Школьная энциклопедия. Газ, жидкость и твердое тело Общие свойства жидкостей и газов физика

Газ, жидкость и твердое тело - это три состояния, в которых может находиться вещество. Эти различные состояния вещества имеют отличительные, характерные только для них, свойства.

Примерами веществ, находящихся в газообразном состоянии при определенных условиях, могут быть воздух, пары воды, чистые кислород, водород и многие другие вещества.

Молекулы в газах находятся далеко относительно друг друга, расстояния между молекулами примерно раз в десять больше самих молекул. Поэтому молекулы не взаимодействуют между собой, не устанавливается межмолекулярных связей. Молекулы беспорядочно двигаются во все стороны.

В результате газ

• не имеет формы,
• занимает весь предоставленный ему объем,
• легко сжимается и расширяется.

Если наполнить резиновый мяч воздухом, то воздух равномерно заполнит весь его объем, он не осядет внизу или не поднимется в верхнюю его часть. Он распространится именно по всему объему. Если тем же объемом воздуха заполнить мяч, который больше первого, то воздух в нем также заполнит весь объем, но будет менее плотный. Поэтому нам будет легче сжать второй мяч.

Почему же воздушная оболочка Земли - атмосфера - не «улетает» в космос, если газ старается занять весь объем? Ведь между атмосферой и космосом нет преград. Дело в том, что Земля притягивает тела к себе, в том числе и атмосферу. Если бы притяжение было слабым, то газ разлетелся бы по космосу. Так дело обстоит, например, на Луне. У нее нет атмосферы.

Молекулы жидкости (например, воды), в отличие от молекул газа, находятся близко друг к другу (можно сказать, вплотную) и взаимодействуют между собой. Однако молекулы жидкости, также как и у газа, могут свободно перемещаться.

Это обуславливает следующие свойства жидкости:

• сохраняет свой объем, а не занимает весь объем сосуда,
• принимает форму сосуда, в которой находится,
• обладает текучестью,
• очень плохо сжимается.

В отличие от жидкостей, в твердых телах молекулы чаще всего расположены упорядочено. Они не могут беспорядочно менять свое положение. Поэтому твердые тела, в отличие от жидкостей, не обладают текучестью, а сохраняют свою форму.

Однако следует сделать одну оговорку. Это так по отношению к твердым телам, чье молекулярное строение представляет собой кристаллическую решетку. Аморфные тела обладают текучестью, но намного меньшей, чем у жидкостей.

Молекулы или атомы кристаллических тел расположены друг относительно друга упорядоченно. Существует определенное «правило», по которому каждая молекула (или атом) соединяется с другими молекулами кристалла. Так молекулы могут располагаться в вершинах кубов или шестиугольников. В аморфных телах молекулы располагаются беспорядочно.

Известно, что все, что окружает человека, включая и его самого, - это тела, состоящие из веществ. Те, в свою очередь, построены из молекул, последние из атомов, а они - из еще более мелких структур. Однако окружающее разнообразие столь велико, что сложно представить даже какую-то общность. Так и есть. Соединения исчисляются миллионами, каждое из них уникально по свойствам, строению и выполняемой роли. Всего выделяют несколько фазовых состояний, по которым можно соотнести все вещества.

Агрегатные состояния веществ

Можно назвать четыре варианта агрегатного состояния соединений.

1. Газы.
2. Твердые вещества.
3. Жидкости.
4. Плазма - сильно разреженные ионизированные газы.

В данной статье мы рассмотрим свойства жидкостей, особенности их строения и возможные параметры характеристик.

Классификация жидких тел

В основу данного деления положены свойства жидкостей, их структура и химическое строение, а также типы взаимодействий между составляющими соединения частицами.

1. Такие жидкости, которые состоят из атомов, удерживающихся между собой силами Ван-дер-Ваальса. Примерами могут служить жидкие газы (аргон, метан и другие).
2. Такие вещества, которые состоят из двух одинаковых атомов. Примеры: газы в сжиженном виде - водород, азот, кислород и другие.
3. - ртуть.
4. Вещества, состоящие из элементов, связанных ковалентными полярными связями. Примеры: хлороводород, йодоводород, сероводород и прочие.
5. Соединения, в которых присутствуют водородные связи. Примеры: вода, спирты, аммиак в растворе.

