Реферат на тему ускорение жидкой частицы

Обновлено: 02.07.2024

Молекулярно-кинетическая теория даёт объяснение тому, что все вещества могут находиться в трёх агрегатных состояниях: в твёрдом, жидком и газообразном. Например, лёд, вода и водяной пар. Часто плазму считают четвёртым состоянием вещества.

Агрегатные состояния вещества (от латинского aggrego – присоединяю, связываю) – состояния одного и того же вещества, переходы между которыми сопровождаются изменением его физических свойств. В этом и заключается изменение агрегатных состояний вещества.

Во всех трёх состояниях молекулы одного и того же вещества ничем не отличаются друг от друга, меняется только их расположение, характер теплового движения и силы межмолекулярного взаимодействия.

Движение молекул в газах

В газах обычно расстояние между молекулами и атомами значительно больше размеров молекул, а силы притяжения очень малы. Поэтому газы не имеют собственной формы и постоянного объёма. Газы легко сжимаются, потому что силы отталкивания на больших расстояниях также малы. Газы обладают свойством неограниченно расширяться, заполняя весь предоставленный им объём. Молекулы газа движутся с очень большими скоростями, сталкиваются между собой, отскакивают друг от друга в разные стороны. Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа.

Движение молекул в жидкостях

В жидкостях молекулы не только колеблются около положения равновесия, но и совершают перескоки из одного положения равновесия в соседнее. Эти перескоки происходят периодически. Временной отрезок между такими перескоками получил название среднее время оседлой жизни (или среднее время релаксации) и обозначается буквой τ. Иными словами, время релаксации – это время колебаний около одного определённого положения равновесия. При комнатной температуре это время составляет в среднем 10 -11 с. Время одного колебания составляет 10 -12 …10 -13 с.

Время оседлой жизни уменьшается с повышением температуры. Расстояние между молекулами жидкости меньше размеров молекул, частицы расположены близко друг к другу, а межмолекулярное притяжение велико. Тем не менее, расположение молекул жидкости не является строго упорядоченным по всему объёму.

Жидкости, как и твёрдые тела, сохраняют свой объём, но не имеют собственной формы. Поэтому они принимают форму сосуда, в котором находятся. Жидкость обладает таким свойством, как текучесть. Благодаря этому свойству жидкость не сопротивляется изменению формы, мало сжимается, а её физические свойства одинаковы по всем направлениям внутри жидкости (изотропия жидкостей). Впервые характер молекулярного движения в жидкостях установил советский физик Яков Ильич Френкель (1894 – 1952).

Движение молекул в твёрдых телах

Молекулы и атомы твёрдого тела расположены в определённом порядке и образуют кристаллическую решётку. Такие твёрдые вещества называют кристаллическими. Атомы совершают колебательные движения около положения равновесия, а притяжение между ними очень велико. Поэтому твёрдые тела в обычных условиях сохраняют объём и имеют собственную форму.

Для нахождения этой величины следует учесть, что проекция скорости (как и две другие проекции) является функцией координат x, y, z, которые, в свою очередь, в общем случае зависят от времени t. Представим величину в виде полного дифференциала

Разделим обе части на dt. Имея в виду, что , и , получим

(4.12)

Аналогичные соотношения можно записать и для двух других компонент.

Выражение (4.12) носит название полной либо субстанциональной производной. Установим смысл величин, входящих в нее. Производная - проекция локального ускорения, которое характеризует изменение скорости во времени в данной точке пространства. Локальное ускорение обусловлено нестационарностью процесса. Из чего следует, что если движение стационарное (установившееся), то локальное ускорение отсутствует, т.е. . Три остальных члена (4.12) - проекции конвективного ускорения, которое возникает при переходе частицы от одной точки пространства к другой, оно обусловлено неравномерностью скоростного поля, т.е. неравномерным распределением скоростей.

4.8. Анализ движения жидкой частицы.

Рассмотрим жидкую частицу в форме прямоугольного параллелепипеда (рис. 4.5). Длина его ребер dx, dy, dz. Деформация такой жидкой частицы может быть как линейной (ребра удлиняются и укорачиваются), так и угловой (грани скашиваются). Удобней рассмотреть каждый из этих видов раздельно. Начнем с угловых деформаций.

