Твердые тела, жидкости и газы
Газ, жидкость и твердое тело
Агрегатное состояние
Чтобы лучше разобраться с понятием твердых, жидких и газообразных сплошных сред, рассмотрим свойства чистых[3] постоянного химического состава материалов. В качестве примера возьмем воду. Из физики известно, что чистые вещества могут находиться в четырех агрегатных состояниях: Ниже для иллюстрации приведена фазовая диаграмма для воды. Физические свойства материалов определяются их межмолекулярным межатомным взаимодействием. При низких температурах малых энергиях имеет место кристаллическая структура молекулы или атомы жестко связаны между собой и колеблются около центров кристаллической решетки, а среда называется кристаллической. В физике принято говорить, что имеет место дальний порядок. При этом в самой решетке могут присутствовать ее нарушения — дислокации, вакансии отсутствие атома в узле решетки и т. Нас в первую очередь будет интересовать вопрос об изменении характеристик сплошной среды под действием сил. Деформация представляет собой результат изменения межатомных расстояний и перегруппировки блоков атомов. Для деформации кристалла требуется приложить к нему большие усилия, поэтому кристаллические твердые тела считаются несжимаемыми. Рассмотрим стержень из твердого материала, постоянного поперечного сечения, к концам которого приложено напряжение рис. Линейную деформацию можно описать безразмерной величиной. Диаграммы растяжения для обобщенного материала. Для большинства твердых материалов имеет место линейный участок, пока напряжение не превышает значения - предела пропорциональности. В этой области справедлив закон Гука. Для этого участка деформация обратима — после снятия нагрузки деформация исчезает, такая деформация называется упругой -. За ним следует участок с нелинейной зависимостью , при этом имеет место остаточная деформация пластическая , которая образуется после снятия нагрузки. При этом ряд материалов имеет четко выраженную площадку текучести образец продолжает деформироваться и при постоянной нагрузке рис. В первом случае участок - участок пластической деформации, участок - участок текучести. Отметим, что течение материала происходит равномерно по всей длине стержня. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к неравномерности распределения деформации по длине стержня рис. Деформация материала в точке А рис. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к разрушению материала при достижении - предела прочности. Напряжение, которое данный материал может выдержать на практике, не разрушаясь и не получая опасной деформации, называют допустимым и обозначают. Обычно , и все расчеты проводят на основе законов Гука. Следует отметить, что наибольшие деформации, которые может выдержать материал, не определяются протяженностью области текучести. Если область текучести велика, то материал называется пластичным. Такой материал, как сталь, способен выдерживать большие нагрузки без разрушения. Наоборот, если область текучести невелика, то этот материал хрупок. Хрупкие материалы, как например чугун, разрушаются при деформациях. В ряде случаев пластичные материалы могут разрушаться и при малых деформациях например, сталь при низких температурах. Прочностные характеристики твердых материалов существенным зависят от температуры материала. С повышение энергии количество нарушений кристаллической решетки растет, причем этот процесс идет в динамике где то они исчезают, а где то снова образуются. По достижению некоторого энергетического порога упругость пропадает. В этом случае имеет место ближний порядок , а такой материал называется жидким. Так же примерно одинаковы и плотности жидкой и кристаллической фаз. Так плотность воды , плотность бензинов , керосинов - , дизельных топлив - , нефтей. Однако, жидкость вследствие разрыва связей приобретает новое свойство текучесть - способность деформироваться под действием сколь угодно малых внешних воздействий, до тех пор пока внутренние касательные напряжения не станут равными нулю. С повышением температуры текучесть тела увеличивается. При этом жидкость, как и твердое тело — несжимаема плотность остается практически неизменной. Дальнейшее повышение температуры приводит к полному разрыву связей отсутствию ближнего порядка. Материал в таком состоянии называется газом. Для газообразных тел характерной особенностью является хаотическое движение и столкновение молекул в пространстве. Поэтому газы обладают не только текучестью, но и сжимаемостью. Рассмотрим сосуд, заполненный жидкостью, с площадью основания и вертикальными стенками. Приложим силу и увеличим давление в объёме на величину Dp рис. Сплошная среда при этом сожмётся, уменьшив свой объём на величину. Эмпирически получено, что связь между изменением объёма и давлением линейна, то есть для каждой жидкости можно ввести константу, которую называют коэффициентом объёмного расширения при постоянной