Реологические свойства жидкости

     Упругие волны в жидкости со временем затухают, их энергия постепенно переходит  в тепловую энергию. Причины затухания  — вязкость, «классическое поглощение», молекулярная релаксация и другие. При этом работает так называемая вторая, или объёмная вязкость —  внутреннее трение при изменении  плотности. Ударная волна в результате затухания через какое-то время  переходит в звуковую.

     Упругие волны в жидкости подвержены также  рассеянию на неоднородностях, возникающих  в результате хаотического теплового  движения молекул.

     Волны на поверхности

     Если  сместить участок поверхность жидкости от положения равновесия, то под  действием возвращающих сил поверхность  начинает двигаться обратно к  равновесному положению. Это движение, однако, не останавливается, а превращается в колебательное движение около  равновесного положения и распространяется на другие участки. Так возникают  волны на поверхности жидкости.

     Если  возвращающая сила — это преимущественно  силы тяжести, то такие волны называются гравитационными волнами (не путать с волнами гравитации). Гравитационные волны на воде можно видеть повсеместно. 

     Если  возвращающая сила — это преимущественно  сила поверхностного натяжения, то такие  волны называются капиллярными.

     Если  эти силы сопоставимы, такие волны  называются капиллярно-гравитационными.

     Волны на поверхности жидкости затухают под  действием вязкости и других факторов.

     Сосуществование с другими фазами

     Формально говоря, для равновесного сосуществования  жидкой фазы с другими фазами того же вещества — газообразной или  кристаллической — нужны строго определённые условия. Так, при данном давлении нужна строго определённая температура. Тем не менее, в природе  и в технике повсеместно жидкость сосуществует с паром, или также  и с твёрдым агрегатным состоянием — например, вода с водяным паром  и часто со льдом (если считать  пар отдельной фазой, присутствующей наряду с воздухом). Это объясняется  следующими причинами.

     — Неравновесное состояние. Для испарения  жидкости нужно время, пока жидкость не испарилась полностью, она сосуществует с паром. В природе постоянно  происходит испарение воды, также  как и обратный процесс — конденсация.

     — Замкнутый объём. Жидкость в закрытом сосуде начинает испаряться, но поскольку  объём ограничен, давление пара повышается, он становится насыщенным ещё до полного  испарения жидкости, если её количество было достаточно велико. При достижении состояния насыщения количество испаряемой жидкости равно количеству конденсируемой жидкости, система приходит в равновесие. Таким образом, в  ограниченном объёме могут установиться условия, необходимые для равновесного сосуществования жидкости и пара.

     — Присутствие атмосферы в условиях земной гравитации. На жидкость действует  атмосферное давление (воздух и пар), тогда как для пара должно учитываться  практически только его парциальное  давление. Поэтому жидкости и пару над её поверхностью соответствуют разные точки на фазовой диаграмме, в области существования жидкой фазы и в области существования газообразной соответственно. Это не отменяет испарения, но на испарение нужно время, в течение которого обе фазы сосуществуют. Без этого условия жидкости вскипали бы и испарялись очень быстро.

     Механика

     Изучению  движения и механического равновесия жидкостей и газов и их взаимодействию между собой и с твёрдыми телами посвящён раздел механики — гидроаэромеханика (часто называется также гидродинамикой). Гидроаэромеханика — часть более общей отрасли механики, механики сплошной среды.

     Гидромеханика — это раздел гидроаэромеханики, в котором рассматриваются несжимаемые жидкости. Поскольку сжимаемость жидкостей очень мала, во многих случаях ей можно пренебречь. Изучению сжимаемых жидкостей и газов посвящена газовая динамика.

     Гидромеханика подразделяется на гидростатику, в  которой изучают равновесие несжимаемых  жидкостей, и гидродинамику (в узком  смысле), в которой изучают их движение.

     Движение  электропроводных и магнитных жидкостей  изучается в магнитной гидродинамике. Для решения прикладных задач  применяется гидравлика.

     Основной  закон гидростатики — закон Паскаля.

     Движение  идеальной несжимаемой жидкости описывается уравнением Эйлера. Для  стационарного потока такой жидкости выполняется закон Бернулли. Вытекание  жидкости из отверстий описывается  формулой Торичелли.

