Какие вещества обладают свойством текучести чем объясняется текучесть
Физика, 8 класс. Задание 1. Гидростатика. Аэростатика
§1. Жидкости и газы. Текучесть. Давление
Жидкости и газы отличаются от твёрдых тел прежде всего тем, что обладают таким свойством, как текучесть. Текучесть проявляется в способности жидкости и газа принимать форму сосуда. Из-за чего появляется и чем объясняется текучесть, по наличию которой и устанавливают, что данное тело не является твёрдым?
Многочисленные опытные факты подтверждают наличие в природе веществ (тел), у которых отсутствуют силы, препятствующие сдвигу с бесконечно малыми скоростями одних слоёв этих веществ относительно других, т. е. отсутствуют силы трения покоя, действующие вдоль поверхности соприкасающихся слоёв. Если при этом такое вещество принимает форму сосуда и его объём практически не зависит от формы и вида сосуда, то мы имеем дело с жидкостью. Если же это вещество занимает весь предоставленный ему в любом сосуде объём, то это – газ.
У твёрдого тела сдвинуть один слой (часть) тела относительно другого без приложения значительных усилий невозможно. У жидкости и газа одни слои (части) могут скользить по другим слоям под действием ничтожно малых сил. Этим и объясняется текучесть. Например, если подуть вдоль поверхности воды, то верхние слои воды придут в движение относительно нижних, причём силы трения между слоями будут тем меньше, чем меньше относительная скорость движения слоёв. Другой пример текучести. Даже очень осторожное, медленное и малое наклонение сосуда с жидкостью приводит к перемещению верхних слоёв жидкости относительно нижних и в результате поверхность жидкости становится снова горизонтальной.
Сила трения покоя между стенкой сосуда и соприкасающейся с ней неподвижной жидкостью тоже равна нулю.
Мы здесь не будем рассматривать проявление так называемых сил поверхностного натяжения, возникающих из-за того, что поверхностный слой жидкости ведёт себя подобно тонкой упругой оболочке. Силами поверхностного натяжения объясняется существование капель жидкости, возможность каплям удерживаться на наклонной поверхности твёрдого тела, капиллярность и другое.
Из всего сказанного выше следует, что в неподвижной жидкости (или газе) слои (части) жидкости действуют друг на друга и на стенки сосуда с силами, направленными перпендикулярно к поверхности их соприкосновения. На рис. 1 показан сосуд с жидкостью. Выделим мысленно из всей жидкости её части в объёмах 1 и 2. Жидкость в объёме 1 давит на жидкость в объёме 2 с силой F1, направленной перпендикулярно к поверхности АВ их соприкосновения. С такой же по модулю силой F2 давит и жидкость 2 на 1. Это следует из так называемого третьего закона Ньютона, согласно которому тела действуют друг на друга с равными по модулю и противоположными по направлению силами. Жидкость в сосуде давит на часть MN стенки сосуда с силой F3, направленной перпендикулярно стенке. Часть MN стенки давит на жидкость с такой же силой F4.
Величиной, характеризующей взаимодействие частей жидкости или газа друг с другом и со стенками сосуда, служит давление.
Давлением называется величина, равная отношению модуля силы F давления, действующей по нормали (перпендикулярно) к плоской поверхности, к площади S этой поверхности p=FS:
В системе СИ давление измеряется в Нм2. Эта единица давления носит название паскаль (Па): 1 Па = 1 Нм2
Уточним, что следует понимать под давлением в жидкости или газе.
Поместим в жидкость или газ небольшую плоскую пластину. Одну из сторон этой пластины назовём площадкой. Жидкость (газ) давит на площадку с некоторой силой F. Если площадь площадки S, то давление жидкости на площадку p=FS. Из условия равновесия вырезанной мысленно из жидкости (газа) призмы с основанием в виде прямоугольного треугольника, находящейся в месте расположения площадки, можно вывести, что давление на площадку в жидкости или газе не зависит от ориентации площадки. Вывод приводить не будем. Теперь можно дать определение давления в жидкости или газе.
