Жидкое и твердое состояния вещества жидкие вещества. Жидкости и жидкое состояние вещества Свойства жидкого состояния вещества

В жидком состоянии расстояние между частицами значительно меньше, чем в газообразном. Частицы занимают основную часть объема, постоянно соприкасаясь друг с другом и притягиваются друг к другу. Наблюдается некоторая упорядоченность частиц (ближний порядок). Частицы подвижны относительно друг друга.

В жидкостях между частицами возникают вандерваальсовы взаимодействия: дисперсионные, ориентационные и индукционные. Небольшие группы частиц, объединенных теми или иными силами, называются кластерами . В случае одинаковых частиц кластеры в жидкости называются ассоциатами

В жидкостях при образовании водородных связей увеличивается упорядочение частиц. Однако водородные связи и вандерваальсовы силы непрочны – молекулы в жидком состоянии находятся в непрерывном хаотическом движении, которое получило название броуновского движения .

Для жидкого состояния справедливо распределение молекул по скоростям и энергиям Максвелла-Больцмана.

Теория жидкостей разработана гораздо хуже, чем газов, поскольку свойства жидкостей зависят от геометрии и полярности взаимно близко расположенных молекул. Кроме того, отсутствие определенной структуры жидкостей затрудняет их формализованное описание – в большинстве учебников жидкостям уделено гораздо меньше места, чем газам и твердым кристаллическим веществам.

Между жидкостями и газами нет резкой границы – она полностью исчезает в критических точках . Для каждого газа известна температура, выше которой он не может быть жидким ни при каком давлении; при этой критической температуре исчезает граница (мениск) между жидкостью и ее насыщенным паром. Существование критической температуры ("температуры абсолютного кипения") установил Д.И.Менделеев в 1860 г

Таблица 7.2 - Критические параметры (t к, p к, V к) некоторых веществ

Вещество	t к, о С	p к, атм	V к, см 3 /моль	t плавл о С	t кип о С
He	-267,9	2,26	57,8	-271,4	-268,94
H 2	-239,9	12,8	65,0	-259,2	-252,77
N 2 2	-147,0	33,54	90,1	-210,01	-195,82
O 2 2	-118,4	50,1		-218,76	-182,97
CH 4	-82,1	45,8	99,0	-182,49	-161,58
CO 2	+31,0	72,9	94,0	-56,16	-78,48(субл)
NH 3	132,3	111,3	72,5	-77,76	-33,43
Cl 2	144,0	76,1		-101,0	-34,06
SO 2	157,5	77,8		-75,48	-10,02
H 2 O	374,2	218,1		0,0	100,0

Давление насыщенных паров – парциальное давление, при котором скорости испарения и конденсации пара равны:

где А и В – константы.

Температура кипения – температура, при которой давление насыщенных паров жидкости равно атмосферному давлению.

Жидкости обладают текучестью – способность к перемещению под действием небольших сдвигающих усилия; жидкость занимает объем, в который ее помещают.

Сопротивление жидкости текучести получило название вязкости, [Па. с].

Поверхностное натяжение [Дж/м 2 ] – работа, необходимая для создания единицы поверхности.

Жидкокристаллическое состояние – вещества в жидком состоянии, обладающие высокой степенью упорядочности, занимают промежуточное положение между кристаллами и жидкостью. Они обладают текучестью, но в то же время имеют дальний порядок. Например – производные коричневой кислоты, азолитинов, стероидов.

Температура просветления – температура, при которой жидкие кристаллы (жк) переходят в обычное жидкое состояние.

7.5 Твёрдые вещества

В твёрдом состоянии частицы настолько сближаются друг с другом, что между ними возникают прочные связи, отсутствует поступательное движение и сохраняются колебания около своего положения. Твёрдые вещества могут находиться в аморфном и кристаллическом состоянии.

7.5.1 Вещества в аморфном состоянии

В аморфном состоянии вещества не имеют упорядоченной структуры.

Стеклообразное состояние – твердое аморфное состояние вещества, которое получается в результате глубокого переохлаждения жидкости. Это состояние неравновесно, однако стекла могут существовать длительное время. Размягчение стекла происходит в некотором диапазоне температур – интервале стеклования, границы которого зависят от скорости охлаждения. С увеличением скорости охлаждения жидкости или пара возрастает вероятность получения данного вещества в стеклообразном состоянии.

