Podstawowe właściwości cieczy

Ciecz jest substancją, która jest w stanie skupienia, która jest pośrednia między substancją stałą i gazową. Co więcej, jego stan, podobnie jak w przypadku ciał stałych, podlega kondensacji, czyli implikuje wiązanie między cząsteczkami (atomami, cząsteczkami, jonami). Płyn ma właściwości, które zasadniczo odróżniają go od substancji znajdujących się w innych stanach skupienia. Głównym z nich jest możliwość wielokrotnej zmiany kształtu pod wpływem stres mechaniczny bez utraty objętości. Dzisiaj dowiemy się, jakie właściwości mają ciecze i na czym one polegają.

Ogólna charakterystyka

Gaz nie zatrzymuje objętości i kształtu, ciało stałe zachowuje oba, a drugi, a ciecz zachowuje tylko objętość. Dlatego stan ciekły agregacji jest uważany za pośredni. Powierzchnia cieczy jest pozą elastycznej membrany i określa jej kształt. Cząsteczki takich ciał z jednej strony nie mają określonej pozycji, az drugiej nie mogą uzyskać pełnej swobody ruchu. Mogą zbierać się w krople i płynąć pod własną powierzchnią. Istnieje pewna atrakcyjność między cząsteczkami płynu, która wystarcza, aby utrzymać je z niewielkiej odległości.

Substancja znajduje się w stanie ciekłym w pewnym zakresie temperatur. Jeśli temperatura spadnie poniżej, nastąpi przemiana w postać stałą (krystalizacja), a jeśli wzrośnie ona wyżej, do postaci gazowej (odparowanie). Granice tego przedziału dla tego samego płynu mogą się różnić w zależności od ciśnienia. Na przykład w górach, gdzie ciśnienie jest znacznie niższe niż na równinach, woda wrze w niższej temperaturze.

Zwykle ciecz ma tylko jedną modyfikację, dlatego jest zarówno stanem skupienia, jak i fazą termodynamiczną. Wszystkie płyny są podzielone na czyste substancje i mieszaniny. Niektóre z tych mieszanek mają kluczowe znaczenie w życiu człowieka: krew, wodę morską i inne.

Rozważ podstawowe właściwości cieczy.

Płynność

Ciecz różni się od innych substancji przede wszystkim płynnością. Jeżeli zostanie przyłożona do niego siła zewnętrzna, strumień cząstek pojawia się w kierunku jego zastosowania. Tak więc, gdy wystawiony jest na działanie zewnętrznych niezrównoważonych sił, płyn nie jest zdolny do zachowania kształtu i względnego położenia cząstek. Z tego samego powodu przyjmuje postać naczynia, do którego spada. W przeciwieństwie do litych plastikowych ciał, ciecze nie mają granicy plastyczności, to znaczy płyną przy najmniejszym wyjściu ze stanu równowagi.

Zachowanie objętości

Jedną z charakterystycznych właściwości fizycznych cieczy jest zdolność zachowania objętości pod działaniem mechanicznym. Są niezwykle trudne do kompresji ze względu na dużą gęstość cząsteczek. Zgodnie z prawem Pascala ciśnienie wytwarzane na cieczy zamkniętej w naczyniu, bez zmiany, jest przenoszone do każdego punktu jego objętości. Wraz z minimalną ściśliwością ta funkcja jest szeroko stosowana w hydraulice. Większość płynów zwiększa objętość po ogrzaniu i zmniejsza się po ochłodzeniu.

Lepkość

Wśród głównych właściwości cieczy, podobnie jak w przypadku gazów, warto zauważyć lepkość. Lepkość odnosi się do zdolności cząstek do przeciwstawiania się ruchowi względem siebie, to jest tarciu wewnętrznemu. Podczas przesuwania sąsiednich warstw cieczy względem siebie, dochodzi do nieuniknionego zderzenia cząsteczek i powstają siły, które hamują uporządkowany ruch. Energia kinetyczna uporządkowany ruch jest przekształcany w energię cieplną chaotycznego ruchu. Jeśli płyn umieszczony w naczyniu zostanie przesunięty, a następnie pozostawiony sam, wówczas stopniowo się zatrzyma, ale jego temperatura wzrośnie.

Bezpłatne napięcie powierzchniowe i powierzchniowe

Jeśli spojrzysz na kroplę wody, która leży na płaskiej powierzchni, widać, że jest zaokrąglona. Z tego powodu takie właściwości cieczy, jak powstawanie swobodnego napięcia powierzchniowego i powierzchniowego. Zdolność cieczy do utrzymania objętości powoduje powstawanie swobodnej powierzchni, która jest niczym innym, jak interfejsem: ciekłym i gazowym. Przy zetknięciu się z tymi fazami tej samej substancji powstają siły zmniejszające powierzchnię płaszczyzny interfejsu. Nazywa się je napięciem powierzchniowym. Granica fazy jest elastyczną membraną, która dąży do zaciśnięcia.