Давлением в некоторой точке жидкости называется давление жидкости на небольшую площадку, произвольно ориентированную и помещённую вблизи этой точки. Аналогично и для газа.
Перейти к тестированию
Перейти к следующей теме
Вернуться к предыдущей теме
Источник
Свойства жидкостей
Подробности
Категория: Молекулярно-кинетическая теория
Опубликовано 05.11.2014 12:37
Просмотров: 14498
Жидкость – агрегатное состояние вещества, занимающее промежуточное положение между его твёрдым и газообразным состояниями.
Самая распространённая жидкость на Земле – вода. Её твёрдое состояние – лёд, а газообразное – пар.
В жидкостях молекулы расположены почти вплотную друг к другу. Они обладают большей свободой, чем молекулы твёрдого вещества, хотя полностью свободно перемещаться не могут. Притяжение между ними хоть и слабее, чем в твёрдых телах, но всё-таки его достаточно, чтобы молекулы удерживались на близком расстоянии друг от друга. Каждая молекула жидкости может колебаться около какого-то центра равновесия. Но под действием внешней силы молекулы могут перескакивать на свободное место в направлении приложенной силы. Этим объясняется текучесть жидкости.
Текучесть
Основное физическое свойство жидкости – текучесть. Когда к жидкости прикладывается внешняя сила, в ней возникает поток частиц, направление которого совпадает с направлением этой силы. Наклонив чайник с водой, мы увидим, как вода потечёт из его носика вниз под действием силы тяжести. Точно так же вытекает вода из лейки, когда мы поливаем растения в саду. Подобное явление мы наблюдаем в водопадах.
Вследствие текучести жидкость способна менять форму за малое время под действием даже небольшой силы. Все жидкости могут литься струёй, разбрызгиваться каплями. Их легко перелить из одного сосуда в другой. При этом они не сохраняют форму, а принимают форму того сосуда, в котором находятся. Это свойство жидкости используют, например, при литье металлических деталей. Расплавленный жидкий металл разливают в формы определённой конфигурации. Остывая, он превращается в твёрдое тело, сохраняющее эту конфигурацию.
Текучесть увеличивается с ростом температуры жидкости и уменьшается при её снижении. Это объясняется тем, что с повышением температуры расстояние между частицами жидкости также увеличивается, и они становятся более подвижными. Зависит текучесть и от структуры молекул. Чем сложнее их форма, тем меньшей текучестью обладает жидкость.
Вязкость
Различные жидкости имеют разную текучесть. Так, вода из бутылки вытекает быстрее, чем растительное масло. Мёд из стакана выливается медленнее, чем молоко. На эти жидкости действуют одинаковые силы тяжести. Так почему же их текучесть отличаются? Всё дело в том, что они обладают различной вязкостью. Чем выше вязкость жидкости, тем меньше её текучесть.
Что же такое вязкость, и какова её природа? Вязкость также называют внутренним трением. Это способность жидкости сопротивляться перемещению различных слоёв жидкости относительно друг друга. Молекулы, находящиеся в одном из слоёв и сталкивающиеся между собой во время теплового движения, сталкиваются ещё и с молекулами соседних слоёв. Возникают силы, тормозящие их движение. Они направлены в сторону, противоположную движению рассматриваемого слоя.
Вязкость – важная характеристика жидкостей. Её учитывают в различных технологических процессах, например, когда по трубопроводам необходимо перекачивать жидкость.
Вязкость жидкости измеряют с помощью прибора, называемого вискозиметром. Самым простым считается капиллярный вискозиметр. Принцип его действия не сложен. Подсчитывается время, за которое заданный объём жидкости протекает через тонкую трубочку (капилляр) под воздействием разности давлений на его концах. Так как известны диаметр и длина капилляра, разность давлений, то можно произвести расчёты на основании закона Пуазёйля, согласно которому проходящий в секунду объём жидкости (секундный объёмный расход) прямо пропорционален перепаду давления на единицу длины трубы и четвертой степени её радиуса и обратно пропорционален коэффициенту вязкости жидкости.
