рідкий стан

1. Фізичні властивості рідин
2. теорія
3. Молекулярно-кінетичне розгляд
4. Класифікація рідин
5. статистична теорія
6. кластерна теорія
7. Експериментальні методи вивчення
8. Див. також

Наши партнеры ArtmMisto

Рідина - одне з агрегатних станів речовини . Основною властивістю рідини, що відрізняє її від інших агрегатних станів, є здатність необмежено змінювати форму під дією механічної напруги, навіть як завгодно малих, практично зберігаючи при цьому обсяг.

Рідкий стан зазвичай вважають проміжним між твердим тілом і газом : Газ не зберігає ні обсяг, ні форму, а тверде тіло зберігає і те, і інше.

Форма рідких тіл може повністю або частково визначатися тим, що їх поверхня поводиться як пружна мембрана. Так, вода може збиратися в краплі. Але рідина здатна текти навіть під своєю нерухомою поверхнею, і це теж означає незбереження форми (внутрішніх частин рідкого тіла).

молекули рідини не мають певного положення, але в той же час їм недоступна повна свобода переміщень. Між ними існує тяжіння, досить сильне, щоб утримати їх на близькій відстані.

Речовина в рідкому стані існує в певному інтервалі температур , Нижче якого переходить в твердий стан (відбувається кристалізація або перетворення в твердотельное аморфний стан - Скло ), Вище - в газоподібне (Відбувається випаровування). Межі цього інтервалу залежать від тиску .

Як правило, речовина в рідкому стані має тільки одну модифікацію. (Найбільш важливі виключення - це квантові рідини і рідкі кристали .) Тому в більшості випадків рідина є не тільки агрегатним станом, а й термодинамічної фазою (Рідка фаза).

Всі рідини прийнято ділити на чисті рідини і суміші . Деякі суміші рідин мають велике значення для життя: кров , морська вода та ін. Рідини можуть виконувати функцію розчинників .

Фізичні властивості рідин

Основною властивістю рідин є плинність. Якщо до ділянки рідини, що знаходиться в рівновазі, докласти зовнішню силу , То виникає потік частинок рідини в тому напрямку, в якому ця сила прикладена: рідина тече. Таким чином, під дією неврівноважених зовнішніх сил рідина не зберігає форму і відносне розташування частин, і тому приймає форму судини, в якому знаходиться.

На відміну від пластичних твердих тіл, рідина не має границі текучості : Досить прикласти як завгодно малу зовнішню силу, щоб рідина потекла.

• збереження обсягу

Одним з характерних властивостей рідини є те, що вона має певний обсяг (При незмінних зовнішніх умовах). Рідина надзвичайно важко стиснути механічно, оскільки, на відміну від газу , Між молекулами дуже мало вільного простору. Тиск, вироблене на рідину, укладену в посудину, передається без зміни в кожну точку обсягу цієї рідини ( закон Паскаля , Справедливий також і для газів). Ця особливість, поряд з дуже малою сжимаемостью, використовується в гідравлічних машинах.

Рідини зазвичай збільшують обсяг (розширюються) при нагріванні і зменшують обсяг (стискаються) при охолодженні. Втім, трапляються й винятки, наприклад, вода стискається при нагріванні, при нормальному тиску і температурі від 0 ° С до приблизно 4 ° С.

Крім того, рідини (як і гази) характеризуються в'язкістю . Вона визначається як здатність чинити опір переміщенню однієї з частини щодо іншої - тобто як внутрішнє тертя.

Коли сусідні шари рідини рухаються відносно один одного, неминуче відбувається зіткнення молекул додатково до того, що обумовлено тепловим рухом . Виникають сили, загальмовують впорядкований рух. При цьому кінетична енергія упорядкованого руху переходить в теплову - енергію хаотичного руху молекул.

Рідина в посудині, наведена в рух і надана сама собі, поступово зупиниться, але її температура підвищиться.

• Освіта вільної поверхні і поверхневий натяг

Через збереження обсягу рідина здатна утворювати вільну поверхню. Така поверхня є поверхнею розділу фаз даної речовини: по одну сторону знаходиться рідка фаза, по іншу - газоподібна (пар), і, можливо, інші гази, наприклад, повітря.