В конце 60-х годов XX века получены аморфные металлы (металлические стекла) – для этого потребовалось охлаждать расплавленный металл со скоростью 10 6 - 10 8 град/с. Большинство аморфных металлов и сплавов кристаллизуются при нагреве свыше 300 о С. Одно из важнейших применений – микроэлектроника (диффузионные барьеры на границе металл-полупроводник) и магнитные накопители (головки ЖМД). Последнее – благодаря уникальной магнитомягкости (магнитная анизотропия меньше на два порядка, чем в обычных сплавах).

Аморфные вещества изотропны , т.е. имеют одинаковые свойства во всех направлениях.

7.5.2 Вещества в кристаллическом состоянии

Твердые кристаллические вещества обладают упорядоченной структурой с повторяющимися элементами, что позволяет исследовать их методом дифракции рентгеновских лучей (метод рентгеноструктурного анализа, используется с 1912 г.

Монокристаллы (одиночные соединения) характеризуются анизотропностью – зависимость свойств от направления в пространстве.

Регулярное расположение частиц в твёрдом теле изображается в виде кристаллической решётки. Кристаллические вещества плавятся при определённой температуре, называемой температурой плавления .

Кристаллы характеризуются энергией, постоянной кристаллической решётки и координационном числом.

Постоянная решётка характеризует расстояние между центрами частиц, занимающих узлы в кристалле, в направлении характеристических осей.

Координационным числом обычно называется число частиц, непосредственно примыкающих к данной частице в кристалле (смотри рисунок 7.2 – координационное число восемь и по цезию и по хлору)

Энергией кристаллической решётки называют энергию, необходимую для разрушения одного моля кристалла и удаления частиц за пределы их взаимодействия.

Рисунок 7.2 - Строение кристалла хлористого цезия CsCl (а) и объемноцентрированная кубическая элементарная ячейка этого кристалла (б)

7.5.3 Кристаллические структуры

Наименьшей структурной единицей кристалла, которая выражает все свойства его симметрии, является элементарная ячейка. При многократном повторении ячейки по трём измерениям получают кристаллическую решётку.

Имеется семь основных ячеек: кубическая, тетраэдрическая, гексагональная, ромбоэдрическая, орто ромбоэдрическая, моноклинная и триклинная. Имеется семь производных о основных элементарных ячеек, например объёмно центрированная, кубическая гранецентрированная.

а - элементарная ячейка кристалла NaCl; б - плотная гранецентрированная кубическая упаковка NaCl; в- объемноцентрированная кубическая упаковка кристалла CsCl Рисунок Рисунок 7.3 - Элементарная ячейка

Изоморфные вещества – вещества близкой химической природы, образующие одинаковые кристаллические структуры: CaSiO 4 и MgSiO 4

Полиморфизм – соединения, существующие в двух и более кристаллических структурах, например SiO 2 (в виде гексагонального кварца, ромбического тридимита и кубического кристобаллита.)

Аллотропные модификации – полиморфные модификации простых веществ, например, углерод: алмаз, графит, карбин, фуллерен.

По природе частиц в узлах кристаллической решётки и химических связей между ними кристаллы подразделяются на:

1) молекулярные – в узлах находятся молекулы, между которыми действуют вандерваальсовы силы, имеющие невысокую энергию: кристаллы льда;

2) атомно – ковалентные кристаллы – в узлах кристаллов располагаются атомы, образующие друг с другом прочные ковалентные связи, обладают высокой энергией решётки, например, алмаз (углерод);

3) ионные кристаллы – структурными единицами кристаллов этого типа являются положительно и отрицательно заряженные ионы, между которыми происходит электрическое взаимодействие, характеризуемое достаточно высокой энергией, например NaCL, KCL;

4) металлические кристаллы – вещества, которые обладают высокой электропроводимостью, теплопроводимостью, ковкостью, пластичностью, металлическим бликом и высокой отражательной способностью по отношению к свету; связь в кристаллах металлическая, энергия металлической связи является промежуточной между энергиями ковалентных и молекулярных кристаллов;

5) кристаллы со смешанными связями – между частицами существуют сложные взаимодействия, которые можно описать наложениям двух или более видов связей друг на друга, например клатраты (соединения включены) – образованы включением молекул (гостей) в полости кристаллического каркаса, состоящего из частиц другого вида (хозяев): газовые клатраты CH 4 . 6H 2 O, клатраты мочевины.

1. Жидкое состояние вещества и его свойства.

2.1 Закон Бернулли.

2.2 Закон Паскаля.

2.3 Ламинарное течение жидкостей.

2.4 Закон Пуайзеля.

2.5 Турбулентное течение жидкостей.

3.1 Измерение вязкости жидкости.

3.2 Измерение объёма и расхода жидкости

1. Жидкое состояние вещества и его свойства.

