Основные свойства жидкостей: Свойства жидкостей. Основные физические свойства жидкости

Свойства жидкостей. Основные физические свойства жидкости

Рубрики

• Автомобили
• Бизнес
• Дом и семья
• Домашний уют
• Духовное развитие
• Еда и напитки
• Закон
• Здоровье
• Интернет
• Искусство и развлечения
• Карьера
• Компьютеры
• Красота
• Маркетинг
• Мода
• Новости и общество
• Образование
• Отношения
• Публикации и написание статей
• Путешествия
• Реклама
• Самосовершенствование
• Спорт и Фитнес
• Технологии
• Финансы
• Хобби
• О проекте
• Реклама на сайте
• Условия
• Конфиденциальность
• Вопросы и ответы

FB

Войти Взяли трафареты, краску и немного преобразили стены в туалетной комнате: фото Нижегородский водитель маршрутки нашел «кондуктора», не выгнав хаски на холод

Основные свойства жидкости

I. Курс лекций

Основные свойства жидкости и газа. Гидростатика

Основные свойства жидкости

Система материальных точек, непрерывно заполняющая некоторую часть пространства, называется сплошной средой. Сплошная среда представляет собой модель реально существующих материалов, т.е. яв­ляется определенной идеализацией, полезной для решения многих прак­тических задач. Моделью сплошной среды пользуются для описания жид­ких тел (воды, нефти, нефтепродуктов и т.д.), твердых деформируемых тел (металлов, горных пород), а также газообразных веществ (воздуха, природного газа). Жидкость в гидромеханике рассматривается как сплошная среда, что очень удобно при использовании математического аппарата непрерывных функций.

Плотность характеризует массу сплошной среды (в том числе и жидкости), содержащуюся в единице объема.

Средняя плотность среды в достаточно малом объеме DV, содержа­щем точку М(х, у, z), определяется по формуле

 

r_ср = Dm/DV, (1.1)

где D m — масса сплошной среды, заключенная в объеме DV.

В точке М плотность равна

r (х, у, z, t) = . (1.1¢)

Если r не зависит от координат х, у, z, т.е. плотность одна и та же во всех точках среды, то последняя называется однородной.

Наряду с плотностью среды вводится ее удельный вес

g = rg, (1.2)

где g — ускорение свободного падения.

Размерности и единицы измерения для величин r и g приведены ниже.

 

Величина ………………………. Плотность Удельный вес

Размерность …………………. M/L³ M/(L²T²)

Единица измерения в СИ …….. кг/м³ кг/(м²× с²) или Н/м²

 

Силы, действующие на частицы сплошной среды, делятся на два вида: массовые и поверхностные.

Силы, распределенные по объему V, называются массовыми силами. Примером таких сил может служить сила тяжести, сила инер­ции, электромагнитные силы.

Массовые силы характеризуются плотностью массовых сил (напряжением массовых сил). Если Dm — масса элементарного объема

DV, содержащего точку М(х, у, z), а D — сила, действующая со стороны внешних тел на частицы, входящие в объем DV, то плотность массовых сил точке М(х, у, z) определяется из выражения

 

(x,y,z,) = . (1.3.)

 

Плотность массовых сил — векторная величина и имеет размер­ность ускорения

 

Поверхностные силы представляют собой силы, распределенные по поверхности, ограничивающей рассматриваемый объем. На внешней поверхности тела поверхностные силы отражают взаимодействие тела с окружающей средой. К поверхностным силам относят силы давления, силы реакции тела на поток, силы внутреннего трения в среде.

Поверхностные силы в сплошной среде характеризуются вектором напряжений

(1.4)

где D — главный вектор сил, приложенных с одной стороны к некото­рой малой площадке Ds.

Напряжение — размерная величина. Размерность напряжения опреде­ляется на основе формулы (1.4) :

 

 

В каждой точке М (х, у, z) сплошной среды можно построить бесконечное число векторов напряжений, определяемых ориентацией выбранной площадки. Каждый из этих векторов может иметь нормаль­ную по отношению к площадке и касательную составляющие.

В покоящейся жидкости отсутствуют касательные напряжения, а нормальные напряжения являются сжимающими. Растяжения в среде, называемой жидкостью, невозможны, а бесконечно малые сдвигающие усилия сразу же вызывают начало течения. Поэтому жидкость принимает форму того сосуда, в который она налита.

Основной характерный параметр для жидкости — давление р. В по­коящейся жидкости модули нормальных напряжений на всех площад­ках, проходящих через данную точку, равны между собой и называются давлением в данной точке.

Давление — это скалярная величина, имеющая размерность напряжения

 

.

 

Различают давление абсолютное, избыточное и вакуум. Давление р, определенное выше, называют абсолютным. Если за начало отсчета принимается атмосферное давление р_а , то избыток абсолютного давле­ния р над атмосферным называется избыточным давлением p_и= р — р_а. При этом может быть два случая:

1) абсолютное давление р больше р_а, тогда Р_и= р — р_а> 0 и изме­ряется манометрами, поэтому оно называется еще манометричес­ким;

2) абсолютное давление р меньше р_а, тогда р_и =р — р_а < 0, и взя­тая с обратным знаком эта разность определяет вакуум: Р_в = — р — = р_а— р. Вакуум показывает, насколько абсолютное давление меньше атмосферного. Величина

р_визмеряется вакуумметрами.