4.8.1. Угловые деформации.

Из рис. 4.5 следует, что угловая деформация (скашивание) может возникнуть из-за разности скоростей, перпендикулярных ребрам (частично этот вопрос уже обсуждался в разделе 2.2). Для упрощения целесообразно ограничиться лишь одной гранью, показанной на рис. 4.6.

Пусть компоненты скорости в точке A равны , , . Найдем скорости в точке B, считая, что движение установившееся и, следовательно, все производные по t равны нулю. Приращение компоненты скорости при переходе из одной точки пространства в другую можно представить как u+du. Так для проекции можем записать , где

(4.13)

Аналогичные выражения можно записать и для других проекций.

Рассмотрим приращение при переходе от точки A к точке B. В этом случае , т.е.

Предположим, что за время dt за счет разности скоростей в точках A и B ребро займет положение AB'.

Аналогично рассуждая относительно скорости в точках A и D получим:

Точка A: (по условию)

Точка D:

За счет разности этих скоростей точка D займет позицию D'. Таким образом

Путь, проходимый точкой B за время dt в положение B', определяет величину скашивания, которую можно найти как

Угловая деформация характеризуется тангенсом угла . При этом

(имея в виду, что ).

Вследствие малости угла можно считать, что .

Полное скашивание первоначально прямого угла A определяется как сумма

(4.14)

Здесь следует обратить внимание на одно весьма существенное обстоятельство: рассматриваемое перемещение ребер вызвано не только деформацией, но и вращением частицы. Действительно, если бы грань только деформировалась без вращения, то ребра повернулись бы на одинаковый угол навстречу друг другу. Наоборот, если бы происходило только вращение, то ребра поворачивались бы на одинаковый угол в направлении вращения. Следовательно, в общем случае движение элемента можно рассматривать как сумму деформационного и вращательного движений, и таким образом определить и . Рассмотрим деформацию прямого угла A, считая, что вращение происходит против часовой стрелки. Чисто деформационное движение будем характеризовать углами , а чисто вращательное - .

Из рис. 4.7 следует, что

либо ,

(4.15)

(4.16)

Таким образом, деформация характеризуется полусуммой углов, а вращение - полуразностью. Имея в виду (4.14), можем записать:

(4.17)

Скорость угловой деформации, происходящей вокруг оси z

(4.18)

(4.19)

(4.20)

Выражение есть угловая скорость вращения жидкой частицы. Проекции угловых скоростей

(4.21)

(4.22)

(4.23)

Соотношения (4.214.23) играют исключительно важную роль в механике жидкости. Они устанавливают связь между угловой и поступательной скоростями жидкой частицы. Вопрос о знаках чисто условный. В гидромеханике поворот против часовой стрелки считается положительным, по часовой - отрицательным.

В векторной форме выражение для угловой скорости может быть записано как

(4.24)

Заменяя , и их выражениями по (4.21-4.23) получаем:

(4.25)

Сопоставляя выражение в квадратных скобках с формулой (1.8) видим их полную идентичность, поэтому можем записать:

(4.26)

(4.27)

Формула (4.27) раскрывает гидромеханический смысл вихря (ротора) векторного поля. Если характеризует поле мгновенных скоростей, то векторное поле представляет собой поле удвоенных угловых скоростей частиц жидкости этого поля.

Рассмотрим в качестве параметра скорость жидкой частицы .

Воспользуемся формулой (4.17) и в результате получим векторную форму записи ускорения жидкой частицы.

(4.18)

где - называется субстанциональным (полным) ускорением;

- локальным ускорением;

( ) - конвекторным ускорением.

1. Локальное ускорение определяется изменением вектора скорости в данной точке пространства.

2. Конвективное ускорение возникает вследствие того, что частица жидкости в процессе движения перемещается из данной точки в другую, в которой вектор скорости отличается от первоначального.

Из этого следует, что:

1. Если поле вектора однородно (т.е. вся жидкость перемещается поступательно как твердое тело), то конвективное ускорение равно нулю и все ускорение сводится к локальному, одинаковому во всех точках пространства, занятого движущейся жидкостью.

