1.2. Общие сведения о жидкости

Жи́дкость — вещество, находящееся в жидком агрегатном состоянии, занимающем промежуточное положение между твёрдым и газообразным состояниями^[1]. Основным свойством жидкости, отличающим её от веществ, находящихся в других агрегатных состояниях, является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объём.

Вещество в жидком состоянии существует в определённом интервале температур, ниже которого переходит втвердое состояние(происходиткристаллизациялибо превращение в твердотельное аморфное состояние —стекло), выше — вгазообразное(происходит испарение). Границы этого интервала зависят отдавления.

Каждое из агрегатных состояний, в котором находится тело характеризуется специфическими свойствами, которые определяются особенностями их молекулярной структуры, непосредственно связанной с силами взаимодействия молекул. Этими силами являются силы притяжения и отталкивания, действующие одновременно и зависящие от расстояния между частицами.

На примере двух изолированных молекул на расстоянии r₀ сила взаимодействия равна нулю, т. е. силы отталкивания уравновешивают силы притяжения. При r ˃ r₀ результирующей силой является сила притяжения, которая растет по абсолютной величине, достигая максимума при r = r_m, а затем уменьшается. При r < r₀ результирующей силой являются силы отталкивания. Молекула в поле этих сил обладает потенциальной энергией E (r), которая связана с силой f (r) дифференциальным соотношением

dE= f(r)dr (1)

В точке r = r₀, f(r) = 0, E(r) достигает экстремума (минимума). В твердых (кристаллических) телах молекулы располагаются на расстоянии r₀, где потенциальная энергия минимальна, образуя кристаллическую решетку. тепловое движение –колебание атомов в узлах решетки. Средняя кинетическая энергия теплового движения – kT, она много меньше энергии связи молекулы в узле решетки, т.е.

│E₀│˃˃ kT (2)

Отсюда – устойчивость сохранения объёма и формы тела.

В газе межмолякулярное расстояние ≥ 10r₀, что соответствует слабым силам притяжения и малой потенциальной энергии. Тепловое движение доминирует над силами притяжения

│E₀│<< kT (3)

Молекулыжидкости не имеют определённого положения, но в то же время им недоступна полная свобода перемещений. Между ними существует притяжение, достаточно сильное, чтобы удержать их на близком расстоянии, и силы отталкивания.

│E₀│= kT (4)

По молекулярному строению жидкости занимают промежуточное значение между газами и твердыми телами. Они обладают свойством сохранять величину занимаемого ими объёма, но не держат форму.

Таким образом, с точки зрения механики тело является жидкостью, если оно обладает следующими свойствами:

- не имеет собственной формы и принимает форму любого сосуда, в котором она располагается. Это может иметь место, когда жидкость обладает текучестью;

- при воздействии на жидкость давления и температуры она весьма мало изменяет свой первоначальный объём.

Изучение реальных жидкостей и газов связано со значительными трудностями, т.к. физические свойства реальных жидкостей зависят от их состава, от различных компонен­тов, которые могут образовывать с жидкостью различные смеси как гомогенные (раство­ры) так и гетерогенные (эмульсии, суспензии и др.) По этой причине для вывода основ­ных уравнений движения жидкости приходится пользоваться некоторыми абстрактными моделями жидкостей и газов, которые наделяются свойствами неприсущими природным жидкостям и газам.

Идеальная жидкость - модель природной жидкости, характеризующаяся изотропно­стью всех физических свойств и, кроме того, характеризуется абсолютной несжимаемо­стью, абсолютной текучестью (отсутствие сил внутреннего трения), отсутствием процес­сов теплопроводности и теплопереноса.

Реальная жидкость - модель природной жидкости, характеризующаяся изотропно­стью всех физических свойств, но в отличие от идеальной модели, обладает внутренним трением при движении.

При изучении движения жидкостей и газов теоретическая гидравлика (гидромехани­ка) широко пользуется представлением о жидкости как о сплошной среде. Такое допуще­ние вполне оправдано, если учесть, что размеры пространства занимаемого жидкостью, во много раз превосходят межмолекулярные расстояния (исключением можно считать лишь разряженный газ). При изучении движения жидкостей и газов последние часто рассматри­ваются как жидкости с присущими им некоторыми особыми свойствами. В связи с этим принято различать две категории жидкостей: капельные жидкости (практически несжи­маемые тела, или собственно жидкости) и сжимаемые жидкости (газы).