Пар называется насыщенным, когда число молекул, переходящих из жидкости в пар, равно числу молекул, совершающих обратный переход. В этом случае в паре устанавливается вполне определенное при данной температуре давление, называемое давлением насыщенного пара р_п.

Давление насыщенного пара р_п зависит от рода жидкости и от темпе­ратуры. Давления насыщенных паров воды, легкой нефти, бензина и глинистого раствора при разных температурах приведены в табл. 1.1.

Кипение в жидкости наступает, когда температура становится выше, чем температура кипения при данном давлении, или вследствие понижения давления до значений, меньших давления насыщенного пара при данной температуре. Кипение, возникающее в движущейся жидкости вследствие местных понижений давления до давления насыщенного пара, называется кавитацией.

Жидкость называется несжимаемой, если ее плотность не зависит от

давления, т.е. dr /dp = 0.

Если плотность жидкости изменяется в зависимости от давления, то величина

 

(1.5)

 

называется коэффициентом сжимаемости. Он равен относительно­му изменению объема жидкости при изменении давления на одну едини­цу. Коэффициент сжимаемости имеет размерность, обратную давлению:

 

[b_p]_СИ= Па^-1 .

Таблица 1.1.

Давления насыщенных паров (Па) некоторых жидкостей

 

Жидкость	Температура, °С
Вода
Легкая нефть		—		—		—
Бензин
Глинистый раствор	—

 

Продолжение табл. 1.1

 

Жидкость	Температура, °С
Вода
Легкая нефть		—		—	—
Бензин	—	—	—	—	—
Глинистый раствор	—	—	—	—	—

 

Величина обратная коэффициенту сжимаемости, называется модулем объемной упругости жидкости

К= 1/b_r . (1.6)

 

Для воды среднее значение модуля объемной упругости К=2 ×10^{9Па; Для керосина К=1,7 ×109Па ; для дизельного топлива К=1,6 ×109Па; для других нефтепродуктов К=1,3 ×109Па.}

Плотность жидкости может изменяться при изменении температуры. В этом случае изменение плотности характеризуется коэффициентом теплового объемного расширения b_Т , определяемым по формуле

b_Т = lim­ ,(1.7)

Коэфициент теплового объемного расширения b_Травен относительному изменению объема жидкости при изменении температуры на один градус. Размерность b_Т обратна температуре

 

[b_Т] _СИ = градус^-1.

Если известна плотность нефтепродуктов при 15 °С (r₁₅) , то величину r при другой температуре можно определить по формуле Менделеева:

, (1.8)

где t – температура нефтепродуктов, °С ; b_Т– коэффициент, зависящий от r₁₅ .

Значения коэффициента b_Т в формуле Менделеева приведены ниже:

 

r₁₅ , кг/м³ ……………… 700 800 850 900 920

b_Т × 10 ^–4,°С ……………… 8,2 7,7 7,2 6,4 6,0

 

В общем случае

.

Идеальная и вязкая жидкости. Существуют две распространенные модели жидкости. Первая из них предполагает, что в жидкости и при движении нет касательных напряжений. Это модель идеальной жидкости. Вторая модель учитывает при движении касательные напряжения. Это модель вязкой жидкости.

В простейшем случае прямолинейного слоистого течения связь между касательным напряжениям t и производной скорости u по нормали определяется законом вязкого трения Ньютона

 

. (1.9)

Коэффициент пропорциональности m в этой формуле называется динамическим коэффициентом вязкости. Этот коэффициент определяется свойствами жидкости и зависит от давления и температуры. Размерность динамического коэффициента вязкости

Для характеристики вязких жидкостей вводят еще один коэффициент – кинематический коэффициент вязкости v :

 

v=m /r




Читайте также:




Рекомендуемые страницы:

Поиск по сайту

Лекция 2-я

2 — я лекция, 2010 г.

Вопросы к зачету по группам МТ:

2.1. Основные свойства капельных жидкостей

2.2. Основные свойства газов

2.1. Основные свойства капельных жидкостей

1. Плотностью   называют массу единицы объема жидкости. Для однородной жидкости плотность равняется величине массы М жидкости, поделенной на величину объема V, который она занимает

ρ =   М/V                       (2.1)

Плотность измеряется в системе СИ в кг/м³.

В системе СИ плотность воды при 4ºС составляет ρ_в = 1000 кг/м³ , плотность рабочей жидкости МГ-30 при 20 ºС ρ_рж = 880 кГ/м³.

2. Удельным весом называют вес единицы объема жидкости. Для однородной жидкости удельный вес равняется величине веса G жидкости, поделенной на величину объема V, который она занимает

γ =   G/V                           (2.2)

Удельный вес измеряется в системе СИ в Н/м³.  

В системе СИ

удельный вес  воды при 4ºС составляет

γ =   ρ_в*g = 1000*9,8 = 9,81*10³ Н/м³,

удельный вес рабочей жидкости МГ-30 при 20 ºС  составляет

γ =   ρ_рж*g = = 880*9,81 =  8,64*10³ Н/м³.

