Рідиною називають речовина, яка знаходиться в агрегатному стані, що є проміжним між твердим і газоподібним. При цьому її стан, як і у випадку з твердими тілами, є конденсувальних, тобто припускає зв’язок між частками (атомами, молекулами, іонами). Рідина має властивості, кардинально відрізняють її від речовин, які знаходяться в інших агрегатних станах. Головне з них – здатність до багаторазової зміни форми під впливом механічних напруг без втрати обсягу. Сьогодні ми з вами з’ясуємо, якими властивостями володіють рідини, і що вони взагалі собою представляють.
Загальна характеристика
Газ не зберігає об’єм і форму, тверде тіло зберігає і те, і інше, а рідина – тільки обсяг. Саме тому рідкий агрегатний стан вважається проміжним. Поверхня рідини являє подобу пружної мембрани і визначає її форму. Молекули таких тіл, з одного боку, не мають певного положення, а з іншого – не можуть отримати повну свободу переміщення. Вони можуть збиратися в краплі і текти під власною поверхнею. Між молекулами рідини існує тяжіння, якого достатньо, щоб утримувати їх на близькій відстані.
Речовина перебуває в рідкому стані в певному температурному інтервалі. Якщо температура опускається нижче нього, відбувається перехід у тверду форму (кристалізація), а якщо піднімається вище – в газоподібну (випаровування). Межі цього інтервалу для однієї і тієї ж рідини можуть коливатися в залежності від тиску. Наприклад, у горах, де тиск істотно нижче, ніж на рівнинах, вода закипає при більш низькій температурі.
Зазвичай рідина має тільки одну модифікацію, тому є одночасно і агрегатним станом, і термодинамічною фазою. Всі рідини діляться на чисті речовини і суміші. Деякі з таких сумішей мають визначальне значення в житті людини: кров, морська вода та інші.
Розглянемо основні властивості рідин.
Плинність
Від інших речовин рідина відрізняється, в першу чергу, плинністю. Якщо до неї додати зовнішню силу, в напрямку її застосування виникає потік частинок. Таким чином, при впливі зовнішніх неврівноважених сил, рідина не здатна до збереження форми та відносного розташування частинок. З цієї ж причини, вона приймає форму посудини, в який потрапляє. На відміну від твердих пластичних тіл, рідини не мають межі текучості, тобто течуть при найменшому виході з рівноважного стану.
Збереження обсягу
Одним з характерних фізичних властивостей рідин є здатність до збереження об’єму при механічному впливі. Їх надзвичайно важко стиснути з-за високої щільності молекул. Відповідно до закону Паскаля, тиск, який здійснюється на рідину, укладену в посудину, передається без зміни в кожну точку її обсягу. Поряд з мінімальною стисливість, ця особливість широко використовується в гідравліці. Більшість рідин при нагріванні збільшується в об’ємі, а при охолодженні – зменшується.
В’язкість
Серед головних властивостей рідин, як і у випадку з газами, варто відзначити в’язкість. Міцністю називають здатність частинок чинити опір руху один щодо одного, тобто внутрішнє тертя. При русі сусідніх шарів рідини відносно один одного, відбувається неминуче зіткнення молекул, і виникають сили, які гальмують впорядковане переміщення. Кінетична енергія упорядкованого руху перетворюється в теплову енергію хаотичного руху. Якщо рідина, вміщену в посудину, перемістити, а потім залишити в спокої, то вона поступово зупиниться, але її температура зросте.
Вільна поверхня і поверхневий натяг
Якщо поглянути на краплю води, яка лежить на рівній поверхні, то можна побачити, що вона закруглена. Зумовлено це такими властивостями рідин, як утворення вільної поверхні і поверхневий натяг. Здатність рідин до збереження обсягу зумовлює утворення вільної поверхні, яка є не інакше як поверхнею розділу фаз: рідкої і газоподібної. При зіткненні цих фаз одного і того ж речовини виникають сили, спрямовані на зменшення площі площині розділу. Їх називають поверхневим натягом. Межа розділу фаз являє собою пружну мембрану, яка прагне до стягання.
Поверхневий натяг пояснюється також притяганням молекул рідини один до одного. Кожна молекула прагне оточити себе іншими молекулами і піти з кордону розділу. З-за цього поверхню стрімко зменшується. Цим пояснюється той факт, що мильні бульбашки та бульбашки, що утворюються при кипінні, прагнуть прийняти сферичну форму. Якщо рідина буде діяти тільки сила поверхневого натягу, вона неодмінно прийме таку форму.
Невеликі об’єкти, щільність яких перевищує щільність рідини, здатні залишатися на її поверхні за рахунок того, що сила, що перешкоджає збільшенню площі поверхні, більше сили тяжіння.
Випаровування та конденсація
Випаровуванням називають поступовий перехід речовини з рідкого стану в газоподібний. В процесі теплового руху частина молекул залишають рідину, проходячи через її поверхня і перетворюються в пару. Паралельно з цим інша частина молекул, навпаки, переходить з пари в рідину. Коли кількість сполук, покинуло рідина, перевищує кількість з’єднань, що прийшли в неї, має місце процес випаровування.
Конденсацією називають процес, зворотний випаровуванню. Під час конденсації рідина отримує з пари більше молекул, ніж віддає.
Обидва описаних процесу є нерівноважними і можуть тривати до тих пір, поки не встановиться локальна рівновага. При цьому рідина може повністю випаруватися або ж вступити зі своїм пором в рівновагу.
Кипіння
Кипінням називають процес внутрішніх перетворень рідини. При підвищенні температури до певного показника, тиск пари перевищує тиск усередині речовини, і в ньому починають утворюватися бульбашки. В умовах земного тяжіння вони спливають вгору.
