La structure des gaz, des liquides et des solides. Caractéristiques de la structure des solutions. Le concept de "champ réactif. Propriétés physiques d'un liquide Quelles sont les propriétés générales d'un liquide et d'un gaz

Les principales propriétés physiques des liquides et des gaz comprennent : la densité, la densité, la compressibilité, la dilatation thermique, la viscosité. Pour les liquides, la vaporisation, la tension superficielle et la capillarité sont également des propriétés importantes. Les gaz ont la propriété de solubilité dans les liquides.

Densité r- la masse de liquide ou de gaz contenue dans une unité de volume (kg/m 3). Pour un liquide homogène

où m- masse de liquide, kg ; V est le volume de liquide, m3.

Gravité spécifique g- poids de liquide ou de gaz par unité de volume (N/m 3) :

, (2.2)

où G est le poids du liquide, N.

La densité et la gravité spécifique sont liées l'une à l'autre par la dépendance :

, (2.3)

où g est l'accélération de la chute libre : g = 9,81 m/s 2 .

Avec l'augmentation de la température, la densité du liquide et du gaz diminue (sauf pour l'eau). Pour l'eau, la densité maximale se produit à 4 0 C, avec une diminution de sa température de 4 0 C à 0 0 C et une augmentation de température > 4 0 C, la densité diminue. La dépendance de la densité de gaz sur la température sera considérée plus en détail ci-dessous.

De plus, la densité du liquide et du gaz dépend de la pression. Pour un liquide, cette dépendance est insignifiante, tandis que la densité d'un gaz dépend de manière significative de la pression. Ces dépendances seront présentées ci-dessous.

Compressibilité- la propriété d'un liquide de changer de volume de manière réversible avec un changement de pression externe. La compressibilité d'un liquide est caractérisée par le taux de compression volumétrique b p(Pa -1), qui est égal à :

où V0- le volume initial de liquide, m 3 ; VD- modification du volume initial (m 3) avec modification de la pression initiale p 0 par le montant Docteur(Pennsylvanie) .

Le signe moins dans la formule (2.4) signifie que lorsque la pression augmente (incrément positif), le volume initial diminue (incrément négatif).

Il est évident que VD=V à־ V0, un Dр=р à- p 0 (V à,r à sont les valeurs finales de volume et de pression). En substituant ces valeurs dans la formule (2.4) on obtient :

. (2.5)

Remplacer la valeur V dans la formule (2.1) et obtenez la dépendance pour déterminer la masse volumique du liquide à la pression :

, (2.6)

où r 0 - la densité initiale du liquide, kg / m 3.

Les liquides débarrassés des bulles d'air non dissous et d'autres gaz se compriment très peu. Ainsi, avec une augmentation de pression de 0,1 MPa, le volume d'eau ne diminue que de 0,005%.

Valeur, réciproque b p, est appelé le module d'élasticité de masse du liquide E f(Pennsylvanie):

Distinguer adiabatique et isotherme modules d'élasticité du fluide. Dans les calculs, le module adiabatique est utilisé dans les cas où l'échange de chaleur avec l'environnement peut être négligé, par exemple dans les processus rapides (coup de bélier, compression rapide d'un liquide, etc.). Dans d'autres cas, le module d'élasticité isotherme du liquide est utilisé, qui est légèrement inférieur à celui adiabatique.

Le module d'élasticité isotherme d'un liquide diminue avec l'augmentation de la température et augmente avec l'augmentation de la pression

Dilatation thermique Propriété d'un liquide de changer de volume de manière réversible avec un changement de température. Pour les liquides, il est caractérisé par un coefficient de dilatation thermique β T(K -1 ou 0 C -1) :

où DT– changement de température : ( DT = T à - T 0); T 0 et T à- températures initiale et finale, respectivement, K ou 0 C.

, (2.9)

. (2.10)

Les gaz, contrairement aux liquides, se caractérisent par une compressibilité et une dilatation thermique importantes. Relation entre le volume V, pression p et température absolue J le gaz parfait est décrit par l'équation de Clapeyron, qui combinera les équations de Boyle-Mariotte et de Gay-Lussac :

DI. Mendeleev a combiné l'équation de Clapeyron avec la loi d'Avogadro et a obtenu l'équation suivante :

où R– constante des gaz, J/(kg K) : pour l'air R\u003d 287 J / (kg·K) . entité physique R- le travail de dilatation de 1 kg de gaz chauffé à 1 K. Cette équation s'appelle l'équation de Clapeyron-Mendeleïev.

Les gaz réels et leurs mélanges dans des conditions éloignées de la liquéfaction obéissent pratiquement aux mêmes lois que les gaz idéaux. Par conséquent, lors de la conception de systèmes de ventilation pour les bâtiments et les structures, les équations (1.11 et 1.12) peuvent être utilisées.

Viscosité- la propriété d'un liquide et d'un gaz de résister au mouvement relatif (cisaillement) de leurs particules. Pour la première fois, l'hypothèse sur les forces de frottement interne dans un liquide a été exprimée par I. Newton en 1686. Près de 200 ans plus tard, en 1883, le prof. N.P. Petrov a confirmé expérimentalement cette hypothèse et l'a exprimée mathématiquement. Dans un écoulement en couches d'un fluide visqueux le long d'une paroi solide, les vitesses de ses couches tu sont différents (Fig. 2.1). La vitesse maximale sera au niveau de la couche supérieure, la vitesse de la couche en contact avec le mur sera égale à zéro. En raison de la différence de vitesse, un déplacement relatif des couches voisines se produira et des contraintes de cisaillement se produiront à leur limite τ . Pour les liquides et gaz homogènes, l'équation de détermination des contraintes de cisaillement τ (Pa) en mouvement en couches a la forme suivante et s'appelle l'équation de Newton-Petrov :

, (2.13)

où m- coefficient de proportionnalité, appelé viscosité dynamique, Pa s ; du/dn- gradient de vitesse, c'est-à-dire changement de vitesse élémentaire tu le long de la normale n, tracée sur les vecteurs vitesse des couches, s -1 . Le gradient de vitesse peut être positif ou négatif. Par conséquent, dans l'équation (2.13) avant m il y a un signe ±.