2. Если движение жидкости является установившимся (т.е. скорость жидкости в каждой точке не меняется с течением времени), то локальное ускорение отсутствует, а имеется лишь конвективное.

Перейдем от векторной формы записи ускорения к координатной. В результате с учетом (3.36) получим:

(4.19)

Встречается и другая векторная запись ускорения. Перепишем (4.19), заменив порядок сомножителей.

Используя формулы произведения тензора на вектор (3.4) и (3.7) и выражение дифференциального тензора векторного поля (3.42) и (3.45), можно представить вектор ускорения в следующей компактной форме:

(4.20)

Для исследования (изучения) вихревого движения выражение (4.20) для ускорения следует преобразовать, вводя компоненты вихря.

В соответствии с равенством (3.11) разложим тензор T_u* на симметричную и антисимметричную часть

(4.21)

причем, как это следует из (4.8)

из выражения (3.34) следует, что:

Поэтому тензор А_u можем переписать в следующем виде:

(4.22)

Умножим дифференциальный тензор T_u* поля вектора на произвольный вектор с проекциями N_x, N_y, N_z. Очевидно, что

(4.23)

Представим произведение А_u в развернутом виде. В соответствии с (3.3) и (4.22) можем записать:

(4.24)

Этот же вектор А_u представим в другой форме. Для этого запишем (определим) векторное произведение rot на

(4.25)

Сравнивая выражения (4.24) и (4.25), убеждаемся в справедливости тождества

откуда

прямо следует формула Гельмгольца

(4.26)

Рассмотрим произведение дифференциального тензора поля вектора на тот же вектор .

Представим в развернутом виде одну из проекций вектора T_u* , например на ось О_x. В соответствии с (3.46) с (3.33) получим:

(4.27)

Кроме этого, как видно из формулы (4.25),

(4.28)

Аналогичные равенства можно записать и для остальных проекций, откуда следует справедливость векторного равенства

(4.29)

называемого формулой Ламба-Громски

Т.о. из формул (4.29) и (4.20) находим выражение для ускорения в форме Ламба-Громски, которое широко используется при анализе уравнений гидродинамики

(4.30)

Такая форма записи ускорения указывает на наличие или отсутствие вихрей и позволяет установить различие в особенностях вихревого и безвихревого движений жидкости.

1. Методы описания движения жидкости. Понятия о линиях и трубках тока. Расход элементарной струйки и расход через поверхность.

Уравнения не разрывности (сплошности в
разных формах).
Ускорение жидкой частицы.
Выполнили: с-ты гр.БАЭ12-01
Потылицын В. Л., Фомин Л. В.

2. Содержание

Методы описания движения жидкости.
Понятия о линиях и трубках тока. Расход
элементарной струйки и расход через
поверхность.
Уравнения неразрывности.
Ускорение жидкой частицы.

3. Методы описания движения жидкости

Раздел гидравлики, в котором рассматриваются общие свойства движения жидкости
без выяснения причин его возникновения, называется кинематикой.
Главной кинематической особенностью жидкостей и газов является их деформируемость, проявляющаяся в том, что в процессе движения изменяется расстояние между
двумя любыми частицами. В кинематике существуют два способа описания движения
– способ Лагранжа и способ Эйлера.
По способу Лагранжа движение жидкости задается путем указания зависимости
координат
определенной (намеченной) частицы жидкости от ее начальных координат x0, y 0, z0 и от
времени t:
(1)

Система уравнений описывает траекторию движения частицы жидкости. Функции х, у и z называются переменными Лагранжа. Для более полного описания состояния
жидкости нужно задать и плотность ρ как функцию тех же координат:
На рис. 1 показана траектория движения частицы А в неподвижной системе координат, где за время t координаты частицы изменились с х0, у0, z0 на х1, у1, z1.
В переменных Лагранжа проекции скорости частицы и определяют по формулам
проекции ускорения частицы по формулам
Рис. 1.

