Жидкость представляет одно из трех состояний, в которых существует материя. Большинство физиков выделяют также четвертое состояние материи - плазму. Жидкость (наряду с газом) является текучим состоянием материи, то есть при воздействии малых внешних сил она легко меняет свою форму, однако объем ее сохраняется постоянным при том же давлении и температуре. Ответ на вопрос о том, чем объясняется способность жидкостей сохранять свой объем, заключается в особенностях их строения.
Отличие жидкостей от твердых тел и газов
Молекулы, составляющие жидкости и газы, не находятся в постоянных положениях. Они могут свободно перемещаться по всему объему, что отличает эти два типа материи от твердых тел, в которых каждый атом или молекула занимают строго определенное место. Благодаря свободному перемещению молекул жидкость и газ приобретают форму того сосуда, в который их помещают. Поэтому при ответе на вопрос о том, какими свойствами обладают жидкости, следует в первую очередь называть их способность изменять свою форму.
Однако газы и жидкости имеют существенное отличие между собой. Например, газы не сохраняют объем и способны заполнять его полностью в том пространстве, которое им предоставлено. Жидкости, в свою очередь, объем сохраняют. Чем объясняется способность жидкостей сохранять свой объем?
Вся разница между тремя состояниями материи заключается в величине сил, которые связывают молекулы и атомы. В твердых телах эти силы велики, поэтому каждая частица твердого вещества сохраняет свое положение. В жидкостях эти силы слабее, поэтому они и позволяют свободно перемещаться молекулам по всему их объему. Однако эти силы намного больше таковых для газов, в которых в ряде случаев можно пренебречь их существованием.
Какими свойствами обладают жидкости?
Жидкость, как и газ, относится к текучим телам, то есть к такому состоянию вещества, действие минимальной внешней силы на которое вызывает пространственное смещение его отдельных молекул и целых слоев относительно друг друга. Если говорить только о строении и свойствах жидкостей, то нужно назвать следующие их основные физические характеристики:
- вязкость;
- поверхностное натяжение;
- когезия и адгезия;
- капиллярность;
- плотность;
- гидростатическое давление.
Понятие вязкости
Вязкость является физической величиной, которая определяет способность жидкости сопротивляться любому смещению в ее объеме. Несмотря на то что жидкость является текучей материей, при воздействии внешней силы, которая стремится сместить молекулы жидкости, в ней появляются внутренние силы, которые препятствуют такому смещению. Эти внутренние силы называются когезионными. Они отвечают не только за существование вязкости, но и являются ответом на поставленный вопрос. Чем и объясняется способность жидкостей сохранять свой объем.
Если бы жидкость не обладала вязкостью, то она могла бы течь по любой трубе под действием собственной инерции, и не нужно было бы прикладывать разницу давлений на концах этой трубы, чтобы привести жидкость в движение.
Вязкость таких веществ зависит от температуры обратно пропорционально, то есть с ее увеличением вязкость уменьшается. Эта зависимость связана с ослаблением межмолекулярных сил при увеличении температуры жидкостей. Например, вода при температуре 0 ºC имеет вязкость 0,0018 Па*с, а при 60 ºC - уже 0,00065 Па*с.
Поверхностное натяжение
Говоря о поверхностных свойствах жидкости, в первую очередь следует назвать поверхностное натяжение. Суть этой физической величины заключается в том, что свободная поверхность вещества проявляет свойства тонкой эластичной мембраны. Подобный феномен связан с наличием сил притяжения между молекулами жидкости.
Силы притяжения, которые действуют на каждую молекулу в толще вещества, направлены во все стороны, поэтому они компенсируют друг друга. Результирующая сил притяжения, воздействующая на поверхностные молекулы жидкости, направлена внутрь жидкости. Иными словами, перпендикулярно ее поверхности. Именно эта сила ответственна за образование поверхностного натяжения.
Благодаря силам поверхностного натяжения жидкость всегда стремится принять форму, отвечающую наименьшей площади поверхности при таком объеме. Такой формой является шар. Именно поэтому капли воды в невесомости имеют форму шара. Поверхностное натяжение уменьшается с увеличением температуры ввиду уменьшения когезионных сил между молекулами жидкости.
Когезия, адгезия и капиллярность
Когезия - свойство молекул одной и той же жидкости притягиваться друг к другу. Силы, действующие в результате когезии, называются когезионными. Благодаря этим силам молекулы жидкости стремятся собраться вместе. Явление когезии отвечает на вопрос о том, чем объясняется способность жидкостей сохранять свой объем. Для газов когезионные силы можно считать равными нулю, поэтому они занимают любой предоставленный им объем.
Адгезия - способность жидкости и твердого тела притягиваться друг к другу. Такие ситуации возникают часто, когда жидкость наливают в сосуд или разливают по поверхности. Она вступает в контакт с твердым телом. Величина адгезионной силы зависит от свойств конкретной жидкости и твердого тела.
Когезия и адгезия являются конкурирующими свойствами в физике жидкостей. Так, если когезионная сила больше адгезионной, тогда такое вещество не смачивает поверхность твердого тела, и наоборот, если адгезия проявляется сильнее, чем когезия, тогда говорят о явлении смачиваемости.
С явлениями адгезии и когезии также связано такое свойство жидкостей, как капиллярность, то есть способность жидкостей подниматься или опускаться в тонких трубках на высоту, отличную от общего уровня жидкости. Толщина трубок должна быть около 1 мм, чтобы явление капиллярности было заметным.
Плотность жидкости
Данное свойство характерно для любого состояния материи и определяется как количество этой материи или ее масса, содержащаяся в единице объема. Учитывая, что с увеличением температуры многие тела расширяются, их плотность уменьшается. Однако для некоторых веществ это правило может не действовать в определенных интервалах температур. Так, вода при 0 ºC имеет меньшую плотность, чем при 4 ºC.
Плотность, согласно ее определению, равна: ρ = m / V, отсюда можно определить, чему равен объем жидкости или чему равна ее масса, если знать две другие величины. Например, вода при 4 ºC массой 1 кг занимает объем V = m / ρ = 0,001 м3 = 1 л.
Гидростатическое давление
Под гидростатическим давлением понимают давление, которое оказывает жидкость на погруженное в нее тело ввиду наличия собственного веса у жидкости. Это давление увеличивается с глубиной линейно. Гидростатическое давление действует во всех направлениях одинаково. Помимо глубины, оно зависит еще от плотности жидкости. Наличие этого свойства обуславливает существование выталкивающей силы, открытой Архимедом.
Отметим, что молекулы жидкости расположены достаточно близко друг к другу, кроме того, при незначительном их сближении возникают большие отталкивающие силы, поэтому увеличение внешнего давления в широких пределах практически не изменяет плотности жидкости. Этот факт является ответом на вопрос о том, чем объясняется способность жидкостей сохранять свой объем и не сжиматься в значительном интервале внешних давлений.