Avec constance τ contraintes tangentielles sur toute la surface des couches en contact force tangentielle totale (force de frottement) J sera égal à :

, (2.14)

où S est la surface des couches en contact, m2.

En mécanique des fluides et des gaz, lors des calculs, la viscosité cinématique est le plus souvent utilisée ν (m/s 2):

La viscosité dépend de la température et de la pression. Lorsque la température augmente, la viscosité des liquides diminue et celle des gaz augmente. Dans les liquides, la viscosité est due aux forces de cohésion moléculaire, qui s'affaiblissent avec l'augmentation de la température. Pour l'eau, la dépendance de la viscosité cinématique à la température est déterminée à l'aide de la formule empirique de Poiseuille (m 2 / s):

où J- température de l'eau, 0 С.

Dans les gaz, la viscosité est principalement causée par le mouvement thermique chaotique des molécules, dont la vitesse augmente avec l'augmentation de la température. Il y a un échange constant de molécules entre les couches de gaz se déplaçant les unes par rapport aux autres. La transition des molécules d'une couche à la suivante, qui se déplace à une vitesse différente, entraîne le transfert d'une certaine quantité de mouvement. En conséquence, les couches plus lentes accélèrent et les couches plus rapides ralentissent. Par conséquent, à mesure que la température augmente, la viscosité des gaz augmente. La viscosité dynamique des gaz en fonction de la température peut être déterminée à l'aide de la formule de Sutherland :

, (2.17)

où μ 0 – viscosité dynamique du gaz à 0 о С; T g est la température du gaz, K ; C g– constante selon le type de gaz : pour l'air C g=130,5.

Lorsque la pression augmente, la viscosité du fluide augmente, ce qui peut être calculé à l'aide de la formule suivante :

, (2.18)

où m et m0- viscosité dynamique du liquide sous pression r à et p 0, respectivement, Pa∙s ; un- coefficient dépendant de la température du liquide (à haute température un=0,02, faible - un = 0,03).

Pour les gaz m dépend légèrement de la pression lorsqu'elle passe de 0 à 0,5 MPa. Avec une nouvelle augmentation de pression, la viscosité du gaz augmente selon une dépendance proche d'une exponentielle. Par exemple, avec une augmentation de la pression du gaz de 0 à 9 MPa m augmente de près de cinq fois.

Résistance à la traction pour les liquides, du fait de la présence de forces d'attraction intermoléculaires, elle peut atteindre une valeur significative. Ainsi, dans de l'eau purifiée des impuretés et dégazée, il a été possible d'obtenir des contraintes de traction jusqu'à 28 MPa pendant une courte durée. Les liquides techniquement purs contenant des bulles de gaz et des particules solides d'impuretés ne résistent pratiquement pas à l'étirement. Dans les gaz, les distances entre les molécules sont importantes et les forces d'attraction intermoléculaires sont extrêmement faibles. Par conséquent, en mécanique des fluides et des gaz, il est généralement admis que la résistance à la traction dans les liquides et les gaz est nulle.

Solubilité des gaz dans le liquide- c'est la capacité des molécules de gaz de l'environnement à pénétrer dans le liquide par sa surface libre. Ce processus se poursuit jusqu'à ce que le liquide soit complètement saturé d'un gaz ou d'un mélange de gaz. La quantité de gaz dissous par unité de volume de liquide dépend du type de gaz et de liquide, de sa température et de sa pression à la surface libre. Pour la première fois ce phénomène fut étudié par le chimiste anglais W. Henry en 1803 et en déduit la loi, qui porte actuellement son nom : à l'état de saturation, la masse d'un gaz dissous dans un volume donné de liquide à température constante est directement proportionnelle à la pression partielle de ce gaz sur le liquide.

Lorsque la pression est réduite, le gaz dissous est libéré du liquide. Des bulles s'y forment, remplies de vapeur de liquide et de gaz dégagé par ce liquide.

Lorsque la température augmente, la solubilité d'un gaz dans un liquide diminue presque toujours. Ainsi, lors de l'ébullition de l'eau, les gaz qui y sont dissous peuvent être presque complètement éliminés.