Существуют и особенные структуры - типа неньютоновских жидкостей, которые обладают особыми свойствами.

Мы же рассмотрим основные свойства жидкости, которые отличают ее от всех других агрегатных состояний. В первую очередь это такие, которые принято называть физическими.

Свойства жидкостей: форма и объем

Всего можно выделить около 15 характеристик, которые позволяют описать, что же представляют собой рассматриваемые вещества и в чем заключается их ценность, особенности.

Самые первые жидкости, которые приходят на ум при упоминании этого агрегатного состояния, это способность менять форму и занимать определенный объем. Так, например, если говорить о форме жидких веществ, то общепринято считать ее отсутствующей. Однако это не так.

Под действием всем известной капли вещества подвергаются некоей деформации, поэтому их форма нарушается и становится неопределенной. Однако если поместить каплю в условия, при которых гравитация не действует или сильно ограничена, то она примет идеальную форму шара. Таким образом, получив задание: "Назовите свойства жидкостей" человек, считающий себя достаточно сведущим в физике, должен упомянуть об этом факте.

Что касается объема, то здесь следует заметить общие свойства газов и жидкостей. И те и другие способны занимать весь объем пространства, в котором находятся, ограничиваясь лишь стенками сосуда.

Вязкость

Физические свойства жидкости весьма разнообразны. Но уникальным является такое из них, как вязкость. Что это такое и чем определяется? Главные параметры, от которых зависит рассматриваемая величина, это:

• касательное напряжение;
• градиент скорости движения.

Зависимость указанных величин линейная. Если же объяснить более простыми словам, то вязкость, как и объем, - это такие свойства жидкостей и газов, которые являются для них общими и подразумевают неограниченное движение независимо от внешних сил воздействия. То есть если вода вытекает из сосуда, она будет продолжать это делать при любых воздействиях (сила тяжести, трения и прочих параметрах).

В этом состоит отличие от неньютоновских жидкостей, которые обладают большей вязкостью и могут оставлять вслед за движением дыры, заполняющиеся со временем.

От чего же будет зависеть данный показатель?

1. От температуры. С увеличением температуры вязкость одних жидкостей увеличивается, а других, наоборот, уменьшается. Это зависит от конкретного соединения и его химического строения.
2. От давления. Повышение вызывает увеличение показателя вязкости.
3. От химического состава вещества. Вязкость изменяется при наличии примесей и посторонних компонентов в навеске чистого вещества.

Теплоемкость

Этот термин определяет способность вещества поглощать определенное количество тепла для увеличения собственной температуры на один градус по Цельсию. Существуют разные соединения по данному показателю. Одни обладают большей, другие меньшей теплоемкостью.

Так, например, вода - очень хороший теплонакопитель, что позволяет ее широко использовать для систем отопления, приготовления пищи и прочих нужд. В целом, показатель теплоемкости строго индивидуален для каждой отдельно взятой жидкости.

Поверхностное натяжение

Часто, получив задание: "Назовите свойства жидкостей" сразу вспоминают о поверхностном натяжении. Ведь с ним детей знакомят на уроках физики, химии и биологии. И каждый предмет объясняет этот важный параметр со своей стороны.

Классическое определение поверхностного натяжения следующее: это граница раздела фаз. То есть в то время, когда жидкость заняла определенный объем, она снаружи граничит с газовой средой - воздухом, паром или еще каким-либо веществом. Таким образом, на месте соприкосновения возникает разделение фаз.

При этом молекулы стремятся окружить себя как можно большим числом частиц и, таким образом, приводят как бы к сжиманию жидкости в целом. Следовательно, поверхность словно натягивается. Этим же свойством можно объяснить и шарообразную форму капель жидкости при отсутствии воздействия сил тяжести. Ведь именно такая форма идеальна с точки зрения энергии молекулы. Примеры:

• мыльные пузыри;
• кипящая вода;
• капли жидкости в невесомости.

Некоторые насекомые приспособились к "хождению" по поверхности воды именно благодаря поверхностному натяжению. Примеры: водомерки, водоплавающие жуки, некоторые личинки.

Текучесть

Есть общие свойства жидкостей и твердых тел. Одно из них - текучесть. Вся разница в том, что для первых она неограниченна. В чем заключается суть этого параметра?