где Q – секундный расход жидкости, м3/с;
р1 – р2 = ∆р – перепад давлений на концах капилляра, Па;
R – радиус капилляра, м;
d – диаметр капилляра, м;
ƞ – коэффициент динамической вязкости, Па/с;
l – длина капилляра, м.
Объём
Расстояние между молекулами внутри жидкости очень мало. Оно меньше размеров самих молекул. Поэтому жидкость очень трудно сжать механически. Давление, производимое на жидкость, заключённую в сосуд, передается в любую точку без изменений во всех направлениях. Так формулируется закон Паскаля. На этой особенности жидкостей основана работа тормозных систем, гидравлических прессов и других гидравлических устройств.
Жидкость сохраняет свой объём, если не изменяются внешние условия (давление, температура). Но при нагревании объём жидкости увеличивается, а при охлаждении уменьшается. Впрочем, здесь есть исключение. При нормальном давлении и повышении температуры от 0 до 4о объём воды не увеличивается, а уменьшается.
Волны плотности
Сжать жидкость очень трудно. Но при изменении давления всё же возможно. И в этом случае меняется её плотность и объём. Если сжатие произойдёт в одном участке жидкости, то на другие участки оно будут передаваться постепенно. Это означает, что в жидкости будут распространяться упругие волны. Если плотность меняется слабо, то получаем звуковую волну. А если достаточно сильно, то возникает ударная волна.
Поверхностное натяжение жидкости
Явление поверхностного натяжения мы наблюдаем каждый раз, когда вода медленно капает из водопроводного крана. Сначала мы видим тонкую прозрачную плёнку, которая растягивается под тяжестью воды. Но она не рвётся, а охватывает небольшое количество воды и образует капельку, падающую из крана. Её создают силы поверхностного натяжения, которые стягивают воду в маленькое подобие шара.
Как возникают эти силы? В отличие от газа жидкость заполняет только часть объёма сосуда, в котором находится. Её поверхность – это граница раздела между самой жидкостью и газом (воздухом или паром). Со всех сторон молекулу, находящуюся внутри жидкости окружают другие молекулы той же жидкости. На неё действуют силы межмолекулярного воздействия. Они взаимно уравновешены. Равнодействующая этих сил равна нулю.
А на молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости, силы притяжения со стороны молекул этой же жидкости могут действовать только с одной стороны. С другой стороны на них действуют силы притяжения молекул воздуха. Но так как они очень малы, ими пренебрегают.
Равнодействующая всех сил, действующих на молекулу, находящуюся на поверхности, направлена внутрь жидкости. И чтобы не оказаться втянутой в жидкость и остаться на поверхности, молекула совершает работу против этой силы. В результате молекулы верхнего слоя получают дополнительный запас потенциальной энергии. Чем больше поверхность жидкости, тем большее количество молекул находится там, и тем больше потенциальная энергия. Но в природе всё устроено так, что любая система старается свести свою потенциальную энергию до минимума. Следователь, существует сила, которая будет стремиться сократить свободную поверхность жидкости. Эта сила называется силой поверхностного натяжения.
Натяжение поверхности жидкости очень велико. И чтобы его разорвать требуется довольно значительная сила. Ненарушенная поверхность воды может легко удерживать монету, лезвие бритвы или стальную иголку, хотя эти предметы значительно тяжелее воды. Сила тяжести, действующая на них, оказывается меньше силы поверхностного натяжения воды.
Наименьшую поверхность из всех геометрических объёмных тел имеет шар. Поэтому если на жидкость действуют только силы поверхностного натяжения, то она принимает форму сферы. Такую форму имеют капли воды в невесомости. Мыльные пузыри или пузыри кипящей жидкости также стараются принять сферическую форму.