Якщо рідка і газоподібна фази одного і того ж речовини стикаються, виникають сили, які прагнуть зменшити площу поверхні розділу - сили поверхневого натягу. Поверхня розділу поводиться як пружна мембрана, яка прагне стягтися.

Поверхневий натяг може бути пояснено тяжінням між молекулами рідини. Кожна молекула притягує інші молекули, прагне "оточити" себе ними, а значить, піти з поверхні. Відповідно, поверхня прагне зменшиться.

Тому мильні бульбашки і бульбашки при кипінні прагнуть прийняти сферичну форму: при даному обсязі мінімальної поверхнею має кулю. Якщо на рідину діють тільки сили поверхневого натягу, вона обов'язково візьме сферичну форму - наприклад, краплі води в невагомості.

Маленькі об'єкти з щільністю, більшої щільності рідини, здатні «плавати» на поверхні рідини, так як сила тяжіння менше сили, що перешкоджає збільшенню площі поверхні. (Див. Поверхневий натяг .)

• Випаровування і конденсація

випаровування - поступовий перехід речовини з рідини в газоподібну фазу (пар).

При тепловому русі деякі молекули залишають рідину через її поверхню і переходять в пар. Разом з тим, частина молекул переходить назад з пари в рідину. Якщо з рідини йде більше молекул, ніж приходить, то має місце випаровування.

конденсація - зворотний процес, перехід речовини з газоподібного стану в рідке. При цьому в рідину переходить з пара більше молекул, ніж у пар з рідини.

Випаровування і конденсація - нерівноважні процеси, вони відбуваються до тих пір, поки не встановиться локальне рівновагу (якщо встановиться), причому рідина може повністю випаруватися, або ж прийти в рівновагу зі своїм паром, коли з рідини виходить стільки ж молекул, скільки повертається.

кипіння - процес пароутворення всередині рідини. При досить високій температурі тиск пари стає вище тиску всередині рідини, і там починають утворюватися бульбашки пара, які (в умовах земного тяжіння) спливають наверх.

змочування - поверхневе явище, що виникає при контакті рідини з твердою поверхнею в присутності пара, тобто на кордонах розділу трьох фаз.

Змочування характеризує "прилипання" рідини до поверхні і розтікання по ній (або, навпаки, відштовхування і нерастеканіе). Розрізняють три випадки: незмочування, обмежене змочування і повне змочування.

• Зміщуваність

Зміщуваність - здатність рідин розчинятися один в одному. Приклад змішуються рідин: вода і етиловий спирт , Приклад незмішуваних: вода і рідке масло .

При знаходженні в посудині двох змішуються рідин молекули в результаті теплового руху починають поступово проходити через поверхню розділу, і таким чином рідини поступово змішуються. Це явище називається дифузією (Відбувається також і в речовинах, які знаходяться в інших агрегатних станах).

• Перегрів і переохолодження

Рідина можна нагріти вище точки кипіння таким чином, що кипіння не відбувається. Для цього необхідний рівномірний нагрів, без значних перепадів температури в межах обсягу і без механічних впливів, таких, як вібрація. Якщо в перегріту рідину кинути що-небудь, вона миттєво закипає. Перегріту воду легко отримати в мікрохвильової печі .

Переохолодження - охолодження рідини нижче точки замерзання без перетворення в тверде агрегатний стан . Як і для перегріву, для переохолодження необхідно відсутність вібрації і значних перепадів температури.

• хвилі щільності

Хоча рідина надзвичайно важко стиснути, проте, при зміні тиску її обсяг і щільність все ж змінюються. Це відбувається не миттєво; так, якщо стискається одну ділянку, то на інші ділянки таке стиснення передається з запізненням. Це означає, що всередині рідини здатні поширяться пружні хвилі , Більш конкретно, хвилі щільності. Разом з щільністю змінюються і інші фізичні величини, наприклад, температура.

Якщо при поширенні хвилі щільність змінюється досить слабо, така хвиля називається звуковою хвилею, або звуком .

Якщо щільність змінюється досить сильно, то така хвиля називається ударною хвилею . Ударна хвиля описується іншими рівняннями.

Хвилі щільності в рідини є поздовжніми, тобто щільність змінюється вздовж напрямку поширення хвилі. Поперечні пружні хвилі в рідині відсутні через незбереження форми.

