1.8. Отличительные свойства жидкостей

О строении жидкостей известно значительно меньше, чем о строении газов. Для вывода приближенных результатов применительно к жидкостям не имеется никакой простой модели, подобной модели совершенного газа с динамически независимыми молекулами. Вследствие этого невозможно логически установить многие из наблюдаемых свойств жидкости или объяснить их через свойства отдельных молекул. Еще одна помеха заключается в том, что вода, которая представляет собой частную жидкость исключительно большого практического значения, обладает многими аномальными свойствами. В этом параграфе многие известные динамические свойства обычных жидкостей будут описаны без особых пояснений. В частности, численные значения некоторых физических параметров для чистой воды приведены в конце книги в приложении 1.

Основное свойство жидких и твердых фаз состоит в том, что они являются конденсированными фазами, в которых каждая молекула все время находится под действием интенсивных сил сцепления соседних с ней молекул. Однако жидкости обладают общим с газами свойством текучести и способностью к свободному изменению формы. В однородной покоящейся жидкости точно так же, как и в газе, касательные компоненты напряжения равны нулю, работа, совершаемая над единицей массы жидкости при медленном изменении ее плотности на малую величину равна и уравнение состояния связывает три переменные и

Данное вещество может существовать в жидкой фазе при некоторых значениях двух параметров состояния (например, и

Рис. 1.8.1. Изотермы типичных парожидкостных систем. 1 — изотермы; 2 — жидкая фаза; 3 — критическая точка; 4 — область двухфазного состояния; 5 — паровая фаза.

и в газообразной фазе при других значениях этих параметров. Причина существования двух различных фаз жидкости с существенно разными значениями плотности связана, конечно, с изменением межмолекулярной силы при изменении расстояния между молекулами. Если масса газа изотермически сжимается, то средняя энергия поступательного движения молекулы остается постоянной, а среднее расстояние между соседними молекулами уменьшается. Когда удельный объем газа настолько мал, что среднее расстояние между молекулами равно всего нескольким их диаметрам, силы притяжения между молекулами становятся значительными и давление, развиваемое газом, становится меньше потока нормальной компоненты количества движения, определяемой равенством (1.7.1). Если температура меньше критической то дальнейшее уменьшение удельного объема приводит к неустойчивому состоянию, в котором молекулы не могут избежать влияния сил притяжения соседних молекул, и появляются центры конденсации молекул. Образование нескольких таких центров плотно упакованных молекул уменьшает числовую плотность молекул, все еще движущихся свободно и независимо друг от друга, так что при данной общей плотности устанавливается новое равновесие, в котором определенная (средняя) часть массы находится в конденсированной (жидкой) фазе, а остальная — в дисперсной или паровой фазе. Такое многофазное равновесие весьма чувствительно к изменениям давления; небольшое увеличение давления приводит к полностью конденсированной однородной жидкой

фазе с большой плотностью, а малое уменьшение давления приводит к однородной паровой фазе со значительно меньшей плотностью.

Изотермы на диаграмме состояний для типичной системы жидкость — пар изображены на рис. 1.8.1. Приблизительно постоянное давление на изотерме, проходящей через многофазную область, называется давлением насыщенного пара т. е. давлением, существующим в чистом паре, который граничит с жидкостью при данной температуре. При температурах выше критической энергия поступательного движения молекул оказывается достаточно большой, чтобы помешать образованию центров конденсации молекул, и существует непрерывный переход вдоль изотермы от вещества со свойствами, близкими к газу при малых плотностях, к веществу со свойствами, похожими на свойства жидкостей при больших плотностях. Уравнение состояния Ван-дер-Ваальса (1.7.26) качественно воспроизводит основные свойства наблюдаемых изотерм, но, как уже отмечалось, оно не выполняется, если вещество находится в конденсированной фазе или близко к состоянию конденсации.

Для воды Тк а давление и плотность в точке, где критическая изотерма касается области многофазного состояния вещества (в критической точке), равны соответственно 218 атм и около Изотерма, соответствующая нормальной температуре идет почти горизонтально через многофазную область при давлении , или 0,017 атм, и пересекает границы многофазной области при плотностях (однородная жидкость) и (однородный пар); следовательно, жидкая и газообразная фазы воды при нормальной температуре совершенно различны.

Эффект уменьшения давления ниже давления насыщенного пара имеет особое значение в механике жидкости, поскольку изменения давлений в потоке воды (которые более вероятно считать адиабатическими, а не изотермическими) могут легко превысить одну атмосферу. Когда давление в жидкости уменьшается до значения, незначительно отличающегося от давления насыщенного пара при температуре жидкости, она оказывается в неустойчивом состоянии и, как правило, в жидкости появляются полости, заполненные паром.

Процесс появления таких полостей, называемый кавитацией, приводит к важным механическим следствиям в потоке жидкости, которые будут рассмотрены в § 6.12 и 6.13.