Смешиваемость
Жидкости могут растворяться друг в друге. Эта их способность называется смешиваемостью. Если поместить в один сосуд две смешиваемые жидкости, то в результате теплового движения их молекулы постепенно будут переходить через границу раздела. В результате произойдёт смешивание. Но не все жидкости могу смешиваться. Например, вода и растительное масло не смешиваются никогда. А воду и спирт смешать очень легко.
Адгезия
Все мы знаем, что гуси и утки выходят из воды сухими. Почему же их перья не намокают? Оказывается, у них есть специальная железа, которая выделяет жир, которым водоплавающие птицы при помощи клюва смазывают свои перья. И они остаются сухими, потому что вода стекает с них капельками.
Поместим каплю воды на пластинку из полистирола. Она принимает форму сплющенного шарика. Такую же каплю попробуем поместить на стеклянную пластинку. Мы увидим, что на стекле она растекается. Что же происходит с водой? Всё дело в том, что силы притяжения действуют не только между молекулами самой жидкости, но и между молекулами разных веществ в поверхностном слое. Эти силы называются силами адгезии (от латинского adhaesio – прилипание).
Взаимодействие жидкости с твёрдым телом называют смачиванием. Но поверхность твёрдого тела смачивается не всегда. Если окажется, что молекулы самой жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к твёрдой поверхности, то жидкость соберётся в капельку. Именно так ведёт себя вода на пластинке из полистирола. Она не смачивает эту пластинку. Точно так же не растекаются капельки утренней росы на листиках растений. И по этой же причине вода стекает с покрытых жиром перьев водоплавающих птиц.
А если притяжение молекул жидкости к твёрдой поверхности сильнее сил притяжения между самими молекулами, то жидкость расплывается на поверхности. Поэтому наша капелька на стекле также растеклась. В этом случае вода смачивает поверхность стекла.
Нальём воду в сосуд из полистирола. Посмотрев на поверхность воды, мы увидим, что она не горизонтальная. У краёв сосуда она искривляется вниз. Так происходит, потому что силы притяжения между молекулами воды больше, чем силы адгезии (прилипания). А в стеклянном сосуде поверхность воды у краёв искривляется вверх. В этом случае силы прилипания больше внутримолекулярных сил воды. В широких сосудах это искривление наблюдается только у стенок сосудов. А если сосуд узкий, то это искривление заметно по всей поверхности воды.
Явление адгезии широко используется в различных отраслях промышленности – лакокрасочной, фармацевтической, косметической и др. Смачивание необходимо при склеивании, крашении тканей, нанесении на поверхность красок, лаков. А при строительстве бассейнов их стенки, наоборот, покрывают материалом, который не смачивается водой. Такие же материалы используют для зонтов, плащей, непромокаемой обуви, тентов.
Капиллярность
Ещё одна интересная особенность жидкости – капиллярный эффект. Так называют её способность изменять свой уровень в трубках, узких сосудах, пористых телах.
Если опустить узкую стеклянную трубку (капилляр) в воду, то можно увидеть, как поднимается в ней водяной столбик. Чем уже трубка, тем выше столбик воды. Если опустить такую же трубку в жидкую ртуть, то высота столбика ртути окажется ниже уровня жидкости в сосуде.
Жидкость в капиллярах способна подниматься по узкому каналу (капилляру) только в том случае, если она смачивает его стенки. Так происходит в грунте, песке, стеклянных трубках, по которым легко поднимается влага. По этой же причине пропитывается керосином фитиль в керосиновой лампе, полотенце впитывает влагу от мокрых рук, происходят различные химические процессы. В растениях по капиллярам поступают к листьям питательные вещества и влага. Благодаря капиллярному эффекту возможна жизнедеятельность живых организмов.