Связь между удельным весом γ и плотностью ρ известна
         G = Мg,  γV= ρVg, откуда     γ = ρ g            (2.3)

Отметим, что удельный вес воды в системе МКГСС равен   γ_в = 1000 кГс/м³, а рабочей жидкости     γ_рж = 880 кГс/м³.

Если жидкость неоднородна, то формулы (2.1) и (2.2) определяют средние значения удельного веса или плотности.  

3. Вязкостью  жидкости называется  способность сопротивляться сдвигу ее слоев. При сдвиге слоев жидкости возникают касательные напряжения. Вязкость есть свойство противоположное текучести: более вязкие  жидкости, сравниваемые с водой, такие как глицерин, смазочные масла являются менее текучими и наоборот.

При течении вязкой жидкости из-за тормозящего влияния неподвижного дна слои жидкости будут двигаться с разными  скоростями, значения которых возрастает по мере удаления от твердого дна (рис. 2.1). Скорость V тем меньше, чем ближе слой жидкости к неподвижной стенке,  при  у = 0 , V = 0.

Рассмотрим два слоя жидкости, двигающиеся на расстоянии Δу. Слой А движется со скоростью V, слой В со скоростью V + ΔV. Из-за разности скоростей слой В сдвигается относительно слоя А на величину  ΔV(за единицу времени).  Величина ΔV является абсолютным сдвигом слоя А, а  отношение  Δυ/Δy – относительный сдвиг или градиент скорости. При сдвиге появляются касательные напряжения, которые   обозначим через τ . Тогда аналогично явлению сдвига в твердых телах получим зависимость между  напряжением и деформацией

τ = μ(Δυ/Δy)               (2.1).

Или, если слои будут расположены бесконечно близко друг к другу, переходим к дифференциалам, и получаем закон трения в жидкости Ньютона

                                                  τ =   μ(dυ/dy)

Коэффициент пропорциональности μ в формуле для определения касательного напряжения в жидкости называется динамической  вязкостью  и характеризует сопротивляемость жидкости сдвигу.

Гипотеза о возникновении касательных напряжений между слоями жидкости была высказана Ньютоном, поэтому называется законом трения Ньютона. Экспериментально эта гипотеза была доказана профессором  Н.П. Петровым в 1883 г.

Из закона трения выражаемого уравнением (2.1), следует, что напряжения трения возможно только в движущейся жидкости, вязкость проявляется  при течении жидкости,  в покоящейся жидкости касательные напряжения будем считать равными нулю.

Сила сопротивления сдвигу Т н

Свойства жидкостей | Химия

Из крана льется вода. Мед сочится из бутылки для отжима. Бензин вытекает из насоса. Это всего лишь три примера очень разнообразного состояния вещества: жидкости. Одно из ключевых определяющих свойств жидкостей — их способность течь. Однако, помимо этой особенности, поведение различных жидкостей охватывает широкий диапазон. Некоторые жидкости текут относительно легко, например вода или масло, в то время как другие, например мед или патока, текут довольно медленно.Некоторые из них скользкие, а некоторые липкие. Откуда взялось такое различное поведение?

Когда дело доходит до взаимодействия между разными жидкостями, некоторые хорошо смешиваются: подумайте о Shirley Temple, сделанном из имбирного эля и гренадина. Другие, однако, вообще не смешиваются. Рассмотрим разливы нефти, когда масло липким переливающимся слоем плавает поверх воды. Вы также можете заметить подобное явление в некоторых заправках для салатов, которые разделяются на масляный слой, который лежит поверх слоя уксуса, который в основном состоит из воды.Почему эти жидкости плохо смешиваются?

Эти различия в поведении возникают в основном из-за различных типов межмолекулярных сил, присутствующих в жидкостях. В этом модуле мы сначала обсудим жидкости в контексте двух других основных состояний вещества, твердых тел и газов. Затем мы рассмотрим краткий обзор межмолекулярных сил и, наконец, исследуем, как межмолекулярные силы определяют поведение жидкостей.

Жидкости, твердые вещества и газы

Жидкости текут, потому что межмолекулярные силы между молекулами достаточно слабы, чтобы позволить молекулам перемещаться относительно друг друга.Межмолекулярные силы — это силы между соседними молекулами. (Их не следует путать с внутримолекулярными силами, такими как ковалентные и ионные связи, которые представляют собой силы, действующие внутри отдельных молекул, чтобы удерживать атомы вместе.) Силы притягивают, когда отрицательный заряд взаимодействует с ближайшим положительным зарядом, и отталкивают, когда соседние заряды одинаковы, либо положительные, либо отрицательные. В жидкостях межмолекулярные силы могут перемещаться между молекулами и позволять им перемещаться друг мимо друга и течь.(См. Рисунок 1 для иллюстрации различных межмолекулярных сил и взаимодействий.)