Napięcie powierzchniowe tłumaczy się także przyciąganiem do siebie cząsteczek cieczy. Każda cząsteczka próbuje "otoczyć się" innymi cząsteczkami i odejść od interfejsu. Z tego powodu powierzchnia szybko maleje. Wyjaśnia to fakt, że bańki mydlane i bąbelki powstające podczas gotowania mają tendencję do przyjmowania kulistego kształtu. Jeśli tylko siła napięcia powierzchniowego działa na ciecz, z pewnością przybrałaby taką postać.

Małe obiekty, których gęstość przekracza gęstość cieczy, są w stanie utrzymać się na powierzchni ze względu na fakt, że siła zapobiegająca wzrostowi pola powierzchni jest większa niż siła agresji.

Odparowanie i kondensacja

Parowanie odnosi się do stopniowego przejścia substancji ze stanu ciekłego w stan gazowy. W procesie ruchu termicznego niektóre cząsteczki opuszczają ciecz, przechodząc przez jej powierzchnię i są przekształcane w parę. Równolegle z tym, inna część cząsteczek przechodzi z pary w ciecz. Kiedy liczba związków opuszczających ciecz przekracza liczbę związków, które weszły do ​​niej, następuje proces odparowania.

Kondensacja jest odwrotnością parowania. Podczas kondensacji ciecz otrzymuje więcej pary z pary niż wydziela.

Oba opisane procesy są nierównowagowe i mogą trwać do ustalenia równowagi lokalnej. W takim przypadku ciecz może całkowicie odparować lub osiągnąć równowagę z parą.

Gotuj

Wrzenie jest procesem wewnętrznej transformacji płynu. Kiedy temperatura wzrasta do pewnego punktu, prężność par przekracza ciśnienie wewnątrz substancji i zaczynają w niej tworzyć się pęcherzyki. W warunkach grawitacji unosiły się w górę.

Zwilżanie

Zwilżanie jest zjawiskiem, które występuje, gdy ciecz styka się z ciałem stałym w obecności pary wodnej. Tak więc występuje na styku trzech faz. Zjawisko to charakteryzuje "przywieranie" ciekłej substancji do ciała stałego i jej rozprzestrzenianie się na powierzchni ciała stałego. Istnieją trzy rodzaje zwilżania: ograniczone, pełne i niezwilżające.

Mieszalność

Charakteryzuje zdolność płynów do rozpuszczania się w sobie nawzajem. Przykładami mieszających się cieczy są woda i alkohol, natomiast te, które nie mieszają się z wodą i olejem.

Dyfuzja

Kiedy dwa mieszane płyny znajdują się w tym samym naczyniu, ze względu na ruch termiczny cząsteczki, zaczynają przezwyciężyć interfejs, a płyny stopniowo mieszają się. Proces ten nazywa się dyfuzją. Może występować w substancjach, które są w innych stanach agregacji.

Przegrzanie i hipotermia

Wśród fascynujących właściwości płynów warto zwrócić uwagę na przegrzanie i hipotermię. Te procesy często stanowią podstawę ognisk chemicznych. Przy równomiernym ogrzewaniu, bez silnych spadków temperatury i efektów mechanicznych, ciecz może rozgrzać się powyżej temperatury wrzenia, bez przegotowania. Ten proces nazywa się przegrzaniem. Jeśli przedmiot zostanie wrzucony do przegrzanej cieczy, natychmiast się zagotuje.

W podobny sposób dochodzi do przechłodzenia cieczy, to znaczy jej ochłodzenia do temperatury poniżej temperatury krzepnięcia, z pominięciem samego zamarzania. Przy niewielkim uderzeniu przechłodzona ciecz natychmiast krystalizuje i zamienia się w lód.

Fale na powierzchni

Jeśli zakłócisz równowagę powierzchni cieczy, wówczas pod działaniem sił przywracających powróci ona do równowagi. Ten ruch nie jest ograniczony do jednego cyklu, ale zmienia się w wibracje i rozprzestrzenia się na inne części. W ten sposób uzyskuje się fale, które można obserwować na powierzchni każdej cieczy.

Kiedy jako siła przywracająca pojawia się głównie grawitacja fale są nazywane grawitacyjnymi. Można je wszędzie zobaczyć na wodzie. Jeśli siła przywracająca powstaje głównie z siły napięcia powierzchniowego, wówczas fale nazywane są kapilarą. Teraz wiesz, jakie właściwości cieczy powodują znajome podniecenie wody.