температуре:. Коэффициент объёмного сжатия имеет размерность Па Знак минус показывает, что объём уменьшается под действием сжатия. Модулем объёмной упругости называется величина, обратная:. Обе эти величины зависят от температуры и вида жидкости. Для большинства жидкостей с повышением температуры плотность падает, исключением является вода плотность которой имеет максимум при 4 о С. По аналогии с 1. Как уже было отмечено выше, основное отличие газа от жидкости заключается в том, что газ легко сжимается. В нём скорость распространения звука а следовательно и всех механических возмущений значительно меньше, чем в жидкости. Эта особенность газа должна учитываться, когда скорость движения или скорость движения в нём твёрдого тела становится соизмеримой со скоростью звука или превышает её. В отличие от газа жидкость имеет четко выраженную граничную поверхность между ней и окружающим её газом, которая называется свободной поверхностью. В поле сил тяжести свободная поверхность жидкости имеет горизонтальный профиль. В условиях невесомости, благодаря поверхностному натяжению, свободная поверхность сферична. Это свойство жидкости, как и её малая сжимаемость, обусловлено постоянным взаимодействием соседних молекул. В газе молекулы взаимодействуют друг с другом только в момент столкновения, большую часть времени они свободно движутся в пространстве, поэтому вследствие хаотичности движения газ стремится равномерно распределиться по всей замкнутой части пространства. Если пространство не замкнуто, то объём газа может неограниченно возрастать. В газе можно неограниченно уменьшать давление и повышать температуру, и при этом свойства газа будут меняться непрерывно. В жидкости давление может уменьшаться до некоторого значения, ниже которого начинается образование внутри неё газовых пузырьков, и начинаются фазовые переходы, которые качественно меняют свойства текучей среды. То же самое может происходить и при повышении температуры жидкости. В МСС часто используется двухпараметрическая или простая среда. То есть среда, все термодинамические параметры которой могут быть вычислены через два, посредством соотношений называемых уравнениями состояния. Здесь - удельная отнесенная к единице массы внутренняя энергия. Для газа можно достаточно эффективно использовать модель газа, описываемого термическим уравнением состояния Клайперона - Менделеева[4]:. Часто используется уравнение состояния Ван-Дер-Ваальса, которое справедливо в более широком диапазоне температур и давлений:. Отметим так же, что уравнение Ван-Дер-Вальса, используется и для описания жидкостей, но в обычных условиях оно дает только качественное описание. Для капельных жидкостей, сжимаемость для которых чрезвычайно мала, в большом диапазоне изменения давления связь между плотностью и давлением линейна:. Где - плотность, соответствующая давлению - модуль объёмного сжатия, порядок которого равен 10 4 МПа. Так для воды используются следующие значения определяющих констант: Для адиабатического процесса когда отсутствует тепло и массообмен между выделенным объёмом газа и окружающей средой характерна следующая зависимость:. Такой газ называется термически и калорически совершенным или политропным. Вязкость жидкостей и газов. Вязкостью называется свойство текучей среды, которое заключается в возникновении в ней внутренних сил, препятствующих её деформации, то есть изменению относительного положения её частей. Рассмотрим частный случай молекулярно-кинетической теории идеального газа - простое сдвиговое течение рис. Элементарная площадка поверхности, разделяющей слои 1 и 2, движется вместе с жидкостью. При этом слой жидкости 1 скользит по слою 2 с относительной скоростью. Молекулы газа участвуют в движениях двух видов:. Молекулы движутся хаотически беспорядочно, при этом они переходят из одного слоя в другой, пересекая площадку. Молекулы, имеющие упорядоченную скорость , переходят в слой 2 и замедляют его движение, а такое же количество молекул, попавшее в слой 1 из слоя 2, ускоряет слой 1. Таким образом, вязкость среды проявляет себя только при движении среды. Согласно молекулярно-кинетической теории это касательное напряжение. Для несжимаемых сред целесообразно использовать величину. Для прозрачных жидкостей используется визкозиометр Стокса — высокий стакан с делениями, в которых сверху вводят мелкие шарики из вещества с плотность близкой к плотности жидкости и замеряют скорость падения шарика. Так как вес, сила Архимеда и сила сопротивления , для малых скоростей движения известны, а шарик движется равномерно, то коэффициент вязкости легко вычисляется. Для непрозрачных жидкостей используют Энглера, с помощью которого определяют условную вязкость, которая измеряется в о Е — градусах Энглера. Перевод градусов Энглера в единицы кинематической вязкости стоксы производится по эмпирической формуле Убеллоде:. Поэтому коэффициент кинематической вязкости n имеет один порядок величины с