Рис. 1 : Панель A показывает разнообразие диполь-дипольных взаимодействий притяжения и отталкивания. Привлекательные взаимодействия показаны на (а) и (б) с ориентациями, где положительный конец находится рядом с отрицательным концом другой молекулы. На (c) и (d) показаны отталкивающие взаимодействия с ориентациями, которые сопоставляют положительные или отрицательные концы диполей на соседних молекулах.На панели B показан образец жидкости с несколькими молекулами, которые притягиваются и отталкиваются своими диполь-дипольными взаимодействиями. image © UC Davis ChemWiki

Сравните это с твердым телом, в котором межмолекулярные силы настолько сильны, что допускают очень небольшое движение. В то время как молекулы могут колебаться в твердом теле, они по существу связаны в жесткую структуру, как описано в модуле «Свойства твердых тел». На другом конце спектра находятся газы, в которых молекулы настолько удалены друг от друга, что межмолекулярные силы фактически отсутствуют, а молекулы могут свободно двигаться и течь независимо.

На молекулярном уровне жидкости обладают некоторыми свойствами газов и некоторых твердых веществ. Во-первых, жидкости разделяют способность течь с газами. И жидкая, и газовая фазы являются жидкими, что означает, что межмолекулярные силы позволяют молекулам перемещаться. На обеих этих фазах материалы не имеют фиксированной формы, а вместо этого формируются контейнерами, в которых они находятся.

Твердые тела не текучие, но жидкости обладают одним важным свойством.Жидкости и твердые тела удерживаются вместе сильными межмолекулярными силами и намного более плотны, чем газы, что привело к их описанию как фазы «конденсированного вещества», поскольку они оба относительно несжимаемы. (На рисунке 2 показаны различия газов, жидкостей и твердых тел на атомарном уровне.)

Рисунок 2 : Три состояния вещества на атомном уровне: твердое, жидкое и газообразное.image © Yelod

Большинство веществ могут перемещаться между твердой, жидкой и газовой фазами при изменении температуры. Рассмотрим молекулу H ₂ 0: она принимает форму льда, твердого кристаллического вещества, при температуре ниже 0 ° C; вода, жидкость, при температуре от 0 ° до 100 ° C; и водяной пар, или пар, газ, выше 100 ° C. Эти переходы происходят потому, что температура влияет на межмолекулярное притяжение между молекулами. Когда H ₂ 0 превращается из жидкости в газ, например, повышение температуры приводит к увеличению кинетической энергии молекул, так что в конечном итоге она преодолевает межмолекулярные силы, и молекулы могут свободно перемещаться в газовой фазе.Однако внутримолекулярные силы, которые удерживают молекулу H ₂ 0 вместе, остаются неизменными; H ₂ 0 остается H ₂ 0, независимо от его материального состояния. Вы можете узнать больше о фазовых переходах в модуле States of Matter.

Теперь, когда мы обсудили, чем жидкости похожи и отличаются от твердых тел и газов, мы можем сосредоточиться на широком мире жидкостей. Однако сначала нам нужно вкратце представить различные типы межмолекулярных сил, которые определяют поведение жидкостей и других состояний материи.

Контрольная точка понимания

Межмолекулярные силы

Межмолекулярные силы

Как мы описали ранее, межмолекулярные силы — это силы притяжения или отталкивания между молекулами, отличные от внутримолекулярных сил, которые удерживают молекулы вместе. Однако внутримолекулярные силы действительно играют роль в определении типов межмолекулярных сил, которые могут образовываться.Межмолекулярные силы бывают разных видов, но общая идея одинакова для всех: заряд внутри одной молекулы взаимодействует с зарядом в другой молекуле. В зависимости от того, какие внутримолекулярные силы, такие как полярные ковалентные связи или неполярные ковалентные связи, присутствуют, заряды могут иметь различную постоянство и силу, что позволяет использовать разные типы межмолекулярных сил.

Итак, откуда берутся эти сборы? В некоторых случаях молекулы удерживаются вместе полярными ковалентными связями — это означает, что электроны неравномерно распределены между связанными атомами.(Этот тип связывания более подробно описан в модуле «Химическая связь».) Такое неравномерное распределение приводит к частичному заряду: атом с большим сродством к электрону, то есть более электроотрицательный атом, имеет частичный отрицательный заряд, а атом с меньшим сродством к электрону менее электроотрицательный атом имеет частичный положительный заряд. Это неравномерное распределение электронов называется диполем. Когда две молекулы с полярными ковалентными связями находятся рядом друг с другом, они могут образовывать благоприятные взаимодействия, если частичные заряды выравниваются соответствующим образом, как показано на рисунке 3, образуя диполь-дипольное взаимодействие.

Рис. 3 : На панели А показана молекула воды H ₂ O с неравномерным распределением электронов, что приводит к частичному отрицательному заряду вокруг атома кислорода и частичному положительному заряду вокруг атомов водорода. На панели B три молекулы H ₂ O взаимодействуют благоприятно, образуя диполь-дипольное взаимодействие между частичными зарядами.

