода – это насос или насосная станция, задача которой заключается в перекачивании воды из источника (реки или специальных скважин) в водонапорный резервуар, располагающийся в самой высокой части района, куда подается вода. Вторая часть водопровода состоит из этого водонапорного резервуара и сети больших и малых труб, по которым вода поступает к потребителю. Последняя часть действует по принципу сообщающихся сосудов и легко демонстрируется на простой самодельной модели.

Соберите установку модели водопровода, изображенную на рисунке. Налейте слегка подкрашенную воду из стакана в воронку, изображающую водонапорный бак. Откройте верхний кран, чтобы дать возможность выйти воздуху, и пронаблюдайте, как вода из воронки поступает в нижнюю магистральную трубу. Из этой трубы вода входит во вторую, вертикальную трубу, изображающую стояк в здании, из которого идут по этажам два ответвления, снабженных кранами.

Опыт 4. Устройство и принцип действия фонтана.

Соберите установку изображенную на рисунке. Наливая воду в воронку, медленно опустите резиновую трубку со стеклянным наконечником вниз. Убедитесь в том, что, когда его верхний край окажется немного ниже уровня воды в воронке, вода начинает выливаться из наконечника.

Опустите наконечник вниз до противня и зажмите в лапке штатива. Пронаблюдайте, как вытекающая струя начинает бить из отверстия наконечника. Не забудьте при этом все время подливать воду в воронку.

Опыт 5. На принципе сообщающихся сосудов устроены водомерные трубки для баков с водой.

Такие трубки имеются, например, на умывальных баках в железнодорожных вагонах. В открытой стеклянной трубке, присоединенной к баку, вода стоит всегда на том же уровне, что и в самом баке.

Если водомерная трубка устанавливается на паровом котле, то верхний конец трубки соединяется с верхней частью котла, наполненной паром. Это делается для того, чтобы давление на свободной поверхности воды в котле и в водомерной трубке было одинаковым. Тогда уровень воды в трубке находится на той же высоте, что и уровень воды в котле.

Тема 4. Вес воздуха. Атмосферное давление.

Опыт 1. Возьмите стеклянный цилиндр с поршнем от шара Паскаля. Открытый конец трубки, к которому подведен поршень, погрузите в подкрашенную воду на 3 – 4 см, а затем медленно поднимите поршень. Вода под действием внешнего атмосферного давления поднимается вверх за поршнем.

Опыт 2. Вес воздуха.

Шар для взвешивания воздуха уравновесьте на весах. Затем откачайте воздух из шара. Равновесие весов нарушилось. Сделайте вывод.

Опыт 3. Фонтан в разряженном пространстве.

Возьмите стеклянный сосуд, отверстие которого закрыто резиновой пробкой, сквозь отверстие которой пропустите стеклянную трубку с оттянутым концом. Другой конец трубки соедините с винтовым или пружинным зажимом.

После откачивания воздуха насосом, прибор закрепите в штативе, отпустите резиновый патрубок в сосуд с подкрашенной водой и отпустите зажим.

Благодаря атмосферному давлению вода будет с силой входить через узкое отверстие внутрь прибора, образуя фонтан.

Опыт 4. Действие ливера или пипетки.

Опустите ливер в стеклянный сосуд с подкрашенной водой. Вода в ливере и сосуде находится на одном уровне. Закройте пальцем верхнее отверстие ливера и выньте его из сосуда. Вода удерживается в ливере вследствие атмосферного давления.

Затем приоткройте верхнее отверстие трубки. Воздух получает доступ в ливер, и вода из него выливается.

В процессе объяснения действия ливера надо показать, что ливером можно брать пробу жидкости с различной глубины.

Продемонстрируйте действие пипетки. Объясните наблюдаемые явления.

Опыт 5. Вода не выливается из сосуда с отверстиями в дне.

С помощью тонкой проволоки или шила покажите учащимся, что в сосуде есть отверстия. Затем сосуд погрузите в воду. Как только он наполнится водой, отверстие в крышке закройте пальцем, поднимите прибор и расположите его над противнем. Вода не выливается через отверстия: она поддерживается внешним атмосферным давлением. После этого откройте отверстие в крышке и пронаблюдайте обильный «душ», образованный многочисленными струйками воды.

Опыт 6. Опыт Торричелли.

Познакомьтесь с описанием опыта в учебнике физики для 7 класса. Сделайте записи в тетради по плану: историческая справка; цель проведения опыта; схема экспериментальной установки; основные этапы проведения опыта; результаты опыта; выводы.