vaporisation- la propriété des liquides à se transformer en vapeur, c'est-à-dire à l'état gazeux. La vaporisation qui se produit à la surface d'un liquide est appelée évaporation . Tous les liquides, sans exception, s'évaporent. L'évaporation d'un liquide dépend du type de liquide, de la température et de la pression extérieure à la surface libre. Plus la température est élevée et plus la pression à la surface du liquide est faible, plus le processus d'évaporation est rapide. La quantité de vapeur pouvant être contenue dans le milieu gazeux environnant n'est pas infinie. Il est limité à un certain niveau appelé état saturation. Dans ce cas, la quantité de liquide évaporé est égale à la quantité de liquide qui s'est transformée de vapeur en gouttelettes (processus de condensation). La densité et la pression de vapeur saturée dépendent de la température et du type de liquide ; à une température fixe, la densité et la pression de vapeur saturée pour un certain liquide sont des valeurs constantes. Il y a toujours de minuscules bulles de gaz dans le liquide, lorsque le liquide est chauffé près des parois du récipient, puisqu'il y a la température la plus élevée, le liquide s'évapore à l'intérieur de ces bulles jusqu'à ce que la pression de vapeur saturante dans la bulle devienne égale à la pression externe. Avec une nouvelle augmentation de la température, la taille de la bulle augmente, sous l'action de la force de flottabilité (force d'Archimède) elle se détache de la paroi, atteint la surface libre et éclate. Le mélange vapeur-gaz pénètre dans le milieu gazeux environnant. Lorsqu'une certaine température est atteinte, le processus de formation de bulles de vapeur-gaz se produit dans tout le volume du liquide. Comme indiqué ci-dessus, la quantité de gaz dissous dans un liquide dépend également de la pression. Par conséquent, l'ébullition d'un liquide peut se produire avec une diminution de la pression sur la surface libre. Le processus de vaporisation dans tout le volume de liquide avec formation de bulles de vapeur-gaz est appelé ébullition. L'ébullition se produit à une certaine température et pression. Cette température est appelée point d'ébullition, et la pression est pression de vapeur saturée p n.p. (dans les ouvrages de référence r np. donné dans le système de référence de pression absolue). Par exemple, à une température de 100 0 C pour l'eau, la pression de vapeur saturante est d'environ 0,1 MPa et à 20 0 C - 0,0024 MPa. Ainsi, pour faire bouillir de l'eau dont la température est de 20 0 C, il faut soit la chauffer à pression atmosphérique à 100 0 C, soit réduire la pression absolue à la surface libre à 0,0024 MPa sans chauffage.

Dans certains dispositifs hydrauliques, il est possible de réduire la pression en dessous de la pression atmosphérique, par exemple à l'entrée de la pompe lorsque du liquide est aspiré. Lorsque la pression est réduite à r np. la formation de bulles de vapeur-gaz et la violation de la continuité du liquide commencent. Les bulles dans la grande majorité des cas sont emportées par le flux de fluide dans la zone de haute pression. La condensation de vapeur commence à l'intérieur des bulles et le gaz qui s'y trouve se dissout à nouveau dans le liquide. Il y a un soi-disant "effondrement" de bulles, qui s'accompagne de coups de bélier locaux, de bruit et de vibrations. En conséquence, l'efficacité et le débit de la pompe ou les performances de la turbine sont réduits. La surface du corps profilé peut être détruite dans ce cas. Ce processus est appelé cavitation (de lat. cavitas- vide) (Fig. 2.2). Le phénomène de cavitation est connu en science et technologie depuis un peu plus de cent ans. Ce phénomène a été découvert pour la première fois par l'ingénieur anglais R. Froude en 1894 lors de tests de destroyers anglais. Puis il a introduit le terme "cavitation".

La cavitation trouve également des applications utiles. Par exemple, lors du forage de roches et du traitement de surface dû à l'érosion par cavitation.

Tension superficielle sont les contraintes apparaissant dans la couche superficielle du liquide et provoquées par les forces d'attraction intermoléculaire. Comparez l'effet sur la molécule MAIS, situé à l'intérieur du liquide, avec une molécule À situé près de l'interface liquide-gaz (Fig. 2.3). Molécule MAIS entouré par d'autres molécules de tous côtés et les forces d'attraction des molécules environnantes sont équilibrées. molécule À, situé près de la frontière avec le gaz, est entouré d'autres molécules uniquement du côté du liquide, il n'y a pratiquement pas de molécules du côté du gaz. Ainsi, pour une molécule À la résultante de toutes les forces est dirigée vers le bas dans le liquide. En conséquence, des contraintes de compression supplémentaires apparaissent dans la couche superficielle du liquide. De ce fait, le liquide a tendance à prendre une forme dans laquelle sa surface libre est minimale. Par exemple, en apesanteur, un liquide prend une forme sphérique, et des gouttes d'eau et d'huile sur un réchaud chaud ont tendance à prendre la même forme.

En cas de contact d'un liquide avec un corps solide, le liquide peut mouiller ou non la surface de ce corps. Le comportement du liquide dépendra de l'amplitude des forces de cohésion des molécules du liquide et des molécules du solide. Dans le premier cas, si les forces d'adhésion entre les molécules du liquide lui-même sont supérieures aux forces d'adhésion entre les molécules du liquide et du solide, alors une goutte de liquide à la surface de ce corps formera une sphère légèrement aplatie ( par exemple, une goutte de mercure à la surface du verre). Dans le second cas, lorsque les forces d'interaction entre les molécules du liquide et du solide sont supérieures aux forces d'interaction entre les molécules du liquide lui-même, alors une goutte du liquide se répand à la surface du solide. Ainsi, une goutte d'eau se répand sur la même surface de verre, et la surface extérieure totale de la goutte d'eau précédente augmente. Dans le premier cas, liquide mouille surface d'un corps solide, et dans le second - ne mouille pas. Si un tube mince (capillaire) est placé dans un récipient suffisamment grand, alors en raison du non-mouillage ou du mouillage des parois capillaires par le liquide, la surface du liquide (ménisque) a une forme convexe dans le premier cas et concave dans le second cas (Fig. 2.4).

Les forces d'interaction entre les molécules du liquide et les molécules de la paroi provoquent une pression supplémentaire à la surface du liquide. Cette pression est due aux forces de tension superficielle et pour une surface convexe elle est positive et dirigée dans le liquide, pour une surface concave elle est négative et dirigée dans le sens opposé. De ce fait, avec un ménisque concave, le liquide sous l'action de la différence de pression à la surface du vaisseau et à la surface du ménisque va monter dans le capillaire jusqu'à une hauteur h(Fig. 2.4) . Avec un ménisque convexe, le liquide, au contraire, tombera dans le capillaire. Le phénomène physique, qui consiste en la capacité des liquides à changer de niveau dans des tubes, des canaux étroits de forme arbitraire, des corps poreux, est appelé capillarité (de lat. capillaire - Cheveu).