Практически для решения большинства инженерных задач нет необходимости в знании
параметров движения отдельных частиц, поэтому способ Лагранжа применяется
только в особых случаях, например для описания переноса жидкостью мельчайших
твердых частиц.
По способу Эйлера движение жидкости определяется полем скоростей частиц жидкости в пространстве в каждый момент времени, т.е. описывается движение различных
частиц, проходящих через определенные (намеченные) точки пространства. Проекции
скорости частиц жидкости на координатные оси являются функцией координат точек
пространства х, у, z, относительно которых происходит движение, и времени:
(2)
Для более полного описания движения жидкости нужно задать и плотность r как
функцию тех же переменных:
(3)

Проекции ускорений частиц жидкости в определенных точках пространства
определяются по правилу дифференцирования сложной функции:
Так как
то система уравнений может быть записана в сле-
дующем виде:
(4)

Кинематический смысл слагаемых в правой части уравнений системы состоит в
следующем. Первые три слагаемых каждого уравнения представляют собой
соответствующую проекцию конвективного ускорения, которое образуется за счет
изменения координат частицы, соответст вующих ее передвижению (конвекции).
Последнее слагаемое каждого уравнения представляет проекцию локального
ускорения, которое обуславливается изменением поля скоростей со временем при
фиксированных координатах. При решении большинства инженерных задач
необходимо знать, с какими скоростями различные частицы жидкости проходят через
определенные элементы технологических машин и аппаратов. Поэтому способ
описания движения Эйлера принят основным.
Рис. 2.

8. Понятия о линиях и трубках тока. Расход элементарной струйки и расход через поверхность

Линией тока называется кривая, в каждой точке которой в данный момент времени
вектор скорости жидкости совпадает с касательной к этой кривой. Бесконечно малый
отрезок линии тока δl можно считать прямолинейным и совпадающим по
направлению с вектором скорости. Если проекции отрезка δl на координатные оси
обозначить через δх, δу и δz, то из геометрических представлений можно записать
соотношения
из которых получаем уравнение линии тока
При неустановившемся движении линии тока в жидкости не совпадают с траекториями ее частиц. На рис. 3 показаны линия тока в момент времени t1 и траектория частицы
А1 с указанием ее вектора скорости в последующие моменты времени t2
и t3. В установившемся движении линии тока в жидкости совпадают с траекториями ее
частиц, так как поле скоростей во времени не меняется.

Трубкой тока называется поверхность, образованная линиями тока, проведенными в
данный момент времени через все точки бесконечно малого замкнутого контура,
расположенного внутри движущейся жидкости. Жидкость, движущаяся внутри трубки
тока, называется элементарной струйкой. Элементарная струйка обладает
следующими свойствами:
1) частицы жидкости не выходят из элементарной струйки и не входят в нее через
боковую поверхность;
2) скорости частиц жидкости во всех точках одного и того же поперечного сечения
одинаковы вследствие малости площади поперечного сечения;
3) при установившемся движении форма элементарной струйки остается не изменной во
времени.
Использование понятия "элементарная струйка" позволяет упростить рассмотрение
движения жидкости. Выделяя в потоке реальной жидкости элементарные струйки,
можно считать, что внутри струйки движется идеальная, т.е. невязкая, жидкость, что
обусловлено свойствами элементарной струйки.
Рис. 3

Расходом элементарной струйки называется количество жидкости, протекающей в
единицу времени через живое сечение элементарной струйки. В зависимости от единицы
измерения количества жидкости расход может быть объемным или массовым.
Объемный расход элементарной струйки dQ определяется выражением
dQ = u dS, (5)
где и - скорость жидкости в данном живом сечении элементарной струйки площадью dS.
Массовый расход элементарной струйки
dQm = r u dS. (6)
Из дифференциальных уравнений (5) и (6) следует, что
dQm = r dQ.

11. Уравнения неразрывности

Основные уравнения гидродинамики выражают закон сохранения массы и закон
сохранения энергии для движущейся жидкости.
Закон сохранения массы для установившегося потока несжимаемой жидкости в канале
с непроницаемыми стенками для условий сплошности (неразрывности) течения сводится
к закону постоянства расхода вдоль канала и выражается уравнением объемного
расхода
(7)
где
– средние скорости потока в сечениях 1 и 2;
– площади сечения 1 и 2.
Из уравнения следует, что средние по сечению скорости в потоке несжимаемой жидкости
обратно пропорциональны площадям сечений:
(8)
Средней по нормальному сечению скоростью потока
называется одинаковая для
всех точек сечения скорость, обеспечивающая действительный расход через это сечение:
(9)

Эпюры скоростей в нормальном сечении потока в трубе для ламинарного и турбулентного
течений при одинаковом расходе, а также эпюра средней по сечению скорости
приведены на рис. 5.
Нормальное сечение – это сечение, нормальное в каждой точке к скорости потока
(живое сечение).
Рис. 4. Изменение корости вдоль турбины.
Рис. 5. Эпюра скоростей.