Источник
-свойство тел пластически или вязко деформироваться под действием напряжений; характеризуется величиной, обратной вязкости. У вязких сред (газов, жидкостей) Т. проявляется при любых напряжениях, у пластичных твёрдых тел – лишь при напряжениях, превышающих предел Т.
У разл. сред существуют разные механизмы Т., определяющие сопротивление тел пластическому или вязкому течению. У газов механизм Т. связан с переносом импульса из тех слоев, где имеется преобладающее движение молекул газа в направлении течения, к слоям, у к-рых это движение меньше. У жидкостей механизм Т. представляет собой преобладающую диффузию в направлении действия напряжений. Элементарным актом при этой диффузии является скачкообразное перемещение молекулы или пары молекул либо сегмента макромолекулярной цепи (у высокомолекулярных веществ), сопровождающееся переходом через энергетич. барьер. У кристаллич. твёрдых тел Т. связывается с движением разл. рода дефектов в кристаллах: точечных ( вакансий, междоузлий), линейных ( дислокаций )и объёмных ( краудионов), течение может быть обусловлено двойникованием, вызванным напряжением. Происходящее во времени течение металлов при высоких темп-pax, полимеров и др. наз. ползучестью материалов.
С явлениями Т. приходится сталкиваться как на Земле, так и в космосе. На Земле Т. проявляется в дрейфе материков, глобальных тектонич. процессах, рифтогенезе, движениях в атмосфере и гидросфере, движениях горных массивов, течении ледников. В технике с явлениями Т. сталкиваются, напр., при движении газов и жидкостей по трубам и в аппаратах разл. производств, в трубопроводном транспорте пульп при выполнении земляных работ и в горных выработках способом гидромеханизации. Пластич. течения и ползучесть имеют место в разл. элементах конструкций, работающих при высоких нагрузках, при изготовлении изделий способами штампования, ковки, прессования, литья под давлением, при спекании порошков.
Феноменологически теория течения разл. материалов строится на основе обычных в механике сплошных сред допущениях об однородности, сплошности и изотропности тел. Гипотеза изотропности оказывается неприменимой к монокристаллам твёрдых веществ и жидким кристаллам, ориентированным полимерам, композиционным материалам с волокнистыми наполнителями, нек-рым природным материалам, для всех них построены теории анизотропного тела. Свойства Т., вязкости описываются соотношениями, связывающими напряжения и скорости деформации. В гидромеханике вязкой жидкости Т. считается независимой от приложенного касательного напряжения (при деформациях сдвига) или давления (при деформациях объёма). Для неньютоновских жидкостей Т. изменяется в зависимости от касательного напряжения (при деформациях сдвига) или давления (при деформациях объёма). Для тел в состоянии ползучести нелинейные соотношения, определяющие Т., записываются в виде кинетических дифференц. или интегральных ур-ний, согласно к-рым на состояние тела в данный момент влияет предыстория напряжённо-деформированного состояния. Так, при сдвиге Т. возрастает с ростом приложенного касательного напряжения, при растяжении с ростом нормального напряжения Т. падает. Движения макромолекулярных цепей при течении высокомолекулярных соединений (в т. ч. полимеров) напоминают движения пресмыкающихся при их перемещениях и наз. рептациями.
Особо высокую Т. у гелия при низких темп-pax, названную сверхтекучестью, установил П. Л. Капица (1938), её физ. теорию построил Л. Д. Ландау (1941).
Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Гидродинамика, 3 изд., М., 1986; Френкель Я. И., Кинетическая теория жидкостей, Л., 1975; Работнов Ю. Н., Механика деформируемого твердого тела, 2 изд., М., 1988; Жен П.-Ж. де, Идеи скейлинга в физике полимеров, пер. с англ., М., 1982; Peterson A. R., A first course in fluid dynamics, Camb., 1985. Н. И. Малинин.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия.
Главный редактор А. М. Прохоров.
1988.
Источник