Змочування
Змочуванням називають явище, яке виникає при контакті рідини з твердим речовиною в присутності пара. Таким чином, воно відбувається на границі розділу трьох фаз. Це явище характеризує «прилипання» рідкого речовини до твердого, і його розтікання по поверхні твердої речовини. Буває три види змочування: обмежену, повну і несмачивание.
Змішуваність
Характеризує здатність рідин розчинятися один в одному. Прикладом змішуються рідин можуть виступити вода і спирт, а незмішуваних – вода і масло.
Дифузія
Коли дві рідини змішуються перебувають в одній посудині, завдяки тепловому руху молекули починають долати межу розділу, та рідини поступово змішуються. Даний процес називається дифузією. Він може відбуватися і в речовинах, які знаходяться в інших агрегатних станах.
Перегрів і переохолодження
Серед цікавих властивостей рідин варто відзначити перегрів і переохолодження. Ці процеси нерідко лягають в основу хімічних фокусів. При рівномірному нагріванні, без сильних перепадів температур і механічних впливів, рідина може нагрітися вище точки кипіння, не вскипев при цьому. Цей процес отримав назву перегрів. Якщо в перегріту рідину кинути якийсь предмет, вона миттєво скипить.
Аналогічним чином відбувається і переохолодження рідини, тобто її охолодження до температури нижче точки замерзання, минаючи саме замерзання. При легкому ударі переохлажденная рідина миттєво кристалізується і перетворюється у лід.
Хвилі на поверхні
Якщо порушити рівновагу ділянки поверхні рідини, то тоді вона, під дією повертають сил, буде рухатися назад до рівноваги. Цей рух не обмежується одним циклом, а перетворюється в коливання і поширюється на інші ділянки. Так виходять хвилі, які можна спостерігати на поверхні будь-якої рідини.
Коли в якості повертає сили виступає переважно сила тяжіння, хвилі називають гравітаційними. Їх можна бачити на воді повсюдно. Якщо ж повертаюча сила формується переважно з сили поверхневого натягу, то хвилі називають капілярними. Тепер ви знаєте, яке властивість рідин обумовлює знайоме всім хвилювання води.
Хвилі щільності
Рідина надзвичайно важко стискається, тим не менш, зі зміною температури, її обсяг і щільність все-таки змінюються. Це відбувається не миттєво: при стисканні однієї ділянки, інші стискаються з запізненням. Таким чином, всередині рідини поширюються пружні хвилі, які отримали назву хвилі щільності. Якщо за міру поширення хвилі щільність змінюється слабо, то її називаю звуковий, а якщо достатньо сильно – ударною.
Ми з вами познайомилися з загальними властивостями рідин. Всі основні характеристики залежать вже від типу і складу рідин.
Класифікація
Розглянувши основні фізичні властивості рідин, давайте дізнаємося, як вони класифікуються. Структура і властивості рідких речовин залежать від індивідуальності частинок, що входять до їх складу, а також характеру та глибини взаємодії між ними. Виходячи з цього, виділяють:
Речовини перших двох (рідше трьох) груп називають простими. Вони вивчені краще, ніж всі інші. Серед непростих рідин, найбільше вивчена вода. У цю класифікацію не входять рідкі кристали та квантові рідини, так як вони представляють собою особливі випадки і розглядаються окремо.
З точки зору гідродинамічних властивостей рідини поділяють на ньютона і неньютоновские. Протягом перших підкоряється закону Ньютона. Це означає, що їх дотичне напруга лінійно залежить від градієнта швидкості. Коефіцієнт пропорційності між зазначеними величинами називається в’язкістю. У неньютонівських рідин, в’язкість змінюється в залежності від градієнта швидкості.
Вивчення
Вивченням руху і механічного рівноваги рідин і газів, а також їх взаємодії, в тому числі з твердими тілами, займається такий розділ механіки як гідроаеромеханіка. Його також називають гідродинаміки.
Несжимаемые рідини вивчають у підрозділі гідроаеромеханіки, який називається просто гидромеханикой. Так як стисливість рідин дуже мала, у багатьох випадках нею просто нехтують. Стискувані рідини вивчає газова динаміка.
Гідромеханіку додатково підрозділяють на гидростатику і гідродинаміку (у вузькому сенсі). У першому випадку вивчається рівновагу нестискуваних рідин, а в другому – їх рух.
Магнітна гідродинаміка займається вивченням магнітних та електропровідних рідин, а прикладними завданнями займається гідравліка.
Основним законом гідростатики є закон Паскаля. Рух ідеальних нестискуваних рідин описується рівнянням Ейлера. Для їх стаціонарного потоку виконується закон Бернуллі. А формула Торрічеллі описує витікання рідких речовин з отворів. Рух в’язких рідин підпорядковується рівняння Нав’є-Стокса, яке, крім усього іншого, може враховувати і стискальність.
Пружні хвилі і коливання рідини (як, втім, і в інших середовищах) вивчається така наука як акустика. Гидроакустика – підрозділ, який присвячений вивченню звуку у водному середовищі для вирішення завдань підводного зв’язку, локації і іншого.
Висновок
Сьогодні ми з вами познайомилися з загальними фізичними властивостями рідин. Також ми дізналися, що взагалі являють собою такі речовини, і як вони класифікуються. Що стосується хімічних властивостей рідини, то вони безпосередньо залежать від її складу. Тому розглядати їх варто окремо для кожної речовини. Яку властивість рідини важливо, а яке ні – відповісти складно. Тут все залежить від завдання, в контексті якої ця рідина розглядається.