Тема 5. Действие жидкости и газа на погруженное в них тело. Закон Архимеда.

Опыт 1. Действие жидкости и газа на погруженное тело.

Убедитесь в том, что на тело, находящееся в жидкости или газе действует выталкивающая сила, направленная противоположно силе тяжести, приложенной к этому телу.

Подвесьте тело на резиновом жгуте. Жгут растянулся под действием веса тела.

Опустите тело в сосуд с водой. Длина шнура значительно сократилась. Опыт можно провести с пружиной от ведерка Архимеда. В качестве тела целесообразно взять крупный картофель.

Стеклянный шар, уравновешенный на весах, поместите внутрь открытого сосуда. Сосуд наполните углекислым газом, который можно получить с помощью аппарата Кипа. Равновесие весов нарушается. Сделайте вывод.

Опыт 2. Предложите варианты опытов, которые необходимо продемонстрировать для выяснения зависимости выталкивающей силы от массы тела; плотности жидкости; плотности вещества, из которого сделано тело; глубины погружения тела в жидкость; формы тела; объема тела. Выполните опыты. Сделайте вывод.

Опыт 3. Закон Архимеда.

Покажите, что емкость ведерка равна объему груза в виде цилиндра. Для этого вложите цилиндр в ведерко. Обратите внимание, что между стенками ведерка и цилиндром нет зазора.

К пружине динамометра, зажатого в лапке штатива, подвесьте ведерко, а за ним на тонкой проволочке - груз. Под действием веса груза пружина деформируется.

Отметьте положение диска на пружине передвижной стрелкой.

Опустите цилиндр полностью в сосуд с водой. Указатель растяжения пружины переместится вверх и расположится выше стрелки.

Объясните учащимся, что сила, выталкивающая тело из жидкости, будет равна весу такого добавочного груза, который возвратил бы диск – указатель на прежнее место, то есть к стрелке.

Возьмите стакан с водой и медленно налейте ее в ведерко. Благодаря весу воды пружина вновь растягивается и диск, опускаясь вниз, приходит к указателю. Как только диск достигнет стрелки, вода начинает выливаться из ведерка.

Можно сделать вывод: сила, выталкивающая погруженное в жидкость тело, равна весу жидкости в объеме этого тела.

Тема 6. Плавание тел. Плавание судов. Воздухоплавание.

Самая распространенная на Земле жидкость - вода: моря и океаны покрывают примерно 7/10 поверхности земного шара.

Главные свойства жидкости. Мы установим их на опыте, который хорошо знаком вам из житейской практики.

Поставим опыт

Переливая воду из одного сосуда в другой, мы увидим, что жидкость всегда принимает форму сосуда (рис. 7.4). Используя измерительные сосуды, можно заметить также, что жидкость сохраняет свой объем.

Рис. 7.4. Жидкость принимает форму сосуда, сохраняя свой объем

Где используют свойство жидкости принимать форму сосуда?

Мы уже отмечали, что жидкости практически несжимаемы. О том, насколько трудно сжать жидкость, говорит такой опыт. Толстостенную свинцовую сферу заполнили доверху водой через небольшое отверстие, запаяли это отверстие и ударили по сфере молотом. И вода просочилась сквозь металл: на поверхности свинца выступили капли воды.

Как объясняются свойства жидкостей? На рис. 7.5 схематически показано расположение молекул в жидкости. Мы видим, что (молекулы в жидкости расположены вплотную друг к другу, но в этом расположении нет определенного порядка.

Рис. 7.5. Схематическое изображение молекулярного строения жидкости

«Тесное» расположение молекул в жидкости объясняет ее малую сжимаемость.

А почему жидкость принимает форму сосуда? Дело в том, что из-за отсутствия порядка в расположении молекул они при хаотическом движении часто меняются местами друг с другом. Эти частые «перескоки» молекул приводят к тому, что форма жидкости может меняться очень быстро - настолько быстро, что мы говорим: жидкость течет. Текучестью жидкости и объясняется то, что она принимает форму сосуда, в который она налита. Впрочем, жидкость имеет и свою форму (см. далее раздел «Почему капли круглые?»).

Как правило, вещество в жидком состоянии имеет только одну модификацию. (Наиболее важные исключения - это квантовые жидкости и жидкие кристаллы .) Поэтому в большинстве случаев жидкость является не только агрегатным состоянием, но и термодинамической фазой (жидкая фаза).