La hauteur de montée ou de descente du liquide dans le capillaire h(m) est déterminé par la formule :

où σ – tension superficielle, N/m; ρ w– masse volumique du liquide, kg/m 3 ; d à– diamètre capillaire, m.

Pour l'eau à 20 0 C, la formule (1.19) prendra la forme : h=0, 0298/d à.

Les phénomènes capillaires se produisent aussi bien dans la nature (échange d'humidité dans le sol et les plantes) que dans la technologie (action des mèches, absorption de l'humidité par les milieux poreux, contrôle non destructif des microfissures, etc.). Ce phénomène peut entraîner une humidité au sous-sol et au premier étage des bâtiments si l'étanchéité est de mauvaise qualité.

Fluide idéal

fluide idéal on appelle un liquide inexistant, dans lequel il n'y a pas de forces de frottement internes, il ne change pas de volume avec les changements de pression et de température et ne résiste pas du tout à la rupture. Ainsi, un fluide idéal est un modèle simplifié d'un fluide réel. L'utilisation d'un modèle de fluide idéal permet de simplifier considérablement les méthodes de résolution des problèmes hydrauliques. Dans le même temps, l'utilisation de ce modèle ne permet pas d'obtenir une image objective des processus se produisant lors du mouvement d'un fluide réel. Par conséquent, pour obtenir la précision requise dans les calculs, les équations résultantes pour un fluide idéal sont corrigées par des facteurs de correction.

Fluides non newtoniens

non newtonien les liquides sont des liquides qui n'obéissent pas à la loi de frottement interne de Newton (voir l'équation 2.13). Ces liquides comprennent les mortiers de polymère, de ciment, d'argile et de chaux, les sapropels, les peintures, les adhésifs, les eaux usées contenant une grande quantité d'impuretés, etc.

Le mouvement de ces liquides commence après que les contraintes de cisaillement atteignent une certaine valeur. Ces tensions sont appelées contraintes de cisaillement initiales. Dans un fluide non newtonien, la contrainte de cisaillement est déterminée par la formule de Shvedov-Bingham :

, (2.20)

où τ 0 – contrainte de cisaillement initiale, Pa ; μpl– Viscosité Bingham (plastique), Pa∙s.

Valeurs τ 0 et μpl pour chaque fluide non newtonien sont différents.

• Les atomes (ou molécules) dans les cristaux sont ordonnés pour former un réseau cristallin.

Questions et tâches

Premier niveau

1. Quels états de la matière connaissez-vous ?
2. Comment être sûr par expérience qu'un verre « vide » est rempli d'air ?
3. Pourquoi est-il impossible de ne remplir de gaz que la moitié du récipient, dans lequel il n'y a pas de cloisons?
4. Quelle est la structure moléculaire des gaz ? Quelles propriétés des gaz explique-t-il ?
5. Quelles observations sur les propriétés d'un liquide peut-on faire en versant de l'eau d'un récipient dans un autre ?
6. Quelle est la structure moléculaire des liquides ? Quelles propriétés des liquides explique-t-il ?
7. Quelles propriétés des solides connaissez-vous ? Donnez des exemples illustrant les différences dans les propriétés des solides.

   Deuxième niveau

8. Donnez des exemples de gaz, de liquides et de solides que vous connaissez.
9. Quelles sont les propriétés générales du liquide et du gaz ? Liquides et solides ?
10. Quelles sont les principales différences entre un gaz, un liquide et un solide ?
11. Qu'est-ce qui explique la faible compressibilité des liquides et des solides ?
12. Que sont les corps cristallins ? Quelle est leur structure moléculaire ? Donner des exemples de corps cristallins.
13. Donner des exemples de corps amorphes. Quelle est leur différence avec le cristallin ?
14. Quel est le point commun entre les corps amorphes et cristallins ? Vous avez des corps et des liquides amorphes ?
15. Écrivez un problème sur les états de la matière, dont la réponse serait : "Seulement du gaz".

laboratoire à domicile

1. Remplissez une bouteille en plastique à moitié avec de l'eau et fermez-la hermétiquement. Essayez de presser la bouteille. Répétez ensuite la même expérience en remplissant la bouteille jusqu'en haut. Quelle différence as-tu remarquée ? Qu'indique-t-il ?
2. Examinez les cristaux de sucre cristallisé et de sel de table à la loupe. Comparez-les à de très petits morceaux de verre brisé. Quelle est la différence? Pouvez-vous l'expliquer?

Points clés de ce chapitre

• Tous les corps qui nous entourent sont constitués d'atomes. Les scientifiques connaissent aujourd'hui plus de 100 types d'atomes différents.
• S'attirant les uns vers les autres, les atomes forment des molécules. Les scientifiques connaissent plusieurs millions de types de molécules.
• Les propriétés d'une substance sont déterminées par le type de molécules qui composent cette substance.
• Les molécules sont mesurées en millionièmes de millimètre.
• Les molécules de gaz, de liquides et de solides sont en mouvement chaotique constant - cela est indiqué, par exemple, par le mouvement brownien et le phénomène de diffusion.
• Le taux de mouvement chaotique (thermique) des molécules augmente avec l'augmentation de la température.
• Les molécules interagissent entre elles: à de très petites distances, elles se repoussent et à plusieurs grandes distances, elles s'attirent. La répulsion des molécules explique l'incompressibilité des liquides et des solides, dans lesquels les molécules sont situées à proximité les unes des autres.

