Właściwości statyczne płynów [edytuj]

Płyny w stanie spoczynku posiadają pewne właściwości, dzięki którym mogą być charakteryzowane. Należą do nich:

• gęstość

Stosunek masy do objętości:

• gęstość względna

Stosunek gęstości cieczy do gęstości wody. Ponieważ gęstość wody wynosi w przybliżeniu 1000[kg / m³], to gęstość względna cieczy wynosi w przybliżeniu wartość jednej tysięcznej gęstości tej cieczy. Gęstość względną wyraża się wzorem:

• ciężar właściwy

Ciężar przypadający na objętość jednostkową:

• objętość właściwa

Stosunek objętości cieczy do masy (odwrotność gęstości):

• współczynnik rozszerzalności cieplnej

 Osobny artykuł: współczynnik rozszerzalności.

Stosunek zmiany jednostki objętości płynu w wyniku zmiany temperatury o jednostkę temperatury

• współczynnik ściśliwości

Stosunek zmiany jednostki objętości płynu pod wpływem zmiany ciśnienia o jednostkę

• ciepło właściwe

Jest to energia potrzebna do podniesienia temperatury jednostki masy ciała o jednostkę temperatury:

Oznaczenia:

• F — siła

• m — masa

• N — liczba cząsteczek

• p — ciśnienie

• S — entropia

• t — temperatura

• V — objętość

Własności cieczy - rozszerzenie

1. Teoria kinetyczna cieczy

Cząsteczki poruszają się ruchem bezładnym, nazywanym ruchem brownowskim, jego intensywność wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.
Cząsteczki cieczy mieszają się samorzutnie ze sobą w procesie dyfuzji.

2. Siły spójności

Siły te działają pomiędzy cząsteczkami cieczy.
Siły spójności działające na cząsteczki wewnątrz cieczy równoważą się wzajemnie i ich wypadkowa równa jest zero.
Na cząsteczki cieczy położone na powierzchni cieczy działają siły spójności jedynie ze strony cieczy "od strony wewnętrznej" (od strony zewnętrznej, czyli od strony gazu siły te nie działają). Wypadkowa siła jest skierowana w dół. W efekcie cząsteczki cieczy z warstwy zewnętrznej mają energię potencjalną większą niż cząsteczki cieczy z warstw wewnętrznych.

3. Napięcie powierzchniowe

Niektóre przedmioty, mimo, że ich ciężar właściwy jest większy niż ciężar właściwy wody nie toną w niej, ale utrzymują się na powierzchni wody (np. liście, owady, położona płasko żyletka). Spowodowane jest to napięciem powierzchniowym. Powierzchnia cieczy zachowuje się jak błona doskonale sprężysta a jej przerwanie spowoduje zatonięcie obiektów.
Błona ta dąży do kurczenia się, ze względu na siły sprężystości, których wypadkowa na powierzchni cieczy nie jest równa zero ale ma pewną wartość i jest skierowana do wewnątrz cieczy. Zrównoważyć tę siłę można siłą o wartości F, skierowaną w przeciwną stronę, która jest wprost proporcjonalna do rozmiaru poprzecznego błony a współczynnikeim proporcjonalności jest współczynnik napięcia powierzchniowego sigma, który zależy od rodzaju cieczy i od temperatury.

(56)

Napięcie powierzchniowe można obniżyć dodając do cieczy substancje takie jak środki do prania, mydło, szampon (detergenty), a w układzie trawiennym napięcie powierzchniowe obniża żółć.

4. Menisk

Menisk powstaje na granicy cieczy i ścianek naczynia.
Menisk wklęsły powstaje np. przy ściance szklanki z wodą. Na cząsteczki cieczy położone przy ściance naczynia działają dwie siły - siła przylegania (prostopadła do ścianki) i siły spójności (działające do wnętrza cieczy). Wypadkowa tych sił jest skierowana ku ściance naczynia, ponieważ w przypadku szkła i wody siły przylegania są dużo większe od sił spójności.

(57)

Powierzchnia swobodna cieczy jest pozioma i prostopała do wypadkowej siły - w ten sposób powstaje menisk wklęsły.
Menisk wypukły powstaje np. przy ściance szklanki z olejem. Na cząsteczki cieczy położone przy ściance naczynia działają dwie siły - siła przylegania (prostopadła do ścianki) i siły spójności (działające do wnętrza cieczy). Wypadkowa tych sił jest skierowana do wnętrza cieczy, ponieważ w przypadku szkła i oleju siły przylegania są dużo mniejsze od sił spójności.

(58)

Powierzchnia swobodna cieczy jest pozioma i prostopała do wypadkowej siły - w ten sposób powstaje menisk wypukły.