Уравнение неразрывности
Уравнение неразрывности в переменных Эйлера:
(10)
Если не учитывается сжимаемость жидкой среды, то
вид
и уравнение (10) принимает
(11)
(
(12)

14. Ускорение жидкой частицы

При движении идеальной жидкости из поверхностных сил на нее действуют только силы
давления, а к массовым силам добавляются силы инерции. При составлении баланса
сил движущегося объема жидкости необходимо учитывать, что силы инерции
направлены в сторону, противоположную направлению ускорения. Единичной силой
инерции, приходящейся на единицу массы жидкости, является ускорение
В гидростатике были выведены дифференциальные уравнения равновесия,
включающие массовые силы и силы давления и записанные для единицы массы
жидкости в проекциях на оси координат. Прибавив в левой части каждого из
уравнений системы соответствующую проекцию ускорения a = du/dt , взятую с
обратным знаком (в соответствии с принципом Д ‫ּי‬Аламбера), получаем
дифференциальные уравнения движения идеальной жидкости (уравнения Эйлера):
(13)

В повседневной жизни мы обычно сталкиваемся с тремя фазовыми состояниями вещества – твердым, жидким и газообразным. Мы имеем довольно ясное представление о строении газов и твердых кристаллических тел. Газ является собранием молекул, беспорядочно движущихся по всем направлениям независимо друг от друга. В твердом теле все молекулы длительно сохраняют взаимное расположение, совершая лишь небольшие колебания около определенных положений равновесия.

Содержание работы

1 Ведение………………………………………………………..2
2 Основная часть
2.1 Строение жидкости. Движение молекул жидкости………3
2.2 Давление в жидкости……………………………………….4
2.3 Закон Архимеда …………………………………………….5
2.4 Испарение……………………………………………………6
2.5 Кипение……………………………………………………….7
2.6 Поверхностное натяжение жидкости……………………….8
2.7 Жидкостные пленки…………………………………………9
2.8 Смачивание и несмачивание…………………………….….10
2.9 Капиллярные явления………………………………………..12
2.10 Электрический ток в жидкостях…………………………..13
3 Вывод………………………………………………………..14
Список литературы………………………………………………16

Содержимое работы - 1 файл

реферат по физике.doc

Содержание

2 Основная часть

2.1 Строение жидкости. Движение молекул жидкости………3

2.2 Давление в жидкости…………………………… ………….4

2.6 Поверхностное натяжение жидкости……………………….8

2.7 Жидкостные пленки………………………………… ………9

2.8 Смачивание и несмачивание…………… ……………….….10

2.9 Капиллярные явления…………………………… …………..12

2.10 Электрический ток в жидкостях… ………………………..13

1.Введение

В данном реферате я остановлюсь на более подробном рассмотрении жидкого состояния вещества. Главной особенностью этого агрегатного состояния является то, что жидкое состояние, занимая промежуточное положение между газами и кристаллами, сочетает в себе некоторые свойства обоих этих состояний. В частности, для жидкостей, как и для кристаллических тел, характерно наличия определенного объема, и вместе с тем, жидкость, подобно газу, принимает форму того сосуда, в котором находится. Большинство людей привыкли думать, что жидкости не имеют никакой собственной формы. Но это неверно. Естественная форма всякой жидкости – это шар. Обычно сила тяжести мешает жидкости принимать эту форму, жидкость либо растекается тонким слоем по поверхности, либо же принимает форму сосуда, если налита в него.

Промежуточным положением жидкостей обусловлено то, что жидкое состояние оказывается особенно сложным по своим свойствам. Хотя жидкости стали предметом научного изучения по крайней мере еще со времен Архимеда, то есть 2200 лет тому назад, анализ поведения жидкостей все еще является одной из самых трудных областей прикладной науки. До сих пор нет вполне законченной и общепризнанной теории жидкостей.