• Une substance peut être à l'état solide, liquide ou gazeux.
• Le gaz occupe tout le volume qui lui est fourni. Le gaz est facilement compressible. Les molécules d'un gaz ne sont pas proches les unes des autres.
• Le liquide prend la forme du récipient dans lequel il se trouve. Cela est dû à sa fluidité. Le liquide est pratiquement incompressible. Les molécules dans un liquide sont situées à proximité les unes des autres, mais il n'y a pas d'ordre défini dans cet arrangement.
• Les corps solides conservent leur volume et leur forme.
• Les solides sont soit cristallins, soit amorphes.
• Les atomes (ou molécules) dans les cristaux sont ordonnés, formant un réseau cristallin.
• Les propriétés des solides cristallins sont déterminées non seulement par le type d'atomes ou de molécules, mais également par la structure du réseau cristallin.

Liquides :

Contrairement à un corps solide, un liquide se caractérise par une faible cohésion entre les particules, ce qui lui confère une fluidité et prend la forme d'un récipient dans lequel il est placé.

Les liquides sont divisés en deux types : goutte à goutte et gazeux. Les liquides qui tombent ont une résistance élevée à la compression (pratiquement incompressible) et une faible résistance aux forces tangentielles et de traction (en raison de l'adhérence insignifiante des particules et des faibles forces de frottement entre les particules). Les liquides gazeux se caractérisent par une absence presque totale de résistance à la compression. Les liquides qui tombent comprennent l'eau, l'essence, le kérosène, l'huile, le mercure et autres, et les gaz - tous les gaz.

Études hydrauliques laissant tomber des liquides. Lors de la résolution de problèmes pratiques en hydraulique, le concept de fluide idéal est souvent utilisé - un milieu incompressible qui n'a pas de frottement interne entre les particules individuelles.

Les principales propriétés physiques d'un liquide comprennent la densité, la pression, la compressibilité, la dilatation thermique et la viscosité.

La densité est le rapport d'une masse au volume occupé par cette masse. La densité est mesurée dans le système SI en kilogrammes par mètre cube (kg/m3). La masse volumique de l'eau est de 1000 kg/m3.

Des indicateurs agrégés sont également utilisés : - kilopascal - 1 kPa = 103 Pa ; - mégapascal - 1 MPa = 106 Pa.

La compressibilité d'un liquide est sa propriété de changer de volume avec un changement de pression. Cette propriété est caractérisée par le coefficient de compression volumétrique ou compressibilité, qui exprime la diminution relative du volume d'un liquide avec une augmentation de la pression par unité de surface. Pour les calculs dans le domaine de l'hydraulique du bâtiment, l'eau est considérée comme incompressible. À cet égard, lors de la résolution de problèmes pratiques, la compressibilité d'un liquide est généralement négligée.

L'inverse du taux de compression volumétrique est appelé module d'élasticité. Le module d'élasticité est mesuré en pascals.

La dilatation thermique d'un liquide lorsqu'il est chauffé est caractérisée par le coefficient de dilatation thermique, qui montre l'augmentation relative du volume du liquide avec un changement de température de 1 C.

Contrairement aux autres corps, le volume d'eau diminue lorsqu'elle est chauffée de 0 à 4 °C. À 4 °C, l'eau a la densité la plus élevée et la gravité spécifique la plus élevée ; avec un chauffage supplémentaire, son volume augmente. Cependant, dans les calculs de nombreuses structures avec des changements mineurs de température et de pression de l'eau, le changement de ce coefficient peut être négligé.

La viscosité d'un fluide est sa propriété de résister au mouvement relatif (cisaillement) des particules de fluide. Les forces résultant du glissement des couches fluides sont appelées forces de frottement interne, ou forces de viscosité.

Les forces visqueuses se manifestent lors du mouvement d'un fluide réel. Si le liquide est au repos, sa viscosité peut être prise égale à zéro. Avec l'augmentation de la température, la viscosité du liquide diminue rapidement ; reste presque constant lorsque la pression change.

Des gaz:

Les propriétés physiques des gaz, comme de toute substance, commencent par des définitions liées à sa masse et à son énergie. Ainsi, la densité du gaz, dans un certain sens, également, est déterminée comme suit: si les valeurs finies de la masse et les dimensions du volume sont connues, alors pour des volumes de matière infiniment petits, la valeur limite de la densité est le rapport de r - la densité du gaz à la densité de l'air sec - ra dans des conditions standard. La densité relative d'un gaz dans l'air est La densité d'un gaz à 0°C et à la pression atmosphérique peut être déterminée par sa masse molaire - Nous recalculons la densité pour différents paramètres physiques du gaz en utilisant la formule. La densité du mélange gazeux est déterminée par la règle de mélange (additivité) ai - concentrations volumétriques des composants gazeux dans le mélange (0 ai 1), - densité des composants du mélange. Le volume spécifique de gaz est calculé comme suit: La masse molaire moyenne du mélange est Dans les calculs thermiques, en fonction du processus en cours, le concept de capacité thermique d'une substance est utilisé - à pression constante cp et à pression constante volume cv, pour lequel la formule de Mayer est valable. Le rapport des capacités calorifiques est appelé l'exposant adiabatique. Une autre propriété physique importante d'un gaz réel est sa compressibilité. En fait, la compressibilité d'un gaz est le facteur déterminant qui distingue la déviation d'un gaz d'un gaz idéal. La caractéristique de compressibilité est déterminée par le facteur de compressibilité, ou facteur Z, dans une terminologie étrangère, dans un modèle de gaz réel. Le coefficient de compressibilité dépend de la température et de la pression réduites (Tm,pm), qui sont déterminées comme suit : T,Tcr - température actuelle et critique du gaz, p,pcr - pression actuelle et critique du gaz, par exemple dans une canalisation Calcul de la coefficient de compressibilité (selon l'ONTP 51-1-85) : Selon l'Université de Gubkin : Considérez les propriétés physiques des gaz réels associées à sa viscosité. Comme on le sait, la viscosité d'un milieu continu détermine son frottement interne entre des couches de liquide ou de gaz au cours de leur mouvement relatif. Déterminé à partir des relations expérimentales entre la tension et le gradient de vitesse. Pour calculer les contraintes de cisaillement, on utilise le concept de coefficient de viscosité dynamique, qui est utilisé dans le calcul des contraintes de cisaillement selon la formule : v, n - vitesse d'écoulement relative et sa normale aux lignes de courant ; - coefficient de viscosité dynamique du gaz (Pa s) ; - les contraintes de frottement interne (Pa). Pour la viscosité cinématique, une désignation a été introduite : Presque tous les gaz naturels contiennent de la vapeur d'eau. La présence de vapeur d'eau dans le gaz contribue à la formation d'hydrates à la surface de la conduite. Il y a w - masse absolue et - humidité volumétrique Ces formules ne tiennent pas compte de l'écart des lois d'un gaz réel par rapport aux lois d'un gaz parfait. Par conséquent, le concept d'humidité relative du gaz est introduit. L'humidité relative d'un gaz est le rapport de la quantité réelle de vapeur d'eau au maximum possible (aux mêmes pressions et températures) par unité de volume : mw,T est la quantité maximale possible de vapeur d'eau qui peut être à une température donnée T; mw - densité de vapeur; w,T - densité de vapeur saturante ; pw est la pression partielle de vapeur d'eau dans le mélange gazeux ; pw,T est la pression de vapeur d'eau saturée dans le mélange gazeux. La température à laquelle un gaz devient saturé à une certaine pression s'appelle le point de rosée. Lors des calculs technologiques du gazoduc, le gaz doit être séché afin que la température de son transport soit de plusieurs degrés en dessous de son point de rosée.

Un liquide est une substance qui se trouve dans un état d'agrégation, intermédiaire entre le solide et le gazeux. En même temps, son état, comme dans le cas des solides, est condensable, c'est-à-dire qu'il implique une connexion entre les particules (atomes, molécules, ions). Le liquide a des propriétés qui le distinguent radicalement des substances qui sont dans d'autres états d'agrégation. Le principal est la capacité de changer de forme à plusieurs reprises sous l'influence de contraintes mécaniques sans perte de volume. Aujourd'hui, nous allons découvrir quelles sont les propriétés des liquides et ce qu'ils sont en général.

caractéristiques générales

Un gaz ne conserve ni volume ni forme, un solide conserve les deux et un liquide ne conserve que du volume. C'est pourquoi l'état liquide d'agrégation est considéré comme intermédiaire. La surface du liquide est semblable à une membrane élastique et détermine sa forme. Les molécules de tels corps, d'une part, n'ont pas de position définie, et d'autre part, elles ne peuvent obtenir une complète liberté de mouvement. Ils peuvent s'accumuler en gouttelettes et s'écouler sous leur propre surface. Il existe une attraction entre les molécules d'un liquide, suffisante pour les maintenir à une distance proche.

La substance est à l'état liquide dans une certaine plage de température. Si la température descend en dessous, une transition vers une forme solide (cristallisation) se produit, et si elle monte au-dessus, vers une forme gazeuse (évaporation). Les bornes de cet intervalle pour un même liquide peuvent varier en fonction de la pression. Par exemple, dans les montagnes, où la pression est beaucoup plus faible que dans les plaines, l'eau bout à une température plus basse.

Habituellement, un liquide n'a qu'une seule modification, il s'agit donc à la fois d'un état agrégé et d'une phase thermodynamique. Tous les liquides sont divisés en substances pures et en mélanges. Certains de ces mélanges ont une importance décisive dans la vie humaine : sang, eau de mer et autres.

Considérez les propriétés de base des liquides.

Fluidité

Le liquide diffère des autres substances, tout d'abord, par sa fluidité. Si une force extérieure lui est appliquée, un flux de particules apparaît dans la direction de son application. Ainsi, lorsqu'il est exposé à des forces extérieures déséquilibrées, le liquide n'est pas capable de maintenir la forme et la position relative des particules. Pour la même raison, il prend la forme du vase dans lequel il entre. Contrairement aux corps plastiques solides, les liquides n'ont pas de seuil d'écoulement, c'est-à-dire qu'ils s'écoulent à la moindre sortie de l'état d'équilibre.

Conservation des volumes

L'une des propriétés physiques caractéristiques des liquides est la capacité à maintenir le volume sous l'action mécanique. Ils sont extrêmement difficiles à comprimer en raison de la haute densité des molécules. Selon la loi de Pascal, la pression qui s'exerce sur un liquide enfermé dans un récipient se transmet sans changement à tous les points de son volume. Outre une compressibilité minimale, cette caractéristique est largement utilisée en hydraulique. La plupart des liquides se dilatent lorsqu'ils sont chauffés et rétrécissent lorsqu'ils sont refroidis.

Viscosité

Parmi les principales propriétés des liquides, comme dans le cas des gaz, il convient de noter la viscosité. La viscosité est la capacité des particules à résister au mouvement les unes par rapport aux autres, c'est-à-dire au frottement interne. Lorsque des couches adjacentes d'un liquide se déplacent les unes par rapport aux autres, une collision inévitable de molécules se produit et des forces apparaissent qui ralentissent le mouvement ordonné. L'énergie cinétique du mouvement ordonné est convertie en énergie thermique du mouvement chaotique. Si un liquide placé dans un récipient est déplacé puis laissé seul, il s'arrêtera progressivement, mais sa température augmentera.

