ronl

Реферат: Свойства жидкостей

Национальный университет Узбекистана

Физический факультет

РефератСвойства жидкостей

                                                        

Составил:  студент 1 курса

Овсянников А. В.

Ташкент – 2004

1.<span Times New Roman"">  

Объемные свойства жидкостей<span Impact",«sans-serif»;letter-spacing:1.0pt;font-weight:normal"><span Impact",«sans-serif»; font-weight:normal">Сжимаемость жидкостей

Молекулы в жидкостях находятся близко друг к другу,примерно на расстояниях равных размерам самих молекул. Это является причинойвысокого молекулярного ван-дер-ваальсового давления, которое равно <img src="/cache/referats/17902/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025"><img src="/cache/referats/17902/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026"> в жидкостях в миллионыраз больше, чем  в газах. Поэтому можнопренебречь внешним давлением, и уравнение Ван-дер-Ваальса примет вид

<div v:shape="_x0000_s1029">

p

<div v:shape="_x0000_s1031"> A <img src="/cache/referats/17902/image006.jpg" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1038"><img src="/cache/referats/17902/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1027">

<div v:shape="_x0000_s1030"> V

<div v:shape="_x0000_s1032"> B <div v:shape="_x0000_s1033"> Рис.1 Большойвеличиной молекулярного давления объясняется ничтожно малая сжимаемость жидкостей.Это сразу видно из уравнения кривой Ван-дер-Ваальса, на которой жидкому состояниюсоответствует участок AB(см. рис. 1). Коэффициентсжимаемости <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">cжидкости – относительноеизменение объема dVпри изменении давления на единицу т.е.

<img src="/cache/referats/17902/image010.gif" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1034">

Опыт показывает, что коэффициент сжимаемостибольшинства жидкостей лежит в пределах от 10-4 до 10-5 <img src="/cache/referats/17902/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1028">

Коэффициент сжимаемости жидкости зависит отдавления. Он возрастает с повышением температуры. К этому результату можноприйти и опытным путем и исходя из уравнения Ван-дер-Ваальса. Поскольку этоуравнение связывает температуру, объем и давление, то из него можно вычислитьвеличину <img src="/cache/referats/17902/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1029">aиbна самом деле зависят оттемпературы. Совокупность опытных данных позволила получить эмпирическуюформулу для  коэффициента сжимаемостижидкости:

<img src="/cache/referats/17902/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1030">

гдеA– некоторая функция,возрастающая с температурой, p – внешнеедавление и pT– давление, связанное с силамиВан-дер-Ваальса (a/V2) при температуре T.Эта формула показывает, что коэффициент сжимаемости растет с повышениемтемпературы и уменьшается с ростом давления.

 Среди всехжидкостей наибольшей сжимаемостью обладает жидкий гелий, у которого придавлении в несколько атмосфер коэффициент <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">c

равен <img src="/cache/referats/17902/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1031"><img src="/cache/referats/17902/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1032"><img src="/cache/referats/17902/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1033"><img src="/cache/referats/17902/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1034">Тепловое расширение жидкости

Тепловое расширение вещества характеризуетсякоэффициентом объемного расширения

<img src="/cache/referats/17902/image025.gif" v:shapes="_x0000_i1035">

т.е.относительным изменением объема Vприизменении температуры Tна 1 К.

Числовые значения коэффициента <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a

сильно зависят от температурыи давления. Для различных жидкостей значения <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">aпри одинаковых температурахмогут меняться весьма значительно. Так, например, для воды <img src="/cache/referats/17902/image027.gif" v:shapes="_x0000_i1036"><img src="/cache/referats/17902/image029.gif" v:shapes="_x0000_i1037"><img src="/cache/referats/17902/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1038"><img src="/cache/referats/17902/image033.gif" v:shapes="_x0000_i1039"> и т.д. При повышениитемпературы <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">aсильно возрастает. Так дляжидкой углекислоты при повышении температуры от 0<span Tahoma",«sans-serif»; mso-ansi-language:EN-US">°до 20° коэффициент тепловогорасширения возрастает вдвое. Увеличение давления несколько снижает значение <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a.

Вода обладает аномальнымтепловым расширением. В интервале от 0° до 3,98° коэффициент <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a

отрицателен: при нагреванииобъем воды уменьшается и наибольшей плотности вода достигает при 3,98° C. Приэтой температуре <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a= 0.

Причиной этого явления является то, что молекулыводы имеют различный состав: не только H2O, но 2H2O и 3H2O. Относительные количества этих молекулменяются с температурой и давлением.

2.<span Times New Roman"">  

Теплоемкость жидкостей

Внутренняя энергия жидкостей определяется не толькокинетической энергией тепловых движений частиц, но и их потенциальной энергиейвзаимодействия. Поэтому закономерности, полученные для теплоемкостей идеальныхгазов из уравнений кинетической теории, не могут быть справедливы для жидкостей.