Если приложить внешнее воздействие к жидкому телу, то оно разделится на части и отделит их друг от друга, то есть перетечет. При этом каждая часть снова заполнит весь объем сосуда. Для твердых тел это свойство ограниченно и зависит от внешних условий.

Зависимость свойств от температуры

К таковым можно отнести три параметра, характеризующие рассматриваемые нами вещества:

• перегрев;
• охлаждение;
• кипение.

Такие свойства жидкостей, как перегревание и переохлаждение, напрямую связаны с (точками) кипения и замерзания соответственно. Перегревшейся называют жидкость, которая преодолела порог критической точки нагревания при воздействии температуры, однако внешних признаков кипения не подала.

Переохлажденной, соответственно, называют жидкость, которая преодолела порог критической точки перехода в другую фазу под воздействием низких температур, однако твердой не стала.

Как в первом, так и во втором случае есть условия для проявления таких свойств.

1. Отсутствие механических воздействий на систему (движение, вибрация).
2. Равномерная температура, без резких скачков и перепадов.

Интересен факт, что если в перегретую жидкость (например, воду) бросить посторонний предмет, то она мгновенно вскипит. Получить же ее можно нагреванием под воздействием излучения (в микроволновой печи).

Сосуществование с другими фазами веществ

Можно выделить два варианта по данному параметру.

В целом изучением взаимодействия жидкостей с соединениями в других агрегатных состояниях занимается дисциплина гидроаэромеханика.

Сжимаемость

Основные свойства жидкости были бы неполными, если бы мы не упомянули о сжимаемости. Конечно, этот параметр больше характерен для газовых систем. Однако и рассматриваемые нами также могут поддаваться сжатию при определенных условиях.

Главное отличие - это скорость процесса и его равномерность. Если газ можно сжать быстро и под небольшим давлением, то жидкости сжимаются неравномерно, достаточно долго и при специально подобранных условиях.

Испарение и конденсация жидкостей

Это еще два свойства жидкости. Физика дает им следующие объяснения:

1. Испарение - э то процесс, который характеризует постепенный переход вещества из жидкого агрегатного состояния в твердое. Происходит это под действием тепловых воздействий на систему. Молекулы приходят в движение и, меняя свою кристаллическую решетку, переходят в газообразное состояние. Процесс может происходить до тех пор, пока вся жидкость не перейдет в пар (для открытых систем). Или же до установления равновесия (для замкнутых сосудов).
2. Конденсация - процесс, противоположный выше обозначенному. Здесь пар переходит в молекулы жидкости. Так происходит до установления равновесия или полного фазового перехода. Пар отдает в жидкость большее количество частиц, чем она ему.

Типичные примеры этих двух процессов в природе - испарение воды с поверхности Мирового океана, конденсация ее в верхних слоях атмосферы, а затем выпадение в виде осадков.

Механические свойства жидкости

Данные свойства являются предметом изучения такой науки, как гидромеханика. Конкретно - ее раздела, теории механики жидкости и газа. К основным механическим параметрам, характеризующим рассматриваемое агрегатное состояние веществ, относятся:

• плотность;
• удельный вес;
• вязкость.

Под плотностью жидкого тела понимают его массу, которая содержится в одной единице объема. Данный показатель для разных соединений варьируется. Существуют уже рассчитанные и измеренные экспериментальным путем данные по этому показателю, которые занесены в специальные таблицы.

Для чего следует изучать механические свойства жидкостей? Данные знания являются важными для понимания процессов, происходящих в природе, внутри человеческого организма. Также при создании технических средств, различной продукции. Ведь - одна из самых распространенных агрегатных форм на нашей планете.

Неньютоновские жидкости и их свойства

Свойства газов, жидкостей, твердых тел - это объект изучения физики, а также некоторых смежных с ней дисциплин. Однако помимо традиционных жидких веществ, существуют еще и так называемые неньютоновские, их тоже изучает эта наука. Что они собой представляют и почему получили такое название?

Для понимания того, что собой представляют подобные соединения, приведем самые распространенные бытовые примеры:

• "лизун", которым играют дети;
• "хенд гам", или жвачка для рук;
• обычная строительная краска;
• раствор крахмала в воде и прочее.

То есть это такие жидкости, вязкость которых подчиняется градиенту скорости. Чем быстрее воздействие, тем выше показатель вязкости. Поэтому при резком ударе хенд гама об пол он превращается в совершенно твердое вещество, способное расколоться на части.