Surface libre et tension superficielle

Si vous regardez une goutte d'eau qui repose sur une surface plane, vous pouvez voir qu'elle est arrondie. Cela est dû aux propriétés des liquides telles que la formation d'une surface libre et d'une tension superficielle. La capacité des liquides à conserver leur volume provoque la formation d'une surface libre, qui n'est autre qu'une surface de séparation de phases : liquide et gazeuse. Lorsque ces phases d'une même substance entrent en contact, des forces apparaissent qui visent à réduire la surface du plan d'interface. On les appelle tension superficielle. La limite de phase est une membrane élastique qui tend à se rétracter.

La tension superficielle s'explique également par l'attraction des molécules liquides les unes sur les autres. Chaque molécule a tendance à « s'entourer » d'autres molécules et à quitter l'interface. De ce fait, la surface diminue rapidement. Cela explique le fait que les bulles de savon et les bulles formées lors de l'ébullition ont tendance à prendre une forme sphérique. Si seule la force de tension superficielle agit sur le liquide, elle prendra certainement cette forme.

Les petits objets dont la densité dépasse la densité du liquide peuvent rester à sa surface du fait que la force qui empêche l'augmentation de la surface est supérieure à la force de gravité.

Évaporation et condensation

L'évaporation est le passage progressif d'une substance d'un état liquide à un état gazeux. Dans le processus de mouvement thermique, certaines des molécules quittent le liquide, traversent sa surface et sont converties en vapeur. Parallèlement à cela, une autre partie des molécules, au contraire, passe de la vapeur au liquide. Lorsque le nombre de composés qui ont quitté le liquide dépasse le nombre de composés qui y sont entrés, le processus d'évaporation a lieu.

La condensation est le processus inverse de l'évaporation. Lors de la condensation, le liquide reçoit plus de molécules de la vapeur qu'il n'en dégage.

Les deux processus décrits sont hors d'équilibre et peuvent continuer jusqu'à ce qu'un équilibre local soit établi. Dans ce cas, le liquide peut s'évaporer complètement ou entrer en équilibre avec sa vapeur.

Ébullition

L'ébullition est le processus de transformations internes d'un liquide. Lorsque la température atteint un certain niveau, la pression de vapeur dépasse la pression à l'intérieur de la substance et des bulles commencent à s'y former. Sous l'effet de la gravité, ils flottent.

mouillage

Le mouillage est un phénomène qui se produit lorsqu'un liquide entre en contact avec un solide en présence de vapeur. Ainsi, il se produit à l'interface de trois phases. Ce phénomène caractérise le "collage" d'une substance liquide à un solide, et son étalement à la surface d'une substance solide. Il existe trois types de mouillage : limité, complet et non mouillant.

Miscibilité

Il caractérise la capacité des liquides à se dissoudre les uns dans les autres. Un exemple de liquides miscibles est l'eau et l'alcool, et les liquides non miscibles sont l'eau et l'huile.

La diffusion

Lorsque deux liquides miscibles se trouvent dans le même récipient, en raison du mouvement thermique, les molécules commencent à surmonter l'interface et les liquides se mélangent progressivement. Ce processus est appelé diffusion. Il peut également se produire dans des substances qui se trouvent dans d'autres états d'agrégation.

Surchauffe et hypothermie

Parmi les propriétés fascinantes des liquides, il convient de noter la surchauffe et l'hypothermie. Ces processus forment souvent la base d'astuces chimiques. Avec un chauffage uniforme, sans fortes variations de température ni influences mécaniques, le liquide peut chauffer au-dessus du point d'ébullition sans bouillir. Ce processus est appelé surchauffe. Si un objet est jeté dans un liquide surchauffé, il bouillira instantanément.

De la même manière, une surfusion du liquide se produit, c'est-à-dire qu'il est refroidi à une température inférieure au point de congélation, en contournant la congélation elle-même. Avec un léger impact, le liquide surfondu cristallise instantanément et se transforme en glace.

Vagues en surface

Si l'équilibre d'une section de la surface du liquide est perturbé, alors celle-ci, sous l'action des forces de rappel, reviendra à l'équilibre. Ce mouvement ne se limite pas à un cycle, mais se transforme en oscillations et se propage à d'autres zones. Cela produit des ondes qui peuvent être observées à la surface de n'importe quel liquide.

Lorsque la gravité agit principalement comme force de rappel, les ondes sont appelées ondes gravitationnelles. Vous pouvez les voir partout sur l'eau. Si la force de rappel est formée principalement à partir de la force de tension superficielle, alors les ondes sont dites capillaires. Vous savez maintenant quelle propriété des liquides provoque l'excitation bien connue de l'eau.

ondes de densité

Le liquide est extrêmement difficile à comprimer, cependant, avec un changement de température, son volume et sa densité changent encore. Cela ne se produit pas instantanément : lorsqu'une section est compressée, les autres le sont avec un retard. Ainsi, des ondes élastiques se propagent à l'intérieur du liquide, appelées ondes de densité. Si, au fur et à mesure que l'onde se propage, la densité change légèrement, alors je l'appelle son, et si elle est assez forte - choc.

Nous nous sommes familiarisés avec les propriétés générales des liquides. Toutes les caractéristiques principales dépendent déjà du type et de la composition des liquides.