Опыт показывает, что теплоемкость жидкостей зависитот температуры, причем вид зависимости у разных жидкостей различный. Убольшинства из них теплоемкость с повышением температуры увеличивается, но естьи такие у которых, наоборот, — уменьшается. У некоторых жидкостей теплоемкостьс повышением температуры сначала падает, а затем, пройдя через минимум, начинаетрасти. Такой ход теплоемкости наблюдается у воды. Жидкости с большиммолекулярным весом обычно имеют большие значения теплоемкостей. Особенно этопроявляется у органических жидкостей.

У жидкостей, как и газов, следует различатьтеплоемкость при постоянном объеме и при постоянном давлении. Разность молярныхтеплоемкостей равна Cp – CVравнаработе расширения pdV (p– молекулярное давление ) моляжидкости при его нагревании на один градус, поэтому численное значение этой разностизависит от значения коэффициента объемного теплового расширения жидкости. Вотличие от идеальных газов значение Cp — CV  у жидкостей не равнопостоянной R, а может быть и больше и меньше в зависимости отзначения коэффициента объемного расширения и от величины внутренних сил взаимодействиячастиц жидкости, против которых совершается работа расширения (давление pв выражении pdVсвязаноименно с этими силами).

Так, у жидкого аргона при 140 К теплоемкость <img src="/cache/referats/17902/image035.gif" v:shapes="_x0000_i1040"><img src="/cache/referats/17902/image037.gif" v:shapes="_x0000_i1041"> и, следовательно <img src="/cache/referats/17902/image039.gif" v:shapes="_x0000_i1042">Cтеплоемкость <img src="/cache/referats/17902/image041.gif" v:shapes="_x0000_i1043"><img src="/cache/referats/17902/image043.gif" v:shapes="_x0000_i1044"><img src="/cache/referats/17902/image045.gif" v:shapes="_x0000_i1045">

Таким образом, численные значения теплоемкостейжидкостей могут быть самыми разнообразными. Исключение составляют жидкиеметаллы, у которых молярная теплоемкость обычно близка к значению <img src="/cache/referats/17902/image047.gif" v:shapes="_x0000_i1046">

3.<span Times New Roman"">  

Явления переноса в жидкостях

В жидкостях, как и в газах, наблюдаются явлениядиффузии, теплопроводности и вязкости. Но механизм этих процессов в жидкостяхиной, чем в газах.

В отличие от газов, в жидкостях отсутствует понятиедлины свободного пробега. Это связано с тем, что в жидкостях среднее расстояниемежду молекулами такого же порядка, как и размеры самих молекул. Молекулыжидкости могут совершать лишь малые колебания в пределах, ограниченных межмолекулярнымирасстояниями.

Такие колебания молекул время от времени сменяютсяскачками на некоторое расстояние <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol; mso-symbol-font-family:Symbol">d

, происходящими из-за получения молекулой в результатефлуктуации избыточной энергии от соседних молекул. Колебания, сменяющиесяскачками, – и есть тепловые движения молекул жидкости.

<span Impact",«sans-serif»">Диффузия

<span Impact",«sans-serif»">

Для явления диффузии в жидкости справедлив законФика. Он гласит:

<img src="/cache/referats/17902/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1047">

где I– диффузионный поток в направлении оси X, D – коэффициент диффузии, а <img src="/cache/referats/17902/image051.gif" v:shapes="_x0000_i1048">  — градиентконцентрации по оси X.

Обозначим время между скачками молекул через t, тогда величина <img src="/cache/referats/17902/image053.gif" v:shapes="_x0000_i1049">  — скорости молекулы.Это дает возможность сравнить <img src="/cache/referats/17902/image055.gif" v:shapes="_x0000_i1050"><img src="/cache/referats/17902/image057.gif" v:shapes="_x0000_i1051">

<img src="/cache/referats/17902/image059.gif" v:shapes="_x0000_i1052">

Коэффициент самодиффузии сильно зависит оттемпературы, т.е. с повышением температуры он увеличивается.

Выражение коэффициента диффузии можно переписать ввиде

<img src="/cache/referats/17902/image061.gif" v:shapes="_x0000_i1053">

где <img src="/cache/referats/17902/image063.gif" v:shapes="_x0000_i1054"><span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol; mso-symbol-font-family:Symbol">n

— частота вышеописанных колебаний, а w– энергия, необходимая для скачкамолекулы, называемая энергией активации молекулы.

Численное значение коэффициента диффузии у жидкостеймного меньше чем у газов. Например коэффициент диффузии NaCl в воде равен 1,1·10-9 м2/с, в то время как длядиффузии аргона в гелий он равен 7·10-5 м2/с.

<span Impact",«sans-serif»">Вязкость

<span Impact",«sans-serif»">

Внутреннее трение жидкостей возникает при движениижидкости из-за переноса импульса в направлении, перпендикулярном к направлениюдвижения. Перенос импульса из одного слоя в другой осуществляется при скачкахмолекул, о которых говорилось выше.