Водородные связи представляют собой особенно сильный тип диполь-дипольного взаимодействия.(Обратите внимание, что хотя они и называются «связями», они не являются ковалентными или ионными связями; они представляют собой сильную межмолекулярную силу.) Водородные связи возникают, когда атом водорода ковалентно связан с одним из нескольких неметаллов с высокой электроотрицательностью, включая кислород, азот и фтор, создавая сильный диполь. Водородная связь — это взаимодействие водорода одной из этих молекул и более электроотрицательного атома в другой молекуле. Водородные связи присутствуют в воде, и это очень важно, и они описаны более подробно в нашем модуле «Вода: свойства и поведение».

Водородные связи и диполь-дипольные взаимодействия требуют полярных связей, но другой тип межмолекулярной силы, называемый силами дисперсии Лондона, может образовываться между любыми молекулами, полярными или нет. Основная идея заключается в том, что электроны в любой молекуле постоянно перемещаются, и иногда, просто случайно, электроны могут в конечном итоге распределиться неравномерно, создавая временный частичный отрицательный заряд на части молекулы с большим количеством электронов.Этот частичный отрицательный заряд уравновешивается частичным положительным зарядом равной величины со стороны молекулы с меньшим количеством электронов, причем положительный заряд исходит от протонов в ядре (рис. 4). Эти временные частичные заряды в соседних молекулах могут взаимодействовать почти так же, как взаимодействуют постоянные диполи. Общая сила лондонских дисперсионных сил зависит от размера молекул: более крупные молекулы могут иметь большие временные диполи, что приводит к более сильным лондонским дисперсионным силам.

Рисунок 4 : Две неполярные молекулы с симметричным распределением молекул (панель A) могут стать полярными (панель B), когда случайное движение электронов приводит к временному отрицательному заряду в одной из молекул, вызывая притягивающий (положительный) заряд в другой. .

Теперь вы можете спросить, если у молекул могут возникать временные частичные заряды, которые взаимодействуют друг с другом, эти временные заряды также должны иметь возможность взаимодействовать с постоянными диполями, верно? И ты был бы прав.Эти взаимодействия очень креативно называют дипольными дипольными взаимодействиями. Частичный заряд полярной молекулы взаимодействует с электронами в неполярной молекуле и «побуждает» их двигаться, поэтому они больше не распределяются равномерно, создавая индуцированный диполь, который может благоприятно взаимодействовать с постоянным диполем полярной молекулы (рис. 5).

Рис. 5 : Когда полярная молекула взаимодействует с электронами в неполярной молекуле (панель A), неполярная молекула превращается в диполь и благоприятно взаимодействует с полярной молекулой (панель B).

Как вы могли догадаться, дисперсионные силы Лондона и диполь-индуцированные дипольные взаимодействия обычно слабее диполь-дипольных взаимодействий. Эти силы, а также водородные связи, являются силами Ван-дер-Ваальса, что является общим термином для сил притяжения между незаряженными молекулами.

Межмолекулярные силы — это гораздо больше, чем мы рассмотрели здесь, но с этим кратким введением мы готовы вернуться к главному событию: жидкостям и тому, как межмолекулярные силы определяют их свойства и поведение.

Контрольная точка понимания

Какие взаимодействия сильнее?

Свойства жидкостей

Cohesion

Если вы когда-либо использовали масло для приготовления пищи или работы на автомобиле, вы знаете, что оно красивое и скользкое. Вероятно, поэтому вы использовали его: он предотвращает прилипание жареных кусков друг к другу или к кастрюле, а также помогает поршням двигателя и другим движущимся частям легко скользить.

Одна из причин, по которой масла подходят для этих целей, заключается в том, что они обладают низкой когезией: молекулы жидкости не особенно сильно взаимодействуют друг с другом из-за слабых межмолекулярных сил. Первичные межмолекулярные силы, присутствующие в большинстве масел и многих других органических жидкостях — жидкостях, состоящих преимущественно из атомов углерода и водорода, также называемых неполярными жидкостями, — это силы лондонской дисперсии, которые для небольших молекул являются самыми слабыми типами межмолекулярных сил.Эти слабые силы приводят к низкому сцеплению. Молекулы слабо взаимодействуют друг с другом, поэтому они могут скользить мимо друг друга.

На другом конце спектра когезии рассмотрим каплю росы на листе ранним утром (рис. 6). Как такое может существовать, если, как объяснялось ранее, жидкости текут и принимают форму контейнера, в котором они находятся? Как описано выше и в модуле «Вода», молекулы воды удерживаются вместе прочными водородными связями.Эти сильные силы приводят к высокому сцеплению: молекулы воды взаимодействуют друг с другом сильнее, чем с воздухом или самим листом. (Взаимодействие воды с листом является примером адгезии или взаимодействия жидкости с чем-то другим, кроме нее самой; мы обсудим адгезию в следующем разделе.) Из-за высокой когезии воды молекулы образуют сферическую форму. чтобы максимизировать их взаимодействие друг с другом.

Рисунок 6 : Капли росы на листе.image © Cameron Whitman / iStockphoto

Это высокое сцепление также создает поверхностное натяжение. Возможно, вы заметили насекомых, идущих по воде в открытом пруду (рис. 7), или видели небольшой объект, такой как скрепка, лежащий на поверхности воды, а не тонущий; это два примера действия поверхностного натяжения воды. Поверхностное натяжение возникает из-за сильных сил сцепления некоторых жидкостей. Эти силы достаточно сильны, чтобы их можно было поддерживать, даже когда они испытывают внешние силы, такие как гравитация насекомого, идущего по его поверхности.

Рисунок 7 : Водомер ( Gerris remigis ), обычное насекомое, ходящее по воде. image © Джон Буш, MIT / NSF

Адгезия

Адгезия — это тенденция соединения взаимодействовать с другим соединением. (Помните, что, напротив, сплоченность — это тенденция соединения взаимодействовать с самим собой.) Адгезия помогает объяснить, как жидкости взаимодействуют со своими контейнерами и с другими жидкостями.

Одним из примеров взаимодействия с высокой адгезией является взаимодействие воды и стекла. И вода, и стекло скрепляются полярными связями. Следовательно, два материала могут также образовывать благоприятные полярные взаимодействия друг с другом, что приводит к высокой адгезии. Возможно, вы даже видели эти привлекательные силы сцепления в действии в лаборатории. Например, когда вода находится в стеклянном градуированном цилиндре, вода поднимается по стенкам стекла, создавая вогнутую кривую наверху, называемую мениском, как показано на рисунке ниже.С другой стороны, вода в градуированных цилиндрах, сделанных из некоторых типов неполярного пластика, образует плоский мениск, поскольку между водой и пластиком нет ни притягивающих, ни отталкивающих сил сцепления. (См. Рисунок 8 для сравнения полярных и неполярных градуированных цилиндров.)

Рис. 8 : В градуированном цилиндре A, сделанном из стекла, мениск вогнутый; в пластиковом цилиндре В мениск плоский.изображение © Ахим Прилл / iStockphoto

Контрольная точка понимания

Когда межмолекулярные силы в жидкости слабы, жидкость имеет низкий уровень

Вязкость

В начале модуля мы сказали, что одной из определяющих характеристик жидкостей является их способность течь. Но среди жидкостей существует огромный диапазон того, насколько легко это происходит.Подумайте, с какой легкостью вы можете налить себе стакан воды по сравнению с относительной трудностью заливки густого медленно движущегося моторного масла в двигатель. Разница в их вязкости или сопротивлении потоку. Моторное масло довольно вязкое; воды не так много. Но почему?

Прежде чем мы углубимся в различия между водой и моторным маслом, давайте сравним воду с другой жидкостью: пентаном (C ₅ H ₁₂ ). Хотя мы не думаем о воде как о вязкой, на самом деле она на более вязкая, чем на , чем пентан.Помните, что молекулы воды образуют прочные водородные связи друг с другом. С другой стороны, пентан, состоящий только из атомов водорода и углерода, неполярен, поэтому единственными типами межмолекулярных сил, которые он может образовывать, являются относительно слабые силы лондонской дисперсии. Более слабые межмолекулярные силы означают, что молекулы могут легче перемещаться мимо друг друга или течь — следовательно, более низкая вязкость.

Но и вода, и пентан — относительно небольшие молекулы.Когда мы смотрим на жидкости, состоящие из более крупных молекул, размер также играет важную роль. Например, сравните пентан с моторным маслом, которое представляет собой сложную смесь крупных углеводородов, намного превосходящих малый пентан, а некоторые из них содержат десятки или даже сотни атомов углерода в цепи. Если вы когда-нибудь заливали моторное масло в двигатель, вы знаете, что оно довольно вязкое. Обе жидкости неполярны и поэтому обладают относительно слабыми межмолекулярными силами; разница в размере. Большие гибкие углеводороды моторного масла могут буквально запутаться со своими соседями, что замедляет поток.Это почти как горшок со спагетти: если вы не приготовите его правильно, у вас может получиться комок спутанной лапши, которую очень трудно подавать, потому что все они слиплись — в некотором смысле, это вязкая капля пасты. . Более короткие макаронные изделия или более мелкие молекулы не так сильно запутываются, поэтому они, как правило, менее вязкие (рис. 9).

Рис. 9 : Группа A состоит из больших молекул в запутанной капле (вязкая жидкость), а группа B состоит из более мелких молекул с меньшим количеством переплетений (менее вязкая жидкость).

Возвращаясь к нашему первоначальному сравнению моторного масла с водой, даже несмотря на то, что вода имеет такие сильные межмолекулярные силы, гораздо больший размер молекул в моторном масле делает масло более вязким.

Есть еще одна деталь в этой истории: температура. Нагревание жидкости делает ее менее вязкой, как вы, возможно, заметили, если когда-либо испытывали, насколько проще налить кленовый сироп на блины, когда сироп нагрет, чем когда он холодный.Это так, потому что температура влияет на оба фактора, которые в первую очередь определяют вязкость. Во-первых, повышение температуры увеличивает кинетическую энергию молекул, что позволяет им легче преодолевать межмолекулярные силы. Это также заставляет молекулы больше двигаться, поэтому те большие молекулы, которые запутались, когда они были холодными, становятся более динамичными и имеют больше возможностей скользить мимо друг друга, позволяя жидкости течь легче.