5. Włoskowatość

Woda wlana do wąskich, połączonych ze sobą rurek (kapilar), będzie miała najwyższy poziom w rurce o najmniejszym polu przekroju.
Przyczyną są siły napięcia powierzchniowego, działające na całym obwodzie rurki, które są styczne do powierzchni cieczy i których wypadkowa jest skierowana do góry. "Wyciąga" ona ciecz w górę.
Ciśnienie pod powierzchnią cieczy jest mniejsze niż ciśnienie atmosferyczne. Różnica ciśnień równa się

(59)

gdzie:
sigma - współczynnik napięcia powierzchniowego;
r - promień kapilary;
h - wysokość słupa cieczy w kapilarze;
d - gęstość cieczy.

Jeżeli do kapilar zostanie wlana ciecz, która tworzy przy brzegu naczynia menisk wypukły, to w węższej rurce poziom cieczy będzie niższy. Ciśnienie atmosferyczne pod taką powierzchnią jest większe niż ciśnienie atmosferyczne.
Zjawisko włoskowatości tłumaczy zjawisko wznoszenia się cieczy w łodygach roślin.

6. Rozszerzalność termiczna cieczy

Ciecze ogrzane zwiększają swoją objętość proporcjonalnie do temperatury.
Współczynnik obętościowej rozszerzalności termicznej cieczy to względny przyrost objętości ciała przypadający na stopień temperatury.

(60)

gdzie

(61)

Wymiarem współczynnika ajest K^-1.
Objętość cieczy w temperaturze T wynosi:

(62)

Wraz ze wzrostem temperatury rośnie objętość ciała, maleje więc jego gęstość zgodnie z zależnością:

(63)

gdzie d₀ jest gęstością ciała w temperaturze 0⁰ Celsjusza czyli w 273 kelwinach.

7. Rozszerzalność termiczna wody

Przy zwroście temperatury woda zachowuje się inaczej, czyli anomalnie niż pozostałe ciecze.
Przy wzroście temperatury od zera do czterech stopni Celsjusza objętość wody maleje osiągając w 4⁰C wartość minimalną i przy dalszym wzroście temperatury objętość wody rośnie.
Maksymalna gęstość wody jest więc w 4⁰C.
Powód
Cząsteczki wody są powiązane ze sobą wiązaniami wodorowymi, w których atomy tlenu sąsiadujących cząsteczek łączą się ze sobą za pośrednictwem atomu wodoru jednej z tych cząsteczek. Przy wzroście temperatury od 0⁰C do ok. 4⁰C następuje stopniowe zrywaniem niektórych wiązań wodorowych łączących cząsteczki wody. W 4⁰C woda zawiera głównie dimery (H₂O)₂. Przy dalszym ogrzewaniu rozpadają się one na pojedyncze cząsteczki, co zwiększa objętość cieczy. Podczas topnienia zrywa się ok. 15% wszystkich wiązań wodorowych, co powoduje zmniejszenie objętości. Dlatego też woda ma mniejszą objętość niż lód.
W stanie stałym lód ma większą objętość niż woda.
Wiązania wodorowe prowadzą w idealnym przypadku do wytworzenia grup cząsteczek wody w kształcie czworościanu foremnego z cząsteczkami wody w wierzchołkach. Wzrost temperatury (nasilanie się drgań termicznych) psuje tę idealną strukturę, co umożliwia upakowanie większej liczby cząsteczek w jednostce objętości. Jednocześnie ze wzrostem temperatury wiązanie wodorowe się wydłuża, czyli zmniejsza się gęstośś wody.
Poniżej 4 stopni pierwszy efekt przeważa, czyio woda zwiększa swoją gęstość. Powyżej 4 stopni przeważa wydłużanie się wiązań i gęstość maleje przy wzroście temperatury.

W zbiornikach wodnych woda zamarza poczynając od górnej warstwy. Woda pod lodem, o temperaturze 1⁰C ma mniejszą gęstość niż woda o temperaturze 2,3,4⁰C. Najbardziej gęsta jest woda o temperaturze 4⁰C i dlatego gromadzi się ona w dolnej części zbiornika. Dzięki temu na dnie zbiorników wodnych możliwe jest życie biologiczne.

8. Ciepło właściwe cieczy

Ciepłem właściwym c nazywamy ilość ciepła niezbędną do ogrzania jednostki masy substancji o jeden stopień.

(64)

Ciepło właściwe ma wymiar ^{1 dżul}/_1kg*1K

Ciepłem molowym
nazywamy ilość ciepła niezbędną do ogrzania jednego mol
a substancji o jeden stopień.

(65)

gdzie:

- masa mola substancji

Ciepło molowe substancji w stanie ciekłym jest większe niż dla tej samej substancji w stanie stałym lub gazow

---