коэффициентом молекулярной диффузии. Как следствие этого коэффициент диффузии в жидкости в сотни раз меньше коэффициента вязкости. Однако существует много жидкостей, для которых закон Ньютона не выполняется. Такие жидкости называются неньютоновскими , а наука о характере зависимости называется реологией греч. Более подробно их свойства будут рассмотрены позднее в 4-ой главе. Молекулы, находящиеся на границе раздела сред, либо притягиваются, либо отталкиваются соседней средой. Вследствие этого на искривлённой поверхности раздела сред должны возникать растягивающие усилия, стремящиеся выпрямить границу раздела. Растягивающие напряжение сила на единицу длины называется коэффициентом поверхностного натяжения. Коэффициент поверхностного натяжения падает с ростом температуры и практически не зависит от давления. Поверхностное натяжение может быть снижено с помощью поверхностно-активных веществ ПАВ , к числу которых относятся моющие средства. Наиболее четко данное свойство жидкостей проявляется на границе раздела трех сред газ, жидкость, твердое тело. Различают смачивающие и несмачивающиеся жидкости рис. Угол - называется углом смачивания. Смачивающая и несмачивающая жидкости. Перепад давления, создаваемый поверхностными силами на криволинейной поверхности, может быть вычислен по формуле Лапласа. Для сферических образований капля, пузырь, шар формула принимает вид:. Здесь - радиус сферического образования. Здесь - температура в градусах Цельсия. Подводя итоги, напомним, что МСС оперирует с моделями сплошной среды. Использование той или иной модели для описания характеристик реальной среды, определяется условиями, в которых находится данная среда. Так, например, если скорость газа мала число Маха, равное отношению скорости к скорости звука, меньше 0,2 газ можно считать несжимаемой жидкостью. Стекло обычно описывается как твердое деформируемое тело, но с физической точки зрения является жидкостью с аномально высокой вязкостью. Жидкости, при высоких давлениях и температурах, например взрыве или на большой глубине, становится сжимаемой. Обратим еще раз внимание на рис. Из него следует, что одно и тоже вещество в зависимости от условий давления и температуры может находиться в различных агрегатных состояниях. Изменение агрегатного состояния всегда сопровождается изменением энергии системы фазовые переходы первого рода. Данная диаграмма и ей подобные, отвечают случаю равновесных процессов для химически однородных веществ. На практике это не всегда выполняется. Так жидкость, подвергающаяся нагреву, может переходить в пар при кипении, в этом случае новая фаза образуется в виде пузырьков либо на нагреваемой поверхности сосуда, либо в самой жидкости. Аналогичным образом, при резком падении давления в жидкости в ней образуются паровые пузырьки, данное явление носит название кавитация от лат. В дальнейшем пузырьки перемещаются в область с повышенным давлением и схлопываются, с образованием ударной волны, что приводит к разрушению обтекаемых жидкостью твердых поверхностей. В средах, состоящих из нескольких веществ, фазовые переходы имеют свою специфику. Так в газовых смесях воздух, природный газ , конденсация идет для различных компонент при различных давлениях и температурах. Это свойство используется для отделения той или иной газовой фракции. Движение - неотъемлемое свойство материи, поэтому в окружающем нас мире мы постоянно сталкиваемся с различными видами движения, в том числе и движением различных сред. Так в нефтегазовом деле приходится сталкиваться с движением жидкостей и газа по трубам и внутри различных машин и механизмов; с фильтрацией фильтрацию жидкостей и газов через пористую среду; с деформацией различного рода конструкций баков, резервуаров, заслонок и т. Поэтому немаловажно знать законы взаимодействия жидкости и газа с границами потока особенно законы сопротивления труб, пропускных устройств, сужений, сопел , неравномерностью распределения скоростных потоков, законами фильтрацию жидкостей и газов через пористую среду, равновесие жидкостей и тел, плавающих на поверхности жидкости, распространением волн и вибраций в твёрдых и жидких телах. Задача кинематики - описание движения среды независимо от внешних условий, которые инициируют и поддерживают движение. К кинематическим характеристикам относятся координаты частицы, скорость, ускорение. Существует два подхода к описанию движения сплошной среды. По методу Лагранжа рассматривается движение каждой частицы жидкости. Рассмотрим движение частицы[6] в некоторой определённой системе прямоугольных и прямолинейных координат Oxyz , которую условимся называть неподвижной системой наблюдателя. Пусть в начальный момент времени частица занимает положение с координатами. В этом случае, для описания полного движения точки необходимо знать уравнение её движения то есть , где - радиус-вектор точки. Кривая, описываемая последовательными положениями движущейся точки, называется