4. Внутреннее трение в жидкости. Вязкость.

Поток жидкости (газа) может быть ламинарным или турбулентным. В случае ламинарного (слоистого) течения каждый слой потока перемещается, не перемешиваясь с другими слоями. При турбулентном (вихревом) течении происходит образование вихрей и перемешивание различных слоев жидкости или газа.

При движении частей жидкости относительно друг друга возникают тормозящие это движение силы, которые называют силами внутреннего трения или силами вязкости.

Согласно выводам Ньютона, сила внутреннего трения ,

где η – коэффициент вязкости среды, величина выражающая зависимость силы внутреннего трения от рода вещества и от внешних условий;

- градиент скорости – вектор, характеризующий быстроту пространственного изменения скорости;

S – площадь соприкосновения слоев.

Динамическая вязкость η численно равна силе внутреннего трения, действующей на единицу площади параллельно движущимся слоям и необходимой для поддержания градиента скорости, равного единице . Коэффициент η зависит от рода жидкости или газа температуры.

Вопросы для самопроверки:

1. Какое вещество называют жидкостью?

2. Какое строение имеет жидкость?

3. Что называют силой поверхностного натяжения?

4. Что называют вязкостью?

5. Когда жидкость смачивает поверхности, когда нет?

6. Что называется капилляром?

7. Что называется капиллярными явлениями?

Тема. Плавление и кристаллизация. Сублимация. Диаграмма состояния вещества. Тепловое расширение тел.

1. Явления плавления и кристаллизации с точки зрения мкт.

Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением, а переход и жидкого состояния в твердое – отвердеванием или кристаллизацией.

При плавлении твердого вещества увеличиваются расстояния между частицами, образующими кристаллическую решетку и при определенной температуре, начинается разрушение кристаллической решетки. Это означает, что в процессе плавления увеличивается молекулярно-потенциальная энергия вещества. Таким образом, плавление вещества самопроизвольно происходить не может, так как на этот процесс необходимо затрачивать энергию.

Внутренняя энергия вещества в жидкой фазе больше внутренней энергии вещества в кристаллической твердой фазе при одной и той же температуре.

Внутренняя энергия вещества в аморфном состоянии больше, чем в кристаллическом, поэтому и происходит самопроизвольная кристаллизация аморфных тел.

При кристаллизации происходит сближение частиц, которые образуют решетку, а их потенциальная энергия уменьшается. Следовательно, кристаллизация может происходить только тогда, когда жидкость отдает свою энергию каким-либо внешним телам.

Опыт показывает, что плавление и отвердевание определенного вещества происходит при одинаковой температуре, не изменяющейся, пока совместно существуют твердая и жидкая фаза вещества. Эта температура называется температурой плавления.

При плавлении и кристаллизации вещества всегда существует резкая разница между твердой и жидкой фазами.

Плавление и кристаллизацию можно наблюдать только у кристаллических тел. У аморфных веществ процесс плавления и кристаллизации не наблюдается.

Количество теплоты необходимое для плавления зависит от массы вещества, от его рода и внешних условий. λ – удельная теплота плавления.

2. Изменение объема и плотности вещества при кристаллизации и плавлении.

Для большинства кристаллических тел плотность жидкой фазы меньше, чем твердой, потому что при плавлении объем их увеличивается из-за увеличения расстояний между атомами или молекулами. Лишь небольшая группа веществ (лед, висмут, чугун, галлий) плавится с уменьшением объема (с увеличением плотности). Причиной этому является особенности геометрических структур кристаллических решеток: ажурность и наличие значительных внутренних «пустот».

3. Испарение твердых тел. Сублимация.

Многие твердые вещества обладают запахом (камфара, нафталин). Это доказывает, что при определенных условиях твердые вещества могут переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое.

Запах создается молекулами твердых веществ, которые попадают нам в нос. Следовательно, в воздухе имеются пары этих веществ. В природе все твердые вещества испаряются, но чаще всего паров этих веществ бывает так мало, что их невозможно обнаружить.

При повышении температуры плотность этих паров быстро возрастает, поэтому многие твердые вещества при нагревании начинают пахнуть.

Испарение твердых тел называется возгонкой или сублимацией.

Пример. Сублимация льда и снега, уменьшение инея на ветвях деревьев с течением времени.

3. Тепловое расширение тел. Необходимость учитывать тепловую деформацию тел технике и природе.

Известно, что при повышении температуры линейные размеры твердых тел увеличиваются, а при понижении – уменьшаются.

При нагревании твердого тела увеличивается среднее расстояние между атомами.

• Линейное расширение.

Линейное тепловое расширение характеризуется температурным коэффициентом линейного расширения α. Предположим, что твердое тело при начальной температуре Т₀ имеет длину l₀. При нагревании тела до температуры Т его длина увеличивается до l₀, т.е. Δl=l-l₀. Относительное удлинение тела составит .

Величина равная отношению относительного удлинения тела к изменению его температуры на ΔТ=Т-Т₀, называется температурным коэффициентом линейного расширения.

.

Зависимость длины твердого тела от температуры определяется по формуле

Температурный коэффициент линейного расширения зависит от рода вещества.

• Объемное расширение.

С возрастанием температуры изменяется и объем. В пределах не слишком большого температурного интервала объем увеличивается пропорционально температуре.

Объемное расширение твердых тел характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения β – величиной, равной отношению относительного увеличения объема тела к изменению температуры ΔТ

, где ΔV=V-V₀, V₀ V – объемы тела при температурах Т₀ и Т соответственно.

. Между температурными коэффициентами линейного объемного расширения существует связь .

• Тепловое расширение жидкостей.

При нагревании жидкостей возрастает средняя кинетическая энергия хаотического движения ее молекул. Это приводит к увеличению расстояния между молекулами, а следовательно, и к увеличению объема. Тепловое расширение жидкостей, как и твердых тел, характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения. Объем жидкости при нагревании определяется по формуле . При увеличении объема тел уменьшается их плотность. Обозначая ρ и ρ₀ плотности при температурах Т и Т₀ соответственно и учитывая что , получаем .

Вопросы для самопроверки:

1. Что называется плавлением?

2. Что называется кристаллизацией?

3. Опишите процесс плавления и кристаллизации вещества с точки зрения МКТ.

4. Все ли вещества расширяются при нагревании?