Все жидкости принято делить на чистые жидкости и смеси . Некоторые смеси жидкостей имеют большое значение для жизни: кровь , морская вода и др. Жидкости могут выполнять функцию растворителей .

Физические свойства жидкостей

• Текучесть

Основным свойством жидкостей является текучесть. Если к участку жидкости, находящейся в равновесии, приложить внешнюю силу , то возникает поток частиц жидкости в том направлении, в котором эта сила приложена: жидкость течёт. Таким образом, под действием неуравновешенных внешних сил жидкость не сохраняет форму и относительное расположение частей, и поэтому принимает форму сосуда, в котором находится.

В отличие от пластичных твёрдых тел, жидкость не имеет предела текучести : достаточно приложить сколь угодно малую внешнюю силу, чтобы жидкость потекла.

• Сохранение объёма

Одним из характерных свойств жидкости является то, что она имеет определённый объём (при неизменных внешних условиях). Жидкость чрезвычайно трудно сжать механически, поскольку, в отличие от газа , между молекулами очень мало свободного пространства. Давление, производимое на жидкость, заключенную в сосуд, передаётся без изменения в каждую точку объёма этой жидкости (закон Паскаля , справедлив также и для газов). Эта особенность, наряду с очень малой сжимаемостью, используется в гидравлических машинах.

Жидкости обычно увеличивают объём (расширяются) при нагревании и уменьшают объём (сжимаются) при охлаждении. Впрочем, встречаются и исключения, например, вода сжимается при нагревании, при нормальном давлении и температуре от 0°С до приблизительно 4°С.

• Вязкость

Кроме того, жидкости (как и газы) характеризуются вязкостью . Она определяется как способность оказывать сопротивление перемещению одной из части относительно другой - то есть как внутреннее трение.

Когда соседние слои жидкости движутся относительно друг друга, неизбежно происходит столкновение молекул дополнительно к тому, которое обусловлено тепловым движением . Возникают силы, затормаживающие упорядоченное движение. При этом кинетическая энергия упорядоченного движения переходит в тепловую – энергию хаотического движения молекул.

Жидкость в сосуде, приведённая в движение и предоставленная самой себе, постепенно остановится, но её температура повысится.

• Образование свободной поверхности и поверхностное натяжение

Из-за сохранения объёма жидкость способна образовывать свободную поверхность. Такая поверхность является поверхностью раздела фаз данного вещества: по одну сторону находится жидкая фаза, по другую - газообразная (пар), и, возможно, другие газы, например, воздух.

Если жидкая и газообразная фазы одного и того же вещества соприкасаются, возникают силы, которые стремятся уменьшить площадь поверхности раздела - силы поверхностного натяжения. Поверхность раздела ведёт себя как упругая мембрана, которая стремится стянуться.

Поверхностное натяжение может быть объяснено притяжением между молекулами жидкости. Каждая молекула притягивает другие молекулы, стремится "окружить" себя ими, а значит, уйти с поверхности. Соответственно, поверхность стремится уменьшится.

Поэтому мыльные пузыри и пузыри при кипении стремятся принять сферическую форму: при данном объёме минимальной поверхностью обладает шар. Если на жидкость действуют только силы поверхностного натяжения, она обязательно примет сферическую форму - например, капли воды в невесомости.

Маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила тяготения меньше силы, препятствующей увеличению площади поверхности. (См. Поверхностное натяжение .)

• Испарение и конденсация

• Диффузия

При нахождении в сосуде двух смешиваемых жидкостей молекулы в результате теплового движения начинают постепенно проходить через поверхность раздела, и таким образом жидкости постепенно смешиваются. Это явление называется диффузией (происходит также и в веществах, находящихся в других агрегатных состояниях).

• Перегрев и переохлаждение

Жидкость можно нагреть выше точки кипения таким образом, что кипения не происходит. Для этого необходим равномерный нагрев, без значительных перепадов температуры в пределах объёма и без механических воздействий, таких, как вибрация. Если в перегретую жидкость бросить что-либо, она мгновенно вскипает. Перегретую воду легко получить в микроволновой печи .

Переохлаждение - охлаждение жидкости ниже точки замерзания без превращения в твёрдое агрегатное состояние . Как и для перегрева, для переохлаждения необходимо отсутствие вибрации и значительных перепадов температуры.