Fale gęstości

Płyn jest bardzo twardo ściśnięty, jednak wraz ze zmianą temperatury zmienia się jego objętość i gęstość. Nie dzieje się to natychmiast: podczas kompresji jednej sekcji pozostałe są kompresowane z opóźnieniem. Tak więc fale sprężyste rozprzestrzeniają się wewnątrz cieczy, które nazywane są falami gęstości. Jeśli podczas propagacji fali gęstość zmienia się nieznacznie, wtedy nazywam ją dźwiękiem, a jeśli jest wystarczająco silna, to jest szok.

Spotkaliśmy się z ogólnymi właściwościami cieczy. Wszystkie główne cechy zależą od rodzaju i składu cieczy.

Klasyfikacja

Po rozważeniu podstawowych właściwości fizycznych cieczy, dowiedzmy się, w jaki sposób są klasyfikowane. Struktura i właściwości ciekłych substancji zależą od indywidualności cząstek w ich składzie, a także od charakteru i głębokości interakcji między nimi. Na tej podstawie emitują:

1. Płyny atomowe. Składają się z atomów lub sferycznych cząsteczek, które są połączone siłami centralnymi van der Waalsa. Ciekły argon i ciekły metan są pierwszymi przykładami.
2. Ciecze złożone z dwuatomowych cząsteczek o identycznych atomach, których jony są związane siłami kulombowskimi. Przykłady obejmują ciekły wodór, ciekły sód i płynną rtęć.
3. Ciecze składające się z cząsteczek polarnych związanych interakcją dipol-dipol, na przykład bromowodór.
4. Powiązane płyny. Mają wiązania wodorowe (woda, gliceryna).
5. Płyny, które składają się z dużych cząsteczek. W przypadku tych ostatnich ważną rolę odgrywają wewnętrzne stopnie wolności.

Substancje z dwóch pierwszych (rzadziej trzech) grup nazywa się prostymi. Są lepiej przebadani niż wszyscy inni. Wśród trudnych płynów najlepiej zbadana woda. Ta klasyfikacja nie obejmuje ciekłych kryształów i cieczy kwantowych, ponieważ są to przypadki szczególne i są rozpatrywane osobno.

Z punktu widzenia właściwości hydrodynamicznych ciecze są podzielone na newtonowskie i nienewtonowskie. Aby pierwszy był posłuszny prawu Newtona. Oznacza to, że ich naprężenie ścinające liniowo zależy od gradientu prędkości. Współczynnik proporcjonalności między tymi wartościami nazywany jest lepkością. Miej nie-Newtona lepkość cieczy zmienia się w zależności od gradientu prędkości.

Studium

Badanie ruchu i mechanicznej równowagi cieczy i gazów, a także ich wzajemnych oddziaływań, w tym z ciałami stałymi, omawia się w takiej sekcji mechaniki, jak mechanika płynów. Jest również nazywany hydrodynamiką.

Płyny nieściśliwe są badane w podsekcji mechaniki płynów, która jest po prostu nazywana hydromechaniką. Ponieważ ściśliwość cieczy jest bardzo mała, w wielu przypadkach jest po prostu zaniedbana. Płynne płyny do badania dynamiki gazu.

Hydromechanika jest dalej podzielona na hydrostatyki i hydrodynamikę (w wąskim znaczeniu). W pierwszym przypadku badana jest równowaga nieściśliwych płynów, a po drugie ich ruch.

Magnetyczna hydrodynamika zajmuje się badaniem cieczy magnetycznych i przewodzących, a hydraulika zajmuje się zastosowanymi problemami.

Podstawową zasadą hydrostatyki jest prawo Pascala. Ruch idealnych płynów nieściśliwych opisany jest równaniem Eulera. Dla ich stacjonarnego przepływu spełnione jest prawo Bernoulliego. Formuła Torricelli opisuje przepływ ciekłych substancji z otworów. Ruch lepkich płynów jest zgodny z równaniem Naviera-Stokesa, które, między innymi, może uwzględniać ściśliwość.

Elastyczne fale i oscylacje w płynie (podobnie jak w innych mediach) studiują taką naukę, jak akustyka. Hydroakustyka - podrozdział poświęcony badaniu dźwięku w środowisku wodnym w celu rozwiązania problemów związanych z komunikacją podwodną, ​​lokalizacją i innymi rzeczami.

Podsumowując

Dzisiaj spotkaliśmy się z ogólnymi właściwościami fizycznymi płynów. Dowiedzieliśmy się również, że takie substancje są ogólnie reprezentowane i jak są klasyfikowane. Jeśli chodzi o właściwości chemiczne cieczy, są one bezpośrednio zależne od jej składu. Dlatego należy je rozpatrywać osobno dla każdej substancji. Która właściwość płynu jest ważna, a która nie jest trudna. Wszystko zależy od zadania, w kontekście którego bierze się pod uwagę ten płyn.