Если же оставить его в покое, то буквально через несколько минут он растечется липкой лужицей. - достаточно уникальные по свойствам вещества, которые нашли применение не только в технических целях, но и в культурно-бытовых.

Согласно классической механике газы и жидкости характеризуются как сплошные среды, в которых при равновесии касательные напряжения не возникают, так как они не обладают упругостью формы (кроме жидких пленок и поверхностных слоев жидкости). Касательные напряжения могут только вызвать изменение формы элементарных объемов тела, а не величины самих объемов. Для таких деформаций в жидкостях и газах усилий не требуется, так как в них, при равновесии, касательные напряжения не возникают.

Газы и жидкости обладают только объемной упругостью. В состоянии равновесия напряжения в них всегда нормальны к площадке, на которую они действуют, т. е.

Соответственно напряжение на площадках к координатным осям

где
– координатные орты.

После подстановки последнего выражения в (7.10), получим

Скалярно умножив правую, и левую части выражения (7.14) на
найдем, что

Р = Р х = Р у = Р z . (7.15)

Таким образом, получили закон Паскаля: в состоянии равновесия величина нормального напряжения (давления) в газах или жидкостях не зависит от ориентации площадки, на которую оно действует.

В случае газов нормальное напряжение всегда направлено внутрь газа, т. е. является давлением.

Как исключение, в жидкостях могут реализоваться натяжения (отрицательное давление), т. е. жидкость оказывает сопротивление на разрыв.

Так как обычные жидкости неоднородны, то в них напряжения также имеют характер давления. При переходе давления в натяжение происходит нарушение однородности сплошной среды. С этим положением связано то обстоятельство, что, газы обладают неограниченным расширением, т. е. полностью занимают весь объем сосуда, в котором они заключены, а жидкости характеризуются собственным объемом в сосуде.

Давление, существующее в жидкости, вызвано ее сжатием. Поэтому упругие свойства жидкостей, по отношению к малым деформациям (касательные напряжения не возникают), характеризуются коэффициентом сжимаемости

(7.16)

или модулем всестороннего сжатия

. (7.17)

Формула (7.16) справедлива и для газов. Температура жидкости при сжатии остается постоянной. Малую сжимаемость жидкости можно проверить на ряде опытов. Например, при выстреле из винтовки в сосуд с водой, он разрывается на мельчайшие осколки. Это происходит потому, что при попадании пули в воду она должна либо сжать ее на величину своего объема, либо вытеснить наверх. Но для вытеснения недостаточно времени. Поэтому происходит мгновенное сжатие – в жидкости возникает большое давление, которое и разрывает стенки сосуда. Аналогичные явления наблюдаются при взрывах глубинных бомб. Вследствие малой сжимаемости воды, в ней развиваются громадные давления, приводящие к разрушению подводных лодок.

Замечание : согласно теории «Великого Объединения» после горячего сингулярного состояния (10–20 млрд. лет назад), в первые мгновения возникновения Вселенной, за период 10  34 –10  32 с от начала расширения, решающую роль сыграла гравитация вакуума.

Свойства вакуума таковы, что вместе с плотностью энергии должны появиться и натяжения (как в упругом теле). Согласно теории, при температуре 10 27 К и выше, существовало скалярное поле, которое обладало свойствами физического вакуума У такого поля имелось огромное отрицательное давление (натяжение), равное плотности энергии всего поля. Такое поле называют «ложным вакуумом», его плотность 10 74 г/cм 3 = сonst.

В момент времени менее 10 –34 с плотность расширяющейся реальной Вселенной была больше и гравитационные свойства «ложного вакуума» не проявлялись. При t =10  34 c эти плотности стали равными. В этот момент и проявились свойства «ложного вакуума», вызвавшие стремительное расширение Вселенной при постоянной плотности «ложного вакуума». За период 10 –34 –10 –32 с размеры Вселенной увеличились в 10 50 раз.