Жидкости занимают промежуточное положение между газо­образными и твердыми веществами. При температурах, близких к температурам кипения, свойства жидкостей приближаются к свойствам газов; при температурах, близких к температурам плавления, свойства жидкостей приближаются к свойствам твер­дых веществ. Если для твердых веществ характерна строгая упо­рядоченность частиц, распространяющаяся на расстояния до со­тен тысяч межатомных или межмолекулярных радиусов, то в жидком веществе обычно бывает не более нескольких десятков упорядоченных частиц - объясняется это тем, что упорядоченность между частицами в разных местах жидкого вещества так же быстро возникает, как и вновь «размывается» тепловым колебанием частиц. Вместе с тем общая плотность упаковки частиц жидкого вещества мало отличается от твердого вещества - поэтому их плотность близка к плотности твердых тел, а сжимаемость очень мала. Например, чтобы уменьшить объем, занимаемый жидкой водой, на 1%, требуется приложить давление ~ в 200 атм, тогда как для такого же уменьшения объема газов требуется давление порядка 0,01 атм. Следовательно, сжимаемость жид­костей примерно в 200: 0,01 = 20000 раз меньше сжимаемости газов.

Выше отмечалось, что жидкости имеют определенный собственный объем и принимают форму сосуда, в котором находятся; эти их свойства значительно ближе к свойствам твердого, чем газообразного вещества. Большая близость жидкого состояния к твердому подтверждается также данными по стандартным энтальпиям испарения ∆Н° исп и стандартным энтальпиям плавления ∆Н° пл. Стандартной энтальпией испарения называют количество теплоты, необходимое для превращения 1 моль жидкости в пар при 1 атм (101,3 кПа). То же количество теплоты выделяется при конденсации 1 моль пара в жидкость при 1 атм. Количество теплоты, расходуемое на превращение 1 моль твердого тела в жидкость при 1 атм, называют стандартной энтальпией плавления (то же количество теплоты высвобождается при «замерзании» («отвердевании») 1 моль жидкости при 1 атм). Известно, что ∆Н° пл намного меньше соответствующих значений ∆Н° исп, что легко понять, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притя­жения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.

Ряд других важных свойств жидкостей больше напоминает свойства газов. Так, подобно газам жидкости могут течь - это их свойство называется текучестью. Сопротивляемость течению определяется вязкостью. На текучесть и вязкость влияют силы притяжения между молекулами жидкости, их относительная мо­лекулярная масса, а также целый ряд других факторов. Вязкость жидкостей ~ в 100 раз больше, чем у газов. Так же, как и газы, жидкости способны диффундировать, хотя и гораздо медленнее, поскольку частицы жидкости упакованы гораздо плотнее, чем частицы газа.

Одно из важнейших свойств именно жидкости - ее поверхностное натяжение (это свойство не присуще ни газам, ни твер­дым веществам). На молекулу, находящуюся в жидкости, со всех сторон равномерно действуют межмолекулярные силы. Однако на поверхности жидкости баланс этих сил нарушается, и вследст­вие этого «поверхностные» молекулы оказываются под действием некой результирующей силы, направленной внутрь жидкости. По этой причине поверхность жидкости оказывается в состоянии натяжения. Поверхностное натяжение - это минимальная сила, сдерживающая движение частиц жидкости в глубину жидкости и тем самым удерживающая поверхность жидкости от сокращения. Именно поверхностным натяжением объясняется «каплевидная» форма свободно падающих частиц жидкости.

Из-за сохранения объёма жидкость способна образовывать свободную поверхность. Такая поверхность является поверхностью раздела фаз данного вещества: по одну сторону находится жидкая фаза, по другую - газообразная (пар), и, возможно, другие газы, например, воздух. Если жидкая и газообразная фазы одного и того же вещества соприкасаются, возникают силы, которые стремятся уменьшить площадь поверхности раздела - силы поверхностного натяжения. Поверхность раздела ведёт себя как упругая мембрана, которая стремится стянуться.

Поверхностное натяжение может быть объяснено притяжением между молекулами жидкости. Каждая молекула притягивает другие молекулы, стремится «окружить» себя ими, а значит, уйти с поверхности. Соответственно, поверхность стремится уменьшиться. Поэтому мыльные пузыри и пузыри при кипении стремятся принять сферическую форму: при данном объёме минимальной поверхностью обладает шар. Если на жидкость действуют только силы поверхностного натяжения, она обязательно примет сферическую форму - например, капли воды в невесомости.

Маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила тяготения меньше силы, препятствующей увеличению площади поверхности.

Смачивание - поверхностное явление, возникающее при контакте жидкости с твёрдой поверхностью в присутствии пара, то есть на границах раздела трёх фаз. Смачивание характеризует «прилипание» жидкости к поверхности и растекание по ней (или, наоборот, отталкивание и нерастекание). Различают три случая: несмачивание, ограниченное смачивание и полное смачивание.

Смешиваемость - способность жидкостей растворяться друг в друге. Пример смешиваемых жидкостей: вода и этиловый спирт, пример несмешиваемых: вода и жидкое масло.

При нахождении в сосуде двух смешиваемых жидкостей молекулы в результате теплового движения начинают постепенно проходить через поверхность раздела, и таким образом жидкости постепенно смешиваются. Это явление называется диффузией (происходит также и в веществах, находящихся в других агрегатных состояниях).

Жидкость можно нагреть выше точки кипения таким образом, что кипения не происходит. Для этого необходим равномерный нагрев, без значительных перепадов температуры в пределах объёма и без механических воздействий, таких, как вибрация. Если в перегретую жидкость бросить что-либо, она мгновенно вскипает. Перегретую воду легко получить в микроволновой печи.

Переохлаждение - охлаждение жидкости ниже точки замерзания без превращения в твёрдое агрегатное состояние. Как и для перегрева, для переохлаждения необходимо отсутствие вибрации и значительных перепадов температуры.

Если сместить участок поверхность жидкости от положения равновесия, то под действием возвращающих сил поверхность начинает двигаться обратно к равновесному положению. Это движение, однако, не останавливается, а превращается в колебательное движение около равновесного положения и распространяется на другие участки. Так возникают волны на поверхности жидкости.

Если возвращающая сила - это преимущественно силы тяжести, то такие волны называются гравитационными волнами. Гравитационные волны на воде можно видеть повсеместно.

Если возвращающая сила - это преимущественно сила поверхностного натяжения, то такие волны называются капиллярными. Если эти силы сопоставимы, такие волны называются капиллярно-гравитационными. Волны на поверхности жидкости затухают под действием вязкости и других факторов.

Формально говоря, для равновесного сосуществования жидкой фазы с другими фазами того же вещества - газообразной или кристаллической - нужны строго определённые условия. Так, при данном давлении нужна строго определённая температура. Тем не менее, в природе и в технике повсеместно жидкость сосуществует с паром, или также и с твёрдым агрегатным состоянием - например, вода с водяным паром и часто со льдом (если считать пар отдельной фазой, присутствующей наряду с воздухом). Это объясняется следующими причинами.

Неравновесное состояние. Для испарения жидкости нужно время, пока жидкость не испарилась полностью, она сосуществует с паром. В природе постоянно происходит испарение воды, также как и обратный процесс - конденсация.

Замкнутый объём. Жидкость в закрытом сосуде начинает испаряться, но поскольку объём ограничен, давление пара повышается, он становится насыщенным ещё до полного испарения жидкости, если её количество было достаточно велико. При достижении состояния насыщения количество испаряемой жидкости равно количеству конденсируемой жидкости, система приходит в равновесие. Таким образом, в ограниченном объёме могут установиться условия, необходимые для равновесного сосуществования жидкости и пара.

Присутствие атмосферы в условиях земной гравитации. На жидкость действует атмосферное давление (воздух и пар), тогда как для пара должно учитываться практически только его парциальное давление. Поэтому жидкости и пару над её поверхностью соответствуют разные точки на фазовой диаграмме, в области существования жидкой фазы и в области существования газообразной соответственно. Это не отменяет испарения, но на испарение нужно время, в течение которого обе фазы сосуществуют. Без этого условия жидкости вскипали бы и испарялись очень быстро.

2.1 Закон Бернулли - является следствием закона сохранения энергии для стационарного потока идеальной (то есть без внутреннего трения) несжимаемой жидкости:

- плотность жидкости, - скорость потока, - высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости,

Характеристика жидкого состояние вещества.

Жидкость – промежуточное состояние между твёрдым телом и газом.

Жидкое состояние является промежуточным между газообразным и кристаллическим. По одним свойствам жидкости близки к газам, по другим – к твёрдым телам.

С газами жидкости сближает , прежде всего, их изотропность и текучесть. Последняя обуславливает способность жидкости легко изменять свою форму.

Однако высокая плотность и малая сжимаемость жидкостей приближает их к твёрдым телам .

Жидкость может обнаруживать механические свойства, присущие твёрдому телу . Если время действия силы на жидкость мало, то жидкость проявляет упругие свойства. Например, при резком ударе палкой о поверхность воды палка может вылететь из руки или сломаться.

Камень можно бросить так, что он при ударе о поверхность воды отскакивает от неё, и лишь совершив несколько скачков, тонет в воде.

Если же время воздействия на жидкость велико, то вместо упругости проявляется текучесть жидкости . Например, рука легко проникает внутрь воды.

Способность жидкостей легко изменять свою форму говорит об отсутствии в них жёстких сил межмолекулярного взаимодействия.

В то же время низкая сжимаемость жидкостей, обусловливающая способность сохранять постоянный при данной температуре объём, указывает на присутствие хотя и не жёстких, но всё же значительных сил взаимодействия между частицами.

Соотношение потенциальной и кинетической энергии

Для каждого агрегатного состояния характерно своё соотношение между потенциальной и кинетической энергиями частиц вещества.

У твёрдых тел средняя потенциальная энергия частиц больше их средней кинетической энергии. Поэтому в твёрдых телах частицы занимают определённые положения друг относительно друга и лишь колеблются относительно этих положений.

Для газов соотношение энергий обратное, вследствии чего молекулы газов всегда находятся в состоянии хаотического движения и силы сцепления между молекулами практически отсутствуют, так что газ всегда занимает весь предоставленный ему объём.

В случае жидкостей кинетическая и потенциальная энергия частиц приблизительно одинаковы, т.е. частицы связаны друг с другом, но не жёстко. Поэтому жидкости текучи, но имеют постоянный при данной температуре объём.

Взаимодействие частиц, образующих жидкость

Расстояния между молекулами жидкости меньше радиуса молекулярного действия.

Если вокруг молекулы жидкости описать сферу молекулярного действия, то внутри этой сферы окажутся центры многих других молекул, которые будут взаимодействовать с нашей молекулой. Эти силы взаимодействия удерживают молекулу жидкости около её временного положения равновесия примерно в течение 10 -12 – 10 -10 с , после чего она перескакивает в новое временное положение равновесия приблизительно на расстояние своего диаметра.

Молекулы жидкости между перескоками совершают колебательное движение около временного положения равновесия.

Время между двумя перескоками молекулы из одного положения в другое называется временем оседлой жизни . Это время зависит от вида жидкости и температуры. При нагревании жидкости среднее время оседлой жизни молекул уменьшается.

В течение времени оседлой жизни (порядка 10 -11 с ) большинство молекул жидкости удерживается в своих положениях равновесия, и лишь небольшая часть их успевает за это время перейти в новое положение равновесия.

За более длительное время уже большинство молекул жидкости успеет переменить своё местоположение.

Так как молекулы жидкости расположены почти вплотную друг к другу, то получив достаточно большую кинетическую энергию, они хотя и могут преодолеть притяжение своих ближайших соседей и выйти из сферы их действия, но попадут в сферу действия других молекул и окажутся в новом временном положении равновесия .

Лишь находящиеся на свободной поверхности жидкости молекулы могут вылететь за пределы жидкости, чем и объясняется процесс её испарения .

Если в жидкости выделить очень малый объём, то в течение времени оседлой жизни в нём существует упорядоченное расположение молекул , подобное их расположению в кристаллической решётке твёрдого тела. Затем оно распадается, но возникает в другом месте. Таким образом, всё пространство, занятое жидкостью, как бы состоит из множества зародышей кристаллов , которые, однако, не устойчивы, т.е. распадаются в одних местах, но снова возникают в других.

Стуктуры жидкостей и аморфных тел схожи

В результате применения к жидкостям методов структурного анализа установлено, что по структуре жидкости подобны аморфным телам . В большинстве жидкостей наблюдается ближний порядок – число ближайших соседей у каждой молекулы и их взаимное расположение приблизительно одинаковы во всём объёме жидкости.

Степень упорядоченности частиц у различных жидкостей различна. Кроме того, она изменяется при изменении температуры.

При низких температурах , незначительно превышающих температуру плавления данного вещества, степень упорядоченности расположения частиц данной жидкости велика.

С ростом температуры она падает и по мере нагревания свойства жидкости всё больше и больше приближаются к свойствам газа. При достижении критической температуры различие между жидкостью и газом исчезает.

Вследствии сходства во внутренней структуре жидкостей и аморфных тел последние часто рассматриваются как жидкости с очень высокой вязкостью, а к твёрдым телам относят только вещества в кристаллическом состоянии.

Уподобляя аморфные тела жидкостям, следует, однако, помнить, что в аморфных телах в отличие от обычных жидкостей частицы имеют незначительную подвижность – такую же как в кристалах.

В отличие от газов между молекулами жидкости действуют достаточно большие силы взаимного притяжения, что определяет своеобразный характер молекулярного движения. Тепловое движение молекулы жидкости включает колебательное и поступательное движения. Каждая молекула в течение какого-то времени колеблется около определенной точки равновесия, затем перемещается и снова занимает новое равновесное положение. Это определяет ее текучесть. Силы межмолекулярного притяжения не дают молекулам при их движении далеко отходить друг от друга. Суммарный эффект притяжения молекул можно представить, как внутреннее давление жидкостей, которое достигает очень больших значений. Этим и объясняются постоянство объема и практическая несжимаемость жидкостей, хотя они легко принимают любую форму.

Свойства жидкостей зависят также от объема молекул, формы и полярности их. Если молекулы жидкости полярны, то происходит объединение (ассоциация) двух и более молекул в сложный комплекс. Такие жидкости называют ассоциированными жидкостями. Ассоциированные жидкости (вода, ацетон, спирты) имеют более высокие температуры кипения, обладают меньшей летучестью, более высокой диэлектрической проницаемостью. Например, этиловый спирт и диметиловый эфир имеют одинаковую молекулярную формулу (С 2 Н 6 О). Спирт является ассоциированной жидкостью и кипит при более высокой температуре, чем диметиловый эфир, который относится к неассоциированным жидкостям.

Жидкое состояние характеризуют такие физические свойства, как плотность, вязкость, поверхностное натяжение.

Поверхностное натяжение.

Состояние молекул, находящихся в поверхностном слое, существенно отличается от состояния молекул в глубине жидкости. Рассмотрим простой случай - жидкость - пар (рис. 2).

Рис. 2.

На рис. 2 молекула (а) находится внутри жидкости, молекула (б) - в поверхностном слое. Сферы вокруг них - расстояния, на которые распространяются силы межмолекулярного притяжения окружающих молекул.

На молекулу (а) равномерно действуют межмолекулярные силы со стороны окружающих молекул, поэтому силы межмолекулярного взаимодействия компенсируются, равнодействующая этих сил равна нулю (f=0).

Плотность пара значительно меньше плотности жидкости, так как молекулы удалены друг от друга на большие расстояния. Поэтому молекулы, находящиеся в поверхностном слое, почти не испытывают силы притяжения со стороны этих молекул. Равнодействующая всех этих сил будет направлена внутрь жидкости перпендикулярно ее поверхности. Таким образом, поверхностные молекулы жидкости всегда находятся под действием силы, стремящейся втянуть их внутрь и, тем самым, сократить поверхность жидкости.

Чтобы увеличить поверхность раздела жидкости, необходимо затратить работу А (Дж). Работа, необходимая для увеличения поверхности раздела S на 1 м 2 , является мерой поверхностной энергии или поверхностным натяжением .

Таким образом, поверхностное натяжение д (Дж/м 2 = Нм/м 2 = Н/м) - результат некомпенсированности межмолекулярных сил в поверхностном слое:

д = F/S (F - поверхностная энергия) (2.3)

Существует большое число методов определения поверхностного натяжения. Наиболее распространены сталагмометрический метод (метод счета капель) и метод наибольшего давления газовых пузырьков.

При помощи методов рентгеноструктурного анализа было установлено, что в жидкостях есть некоторая упорядоченность пространствен-ного расположения молекул в отдельных микрообъемах. Вблизи каждой молекулы наблюдается так называемый ближний порядок. При удалении от нее на некоторое расстояние эта закономерность нарушается. И во всем объеме жидкости порядка в расположении частиц нет.

Рис. 3.

Вязкость з (Па·с) - свойство оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости отно-сительно другой. В практической жизни человек сталкивается с большим множеством жидких систем, вязкость которых различна, - вода, молоко, растительные масла, сметана, мед, соки, патока и т.д.

Вязкость жидкостей обусловлена межмолекулярным воздействием, ограничивающим подвижность молекул. Она зависит от природы жидкости, температуры, давления.

Для измерения вязкости служат приборы, называемые вискозиметрами. Выбор вискозиметра и метода определения вязкости зависит от состояния исследуемой системы и ее концентрации.

Для жидкостей с малой величиной вязкости или небольшой концентрацией широко используют вискозиметры капиллярного типа.

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с тремя состояниями вещества - жидким, газообразным и твердым. О том, что представляют собой твердые тела и газы, мы имеем довольно ясное представление. Газ - совокупность молекул, которые движутся беспорядочно по всем направлениям. Все молекулы твердого тела сохраняют взаимное расположение. Они совершают только незначительные колебания.

Особенности жидкого вещества

А что же представляют собой жидкие вещества? Основной их особенностью является то, что, занимая промежуточное положение между кристаллами и газами, они сочетают в себе определенные свойства двух этих состояний. Например, для жидкостей, так же как и для твердых свойственно наличие объема. Однако в то же время жидкие вещества, так же как и газы, принимают форму сосуда, в котором находятся. Многие из нас полагают, что у них нет своей собственной формы. Однако это не так. Естественная форма любой жидкости - шар. Сила тяжести обычно мешает ей принять эту форму, поэтому жидкость либо принимает форму сосуда, либо растекается по поверхности тонким слоем.

По своим свойствам жидкое состояние вещества особенно сложно, что обусловлено промежуточным его положением. Оно начало изучаться еще со времен Архимеда (2200 лет назад). Однако анализ того, как ведут себя молекулы жидкого вещества, до сих пор является одной из наиболее трудных областей прикладной науки. Общепризнанной и вполне законченной теории жидкостей все еще нет. Однако кое-что об их поведении мы можем сказать вполне определенно.

Поведение молекул в жидкости

Жидкость - что-то такое, что может течь. Ближний порядок наблюдается в расположении ее частиц. Это означает, что расположение соседей, ближайших к ней, по отношению к любой частице является упорядоченным. Однако по мере того, как она удаляется от других, положение ее по отношению к ним делается все менее упорядоченным, а затем порядок и вовсе исчезает. Жидкие вещества состоят из молекул, которые движутся намного более свободно, чем в твердых телах (а в газах - еще свободнее). В течение определенного времени каждая из них устремляется то в одну сторону, то в другую, не удаляясь от своих соседей. Однако молекула жидкости время от времени вырывается из окружения. Она попадает в новое, переходя в другое место. Здесь снова в течение определенного времени она совершает подобные колебанию движения.

Вклад Я. И. Френкеля в изучение жидкостей

Я. И. Френкелю, советскому ученому, принадлежат большие заслуги в разработке целого ряда проблем, посвященных такой теме, как жидкие вещества. Химия сильно продвинулась вперед благодаря его открытиям. Он считал, что в жидкостях тепловое движение имеет следующий характер. В течение определенного времени каждая молекула колеблется около положения равновесия. Однако она меняет свое место время от времени, перемещаясь скачком на новое положение, которое от предыдущего отстоит на расстояние, составляющее примерно размеры самой этой молекулы. Другими словами, внутри жидкости молекулы перемещаются, но медленно. Часть времени они пребывают около определенных мест. Следовательно, движение их представляет собой что-то вроде смеси совершаемых в газе и в твердом теле движений. Колебания на одном месте через некоторое время сменяются свободным переходом с места на место.

Давление в жидкости

Некоторые свойства жидкого вещества нам известны благодаря постоянному взаимодействию с ними. Так, из опыта повседневности мы знаем о том, что оно действует на поверхность твердых тел, которые соприкасаются с ней, с известными силами. Они именуются силами

Например, приоткрывая отверстие водопроводного крана пальцем и включая воду, мы ощущаем, как она давит на палец. А пловец, который нырнул на большую глубину, не случайно испытывает боль в ушах. Она объясняется тем, что на барабанную перепонку уха воздействуют силы давления. Вода - жидкое вещество, поэтому она обладает всеми его свойствами. Для того чтобы измерить температуру воды на глубине моря, следует использовать очень прочные термометры, чтобы их не могло раздавить давление жидкости.

Это давление обусловлено сжатием, то есть изменением объема жидкости. Она обладает по отношению к этому изменению упругостью. Силы давления - это и есть силы упругости. Следовательно, если жидкость действует на тела, соприкасающиеся с ней, значит, она сжата. Поскольку плотность вещества при сжатии растет, можно считать, что жидкости по отношению к изменению плотности обладают упругостью.

Испарение

Продолжая рассматривать свойства жидкого вещества, переходим к испарению. Вблизи поверхности его, а также непосредственно в поверхностном слое действуют силы, обеспечивающие само существование этого слоя. Они не позволяют покидать объем жидкости молекулам, находящимся в нем. Однако некоторая их часть благодаря тепловому движению развивает довольно большие скорости, с помощью которых становится возможно преодолеть эти силы и покинуть жидкость. Мы называем это явление испарением. Его можно наблюдать при любой температуре воздуха, однако с ее увеличением интенсивность испарения возрастает.

Конденсация

Если молекулы, покинувшие жидкость, удаляются из пространства, находящегося вблизи ее поверхности, то вся она, в конце концов, испаряется. Если же покинувшие ее молекулы не удаляются, они формируют пар. Попавшие в область, находящуюся вблизи поверхности жидкости, молекулы пара втягиваются в нее Этот процесс получил название конденсации.

Следовательно, если молекулы не удаляются, со временем уменьшается скорость испарения. Если плотность пара в дальнейшем увеличивается, достигается ситуация, при которой количество молекул, покидающих за определенное время жидкость, будет равняться количеству молекул, которые возвращаются за это же время в нее. Так возникает состояние динамического равновесия. Пар, находящийся в нем, называется насыщенным. Давление и плотность его увеличиваются с повышением температуры. Чем она выше, тем большее количество молекул жидкости имеет достаточную для испарения энергию и тем большей плотностью должен обладать пар для того, чтобы с испарением могла сравняться конденсация.

Кипение

Когда в процессе нагревания жидких веществ достигается такая температура, при которой насыщенные пары имеют такое же давление, как и внешняя среда, устанавливается равновесие между насыщенным паром и жидкостью. Если жидкость сообщает дополнительное количество теплоты, сразу же происходит превращение в пар соответствующей массы жидкости. Этот процесс именуют кипением.

Кипение представляет собой интенсивное испарение жидкости. Оно происходит не только с поверхности, а касается всего ее объема. Внутри жидкости появляются пузырьки пара. Для того чтобы перейти в пар из жидкости, молекулам необходимо приобрести энергию. Она нужна для преодоления сил притяжения, благодаря которым они удерживаются в жидкости.

Температура кипения

Это та, при которой наблюдается равенство двух давлений - внешнего и насыщенных паров. Она увеличивается при увеличении давления и уменьшается при его уменьшении. Из-за того, что с высотой столба давление в жидкости меняется, кипение в ней происходит на различных уровнях при разной температуре. Только находящийся над поверхностью жидкости в процессе кипения, имеет определенную температуру. Она определяется лишь внешним давлением. Именно ее мы и имеем в виду, когда говорим о температуре кипения. Она отличается у разных жидкостей, что широко применяется в технике, в частности, при разгонке нефтепродуктов.

Скрытая теплота парообразования - это количество тепла, необходимое для того, чтобы превратить в пар изотермически определенное количество жидкости, если внешнее давление то же, что и давление насыщенных паров.

Свойства жидкостных пленок

Все мы знаем о том, как можно получить пену, растворив в воде мыло. Это не что иное, как множество пузырьков, которые ограничены состоящей из жидкости тончайшей пленкой. Однако из образующей пену жидкости можно получить также и отдельную пленку. Свойства ее очень интересны. Пленки эти могут быть очень тонкими: их толщина в самых тонких частях не превышает стотысячной доли миллиметра. Однако они порой очень устойчивы, несмотря на это. Мыльную пленку можно подвергать деформации и растяжению, сквозь нее может проходить струя воды, при этом не разрушая ее. Как же объяснить такую устойчивость? Для того чтобы появилась пленка, необходимо к чистой жидкости прибавить вещества, растворяющиеся в ней. Но не любые, а такие, которые значительно понижают поверхностное натяжение.

Жидкостные пленки в природе и технике

В технике и природе мы встречаемся главным образом не с отдельными пленками, а с пеной, которая представляет собой их совокупность. Ее нередко можно наблюдать в ручьях, где в спокойную воду падают небольшие струйки. Способность воды пениться в данном случае связана с наличием в ней органического вещества, которое выделяют корни растений. Это пример того, как пенятся природные жидкие вещества. А как же обстоит дело с техникой? При строительстве, например, используют специальные материалы, которые обладают ячеистой структурой, напоминающей пену. Они легки, дешевы, достаточно прочны, плохо проводят звуки и теплоту. Для получения их в специальные растворы добавляют способствующие пенообразованию вещества.

Вывод

Итак, мы узнали, какие вещества относятся к жидким, выяснили, что жидкость является промежуточным состоянием вещества между газообразным и твердым. Поэтому у нее есть свойства, характерные для того и другого. которые сегодня широко используются в технике и промышленности (например, жидкокристаллические дисплеи) являются ярким примером этого состояния вещества. В них объединены свойства твердых тел и жидкостей. Сложно представить, какие вещества жидкие изобретет в будущем наука. Однако ясно, что в этом состоянии вещества есть большой потенциал, который можно использовать во благо человечества.

Особый интерес к рассмотрению физико-химических процессов, протекающих в жидком состоянии, обусловлен тем, что сам человек состоит на 90% из воды, которая является самой распространенной на Земле жидкостью. Именно в ней происходят все жизненно важные процессы как в растительном, так и в животном мире. Поэтому для всех нас актуально изучать жидкое состояние вещества.