2.Основная часть.

Для понимания основных свойств и закономерностей жидкого состояния вещества необходимо рассмотреть следующие аспекты:

2.1.Строение жидкости. Движение молекул жидкости.

Жидкость – это нечто такое, что может течь.

В расположении частиц жидкости наблюдается так называемый ближний порядок. Это означает, что по отношению к любой частице расположение ближайших к ней соседей является упорядоченным. Однако по мере удаления от данной частицы расположение по отношению к ней других частиц становится все менее упорядоченным, и довольно быстро порядок в расположении частиц совсем исчезает. Молекулы жидкости движутся гораздо более свободно, чем молекулы твердого тела, хотя и не так свободно, как молекулы газа. Каждая молекула жидкости в течение некоторого времени движется то туда, то сюда, не удаляясь, однако от своих соседей. Но время от времени молекула жидкости вырывается из своего окружения и переходит в другое место, попадая в новое окружение, где опять в течение некоторого времени совершает движения, подобные колебанию. Значительные заслуги в разработке ряда проблем теории жидкого состояния принадлежит советскому ученому Я. И. Френкелю. Cогласно Френкелю, тепловое движение в жидкостях имеет следующий характер. Каждая молекула в течение некоторого времени колеблется около определенного положения равновесия. Время от времени молекула меняет место равновесия, скачком перемещаясь на новое положение, отстоящего от предыдущего на расстояние порядка размеров самих молекул. То есть, молекулы лишь медленно перемещаются внутри жидкости, пребывая часть времени около определенных мест. Таким образом, движение молекул жидкости представляет собой нечто вроде смеси движений в твердом теле и в газе: колебательное движение на одном месте сменяется свободным переходом из одного места в другое.

Повседневный опыт учит нас, что жидкости действуют с известными силами на поверхность твердых тел, соприкасающихся с ними. Эти силы называются силами давления жидкости.

Прикрывая пальцем отверстие открытого водопроводного крана, мы ощущаем силу давления жидкости на палец. Боль в ушах, которую испытывает пловец, нырнувший на большую глубину, вызвана силами давления воды на барабанную перепонку уха. Термометры для измерения температуры на глубине моря должны быть очень прочными, чтобы давление воды не могло раздавить их.

Давление в жидкости обусловлено изменением ее объема – сжатием. По отношению к изменению объема жидкости обладают упругостью. Силы упругости в жидкости – это и есть силы давления. Таким образом, если жидкость действует с силами давления на соприкасающиеся с ней тела, это значит, что она сжата. Так как при сжатии плотность вещества растет то можно сказать, что жидкости обладают упругостью по отношению к изменению плотности.

Давление в жидкости перпендикулярно любой поверхности, помещенной в жидкость. Давление в жидкости на глубине h равно сумме давления на поверхности и величины, пропорциональной глубине:

Благодаря тому, что жидкости могут передавать статическое давление, практически не менее своей плотности они могут использоваться в устройствах, дающих выигрыш в силе: гидравлическом прессе.

2.3.Закон Архимеда

На поверхность твердого тела, погруженного в жидкость, действуют силы давления. Так как давление увеличивается с глубиной погружения, то силы давления, действующие на нижнюю часть жидкости и направленные вверх, больше, чем силы, действующие на верхнюю его часть и направленные вниз, и мы можем ожидать, что равнодействующая сил давления будет направлена вверх. Равнодействующая сил давления на тело, погруженное в жидкость, называется поддерживающей силой жидкости.

Если тело, погруженное в жидкость, предоставить самому себе, то оно потонет, останется в равновесии или всплывет на поверхность жидкости в зависимости от того, меньше ли поддерживающая сила, чем сила тяжести, действующая на тело, равна ей или больше ее.

Закон Архимеда заключается в том, что на тело, находящееся в жидкости, действует направленная вверх выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости. На тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила (называемая силой Архимеда)

где ρ — плотность жидкости (газа), — ускорение свободного падения, а V — объём погружённого тела (или часть объёма тела, находящаяся ниже поверхности).

Если тело, погруженное в жидкость, подвешено к чаше весов, то весы показывают разность между весом тела в воздухе и весом вытесненной жидкости. Поэтому закону Архимеда придают иногда следующую формулировку: тело, погруженное в жидкость, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость.