Пружні хвилі в рідині з часом загасають, їх енергія поступово перетворюється на теплову енергію. Причини загасання - в'язкість, "класичне поглинання", молекулярна релаксація та інші. При цьому працює так звана друга, або друга в'язкість - внутрішнє тертя при зміні щільності. Ударна хвиля в результаті загасання через якийсь час переходить в звукову.

Пружні хвилі в рідині схильні навіть розсіюванню на неоднорідностях, що виникають в результаті хаотичного теплового руху молекул.

• Хвилі на поверхні

Якщо змістити ділянку поверхню рідини від положення рівноваги, то під дією повертають сил поверхню починає рухатися назад до рівноважного стану. Це рух, однак, не зупиняється, а перетворюється в коливальний рух близько рівноважного положення і поширюється на інші ділянки. так виникають хвилі на поверхні рідини .

Якщо повертає сила - це переважно сили тяжіння, то такі хвилі називаються гравітаційними хвилями (не плутати з хвилями гравітації ). Гравітаційні хвилі на воді можна бачити повсюдно.

Якщо повертає сила - це переважно сила поверхневого натягу, то такі хвилі називаються капілярними.

Якщо ці сили можна порівняти, такі хвилі називаються капілярно-гравітаційними.

Хвилі на поверхні рідини звтухают під дією в'язкості і інших чинників.

• Співіснування з іншими фазами

Формально кажучи, для рівноважного співіснування рідкої фази з іншими фазами того ж речовини - газоподібної або кристалічної - потрібні строго певні умови. Так, при даному тиску потрібна строго певна температура. Проте, в природі і в техніці повсюдно рідина співіснує з парою, або також і з твердим агрегатним станом - наприклад, вода з водяною парою і часто з льодом (якщо вважати пар окремої фазою, присутньої поряд з повітрям). Це пояснюється наступними причинами.

- Неравновесное стан. Для випаровування рідини потрібен час, поки рідина не випарувалася повністю, вона співіснує з парою. У природі постійно відбувається випаровування води, також як і зворотний процес - конденсація.

- Замкнуте обсяг. Рідина в закритій посудині починає випаровуватися, але оскільки обсяг обмежений, тиск пара підвищується, він стає насиченим ще до повного випаровування рідини, якщо її кількість була досить велика. При досягненні стану насичення кількість випаровується рідини дорівнює кількості конденсованої рідини, система приходить в рівновагу. Таким чином, в обмеженому обсязі можуть встановитися умови, необхідні для рівноважного співіснування рідини і пара.

- Присутність атмосфери в умовах земної гравітації. На рідина діє атмосферний тиск (повітря і пар), тоді як для пара має враховуватися практично тільки його парціальний тиск . Тому рідини і пару над її поверхнею відповідають різні точки на фазовій діаграмі, в області існування рідкої фази і в області існування газоподібної відповідно. Це не скасовує випаровування, але на випаровування потрібно час, протягом якого обидві фази співіснують. Без цієї умови рідини скипали б і випаровувалися дуже швидко.

теорія

механіка

Вивченню руху і механічної рівноваги рідин і газів і їх взаємодії між собою і з твердими тілами присвячений розділ механіки - гідроаеромеханіка (Часто називається також гидродинамикой). Гидроаеромеханика - частина більш загальної галузі механіки, механіки суцільного середовища .

Гідромеханіка - це розділ гідроаеромеханіки, в якому розглядаються нестискувані рідини. Оскільки стисливість рідин дуже мала, у багатьох випадках їй можна знехтувати. Вивченню стискаються рідин і газів присвячена газова динаміка .

Гідромеханіка підрозділяється на гідростатику , В якій вивчають рівновагу нестискуваних рідин, і гідродинаміку (у вузькому сенсі), в якій вивчають їх рух.

Рух електропровідних і магнітних рідин вивчається в магнітної гідродинаміки . Для вирішення прикладних завдань застосовується гідравліка .

Основний закон гідростатики - закон Паскаля .

рух ідеальної нестисливої ​​рідини описується рівнянням Ейлера . Для стаціонарного потоку такої рідини виконується закон Бернуллі . Витікання рідини з отворів описується формулою Торічеллі.