Но состояние раздувающейся Вселенной неустойчиво. Температура и плотность обычной материи резко уменьшаются при таком темпе расширения. В это время происходит фазовый переход из состояния «ложного вакуума» с огромной плотностью в состояние, когда вся плотность массы (и энергии) переходит в плотность массы обычной материи. Это снова, привело к разогреванию вещества Вселенной до температуры 10 27 К. Такой процесс сопровождался флуктуациями плотности первичного вещества Вселенной в силу квантовой природы материи. В веществе материи возникают звуковые волны. После дальнейшей эволюции вещества материи происходит возникновение протогалактик и других космических объектов. В настоящее время размер наблюдаемой области Метагалактики составляет  10 10 световых лет, а полный размер ее  10 33 световых лет.

Жидкость - физическое тело, которое обладает свойством текучести , т. е. не имеющее способности самостоятельно сохранять свою форму.Текучесть жидкости обусловлена подвижностью молекул, составляющих жидкость.

Жидкостью называется агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным . Жидкость характеризуется следующими свойствами: 1) сохраняет объем; 2) образует поверхность; 3) обладает прочностью на разрыв; 4) принимает форму сосуда; 5) обладает текучестью. Свойства жидкости с 1) по 3) подобны свойствам твёрдых тел, а свойство 4) - свойству жидкости.

Жидкости, законы движения и равновесия которых изучаются в гидравлике (механике жидкости и жидкости ), делятся на два класса: сжимаемые жидкости или газы, почти несжимаемые - капельные жидкости.

В гидравлике рассматриваются как идеальные, так и реальные жидкости.

Идеальная жидкость - жидкость, между частицами которой отсутствуют силы внутреннего трения. Вследствие этого такая жидкость не сопротивляется касательным силам сдвига и силам растяжения. Идеальная жидкость совершенно не сжимается, она оказывает бесконечно большое сопротивление силам сжатия. Такой жидкости в природе не существует - это научная абстракция, необходимая для упрощения анализа общих законов механики применительно к жидким телам.

Реальная жидкость - жидкость, которая не обладает в совершенстве свойствами идеальной жидкости, она в некоторой степени сопротивляется касательным и растягивающим усилиям, а также отчасти сжимается. Для решения многих задач гидравлики этим отличием в свойствах идеальной и реальной жидкостей можно пренебречь. В связи с этим физические законы, выведенные для идеальной жидкости, могут быть применены к жидкостям реальным с соответствующими поправками.

Ниже кратко представлены общие сведения, касающиеся физических свойств жидкостей . Конкретные физические свойства разных жидкостей находятся в подразделах нашего сайта. Эти разделы будут постепенно пополняться новой информацией, которая, возможно, окажется полезной инженерам и конструкторам при проведении расчетов.

Плотность жидкости

Килограмм на кубический метр [кг/м 3 ] равен плотности однородного газообразного вещества , масса которого при объёме 1 м 3 равна 1 кг.

dm - масса элемента жидкости, объёмом dV;

dV - объём элемента жидкости.

Динамическая вязкость жидкости

F - сила внутреннего трения жидкости.

ΔS - площадь поверхности слоя жидкости, на которую рассчитывается сила внутреннего трения.

Величина, обратная градиенту скорости жидкости.

Паскаль-секунда [Па. с] равна динамической вязкости жидкости , касательное напряжение в которой при ламинарном течении на расстоянии 1 м по нормали к направлению скорости, равно 1 Па.

Поверхностное натяжение жидкости

dF - сила, действующая на участо контура свободной поверхности нормально к контуру и по касательной к поверхности к длине dl этого участка.

dl - длина участка поверхности жидкости.

Ньютон на метр [Н/м] равен поверхностному натяжению жидкости , создаваемому силой 1 Н, действующей на участок контура свободной поверхности длиной 1 м нормально к контуру и по касательной к поверхности.

Кинематическая вязкость жидкости

μ - динамическая вязкость жидкости;

ρ - плотность жидкости;

Квадратный метр на секунду [м 2 /с] равен кинематической вязкости жидкости с динамической вязкостью 1 Па с и плотностью 1 кг/м 3 .

Коэффициент теплопроводности жидкости

S - площадь поверхности;

Q - количество теплоты [Дж], перенесённое за время t через поверхность площадью S.

Величина, обратная градиенту температуры жидкости.

Ватт на метр-Кельвин [Вт/(м. К)] равен коэффициенту теплопроводности жидкости , в котором при стационарном режиме с поверхностной плотностью теплового потока 1 Вт/м 2 устанавливается температурный градиент 1 К/м.