траекторией. Движение точки определено, если заданы её координаты x, y, z, как непрерывные функции времени t:. Эти уравнения определяют положение движущейся частицы в каждый момент времени t и представляют в параметрической форме уравнение траектории. Переменные , называются переменными Лагранжа. Лагранжевы координаты - это параметры, которые характеризуют каждую точку среды и не меняются в процессе движения частицы. Таким образом, точка зрения Лагранжа опирается на описание истории движения каждой точки сплошной среды в отдельности. Скорость движущейся точки равна производной по времени от радиуса-вектора движущейся частицы и представляет собой вектор с проекциями:. Так как оси Oxyz ортогональны, величина скорости модуль определится через проекции формулой:. При описании движения сплошной среды по Эйлеру, ее движение определяется через поле мгновенных скоростей сплошной среды. Поэтому поле скорости задаются как функция геометрических координат и времени:. Линией тока называется линия, касательная к которой в каждый момент времени совпадает с направлением вектора скорости. Следовательно, уравнение линий тока имеет вид:. Характеристики сплошной среды поле скорости, поле давлений, поле напряжений и т. Для метода Эйлера скорость есть функция как координат, так и времени. Поэтому ускорение, а также другие гидромеханические величины, которые меняются вместе с движением объёма жидкости, выражаются через специальный вид производной, которая определённым образом связана с полем скорости. Вместе с тем эта производная должна быть связана с движением частиц жидкости или газа субстанции. Такую производную называют полной или субстанциальной ее оператор имеет вид:. Материальная полная или индивидуальная производная по t от любой величины например, плотности r определится следующим образом:. Изменение плотности среды в точке. Для несжимаемой среды , при этом может быть и не равно 0 так как среда неоднородная. Величина называется конвективной производной. Физический смысл по Эйлеру — это производная температуры по времени в какой-либо фиксированной точке пространства. Физический смысл по Лагранжу - производная по времени температуры какой-то частицы, где бы она ни находилась. Увлечёшься девушкой-вырастут хвосты, займёшься учебой-вырастут рога - - или читать все Газовой B концентрационная, газовая, окислительно-восстановительная, информационная, средообразущая B. Ознакомиться с коллекцией препаратов в твердых дозированных лекарственных формах А физические свойства воздуха А. Физические свойства Абсорбция и десорбция газов. Статика и кинетика процесса. Основное уравнение процесса абсорбции. Устройство и принцип работы абсорберас подвижной насадкой Автоматические установки водяного, пенного пожаротушения. Автоматические установки газового, порошкового, аэрозольного пожаротушения Автоматические установки газового пожаротушения Автоматические установки газового пожаротушения. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? К определению коэффициента объёмного сжатия. Вязкие напряжения в жидкостях и газах.
В газах молекулы двигаются хаотически, расстояния между молекулами большие, молекулярные силы малы , газ занимает весь предоставленный ему объем. Силы молекулярного притяжения удерживают молекулы на близком расстоянии. Таким движением объясняется текучесть жидкости. Жидкость не имеет форму, но имеет объем. Твердые тела — вещества, которые сохраняют форму, делятся на кристаллические и аморфные. Кристаллические твердые тела имеют кристаллическую решетку, в узлах которой могут находиться ионы , молекулы или атомы Они совершают колебания относительно устойчивых положений равновесия.. Аморфные тела сохраняют форму, но не имеют кристаллической решетки и, как следствие, не имеют ярко выраженной температуры плавления. Все молекулы вещества взаимодействуют между собой силами притяжения и отталкивания. Причина взаимодействия молекул - это электромагнитные взаимодействия заряженных частиц в веществе. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Заряд ядра равен суммарному заряду всех электронов, поэтому в целом атом электрически нейтрален. Молекула, состоящая из одного или нескольких атомов, тоже электрически нейтральна. Рассмотрим взаимодействие между молекулами на примере двух неподвижных молекул. Между телами в природе могут существовать гравитационные и электромагнитные силы. Так как массы молекул крайне малы, ничтожно малые силы гравитационного взаимодействия между молекулами можно не рассматривать. На очень больших расстояниях электромагнитного взаимодействия между молекулами тоже нет. Но, при уменьшении расстояния между молекулами молекулы начинают ориентироваться так, что их обращенные друг к другу стороны будут иметь разные по знаку заряды в целом молекулы остаются нейтральными , и между молекулами возникают силы притяжения. При еще большем уменьшении расстояния между молекулами возникают силы