Рух в'язкої рідини описується рівнянням Нав'є-Стокса , В якому можливий і облік стисливості.

Пружні коливання і хвилі в рідини (і в інших середовищах) досліджуються в акустиці . гідроакустики - розділ акустики, в якому вивчається звук в реальному водному середовищі для цілей підводного локації, зв'язку та ін.

Молекулярно-кінетичне розгляд

Агрегатний стан речовини визначається зовнішніми умовами, головним чином тиском P і температурою T. Характерними параметрами є середня кінетична енергія молекули E k i n (P, T) і середня енергія взаємодії між молекулами (в розрахунку на одну молекулу) E i n t (P, T). Для рідин ці енергії приблизно рівні: для твердих тіл енергія взаємодії набагато більше кінетичної, для газів - набагато менше.

Класифікація рідин

Структура і фізичні властивості рідини залежать від хімічної індивідуальності складових їх частинок і від характеру і величини взаємодії між ними. Можна виділити кілька груп рідин в порядку зростання складності.

1. Атомарні рідини або рідини з атомів або сферичних молекул, пов'язаних центральними ван-дер-ваальсовскімі силами (рідкий аргон , рідкий метан ).

2. Рідини з двохатомних молекул, що складаються з однакових атомів (рідкий водень , рідкий азот ). Такі молекули володіють квадрупольним моментом .

3. Рідкі неперехідні метали ( натрій , ртуть ), В яких частинки ( іони ) Пов'язані дальнодействующими кулоновскими силами .

4. Рідини, що складаються з полярних молекул, пов'язаних диполь-дипольним взаємодією (рідкий бромоводород ).

5. Асоційовані рідини, або рідини з водневими зв'язками ( вода , гліцерин ).

6. Рідини, що складаються з великих молекул, для яких істотні внутрішні ступеня свободи .

Рідини перших двох груп (іноді трьох) зазвичай називають простими. Прості рідини вивчені краще за інших, з непростих рідин найбільш добре вивчена вода. У цю класифікацію не входить квантові рідини і рідкі кристали , Які представляють собою особливі випадки і повинні розглядатися окремо.

статистична теорія

Найбільш успішно структура і термодинамічні властивості рідин досліджуються за допомогою рівняння перкусія-Йевіка.

Якщо скористатися моделлю твердих куль, тобто вважати молекули рідини кулями з діаметром d, то рівняння перкусія-Йевіка можна вирішити аналітично і отримати рівняння стану рідини:

де n - число часток в одиниці об'єму, - безрозмірна щільність. При малих щільності це рівняння переходить в рівняння стану ідеального газу : . Для гранично великої щільності, , Виходить рівняння стану нестисливої ​​рідини: .

Модель твердих куль не враховує тяжіння між молекулами, тому в ній відсутня різкий перехід між рідиною і газом при зміні зовнішніх умов.

Якщо потрібно отримати більш точні результати, то найкраще опис структури і властивостей рідини досягається за допомогою теорії збурень . У цьому випадку модель твердих куль вважається нульовим наближенням, а сили тяжіння між молекулами вважаються обуренням і дають поправки.

кластерна теорія

Однією з сучасних теорій служить «Кластерна теорія». В її основі полягає ідея, що рідина подається як поєднання твердого тіла і газу. При цьому частинки твердої фази (кристали, що рухаються на короткі відстані) розташовуються в хмарі газу, утворюючи кластерну структуру. Енергія частинок відповідає розподілу Больцмана , Середня енергія системи при цьому залишається постійною (за умови її ізольованості). Повільні частинки стикаються з кластерами і стають їх частиною. Так безперервно змінюється конфігурація кластерів, система знаходиться в стані динамічної рівноваги. При створенні зовнішнього впливу система буде вести себе відповідно до принципом Ле Шательє . Таким чином, легко пояснити фазове перетворення:

• При нагріванні система поступово перетвориться в газ ( кипіння )
• При охолодженні система поступово перетвориться в тверде тіло ( замерзання ).

Експериментальні методи вивчення

Структуру рідин вивчають за допомогою методів рентгенівського структурного аналізу , електронографії і нейтронографії .

Див. також

посилання

Wikimedia Foundation. 2010 року.