Контрольная точка понимания

Моторное масло течет медленнее, чем пентан-растворитель, поскольку моторное масло состоит из

Сложные жидкости

Когда вы думаете о воде, вы можете подумать о ее химической формуле, H ₂ O.Эта формула описывает чистую жидкость, состоящую только из молекул H ₂ O, без каких-либо других компонентов. На самом деле, однако, подавляющее большинство жидкостей, с которыми мы сталкиваемся, представляют собой сложные смеси многих соединений.

Растворы состоят из жидкого растворителя, в котором растворено одно или несколько растворенных веществ. Растворенные вещества могут быть твердыми, жидкостями и газами. Существует множество распространенных решений, в которых в качестве растворителя используется вода, включая соленую воду и практически любые ароматизированные напитки.Двуокись углерода (CO ₂ ) является обычным газообразным растворенным веществом в газированных напитках, а этанол — жидким растворенным веществом в любом алкогольном напитке. Хотя растворы представляют собой смеси нескольких соединений, свойства, описанные в предыдущем разделе, все же применимы.

Не все растворенные вещества растворяются во всех растворителях. Вы можете растворить огромные количества некоторых растворенных веществ в некоторых жидкостях, а другие растворенные вещества лишь незначительно растворимы в любом растворителе. Основное объяснение растворимости состоит в том, что «подобное растворяется в подобном.«Неполярные растворенные вещества обычно лучше растворяются в неполярных жидкостях, а полярные растворенные вещества лучше растворяются в полярных жидкостях. Например, масляные (и, следовательно, неполярные) краски требуют для очистки неполярного растворителя, такого как скипидар; они не растворяются в воде, которая является полярной. С другой стороны, поваренная соль или сахар, полярные твердые вещества, легко растворяются в воде при высоких концентрациях.

Более сложные решения включают эмульсии, коллоиды и суспензии.Вкратце, эмульсия — это хорошо диспергированная смесь двух или более жидкостей, которые обычно не смешиваются. Например, майонез представляет собой эмульсию масла, яичного желтка и уксуса или лимонного сока, которую получают путем очень энергичного перемешивания.

Коллоиды и суспензии состоят из нерастворимых в жидкости частиц. В коллоиде мельчайшие нерастворимые частицы распределены в жидкости и не разделяются. А суспензия, с другой стороны, представляет собой жидкость, которая содержит более крупные нерастворимые частицы, которые в конечном итоге разделяются.Молоко — полезный пример различия между этими двумя понятиями. Свежее молоко — это суспензия. Это сложная смесь компонентов, которые обычно не смешиваются — вода, жиры, белки, углеводы и многое другое — и если оставить ее в покое, жировые шарики отделятся от водной части смеси. (Помните разделение уксуса и масла в заправке для салата? Процесс разделения молока аналогичен, когда маслянистый жир отделяется от воды.) С другой стороны, молоко в большинстве продуктовых магазинов является коллоидным.Компоненты не разделяются благодаря процессу, называемому гомогенизацией, который разбивает жировые шарики на достаточно мелкие частицы, которые могут оставаться взвешенными в жидкости.

Контрольная точка понимания

Какое утверждение о растворенных веществах верно?

Помимо простых жидкостей

Мы обсудили множество различных жидкостей с разной когезией, адгезией и вязкостью, а также другими свойствами.Но помимо этого и без того большого разнообразия есть вещества, которые стирают различие между жидкостью и твердым телом. Например, в детстве вы, возможно, играли с oobleck, смесью воды и крахмала, получившей свое название из книги доктора Сьюза. Облек — это слизистая субстанция, которая может течь между вашими пальцами, если вы аккуратно держать ее в руках, но становится твердой и твердой, почти твердой, если вы ее сжимаете.

В качестве более технического примера рассмотрим материал, используемый в ЖК-телевизионных дисплеях и других электронных экранах.LCD — это жидкокристаллический дисплей. Это не означает, что в дисплеях используются и жидкости, и кристаллы; это означает, что они используют одновременно жидкий и кристаллический материал. Это может показаться противоречием — вы говорите, кристаллы — это твердые тела, а не жидкости, — но такие материалы существуют.

Первый обнаруженный жидкий кристалл был модифицированной версией холестерина, называемой холестерилбензоатом. Он твердый при комнатной температуре и плавится при температуре около 150 ° C, но потом все становится странно.При температуре около 180 ° C он снова меняет фазу, но не из жидкости в газ; он переходит от мутной жидкости к прозрачной жидкости. Австрийский ботаник и химик Фридрих Рейнитцер наблюдал это необычное поведение в 1888 году и обсуждал его со своим коллегой, немецким физиком Отто Леманном. Затем Леманн взял на себя расследование, изучая холестерилбензоат и другие соединения с аналогичным поведением двойного плавления. Когда он посмотрел на мутную фазу под микроскопом, он обнаружил, что материал выглядит кристаллическим, что является отличительной чертой твердых тел.Но и фаза текла, как жидкость. В 1904 году он ввел термин «жидкий кристалл» для описания этой фазы со свойствами, находящимися между характеристиками обычной жидкости и кристаллического твердого вещества. Жидкие кристаллы играют важную роль в биологии, особенно в мембранах, которые должны быть жидкими, но также должны сохранять регулярную структуру.