отталкивания, как результат взаимодействия отрицательно заряженных электронных оболочек атомов молекул. В итоге на молекулу действует сумма сил притяжения и отталкивания. На больших расстояниях преобладает сила притяжения на расстоянии диаметров молекулы притяжение максимально , на малых расстояниях сила отталкивания. Существует такое расстояние между молекулами, на котором силы притяжения становятся равными силам отталкивания. Такое положение молекул называется положением устойчивого равновесия. Находящиеся на расстоянии друг от друга и связанные электромагнитными силами молекулы обладают потенциальной энергией. В положении устойчивого равновесия потенциальная энергия молекул минимальна. В веществе каждая молекула взаимодействует одновременно со многими соседними молекулами, что также влияет на величину минимальной потенциальной энергии молекул. Кроме того, все молекулы вещества находятся в непрерывном движении, то есть обладают кинетической энергией. Таким образом, структура вещества и его свойства твердых, жидких и газообразных тел определяются соотношением между минимальной потенциальной энергией взаимодействия молекул и запасом кинетической энергии теплового движения молекул. Твердые тела имеют постоянную форму и объем, практически несжимаемы. Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул больше кинетической энергии молекул. Тепловое движение молекул в твердом теле выражается только лишь колебаниями частиц атомов, молекул около положения устойчивого равновесия. Из-за больших сил притяжения молекулы практически не могут менять свое положение в веществе, этим и объясняется неизменность объема и формы твердых тел. Большинство твердых тел имеет упорядоченное в пространстве расположение частиц, которые образуют правильную кристаллическую решетку. Частицы вещества атомы, молекулы, ионы расположены в вершинах - узлах кристаллической решетки. Узлы кристаллической решетки совпадают с положением устойчивого равновесия частиц. Такие твердые тела называются кристаллическими. Жидкости имеют определенный объем, но не имеют своей формы, они принимают форму сосуда, в которой находятся. Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул сравнима с кинетической энергией молекул. Тепловое движение молекул в жидкости выражено колебаниями около положения устойчивого равновесия внутри объема, предоставленного молекуле ее соседями. Молекулы не могут свободно перемещаться по всему объему вещества, но возможны переходы молекул на соседние места. Этим объясняется текучесть жидкости, способность менять свою форму. В жидкостях молекулы достаточно прочно связаны друг с другом силами притяжения, что объясняет неизменность объема жидкости. В жидкости расстояние между молекулами равно приблизительно диаметру молекулы. При уменьшении расстояния между молекулами сжимании жидкости резко увеличиваются силы отталкивания, поэтому жидкости несжимаемы. По своему строению и характеру теплового движения жидкости занимают промежуточное положение между твердыми телами и газами. Хотя разница между жидкостью и газом значительно больше, чем между жидкостью и твердым телом. Например, при плавлении или кристаллизации объем тела изменяется во много раз меньше, чем при испарении или конденсации. Газы не имеют постоянного объема и занимают весь объем сосуда, в котором они находятся. Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул меньше кинетической энергии молекул. Частицы вещества практически не взаимодействуют. Газы характеризуются полной беспорядочностью расположения и движения молекул. Расстояние между молекулами газа во много раз больше размеров молекул. Малые силы притяжения не могут удержать молекулы друг около друга, поэтому газы могут неограниченно расширяться. Газы легко сжимаются под действием внешнего давления, так как расстояния между молекулами велики, а силы взаимодействия пренебрежимо малы. Давление газа на стенки сосуда создается ударами движущихся молекул газа. FAQ Обратная связь Вопросы и предложения. Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Строение газов, жидкостей и твердых тел. Основные положения молекулярно-кинетической теории: Силы взаимодействия молекул Все молекулы вещества взаимодействуют между собой силами притяжения и отталкивания. Строение и свойства твердых, жидких и газообразных тел Строение тел объясняется взаимодействием частиц тела и характером их теплового движения. Твердое тело Твердые тела имеют постоянную форму и объем, практически несжимаемы. Жидкость Жидкости имеют определенный объем, но не имеют своей формы, они принимают форму сосуда, в которой находятся. Газ Газы не имеют постоянного объема и занимают весь объем сосуда, в котором они находятся. Соседние файлы в папке физ
Можно восстановить фотографии удаленные с фотоаппарата
Скачать игру на планшет сабвей
Спайка пластиковых труб своими руками видео
Яндекс интересные новости
Какой модем лучше для интернета для компьютера