2.4.Испарение

В поверхностном слое и вблизи поверхности жидкости действуют силы, которые обеспечивают существование поверхности и не позволяют молекулам покидать объем жидкости. Благодаря тепловому движению некоторая часть молекул имеет достаточно большие скорости, чтобы преодолеть силы, удерживающие молекулы в жидкости, и покинуть жидкость. Это явление называется испарением. Оно наблюдается при любой температуре, но его интенсивность возрастает с увеличением температуры.

Если покинувшие жидкость молекулы удаляются из пространства вблизи поверхности жидкости, то, в конце концов, вся жидкость испарится. Если же молекулы, покинувшие жидкость не удаляются, то они образуют пар. Молекулы пара, попавшие в область вблизи поверхности жидкости, силами притяжения втягиваются в жидкость. Этот процесс называется конденсацией.

Таким образом, в случае неудаления молекул скорость испарения уменьшается со временем. При дальнейшем увеличении плотности пара достигается такая ситуация, когда число молекул, покидающих жидкость за некоторое время, будет равно числу молекул, возвращающихся в жидкость за то же время. Наступает состояние динамического равновесия. Пар в состоянии динамического равновесия с жидкостью называется насыщенным.

С повышением температуры плотность и давление насыщенного пара увеличиваются. Чем выше температура, тем большее число молекул жидкости обладает энергией, достаточной для испарения, и тем большей должна быть плотность пара, чтобы конденсация могла сравняться с испарением.

Кипение – это интенсивное испарение жидкости, происходящее не только с поверхности, но и во всем ее объеме, внутрь образующихся пузырьков пара. Чтобы перейти из жидкости в пар, молекулы должны приобрести энергию, необходимую для преодоления сил притяжения, удерживающих их в жидкости. Например, для испарения 1 г воды при температуре 100° С и давлении, соответствующем атмосферному давлению на уровне моря, требуется затратить 2258 Дж, из которых 1880 идут на отделение молекул от жидкости, а остальные – на работу по увеличению объема, занимаемого системой, против сил атмосферного давления (1 г водяных паров при 100° С и нормальном давлении занимает объем 1,673 см 3 , тогда как 1 г воды при тех же условиях – лишь 1,04 см 3 ).

Температурой кипения является та температура, при которой давление насыщенных паров становится равным внешнему давлению. При увеличении давления температура кипения увеличивается, а при уменьшении - уменьшается.

По причине изменения давления в жидкости с высотой ее столба, кипение на различных уровнях в жидкости происходит, строго говоря, при различной температуре. Определенную температуру имеет лишь насыщенный пар над поверхностью кипящей жидкости. Его температура определяется только внешним давлением. Именно эта температура имеется в виду, когда говорят о температуре кипения.

Температуры кипения различных жидкостей сильно отличаются, между собой и это находит широкое применение в технике, например, при разгонке нефтепродуктов.

Количество тепла, которое необходимо подвести, для того чтобы изотермически превратить в пар определенное количество жидкости, при внешнем давлении, равном давлению ее насыщенных паров, называется скрытой теплотой парообразования. Обычно эту величину соотносят к одному грамму, или одному молю. Количество теплоты, необходимое для изотермического испарения моля жидкости называется молярной скрытой теплотой парообразования. Если эту величину поделить на молекулярный вес, то получится удельная скрытая теплота парообразования.

2.6.Поверхностное натяжение жидкости

Свойство жидкости сокращать свою поверхность до минимума называется поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение – явление молекулярного давления на жидкость, вызванное притяжением молекул поверхностного слоя к молекулам внутри жидкости. На поверхности жидкости молекулы испытывают действие сил, которые не являются симметричными. На находящуюся внутри жидкости молекулу со стороны соседей в среднем равномерно со всех сторон действует сила притяжения, сцепления. Если поверхность жидкости увеличивать, то молекулы будут двигаться против действия удерживающих сил. Таким образом, сила, стремящаяся сократить поверхность жидкости, действует в противоположном направлении внешней растягивающей поверхность силе. Эта сила называется силой поверхностного натяжения и вычисляется по формуле:

Читайте также: