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 и 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.
Как известно, вещество в жидком состоянии сохраняет свой объем, но принимает форму сосуда, в котором оно находится. Выясним, как это объясняет молекулярно-кинетическая теория.
Сохранение объема у жидкости доказывает, что между ее молекулами действуют силы притяжения. Следовательно, расстояния между молекулами жидкости должны быть меньше радиуса молекулярного действия. Итак, 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 ее 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 от 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 новые положения равновесия. За более длительное время уже большинство молекул жидкости успеет переменить свое местоположение. Поэтому жидкость обладает текучестью и принимает форму сосуда, в котором она находится.
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 ее испарения.
Итак, если в жидкости выделить очень малый объем, то в течение времени оседлой жизни в нем существует упорядоченное расположение молекул, подобное их расположению в кристаллической решетке твердого тела. Затем оно распадается, но возникает в другом месте. Таким образом, все пространство, занятое жидкостью, как бы состоит из множества зародышей кристаллов, которые, однако, неустойчивы, т. е. распадаются в одних местах, но снова возникают в других.
Итак, в небольшом объеме жидкости наблюдается упорядоченное расположение ее молекул, а в большом объеме оно оказывается хаотическим. В этом смысле говорят, что в жидкости существует ближний порядок в расположении молекул и отсутствует дальний порядок. Такое строение жидкости называют квазикристаллическим (кристаллоподобным). Отметим, что при достаточно сильном нагревании время оседлой жизни становится очень маленьким и ближний порядок в жидкости практически исчезает.
Жидкость может обнаруживать механические свойства, присущие твердому 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 нее, 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.
При кратковременном действии силы на струю жидкости последняя обнаруживает хрупкость . Прочность жидкости на разрыв хотя и меньше, чем у твердых веществ, но мало уступает им по величине. Для воды она составляет 2,5*10 7 Па. Сжимаемость жидкости тоже очень мала, хотя она и больше, чем у этих же веществ в твердом состоянии. Например, при увеличении давления на 1 атм объем воды уменьшается на 50 миллионных долей.
Разрывы внутри жидкости, в которой нет посторонних веществ, например, воздуха, могут получаться только при интенсивном воздействии на жидкость, например, при вращении гребных винтов в воде, при распространении в жидкости ультразвуковых волн. Такого рода пустоты внутри жидкости долго существовать не могут и резко захлопываются, т. е. исчезают. Это явление называют кавитацией (от греческого «кавитас» - полость). Оно служит причиной быстрого износа гребных винтов.
Итак, у жидкостей имеется много свойств, общих со свойствами твердых тел. Однако, чем выше становится температура жидкости, тем больше ее свойства приближаются к свойствам плотных газов и сильнее отличаются от свойств твердых тел. Это означает, что жидкое состояние является промежуточным между твердым и газообразным состояниями вещества.
Отметим еще, что при переходе вещества из твердого состояния в жидкое происходит менее резкое изменение свойств, чем при переходе из жидкого в газообразное. Это означает, что, вообще говоря, свойства жидкого состояния вещества ближе к свойствам твердого состояния, чем к свойствам газообразного.
Жидкость, занимая промежуточное положение между газами и кристаллами, сочетает в себе свойства обоих видов этих тел .
1. Как и твёрдое тело, жидкость малосжимаема из-за плотного расположения молекул. (Однако если бы вода могла полностью освободиться от сжатия, то уровень воды в мировом океане поднялся бы на 35 м и вода затопила бы 5 000 000 км 2 суши.)
2. Как и твёрдое тело, жидкость сохраняет объём , но подобно газу принимает форму сосуда .
3. Для кристаллов характерен дальний порядок в расположении атомов (кристаллическая решетка), для газов – полный хаос . Для жидкости существует промежуточное состояние – ближний порядок , т.е. расположение только ближайших молекул упорядоченно. При удалении от данной молекулы на расстояние 3–4 эффективных диаметра молекулы упорядоченность размывается. Поэтому жидкости близки к поликристаллическим телам, состоящим из очень мелких кристаллов (размерами около 10 9 м), произвольно ориентированных друг относительно друга. Благодаря этому свойства большинства жидкостей одинаковы по всем направлениям (и нет анизотропии, как в кристаллах).
4. Большинство жидкостей , как и твёрдые тела, при увеличении температуры увеличивают свой объём , уменьшая при этом свою плотность (при критической температуре плотность жидкости равна плотности её пара). Вода отличается известной аномалией , состоящей в том, что при +4 С вода обладает максимальной плотностью. Эта аномалия объясняется тем, что молекулы воды частично собираются в группы из нескольких молекул (кластеры), образуя своеобразные большие молекулы Н 2 О , (Н 2 О ) 2 , (Н 2 О ) 3 … с разной плотностью. При различных температурах соотношение концентраций этих групп молекул разное.
Существуют аморфные тела (стекло, янтарь, смолы, битумы...), которые принято рассматривать как переохлажденные жидкости с очень высоким коэффициентом вязкости. Они имеют одинаковые свойства по всем направлениям (изотропны), ближний порядок в расположении частиц, у них нет температуры плавления (при нагреве вещество постепенно размягчается и переходит в жидкое состояние).
В технике применяются магнитные жидкости – это обычные жидкости (вода, керосин, различные масла), в которые введены (до 50%) мельчайшие частицы (размером в несколько микрон) твердого ферромагнитного материала (например, Fe 2 O 3). Перемещением магнитной жидкости и её вязкостью можно управлять магнитным полем. В сильных магнитных полях магнитная жидкость мгновенно твердеет.
Некоторые органические вещества, молекулы которых имеют нитевидную форму или форму плоских пластин, могут находиться в особом состоянии, обладая одновременно свойствами анизотропии и текучести. Они называются жидкими кристаллами . Для изменения ориентации молекул жидкого кристалла (при этом изменяется его прозрачность) требуется напряжение около 1 В и мощность порядка микроватт, что можно обеспечить непосредственной подачей сигналов с интегральных схем без дополнительного усиления. Поэтому жидкие кристаллы широко применяются в индикаторах электронных часов, калькуляторах, дисплеях.
При замерзании вода увеличивается в объеме на 11%, и если вода замерзает в замкнутом пространстве, может достигаться давление 2500 атмосфер (разрушаются водопроводные трубы, горные породы...).
Уводыодна из самых больших : 1) диэлектрическая проницаемость (поэтому вода является хорошим растворителем, особенно солей с ионными связями – в Мировом океане содержится вся таблица Менделеева); 2) теплота плавления (медленное таяние снега весной); 3) теплота парообразования ; 4) поверхностное натяжение ; 5) теплоёмкость (мягкий климат прибрежных районов).
Существует легкая (1 г/см 3) и тяжелая (1,106 г/см 3) вода . Легкая вода («живая») – биологически активна – это окись протия Н 2 О . Тяжелая вода («мертвая») – подавляет жизнедеятельность организмов – это окись дейтерия D 2 O . Протий (1 а.е.м.), дейтерий (2 а.е.м.) и тритий (3 а.е.м.) – это изотопы водорода. Существуют также и 6 изотопов кислорода: от 14 О до 19 О , которые могут находиться в молекуле воды.
При обработке воды магнитным полем изменяются её свойства: изменяется смачиваемость твердых тел, ускоряется их растворение, изменяется концентрация растворенных газов, предотвращается образование накипи в паровых котлах, ускоряется в 4 раза затвердевание бетона и повышается его прочность на 45%, оказывается биологическое воздействие на человека (магнитные браслеты и серьги, магнитофоры и т.п.) и растения (повышается всхожесть и урожайность сельскохозяйственных культур).
Серебряная вода может долго храниться (около полугода), так как происходит обезвреживание воды от микробов и бактерий ионами серебра (применяется в космонавтике, для консервирования продуктов, обеззараживания воды в бассейнах, в лечебных целях для профилактики и борьбы с желудочно-кишечными заболеваниями и воспалительными процессами).
Обеззараживание питьевой воды в городских водопроводах осуществляется хлорированием и озонированием воды. Существуют и физические методы обеззараживания при помощи ультрафиолетового излучения и ультразвука.
Растворимость газов в воде зависит от температуры, давления, минерализации, присутствия в водном растворе других газов. В 1 л воды при 0 С может быть растворено: гелия – 10 мл, углекислого газа – 1713 мл, сероводорода – 4630 мл, аммиака – 1300000 мл (нашатырный спирт). Аквалангисты при погружении на большие глубины используют специальные дыхательные смеси, чтобы при всплытии не получилась «газированная кровь» из-за растворения в ней азота.
Все живые организмы на 60–80% состоят из воды. Кровь человека и животных по составу солей близка к океанической воде. Человек и животные могут в своих организмах синтезировать воду, образовывать её при сгорании пищевых продуктов и самих тканей. У верблюда, например, жир, содержащийся в горбу, может в результате окисления дать 40 л воды.
При электролизе воды можно получить два её вида: 1) кислую воду («мертвую»), которая действует как антисептическое средство (аналогично тому, как в кислом желудочном соке погибают многие болезнетворные микробы); 2) щелочную воду («живую»), которая активизирует биологические процессы (повышает урожайность, быстрее заживляет раны и т.п.).
О других особенностях воды (структурированной, энергоинформационной и др.) можно узнать из Интернета.
ТРИЗ-задание 27. Вода-работница
Чаще всего различные механизмы имеют «твёрдотельные» рабочие органы . Приведите примеры технических устройств, в которых рабочим органом является вода (жидкость). Каким законам развития технических систем соответствует такой рабочий орган?
ТРИЗ-задание 28. Вода в решете
В известной задаче «Как носить воду в решете ?» имеется явное физическое противоречие : в решете должны быть отверстия, чтобы через него можно было просеивать сыпучие вещества, и не должно быть отверстий, чтобы вода не выливалась. Одно из возможных решений этой задачи можно найти у Я.И. Перельмана в «Занимательной физике», где предложено опустить решето в расплавленный парафин, чтобы сетка решета не смачивалась водой. На основе приёмов устранения технических и физических противоречий предложите ещё 10–20 других способов решения этой задачи.
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.
С помощью мощного микроскопа мы приходим к тому, чтобы различать несколько крупных микроэлементов на волосах. Теперь в микроне все еще можно найти место из десяти тысяч атомов, уложенных в ряд: их средний размер, фактически, составляет десятую часть нанометра. Чтобы исследовать структуру вещества, этого недостаточно для оптического микроскопа, но необходимы различные и более мощные средства.
Среди них сенсационные туннельные микроскопы, изобретенные в восьмидесятые годы двадцатого века. Благодаря безупречному наконечнику, который исследует поверхность металла, они измеряют более слабые электрические токи , связанные с поверхностными атомами, а затем восстанавливают их изображение. При изменении атомного силового микроскопа изображение атомов может быть получено, даже если поверхность изолирована и, следовательно, не пересекается токами.
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.
Если вы хотите знать, как атомы помещаются внутри образца или как они перемещаются, следует использовать один из различных типов спектрометров, которые были изобретены в течение последних двух столетий. Эти приборы используются для регистрации изменения света, рентгеновских лучей или легких частиц, таких как электроны или нейтроны, когда они пересекают материал. Из изменений, которые подверглись этим быстрым «зондам», это можно проследить до того, как компьютеры обрабатываются так, как образец «сделан».
Физики, химики и биологи чаще всего используют синхротронный свет в качестве зонда для исследования структуры вещества. Это очень интенсивное белое излучение, которое генерируется электронами при движении по круговым орбитам со скоростью, близкой к скорости света. Синхротронии, теперь более правильно называемые скоплениями, - это отличные машины, которые все промышленно развитые страны только что построили, чтобы получить этот драгоценный свет: самое современное итальянское кольцо под названием Элеттра и было построено около Триеста.
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. Действие межмолекулярных сил на поверхности раздела и внутри жидкости
Изучение структуры материи не мотивировано исключительно научным любопытством. На основе ежедневного опыта человек давно научился классифицировать все тела на три категории или состояния материи: такие же, как меч, который держал, жидкости, такие как вода, которая пила, и газы, подобные дыхательный воздух. Он также знал, что эти состояния могут быть преобразованы друг в друга: например, он увидел, что вода стала зимним льдом , и более трех тысяч лет назад он уже знал, что растопит железо в тигле.
Но как вещи настолько разнообразны между ними? Первые научные исследования природы вещества относятся к мерам, принимаемым газами от Евангелиста Торричелли - ученика Галилео Галилея и французского современного Блейса Паскаля. Было также обнаружено, что когда газ, содержащийся в заданном объеме, нагревается, его давление увеличивается. Однако для того, чтобы понять микроскопическое происхождение давления, потребовалось еще два столетия.
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).
В отличие от газа, однако, жидкости занимают определенный объем: капля дождя может достигать земли с больших высот без диспергирования, так как газ просто открывает кран цилиндра, содержащего его. Это означает, что в жидкости атомы удерживаются вместе сильными силами притяжения, которые, как мы знаем, сегодня имеют электромагнитную природу. Лишь несколько молекул случайно удаляются с поверхности, то есть испаряются, а другие снова пойманы и вынуждены конденсироваться. Таким образом, в замкнутой среде всегда устанавливается баланс между жидкостью и ее паром.
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.
Жидкости также могут нести электричество, когда есть свободные вещества, называемые электролитами: их атомы теряют электрон, превращаются в положительные ионы или приобретают их, превращаясь в отрицательные ионы. Так работает автомобильный аккумулятор.
Почти все жидкости, когда затвердевают, уменьшаются в объеме: вода является исключением, а когда она становится льдом, она расширяется. Однако между телом в жидком состоянии и твердом состоянии разность объема не очень велика, а это означает, что в обоих состояниях атомы очень близки друг к другу. Однако, если мы наблюдаем поверхность твердого тела с атомно-силовым микроскопом, мы замечаем регулярное чередование пустот и сильно отличаемся от хаотического беспорядка, который, как мы знаем, существует в жидкости из-за броуновского движения.
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:
Эта закономерность атомов обнаруживается, хотя и в разных формах, в структуре всех кристаллов, существующих в природе. Эта правильная форма - кубическая, пирамидальная, гексагональная и т.д. - повторяется миллиарды раз в миллиарды раз: и закономерность может быть настолько совершенной, что мы находим ее в той же внешней форме кристалла. Только в нескольких твердых телах атомы являются случайными: они являются аморфными твердыми частицами, а наиболее распространенным из них является стекло.
Даже атомы твердого движения движутся: они вибрируют, как будто они привязаны друг к другу невидимыми пружинами. Эти «пружины» на самом деле являются электромагнитными силами между атомом и атомом, особенно интенсивными в твердых телах. Вибрации увеличивают амплитуду с температурой и беспорядочны, подобно движениям людей, забитых как сардины, ожидающие рок-концерта; но атомы также могут вибрировать в унисон, точно так же, как зрители колеблются, когда начинается музыка. Из-за этих колебаний вы заказываете звук, например, перемещается от одного конца к другому из твердого тела намного лучше, чем в воздухе.
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.
Как вы можете видеть в некоторых западных фильмах, прикладывая ухо к рельсам, благодаря невидимым вибрациям атомов железа вы можете ощутить шум поезда, когда он еще далеко. Поскольку люди научились использовать экстраординарные свойства твердых тел, это состояние материи изменило их существование и их историю. Из-за твердости металлов они производили инструменты и оружие до бронзы, а затем железа. Прозрачность стекла позволила жить в теплых и ярких средах, а затем производить линзы, микроскопы и телескопы.
Драгоценный блеск и неизменность золота, серебра и меди предлагали изобретение монеты, из которых возникла современная экономика. Мы видим отвертку: душа металлическая, но ручка изготовлена из дерева или пластика. Мы знаем, что эта защита не заставляет нас дрожать, то есть изолировать нас от тока. На самом деле, существуют твердые тела, называемые проводниками, которые несут ток, металлы и твердые частицы, которые его не пропускают, такие как древесина и пластик, которые являются изолирующими.
Рис. 3. Сталагмометр Рис. 4. Вискозиметр
Вязкость з (Па·с) – свойство оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно 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.
Свободные электроны и электроны. Как объяснить различия между изоляторами и проводниками в микроскопическом мире атомов? В изоляторе атомы нейтральны, т.е. все отрицательные электроны, которые отлично компенсируют положительный заряд ядер, остаются плотными. Если этот изолятор подключен к двум полюсам токового генератора, он не может обеспечить свободный заряд, и поэтому ток не проходит. Вместо этого металл сделан из положительных ионов, которые потеряли свои электроны дальше от ядра: эти частицы могут двигаться в кристалле, как в случае с отрицательными ионами в проводящей жидкости, и, следовательно, поскольку каждый из них несет заряд вместе они едут на электричество.
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.
Через нить лампочки мощностью 60 Вт весит 4 миллиарда миллиардов электронов в секунду! Нить нагревается, потому что электроны блокируются в их движении положительными ионами металла. Если кристаллическая решетка была совершенно гладкой и ионы были твердыми, сопротивление было бы ничем, и нить не стала бы светящейся; но, как мы уже говорили, ионы вибрируют, и, кроме того, в кристалле всегда есть дефекты и примеси, которые замедляют электроны.
Поскольку он не сталкивается с сопротивлением и, следовательно, не потребляет энергию, ток может беспрепятственно протекать в сверхпроводящую цепь без необходимости в батарее или другом генераторе: это сверхток. Фактически, они были замечены в лаборатории сверхтоков, которая циркулировала годами и годами, пока эксперимент не был прерван случайными причинами!
Для жидкостей с малой величиной вязкости или небольшой концентрацией широко используют вискозиметры капиллярного типа.
План лекции:
1 Особенности жидкого состояния
2 Поверхностное натяжение жидкости и методы его определения
3 Вязкость жидкостей
4 Особенности твердого состояния вещества
К сожалению, сверхпроводимость наблюдается только при очень низких температурах. Поэтому они хорошо работают вблизи температуры сжижения воздуха. Поскольку жидкий воздух является экономичным и простым в производстве хладагентом, это открытие открыло новые приложения для сверхпроводимости. Это позволит человечеству экономить огромное количество энергии или производить поверхностные компьютеры. Супертоки также способны создавать сильные магнитные поля, в свою очередь, постоянные.
Поскольку два магнитных поля, обращенных к полюсам с одинаковым именем, отбрасываются, если сверхпроводник опускается на намагниченный стальной диск, он может подниматься и начинать левитировать. Ученые смогли действительно сделать то, что волшебники и иллюзионисты показывают публике, используя свои трюки. Полупроводники прочны с тенденцией к изолирующей природе, но они могут приобретать более или менее выраженные свойства металлов, когда они легированы, то есть «загрязнены» атомами других веществ.
1. Жидкости по своим свойствам занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами. Подобно газам жидкости текучи и однородны по свойствам по всем направлениям, т. е. изотропны. Движение молекул жидкости беспорядочно, как и в газах, но величина среднего пробега молекул вследствие больших сил взаимодействия между ними мала. Силы межмолекулярного притяжения не дают молекулам удаляться друг от друга на большие расстояния, следовательно, каждая молекула жидкости находится в сфере действия соседних молекул. Поэтому жидкости отличаются постоянством объема. Хотя силы межмолекулярного сцепления и велики, но все же недостаточны, чтобы удерживать молекулы в определенных точках пространства. Поэтому жидкость не имеет постоянной формы, а приобретает форму того сосуда, в котором она находится.
Однако самое главное, что в полупроводнике ток создается не только электронами, но и положительными носителями заряда, так называемыми щелями. Наиболее используемым полупроводником является кремний, один из наиболее распространенных элементов земной коры.
Таким образом, крупными электронными компонентами могут быть достигнуты всего несколько десятков нанометров: в куске кремния размером с гвоздь найдены десятки миллионов транзисторов, диодов и других компонентов. Эти интегральные схемы сегодня являются сердцем любого электронного устройства : от компьютера или мобильного чипа до блока управления автомобиля. Предположим, у нас есть резиновый шар объемом около литра, наполненный газом, и практиковать дыру в нем, из которой выпустить газ. Предположим, что из дыры существует огромное количество атомов в секунду, скажем, миллиард.
Изучение жидкостей показало, что по внутреннему строению они даже ближе к твердым веществам. Молекулы жидкости стремятся к некоторому упорядоченному расположению в пространстве; жидкости обладают объемной упругостью, как и твердые тела, так как упруго противодействуют не только всестороннему сжатию, но и всестороннему растяжению.
Сколько времени нужно, чтобы исчерпать весь газ? Причина в том, что в литре газа есть необычайное количество атомов, и вытащить их - это не маленькая работа! Какой белый дым мы видим на горшке для макарон? Паровая вода, которая образуется в изобилии, в то время как жидкие пузырьки воды, прозрачна в солнечном свете или лампочке, поэтому мы не можем ее видеть. Однако, когда пар поднимается, он вступает в контакт с самым холодным воздухом на кухне и вспоминает в виде сферических капель. Они подобны тем, которые образуют белые облака неба: слишком светлые и слишком маленькие, чтобы отличить их.
Свойства жидкостей зависят также от объема молекул, формы и полярности их. Жидкости, образованные полярными молекулами, отличаются по свойствам от неполярных. Соседние полярные молекулы ориентируются разноименными концами диполей друг к другу; при этом между ними возникают силы электростатического притяжения. Происходит объединение (ассоциация) двух или более молекул в сложный комплекс. Ассоциация может быть вызвана, в частности, образованием водородной связи между молекулами жидкости. Свойства жидкостей зависят от степени ассоциации, так как для разрыва межмолекулярных связей требуется значительная энергия. Поэтому ассоциированные жидкости (вода, спирты, жидкий аммиак) имеют более высокие температуры кипения, обладают меньшей летучестью и т. п. Так, например, этиловый спирт и диметиловый эфир имеют одинаковую формулу (С 2 Н 6 О) и одинаковую молекулярную массу. Спирт - полярное вещество, относится к ассоциированным жидкостям и кипит при более высокой температуре, чем диметиловый эфир (неполярное вещество), который относится к неассоциированным жидкостям.
2. Рассмотрим некоторые характерные физико-химические свойства жидкостей и, в частности, поверхностное натяжение.
Поверхностный слой жидкости по физико-химическим свойствам отличается от внутренних слоев. Каждая молекула внутри жидкости притягивает к себе все окружающие ее молекулы и одновременно с такой же силой притягивается равномерно во все стороны окружающими ее молекулами. Следовательно, силовое поле каждой молекулы внутри жидкости симметрично насыщенно. Равнодействующая сил притяжения равна нулю.
В ином положении оказываются молекулы, расположенные в поверхностном слое. На них действуют силы притяжения только со стороны молекул нижней полусферы. Действием молекул газа или пара, находящихся над поверхностью жидкости, можно пренебречь, так как их концентрация, несравнимо меньше, чем в жидкости. Равнодействующая молекулярных сил в этом случае не равна нулю и направлена вниз. Таким образом, поверхностные молекулы жидкости всегда находятся под действием силы, стремящейся втянуть их внутрь. Это приводит к тому, что поверхность жидкости стремится сократиться.
У молекул поверхностного слоя неиспользованные силы сцепления являются источником избыточной энергии, называемой свободной поверхностной энергией. Свободная энергия единицы поверхности называется поверхностным натяжением и обозначается σ. Поверхностное натяжение σ может быть измерено той работой, которую нужно затратить на преодоление сил сцепления между молекулами для создания новой единицы поверхности.
Поверхностное натяжение можно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины линии, ограничивающей поверхность жидкости, и направленную и сторону сокращения поверхности.
Поверхностное натяжение можно определить опытным путем. Возьмем проволочную рамку, одна сторона которой (CD) может свободно перемещаться. К подвижной стороне рамки CD прикреплен груз Р. Проволочку CD сдвинем к стороне АВ, смочим рамку мыльным раствором и установим ее в вертикальном положении. Подвижная сторона под действием груза Р начнет опускаться вниз. При этом между ней и рамкой образуется пленка. Пройдя некоторое расстояние h, подвижная проволока остановится, так как вес груза Р становится равным силе поверхностного натяжения. При этом груз Р совершает работу A = P*h. Работа, выполненная грузом Р, к моменту равновесия равна поверхностному натяжению мыльной пленки с поверхностью S, равной 2lh (так как поверхность образована двумя сторонами пленки).
Величину поверхностного натяжения рассчитывают по уравнению A = σS, откуда
где A - работа создания поверхности S; σ - поверхностное натяжение.
Поверхностное натяжение для чистых жидкостей зависит от природы жидкости и температуры, а для растворов от природы растворителя, а также от природы и концентрации растворенного вещества.
У жидких и расплавленных металлов поверхностное натяжение очень велико. Спирт, эфир, ацетон, бензол - жидкости с малыми значениями σ. Поверхностное натяжение жидкостей с ростом температуры уменьшается.
Поверхностное натяжение воды при различных температурах
Температура 0 +20 +40 +60 +80
σ∙ 103 75,95 72,75 69,55 66,18 62,75
Поверхностное натяжение жидкостей может резко изменяться при растворении в них различных веществ. Растворенные вещества могут понижать или повышать поверхностное натяжение! Вещества, значительно снижающие поверхностное натяжение данной жидкости, называют поверхностно-активными. По отношению, к воде поверхностно-активными веществами являются спирты, мыла, белки и др. Добавка таких веществ к воде облегчает вспенивание, т. е. образование большого количества новых поверхностных пленок жидкости, что объясняется снижением поверхностного натяжения воды.
Вещества, повышающие поверхностное натяжение жидкости, называются поверхностно-неактивными. Поверхностное натяжение воды, например, повышается при растворении минеральных кислот, щелочей, некоторых неорганических солей.
Измеряют поверхностное натяжение различными методами. Наиболее простым является метод «счета капель» при помощи прибора, называемого сталагмометром, который представляет собой пипетку, имеющую две метки; нижняя часть сталагмометра переходит в капилляр, конец которого утолщен и отшлифован для получения одинаковых капель. Метод основан на том, что образующаяся на конце капиллярной трубки сталагмометра капля удерживается силой поверхностного натяжения. Отрывается капля в тот момент, когда ее вес станет равным или превысит на бесконечно малую величину силу поверхностного натяжения, удерживающую каплю. Для жидкостей с большим поверхностным натяжением отрыв капель затруднен и образующиеся капли будут более крупными, чем у жидкостей с меньшим поверхностным натяжением, поэтому и число их будет меньше.
Сталагмометр заполняют исследуемой жидкостью и считают число капель п, вытекающих из объема V. Затем его заполняют дистиллированной водой и считают число капель воды nо, вытекающих из этого же объема V. И в момент отрыва капли ее вес равен силе поверхностного натяжения. Если из объема V вытекает п капель жидкости, имеющей плотность р, то вес капли определяют по уравнению Р= V*ρ*g/n, где g - ускорение свободного падения.
Сила поверхностного натяжения, удерживающая каплю, равна 2πrσ; где 2πr - длина окружности отверстия капилляра, от которого отрывается капля. Для исследуемой жидкости
V*ρ*g/n = 2πrσ (II)
для воды V*ρ о *g/n о = 2πrσ о (III)
где σ о - поверхностное натяжение воды; ρ о - ее плотность; n о - число капель воды.
Поделив уравнение (II) на (III), получим
ρ*n o /ρ o *n = σ / σ o , откуда
σ = σ о * ρ*n o /ρ o *n (IV)
Плотность исследуемой жидкости, йоды и поверхностное натяжение воды σ o находят по таблицам для соответствующей температуры, при которой производится измерение.
3. Вязкостью или внутренним трением называется сопротивление, возникающее при движении одних слоев жидкости относительно других. Если перемешивать палочкой воду, а тем более сахарный сироп, подсолнечное масло, мед, глицерин, то при этом будет ощущаться сопротивление движению палочки. При движении одного слоя жидкости Соседние слои вовлекаются в это движение, но оказывают ему сопротивление. Величина этого сопротивления для разных жидкостей различна и зависит от химической природы жидкостей, т. е. от сил межмолекулярного взаимодействия. У таких жидкостей, как мёд, сахарный сироп, вязкость высокая, а у воды, этилового спирта она невелика.
Вязкость жидкости зависит от температуры; при повышении температуры она уменьшается, жидкость становится более подвижной, т. е. ее текучесть увеличивается. Обычно при повышении температуры на 1°С вязкость уменьшается примерно на 2%. Такие жидкости, как винный спирт, вода, диэтиловый эфир, легкотекучие, а мед, глицерин, патока, масло - вязкие. Иногда вязкость повышается настолько, что жидкость перестает быть текучей и приобретает свойства твердых тел.
Вязкость растворов в значительной мере зависит от их концентрации; чем выше концентрация, тем больше вязкость.
В жидкостях при перемещении одних слоев относительно других между слоями возникает сила трения, направленная противоположно направлению движения. Количественная характеристика этой силы выражается законом Ньютона:
F = η*S*Δυ/l (V)
где F - сила трения; S - площадь контакта двух слоев; Δυ - разность скоростей υ 2 и υ 1 этих слоев, находящихся на расстоянии l друг от друга; η - коэффициент пропорциональности.
Если S=1 см 2 и Δυ/l=1, то F=η. Поэтому вязкость качественно характеризуется коэффициентом вязкости, или коэффициентом внутреннего η (эта), который зависит от природы жидкости и температуры.
Вязкость измеряется в пуазах. Вязкость 1 П (0,1 Н*с/м 2) – очень большая величина: так, вязкость воды при 20о С равна всего 0,01 П, оливкового масла 0,98 П, а глицерина 10,63 П. На практике обычно определяют относительную вязкость, т. е. отношение вязкости исследуемой жидкости к вязкости воды, принимая вязкость воды равной одному сантипуазу (1 сП).
Один из методов измерения вязкости основан на определении времени истечения жидкости из капиллярной трубки вискозиметра. Время истечения равных объемов (этот объем ограничен метками А и Б) воды и исследуемой жидкости определяется в секундах. На основании опытных данных, рассчитывают относительную вязкость по формуле
η отн = η о *ρ ж *τ ж /ρ о * τ о (III.22)
где η отн - относительная вязкость исследуемой жидкости по воде; η о - коэффициент вязкости воды, равный I сП; р ж и ρ о - плотность исследуемой жидкости и воды; τ ж и τ о - время истечения исследуемой жидкости и воды. Величины τ ж и τ о определяют опытным путем при постоянной температуре; р ж и ρ о для данной температуры берут из таблиц.
Определение вязкости имеет большое значение при изучении свойств растворов белков, углеводов и жиров. От вязкости зависит скорость диффузии вещества в жидких средах, а следовательно, и скорость химических ре-акций в растворах.
Растворы почти всегда более вязки, чем чистые растворители. Особенно ярко различие проявляется в растворах высокомолекулярных веществ. Поэтому жидкости, подчиняющиеся уравнению (III.22), называются ньютоновскими в отличие от растворов полимеров, которые не подчиняются этому уравнению.
4. Твердое состояние вещества
Твердые вещества в отличие от жидкостей и газов сохраняют свою форму. Частицы твердых тел так прочно связаны друг с другом силами сцепления, что поступательное движение у них отсутствует и возможно лишь колебательное движение около определенных точек. Твердые тела могут быть кристаллическими и аморфными.
Кристаллические тела имеют четкую внутреннюю структуру, обусловленную правильным расположением частиц в строго определенном периодически повторяющемся порядке. Размеры кристаллов могут быть различны: от очень мелких до гигантских. Кристаллические тела имеют строго определенную температуру плавления. Для них характерно также явление анизотропии, заключающееся в том, что свойства кристаллических тел в различных направлениях неодинаковы. Это объясняется тем, что в кристаллах теплопроводность, механическая прочность, скорость роста кристаллов, скорость растворения и другие свойства в различных направлениях различны. Например, слюда легко разделяется на пластинки только в одном направлении (параллельно ее поверхности), в других направлениях для разрушения слюды требуются значительно большие усилия. Аморфные тела не имеют строго определенной температуры плавления, они размягчаются в некотором интервале температур и постепенно переходят в жидкое состояние. При охлаждении эти расплавы переходят в твердое состояние, не образуя кристаллической структуры. Типичным представителем аморфных тел является обычное силикатное стекло, поэтому аморфное состояние часто называют стеклообразным.
В отличие от кристаллических для аморфных тел, так же как и для газов и жидкостей, характерно свойство изотропности, т. е. постоянство свойств (теплопроводности, электропроводности, механических свойств и т. д.) по всем направлениям. Следует отметить, что поликристаллические тела, состоящие из большого числа беспорядочно ориентированных мелких кристаллов, в целом также оказываются изотропными телами, например металлы.
Однако нельзя провести четкой границы между аморфными и кристаллическими телами. Например, сахар может быть как в кристаллическом (сахарный песок, кусковый сахар), так и в аморфном состоянии (карамелизованный сахар). Кроме того, некоторые вещества, полученные в аморфном состоянии, со временем могут кристаллизоваться: так кристаллизуется карамель, что нежелательно в кондитерском производстве, кристаллизуются со временем стекла, теряя прозрачность. Это явление и технике называется расстекловыванием.
· Уравнение Эйлера · Уравнения Навье - Стокса · Уравнение диффузии · Закон Гука
Как правило, вещество в жидком состоянии имеет только одну модификацию. (Наиболее важные исключения - это квантовые жидкости и жидкие кристаллы .) Поэтому в большинстве случаев жидкость является не только агрегатным состоянием, но и термодинамической фазой (жидкая фаза).
Все жидкости принято делить на чистые жидкости и смеси . Некоторые смеси жидкостей имеют большое значение для жизни: кровь , морская вода и др. Жидкости могут выполнять функцию растворителей .
Основным свойством жидкостей является текучесть. Если к участку жидкости, находящейся в равновесии, приложить внешнюю силу , то возникает поток частиц жидкости в том направлении, в котором эта сила приложена: жидкость течёт. Таким образом, под действием неуравновешенных внешних сил жидкость не сохраняет форму и относительное расположение частей, и поэтому принимает форму сосуда, в котором находится.
В отличие от пластичных твёрдых тел, жидкость не имеет предела текучести : достаточно приложить сколь угодно малую внешнюю силу, чтобы жидкость потекла.
Одним из характерных свойств жидкости является то, что она имеет определённый объём (при неизменных внешних условиях). Жидкость чрезвычайно трудно сжать механически, поскольку, в отличие от газа , между молекулами очень мало свободного пространства. Давление, производимое на жидкость, заключенную в сосуд, передаётся без изменения в каждую точку объёма этой жидкости (закон Паскаля , справедлив также и для газов). Эта особенность, наряду с очень малой сжимаемостью, используется в гидравлических машинах.
Жидкости обычно увеличивают объём (расширяются) при нагревании и уменьшают объём (сжимаются) при охлаждении. Впрочем, встречаются и исключения, например, вода сжимается при нагревании, при нормальном давлении и температуре от 0°С до приблизительно 4°С.
Кроме того, жидкости (как и газы) характеризуются вязкостью . Она определяется как способность оказывать сопротивление перемещению одной из части относительно другой - то есть как внутреннее трение.
Когда соседние слои жидкости движутся относительно друг друга, неизбежно происходит столкновение молекул дополнительно к тому, которое обусловлено тепловым движением . Возникают силы, затормаживающие упорядоченное движение. При этом кинетическая энергия упорядоченного движения переходит в тепловую – энергию хаотического движения молекул.
Жидкость в сосуде, приведённая в движение и предоставленная самой себе, постепенно остановится, но её температура повысится.
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 уменьшится.
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. (См. Поверхностное натяжение .)
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.
Хотя жидкость чрезвычайно трудно сжать, тем не менее, при изменении давления её объем и плотность всё же меняются. Это происходит не мгновенно; так, если сжимается один участок, то на другие участки такое сжатие передаётся с запаздыванием. Это означает, что внутри жидкости способны распространятся упругие волны , более конкретно, волны плотности. Вместе с плотностью меняются и другие физические величины, например, температура.
Если при распространении волны́ плотность меняется достаточно слабо, такая волна называется звуковой волной, или звуком .
Если плотность меняется достаточно сильно, то такая волна называется ударной волной . Ударная волна описывается другими уравнениями.
Волны плотности в жидкости являются продольными, то есть плотность меняется вдоль направления распространения волны. Поперечные упругие волны в жидкости отсутствуют из-за несохранения формы.
Упругие волны в жидкости со временем затухают, их энергия постепенно переходит в тепловую энергию. Причины затухания - вязкость, "классическое поглощение", молекулярная релаксация и другие. При этом работает так называемая вторая, или объёмная вязкость – внутреннее трение при изменении плотности. Ударная волна в результате затухания через какое-то время переходит в звуковую.
Упругие волны в жидкости подвержены также рассеянию на неоднородностях, возникающих в результате хаотического теплового движения молекул.
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 (не путать с волнами гравитации). 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 звтухают 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.
Изучению движения и механического равновесия жидкостей и газов и их взаимодействию между собой и с твёрдыми телами посвящён раздел механики - гидроаэромеханика (часто называется также гидродинамикой). Гидроаэромеханика - часть более общей отрасли механики, механики сплошной среды .
Гидромеханика - это раздел гидроаэромеханики, в котором рассматриваются несжимаемые жидкости. Поскольку сжимаемость жидкостей очень мала, во многих случаях ей можно пренебречь. Изучению сжимаемых жидкостей и газов посвящена газовая динамика .
Гидромеханика подразделяется на гидростатику , в которой изучают равновесие несжимаемых жидкостей, и гидродинамику (в узком смысле), в которой изучают их движение.
Движение электропроводных и магнитных жидкостей изучается в магнитной гидродинамике . Для решения прикладных задач применяется гидравлика .
Основной закон гидростатики - закон Паскаля .
2. Жидкости из двухатомных молекул, состоящих из одинаковых атомов (жидкий водород , жидкий азот). Такие молекулы обладают квадрупольным моментом .
4. Жидкости, состоящие из полярных молекул, связанных диполь-дипольным взаимодействием (жидкий бромоводород).
5. Ассоциированные жидкости, или жидкости с водородными связями (вода , глицерин).
6. Жидкости, состоящие из больших молекул, для которых существенны внутренние степени свободы .
Жидкости первых двух групп (иногда трёх) обычно называют простыми. Простые жидкости изучены лучше других, из непростых жидкостей наиболее хорошо изучена вода. В эту классификацию не входят квантовые жидкости и жидкие кристаллы , которые представляют собой особые случаи и должны рассматриваться отдельно.
Наиболее успешно структура и термодинамические свойства жидкостей исследуются с помощью уравнения Перкуса-Йевика.
Если воспользоваться моделью твёрдых шаров, то есть считать молекулы жидкости шарами с диаметром d , то уравнение Перкуса-Йевика можно решить аналитически и получить уравнение состояния жидкости:
где n
- число частиц в единице объёма, 
- безразмерная плотность. При малых плотностях это уравнение переходит в уравнение состояния идеального газа : 
. Для предельно больших плотностей, , получается уравнение состояния несжимаемой жидкости: .
Модель твёрдых шаров не учитывает притяжение между молекулами, поэтому в ней отсутствует резкий переход между жидкостью и газом при изменении внешних условий.
Если нужно получить более точные результаты, то наилучшее описание структуры и свойств жидкости достигается с помощью теории возмущений . В этом случае модель твёрдых шаров считается нулевым приближением, а силы притяжения между молекулами считаются возмущением и дают поправки.
Одной из современных теорий служит «Кластерная теория» . В её основе заключена идея, что жидкость представляется как сочетание твёрдого тела и газа. При этом частицы твёрдой фазы (кристаллы, двигающиеся на короткие расстояния) располагаются в облаке газа, образуя кластерную структуру . Энергия частиц отвечает распределению Больцмана , средняя энергия системы при этом остаётся постоянной (при условии её изолированности). Медленные частицы сталкиваются с кластерами и становятся их частью. Так непрерывно изменяется конфигурация кластеров, система находится в состоянии динамического равновесия. При создании внешнего воздействия система будет вести себя согласно принципу Ле Шателье . Таким образом, легко объяснить фазовое превращение:
Структуру жидкостей изучают с помощью методов рентгеновского структурного анализа , электронографии и нейтронографии .
| Термодинамические состояния вещества | |
|---|---|
| Физика : Твёрдое тело Жидкость Газ Плазма | |