• Волны плотности

Хотя жидкость чрезвычайно трудно сжать, тем не менее, при изменении давления её объем и плотность всё же меняются. Это происходит не мгновенно; так, если сжимается один участок, то на другие участки такое сжатие передаётся с запаздыванием. Это означает, что внутри жидкости способны распространятся упругие волны , более конкретно, волны плотности. Вместе с плотностью меняются и другие физические величины, например, температура.

Если при распространении волны́ плотность меняется достаточно слабо, такая волна называется звуковой волной, или звуком .

Если плотность меняется достаточно сильно, то такая волна называется ударной волной . Ударная волна описывается другими уравнениями.

Волны плотности в жидкости являются продольными, то есть плотность меняется вдоль направления распространения волны. Поперечные упругие волны в жидкости отсутствуют из-за несохранения формы.

Упругие волны в жидкости со временем затухают, их энергия постепенно переходит в тепловую энергию. Причины затухания - вязкость, "классическое поглощение", молекулярная релаксация и другие. При этом работает так называемая вторая, или объёмная вязкость – внутреннее трение при изменении плотности. Ударная волна в результате затухания через какое-то время переходит в звуковую.

Упругие волны в жидкости подвержены также рассеянию на неоднородностях, возникающих в результате хаотического теплового движения молекул.

• Волны на поверхности

Если сместить участок поверхность жидкости от положения равновесия, то под действием возвращающих сил поверхность начинает двигаться обратно к равновесному положению. Это движение, однако, не останавливается, а превращается в колебательное движение около равновесного положения и распространяется на другие участки. Так возникают волны на поверхности жидкости .

Если возвращающая сила - это преимущественно силы тяжести, то такие волны называются гравитационными волнами (не путать с волнами гравитации). Гравитационные волны на воде можно видеть повсеместно.

Если возвращающая сила - это преимущественно сила поверхностного натяжения, то такие волны называются капиллярными.

Если эти силы сопоставимы, такие волны называются капиллярно-гравитационными.

Волны на поверхности жидкости звтухают под действием вязкости и других факторов.

• Сосуществование с другими фазами

Формально говоря, для равновесного сосуществования жидкой фазы с другими фазами того же вещества - газообразной или кристаллической - нужны строго определённые условия. Так, при данном давлении нужна строго определённая температура. Тем не менее, в природе и в технике повсеместно жидкость сосуществует с паром, или также и с твёрдым агрегатным состоянием - например, вода с водяным паром и часто со льдом (если считать пар отдельной фазой, присутствующей наряду с воздухом). Это объясняется следующими причинами.

Неравновесное состояние. Для испарения жидкости нужно время, пока жидкость не испарилась полностью, она сосуществует с паром. В природе постоянно происходит испарение воды, также как и обратный процесс - конденсация.

Замкнутый объём. Жидкость в закрытом сосуде начинает испаряться, но поскольку объём ограничен, давление пара повышается, он становится насыщенным ещё до полного испарения жидкости, если её количество было достаточно велико. При достижении состояния насыщения количество испаряемой жидкости равно количеству конденсируемой жидкости, система приходит в равновесие. Таким образом, в ограниченном объёме могут установиться условия, необходимые для равновесного сосуществования жидкости и пара.

Присутствие атмосферы в условиях земной гравитации. На жидкость действует атмосферное давление (воздух и пар), тогда как для пара должно учитываться практически только его парциальное давление . Поэтому жидкости и пару над её поверхностью соответствуют разные точки на фазовой диаграмме, в области существования жидкой фазы и в области существования газообразной соответственно. Это не отменяет испарения, но на испарение нужно время, в течение которого обе фазы сосуществуют. Без этого условия жидкости вскипали бы и испарялись очень быстро.

Теория

Механика

Изучению движения и механического равновесия жидкостей и газов и их взаимодействию между собой и с твёрдыми телами посвящён раздел механики - гидроаэромеханика (часто называется также гидродинамикой). Гидроаэромеханика - часть более общей отрасли механики, механики сплошной среды .

Гидромеханика - это раздел гидроаэромеханики, в котором рассматриваются несжимаемые жидкости. Поскольку сжимаемость жидкостей очень мала, во многих случаях ей можно пренебречь. Изучению сжимаемых жидкостей и газов посвящена газовая динамика .

Гидромеханика подразделяется на гидростатику , в которой изучают равновесие несжимаемых жидкостей, и гидродинамику (в узком смысле), в которой изучают их движение.

Движение электропроводных и магнитных жидкостей изучается в магнитной гидродинамике . Для решения прикладных задач применяется гидравлика .

