П 2.1. Конденсированное состояние. Кинематика и динамика жидкостей
Жидкость – агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным состояниями.
Чистые жидкости по химическому составу – однокомпонентные жидкости.
Жидкие смеси (растворы) по химическому составу – двух–или многокомпонентные жидкости.
Нормальные (обычные) жидкости – однородные макроскопические и изотропные жидкости. При отсутствии внешних воздействий обладают только одной жидкой фазой.
Квантовые жидкости– жидкости, которые могут находиться в нормальной и одной или нескольких анизотропных фазах.
Простые жидкости– жидкости, состоящие из сферически симметричных молекул, между которыми действуют силы Ван дер Ваальса, не имеющие какого-либо преимущественного направления и обладающие наиболее простыми свойствами.
Ближний порядок – упорядоченное расположение по отношению к любой молекуле ближайших к ней соседей.
Зависимость между временемtодного колебания молекулы относительно данного положения и временем "оседлой" жизниt0:
где U – «потенциальный барьер», численно равный разности энергий молекулы в двух возможных областях ее колебаний, разделяющий две возможные области колебаний молекулы);
Т – температура жидкости;
k – постоянная Больцмана.
Число молекул жидкости в некотором сферическом слое толщинойdrна расстоянииrот произвольно выбранной молекулы:
,
где n0=N/V – число молекул в единице объема жидкости;
F(r) – радиальная функция распределения, которая определяет вероятность нахождения некоторой молекулы жидкости в какой-либо точке ее объема.
Вязкость – свойство жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Определяется их молекулярным составом и строением.
Основной закон вязкого течения (закон Ньютона):
,
где dv/dz – градиент скорости в направлении z;
S – площадь слоя, по которому происходит сдвиг;
h – коэффициент динамической вязкости, который характеризует сопротивление жидкости смещению ее слоев.
Зависимость коэффициента вязкости жидкостей от температуры:
,
где U – энергия, необходимая для перехода молекулы жидкости из одного равновесного состояния в другое.
Кинематическая вязкость– отношение динамической вязкости к плотности жидкости:
n=h/r.
Текучесть жидкостей– свойство, обратное вязкости, обусловлено той свободой движения молекул в объеме, которая еще допускается силами сцепления между ними.
Коэффициент текучести (или текучесть):
j=1/h.
Сжимаемость– способность жидкости изменять свой объем под действием всестороннего давления.
Коэффициент сжимаемости – выражает уменьшение единичного объема (или плотности) при увеличении давления на единицу:
,
где DV, Dρ – изменение первоначального объема и первоначальной плотности жидкости при изменении давления на Dp.
Уравнение состояния жидкости (с определенной степенью точности):
.
Сфера действия молекулярных сил – область, в которой расположены взаимодействующие молекулы, в центре которой находится рассматриваемая молекула (R~10-9 м).
Экспериментальный закон зависимости объема жидкости от температуры:
Vt=V0(1+at),
где a – коэффициент объемного расширения, который определяется соотношением:
.
Связь коэффициентов сжимаемости и объемного расширения жидкостей:
.
Поверхностное натяжение – мера некомпенсированности межмолекулярных сил в поверхностном (межфазном) слое.
Работа dA по изменению поверхности жидкости наdS совершается за счет изменения потенциальной энергии поверхностного слоя (поверхностной энергии жидкости) dWps:
dA=-dWps=-s×dS,
где «минус» показывает, что увеличение поверхности жидкости сопровождается совершением работы;
s – коэффициент поверхностного натяжения, который характеризует свойства поверхности жидкости и показывает, какую работу необходимо совершить, чтобы увеличить поверхность жидкости на единицу.
Работа по изменению поверхности жидкости, совершаемая внешними силами:
dA=–F×dx=-s×dS=-sℓ×dx,
где ℓ – длина контура, охватывающего поверхность жидкости;
dx – смещение границы поверхностного слоя;
F – сила поверхностного натяжения;
s – коэффициент поверхностного натяжения, который численно равен силе поверхностного натяжения, стремящейся изменить длину контура, охватывающего поверхность жидкости, на единицу.
Зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры:
,
где r=dQ/dS – количество тепла, затраченное на изменение поверхности пленки на единицу.
Полное молекулярное давление в поверхностном слое жидкости:
p=p0±Dp,
где p0 – молекулярное давление жидкости с плоской поверхностью;
Dp – дополнительное давление, возникающее за счет кривизны поверхности жидкости;
знак «+» – соответствует выпуклой поверхности;
знак «-» – соответствует вогнутой поверхности.
Формула Лапласа для дополнительного давления (для капли, которая полностью заполнена жидкостью, или для пузырька внутри жидкости) в случае:
1) произвольной поверхности
,
где R1 и R2 – радиусы кривизны поверхностного слоя жидкости;
Сферической поверхности
,
где R – радиус сферы;