     Движение  вязкой жидкости описывается уравнением Навье-Стокса, в котором возможен и учёт сжимаемости. 

     Упругие колебания и волны в жидкости (и в других средах) исследуются  в акустике. Гидроакустика — раздел акустики, в котором изучается  звук в реальной водной среде для  целей подводной локации, связи  и др.

     Молекулярно-кинетическое рассмотрение

     Агрегатное  состояние вещества определяется внешними условиями, главным образом давлением  P и температурой T. Характерными параметрами являются средняя кинетическая энергия молекулы Ekin(P,T) и средняя энергия взаимодействия между молекулами (в расчете на одну молекулу) Eint(P,T). Для жидкостей эти энергии приблизительно равны:  для твёрдых тел энергия взаимодействия намного больше кинетической, для газов — намного меньше.

     Классификация жидкостей

     Структура и физические свойства жидкости зависят  от химической индивидуальности составляющих их частиц и от характера и величины взаимодействия между ними. Можно  выделить несколько групп жидкостей  в порядке возрастания сложности.

     1. Атомарные жидкости или жидкости  из атомов или сферических  молекул, связанных центральными  ван-дер-ваальсовскими силами (жидкий аргон, жидкий метан).

     2. Жидкости из двухатомных молекул,  состоящих из одинаковых атомов (жидкий водород, жидкий азот). Такие молекулы обладают квадрупольным  моментом.

     3. Жидкие непереходные металлы  (натрий, ртуть), в которых частицы  (ионы) связаны дальнодействующими  кулоновскими силами.

     4. Жидкости, состоящие из полярных  молекул, связанных диполь-дипольным взаимодействием (жидкий бромоводород).

     5. Ассоциированные жидкости, или жидкости  с водородными связями (вода, глицерин).

     6. Жидкости, состоящие из больших  молекул, для которых существенны  внутренние степени свободы.

     Жидкости  первых двух групп (иногда трёх) обычно называют простыми. Простые жидкости изучены лучше других, из непростых  жидкостей наиболее хорошо изучена  вода. В эту классификацию не входят квантовые жидкости и жидкие кристаллы, которые представляют собой особые случаи и должны рассматриваться  отдельно.

     Статистическая  теория

     Наиболее  успешно структура и термодинамические  свойства жидкостей исследуются  с помощью уравнения Перкуса-Йевика.

     Если  воспользоваться моделью твёрдых  шаров, то есть считать молекулы жидкости шарами с диаметром d, то уравнение Перкуса-Йевика можно решить аналитически и получить уравнение состояния жидкости:

       где n — число частиц в единице объёма, — безразмерная плотность. При малых плотностях это уравнение переходит в уравнение состояния идеального газа: . Для предельно больших плотностей, , получается уравнение состояния несжимаемой жидкости:  

     Модель  твёрдых шаров не учитывает притяжение между молекулами, поэтому в ней  отсутствует резкий переход между  жидкостью и газом при изменении  внешних условий.

     Если  нужно получить более точные результаты, то наилучшее описание структуры  и свойств жидкости достигается  с помощью теории возмущений. В  этом случае модель твёрдых шаров  считается нулевым приближением, а силы притяжения между молекулами считаются возмущением и дают поправки. 
 

     Кластерная  теория

     Одной из современных теорий служит «Кластерная  теория». В её основе заключена идея, что жидкость представляется как  сочетание твёрдого тела и газа. При этом частицы твёрдой фазы (кристаллы, двигающиеся на короткие расстояния) располагаются в облаке газа, образуя кластерную структуру. Энергия частиц отвечает распределению  Больцмана, средняя энергия системы  при этом остаётся постоянной (при  условии её изолированности). Медленные  частицы сталкиваются с кластерами и становятся их частью. Так непрерывно изменяется конфигурация кластеров, система  находится в состоянии динамического  равновесия. При создании внешнего воздействия система будет вести  себя согласно принципу Ле Шателье. Таким образом, легко объяснить фазовое превращение:

     При нагревании система постепенно превратится  в газ (кипение)

     При охлаждении система постепенно превратится  в твёрдое тело (замерзание).