Основной закон гидростатики - закон Паскаля .

2. Жидкости из двухатомных молекул, состоящих из одинаковых атомов (жидкий водород , жидкий азот). Такие молекулы обладают квадрупольным моментом .

4. Жидкости, состоящие из полярных молекул, связанных диполь-дипольным взаимодействием (жидкий бромоводород).

5. Ассоциированные жидкости, или жидкости с водородными связями (вода , глицерин).

6. Жидкости, состоящие из больших молекул, для которых существенны внутренние степени свободы .

Жидкости первых двух групп (иногда трёх) обычно называют простыми. Простые жидкости изучены лучше других, из непростых жидкостей наиболее хорошо изучена вода. В эту классификацию не входят квантовые жидкости и жидкие кристаллы , которые представляют собой особые случаи и должны рассматриваться отдельно.

Статистическая теория

Наиболее успешно структура и термодинамические свойства жидкостей исследуются с помощью уравнения Перкуса-Йевика.

Если воспользоваться моделью твёрдых шаров, то есть считать молекулы жидкости шарами с диаметром d , то уравнение Перкуса-Йевика можно решить аналитически и получить уравнение состояния жидкости:

где n - число частиц в единице объёма, - безразмерная плотность. При малых плотностях это уравнение переходит в уравнение состояния идеального газа : . Для предельно больших плотностей, , получается уравнение состояния несжимаемой жидкости: .

Модель твёрдых шаров не учитывает притяжение между молекулами, поэтому в ней отсутствует резкий переход между жидкостью и газом при изменении внешних условий.

Если нужно получить более точные результаты, то наилучшее описание структуры и свойств жидкости достигается с помощью теории возмущений . В этом случае модель твёрдых шаров считается нулевым приближением, а силы притяжения между молекулами считаются возмущением и дают поправки.

Кластерная теория

Одной из современных теорий служит «Кластерная теория» . В её основе заключена идея, что жидкость представляется как сочетание твёрдого тела и газа. При этом частицы твёрдой фазы (кристаллы, двигающиеся на короткие расстояния) располагаются в облаке газа, образуя кластерную структуру . Энергия частиц отвечает распределению Больцмана , средняя энергия системы при этом остаётся постоянной (при условии её изолированности). Медленные частицы сталкиваются с кластерами и становятся их частью. Так непрерывно изменяется конфигурация кластеров, система находится в состоянии динамического равновесия. При создании внешнего воздействия система будет вести себя согласно принципу Ле Шателье . Таким образом, легко объяснить фазовое превращение:

• При нагревании система постепенно превратится в газ (кипение)
• При охлаждении система постепенно превратится в твёрдое тело (замерзание).

Экспериментальные методы изучения

Структуру жидкостей изучают с помощью методов рентгеновского структурного анализа , электронографии и нейтронографии .

См. также

• Особенности поверхостного слоя жидкости

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Жидкости" в других словарях:

ЖИДКОСТИ - ЖИДКОСТИ, С физ. точки зрения можно считать жидкостью вещество, молекулы которого легко могут быть перемещаемы по отношению друг друга, при чем затрата сил на это перемещение является незначительной. Ж. играют огромную роль в биол. явлениях, при … Большая медицинская энциклопедия

Тела, характеризующиеся, как и газы, способностью течь (см. Вязкость), особой подвижностью частиц и в то же время обладающие определенным, ограниченным собственной поверхностью тела объемом. Последнее свойство сближает Ж. с твердыми телами. Объем … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

В ва в конденсированном агрегатном состоянии, промежуточном между твёрдым и газообразным. В во находится в состоянии Ж. при давлениях, болъших давления в тройной точке, и при темп pax, заключ. в интервале от темп ры кристаллизации до темп ры… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Жидкости - вещества в конденсированном агрегатном состоянии, промежуточном между твердым (сохранение объема, прочность на разрыв) и газообразным (изменчивость формы). Для жидкости характерен ближний порядок в расположении частиц (молекул, атомов), т. е.… … Начала современного естествознания

ЖИДКОСТИ - Вещества, давление насыщенных паров которых при температуре 25°С и давлении 101,3 кПа меньше 101,3 кПа. К жидкостям относят также твердые плавящиеся вещества, температура плавления или каплепадения которых меньше 50°С. ГОСТ 12.1.044 89 … Комплексное обеспечение безопасности и антитеррористической защищенности зданий и сооружений