Очевидно, что жидкость будет тем менее вязкой, чемменьше время t междускачками молекул, и значит, чем чаще происходят скачки. Исходя из этого, можнонаписать выражение для коэффициента вязкости, называемого уравнением Френкеля –Андраде:

<img src="/cache/referats/17902/image065.gif" v:shapes="_x0000_i1055">

Множитель C, входящий в это уравнение зависит от дальности скачка <img src="/cache/referats/17902/image055.gif" v:shapes="_x0000_i1056"><span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">n

и температуры. Однакотемпературный ход вязкости определяется множителем ew/kT. Как следует изэтой формулы, с повышением температуры вязкость быстро уменьшается.

<span Impact",«sans-serif»">Теплопроводность

<span Impact",«sans-serif»">

Теплопроводность в жидкостях имеет место при наличииградиента температуры. При этом энергия в жидкостях передается в процессестолкновения колеблющихся частиц. Частицы с более высокой энергией совершаютколебания с большей амплитудой, и при столкновениях с другими частицами как быраскачивают их, передавая им энергию. Такой механизм передачи энергии необеспечивает ее быстрого переноса. Поэтому теплопроводность жидкостей очень мала.

Например, коэффициент теплопроводности этиловогоспирта составляет 1,76 Вт/м·К.Исключение составляют жидкие металлы, коэффициенты теплопроводности которыхблизки к значениям для твердых металлов. Это объясняется тем, что тепло вжидких металлах переносится не только вместе с передачей колебаний от однихчастиц к другим, но и при помощи электронов, которые есть  в металлах, но отсутствуют в другихжидкостях.

4.<span Times New Roman"">  

Парообразование и кипение

<span Impact",«sans-serif»">Испарение

<span Impact",«sans-serif»">

В поверхностном слое и вблизи поверхности жидкостидействуют силы, которые обеспечивают существование поверхности и не позволяютмолекулам покидать объем жидкости. Благодаря тепловому движению некоторая частьмолекул имеет достаточно большие скорости, чтобы преодолеть силы, удерживающиемолекулы в жидкости, и покинуть жидкость. Это явление называется испарением.Оно наблюдается при любой температуре, но его интенсивность возрастает сувеличением температуры.

Если покинувшие жидкость молекулы удаляются изпространства вблизи поверхности жидкости, то, в конце концов, вся жидкостьиспарится. Если же молекулы, покинувшие жидкость не удаляются, то они образуютпар. Молекулы пара, попавшие в область вблизи поверхности жидкости, силамипритяжения втягиваются в жидкость. Этот процесс называется конденсацией.

Таким образом, в случае неудаления молекул скоростьиспарения уменьшается со временем. При дальнейшем увеличении плотности пара достигаетсятакая ситуация, когда число молекул, покидающих жидкость за некоторое время,будет равно числу молекул, возвращающихся в жидкость за то же время. Наступаетсостояние динамического равновесия. Пар в состоянии динамического равновесия сжидкостью называется насыщенным.

С повышением температуры плотность и давлениенасыщенного пара увеличиваются. Чем выше температура, тем большее число молекулжидкости обладает энергией, достаточной для испарения, и тем большей, должнабыть плотность пара, чтобы конденсация могла сравняться с испарением.

<span Impact",«sans-serif»">Кипение

<span Impact",«sans-serif»">

Когда при нагревании жидкости достигаетсятемпература, при которой давление насыщенных паров равно внешнему давлению,устанавливается равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром. При сообщениижидкости дополнительного количества теплоты происходит немедленное превращениесоответствующей массы жидкости в пар. Этот процесс называется кипением.

Температурой кипения является та температура, прикоторой давление насыщенных паров становится равным внешнему давлению. Приувеличении давления температура кипения увеличивается, а при уменьшении — уменьшается.

По причине изменения давления в жидкости с высотойее столба, кипение на различных уровнях в жидкости происходит, строго говоря,при различной температуре. Определенную температуру имеет лишь насыщенный парнад поверхностью кипящей жидкости. Его температура определяется только внешнимдавлением. Именно эта температура имеется в виду, когда говорят о температурекипения.

Количество тепла, которое необходимо подвести, длятого чтобы изотермически превратить в пар определенное количество жидкости, привнешнем давлении, равном давлению ее насыщенных паров, называется скрытой теплотойпарообразования. Обычно эту величину соотносят к одному грамму, или одномумолю. Количество теплоты, необходимое для изотермического испарения моляжидкости называется молярной скрытой теплотой парообразования. Если этувеличину поделить на молекулярный вес, то получится удельная скрытая теплотапарообразования.

Литература:

1.<span Times New Roman"">    

2.<span Times New Roman"">    

3.<span Times New Roman"">    

еще рефераты
Еще работы по физике