Classification

Après avoir examiné les propriétés physiques de base des liquides, découvrons comment ils sont classés. La structure et les propriétés des substances liquides dépendent de l'individualité des particules qui composent leur composition, ainsi que de la nature et de la profondeur de l'interaction entre elles. Sur cette base, distinguez :

1. Liquides atomiques. Se composent d'atomes ou de molécules sphériques qui sont liés entre eux par les forces centrales de van der Waals. Un exemple frappant est l'argon liquide et le méthane liquide.
2. Liquides constitués de molécules diatomiques avec des atomes identiques dont les ions sont liés par les forces de Coulomb. Les exemples incluent : l'hydrogène liquide, le sodium liquide et le mercure liquide.
3. Liquides constitués de molécules polaires liées par une interaction dipôle-dipôle, comme le bromure d'hydrogène liquide.
4. fluides associés. Ils possèdent des liaisons hydrogène (eau, glycérine).
5. Liquides constitués de grosses molécules. Pour ces derniers, les degrés de liberté internes jouent un rôle important.

Les substances des deux premiers (rarement trois) groupes sont dites simples. Ils sont mieux documentés que quiconque. Parmi les liquides complexes, l'eau a été la plus étudiée. Cette classification n'inclut pas les cristaux liquides et les liquides quantiques, car ce sont des cas particuliers et sont considérés séparément.

Du point de vue des propriétés hydrodynamiques, les liquides sont divisés en newtoniens et non newtoniens. Le flux du premier obéit à la loi de Newton. Cela signifie que leur contrainte de cisaillement dépend linéairement du gradient de vitesse. Le coefficient de proportionnalité entre ces valeurs est appelé viscosité. Dans les fluides non newtoniens, la viscosité fluctue avec le gradient de vitesse.

L'étude

L'étude du mouvement et de l'équilibre mécanique des liquides et des gaz, ainsi que leur interaction, y compris avec les solides, relève d'une branche de la mécanique telle que l'hydroaéromécanique. On l'appelle aussi hydrodynamique.

Les fluides incompressibles sont étudiés dans une sous-section de la mécanique des fluides appelée simplement mécanique des fluides. Comme la compressibilité des liquides est très faible, dans de nombreux cas, elle est simplement négligée. Les fluides compressibles sont étudiés par la dynamique des gaz.

L'hydromécanique est subdivisée en hydrostatique et hydrodynamique (au sens étroit). Dans le premier cas, l'équilibre des fluides incompressibles est étudié, et dans le second, leur mouvement.

La magnétohydrodynamique traite de l'étude des fluides magnétiques et électriquement conducteurs, et l'hydraulique traite des problèmes appliqués.

La loi fondamentale de l'hydrostatique est la loi de Pascal. Le mouvement des fluides incompressibles idéaux est décrit par l'équation d'Euler. Pour leur écoulement stationnaire, la loi de Bernoulli est satisfaite. Et la formule de Torricelli décrit la sortie de substances liquides des trous. Le mouvement des fluides visqueux obéit à l'équation de Navier-Stokes qui, entre autres, peut prendre en compte la compressibilité.

Les ondes élastiques et les vibrations dans un liquide (comme d'ailleurs dans d'autres milieux) sont étudiées par une science telle que l'acoustique. Hydroacoustique - une sous-section consacrée à l'étude du son dans le milieu aquatique pour résoudre les problèmes de communications sous-marines, de localisation et autres.

Pour terminer

Aujourd'hui, nous nous sommes familiarisés avec les propriétés physiques générales des liquides. Nous avons également appris ce que sont ces substances en général et comment elles sont classées. Quant aux propriétés chimiques d'un liquide, elles dépendent directement de sa composition. Par conséquent, ils doivent être considérés séparément pour chaque substance. Il est difficile de dire quelle propriété d'un liquide est importante et laquelle ne l'est pas. Ici tout dépend de la tâche dans le cadre de laquelle ce liquide est considéré.

Une propriété caractéristique des corps liquides et gazeux est leur fluidité, c'est-à-dire une faible résistance à la déformation par cisaillement : si le taux de cisaillement tend vers zéro, alors les forces de résistance du liquide ou du gaz à cette déformation tendent également vers zéro. En d'autres termes, les substances liquides et gazeuses n'ont pas élasticité de la forme- ils prennent facilement la forme du vaisseau dans lequel ils se trouvent.

Pour modifier le volume V d'un liquide ou d'un gaz, des forces externes finies sont nécessaires. Lorsque le volume change à la suite d'influences externes, des forces élastiques apparaissent dans le liquide et le gaz, qui équilibrent l'action des forces externes. Les propriétés élastiques des liquides et des gaz sont déterminées par le fait que leurs parties individuelles agissent les unes sur les autres (interagissent) ou sur les corps en contact avec elles avec une force qui dépend du degré de compressibilité du liquide ou du gaz. L'interaction correspondante est caractérisée par une quantité appelée pression P.

Considérons un liquide en équilibre, c'est-à-dire dans des conditions où ses parties individuelles ne bougent pas les unes par rapport aux autres. Sélectionner une zone élémentaire dans le liquide DS(voir figure 5.1). Sur le DS les forces agissant à partir d'autres parties du fluide sont égales en grandeur mais opposées en direction. Pour clarifier la nature de ces forces, retirons mentalement le liquide au-dessus DS, et la remplacer par la force résultante Df, afin que l'état des autres pièces ne soit pas perturbé. Ces forces doivent être perpendiculaires D.S., sinon la composante tangentielle des forces mettrait les particules fluides en mouvement le long DS, et l'équilibre serait rompu. Par conséquent, l'équilibre du liquide aura lieu lorsque la résultante de toutes les forces Df perpendiculaire DS.

Force Df, rapportée à l'unité de la surface du site DS, est appelée pression P, C'est