Есть также жидкости, которые настолько вязкие, что вас не обвинят в том, что они твердые, например, смола, вещество, полученное из растений и нефти.Он кажется почти твердым и разбивается, если ударить молотком, но если его оставить под действием силы тяжести, он будет течь чрезвычайно, очень медленно. Несколько лабораторий по всему миру проводят так называемые эксперименты по снижению смолы, в которых они оставляют немного смолы в воронке и ждут, пока она стечет; Между каждым падением проходит около 10 лет (Рисунок 10).

Рис. 10 : Эксперимент с падением высоты звука в Университете Квинсленда (батарея показана для сравнения размеров).image © John Mainstone & Amada44

Эти примеры веществ, ведущих себя таким образом, который, кажется, бросает вызов традиционным определениям фаз материи, иллюстрируют присущую науке сложность и естественный мир, даже когда дело доходит до такой, казалось бы, простой вещи, как определение того, является ли вещество — жидкость или твердое вещество. В этом модуле мы сосредоточились на определении и объяснении основных свойств жидкостей, что дает вам основу для размышлений о состояниях материи во всей их сложности.В других модулях мы обсуждаем твердую и газовую фазы, чтобы помочь вам сопоставить различные физические свойства этих состояний.

Сводка

Когда дело доходит до разных жидкостей, одни хорошо смешиваются, другие — нет; одни льются быстро, другие — медленно. Этот модуль обеспечивает основу для рассмотрения состояний материи во всей их сложности. Он объясняет основные свойства жидкостей и исследует, как межмолекулярные силы определяют их поведение.Определены понятия когезии, адгезии и вязкости. Модуль также исследует, как температура, размер и тип молекул влияют на свойства жидкостей.

Ключевые понятия

• Жидкости обладают некоторыми общими свойствами с твердыми телами (оба считаются конденсированными веществами и относительно несжимаемыми) и некоторыми с газами, такими как их способность течь и принимать форму своего сосуда.

• На ряд свойств жидкости, таких как когезия и адгезия, влияют межмолекулярные силы внутри самой жидкости.

• На вязкость влияют как межмолекулярные силы, так и размер молекулы соединения.

• Большинство жидкостей, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, на самом деле являются растворами, смесями твердого, жидкого или газообразного вещества в жидком растворителе.

• NGSS

• HS-C6.2, HS-PS1.A3, HS-PS1.A4

Рэйчел Бернштейн, Ph.D., Энтони Карпи, Ph.D. «Свойства жидкостей» Visionlearning Vol. ЧЭ-3 (5), 2015.

Свойства вещества: жидкости | Живая наука

Жидкое состояние вещества является промежуточной фазой между твердым телом и газом. Подобно частицам твердого тела, частицы в жидкости подвержены межмолекулярному притяжению; однако между частицами жидкости больше места, поэтому они не фиксируются на месте. Притяжение между частицами в жидкости поддерживает постоянный объем жидкости.

Движение частиц приводит к изменению формы жидкости. Жидкости будут течь и заполнять нижнюю часть емкости, принимая форму емкости, но не меняя ее объема. Ограниченное пространство между частицами означает, что жидкости имеют очень ограниченную сжимаемость.

Когезия и адгезия

Когезия — это склонность частиц одного вида притягиваться друг к другу. Эта когезионная «липкость» объясняет поверхностное натяжение жидкости.Поверхностное натяжение можно рассматривать как очень тонкую «оболочку» частиц, которые сильнее притягиваются друг к другу, чем к окружающим их частицам. Пока эти силы притяжения не нарушены, они могут быть удивительно сильными. Например, поверхностное натяжение воды достаточно велико, чтобы выдержать вес насекомого, такого как шкипер. По данным Геологической службы США, вода — самая связная неметаллическая жидкость.

Силы сцепления максимальны под поверхностью жидкости, где частицы притягиваются друг к другу со всех сторон.Частицы на поверхности более сильно притягиваются к идентичным частицам внутри жидкости, чем к окружающему воздуху. Этим объясняется тенденция жидкостей образовывать сферы с наименьшей площадью поверхности. Когда эти жидкие сферы деформируются под действием силы тяжести, они образуют классическую форму капли дождя.

Адгезия — это когда между различными типами частиц существуют силы притяжения. Частицы жидкости не только притягиваются друг к другу, но и обычно притягиваются к частицам, составляющим емкость, в которой находится жидкость.Частицы жидкости вытягиваются над уровнем поверхности жидкости на краях, где они контактируют со сторонами контейнера.

Комбинация сил когезии и адгезии означает, что на поверхности большинства жидкостей существует небольшая вогнутая кривая, известная как мениск. Наиболее точное измерение объема жидкости в градуированном цилиндре будет наблюдаться при просмотре меток объема, ближайших к нижней части этого мениска.

Адгезия также учитывает капиллярное действие, когда жидкость втягивается в очень узкую трубку.Один из примеров капиллярного действия — это когда кто-то берет образец крови, прикасаясь крошечной стеклянной трубкой к капле крови на кончике уколотого пальца.

Вязкость

Вязкость — это мера того, насколько жидкость сопротивляется свободному течению. О жидкости, которая течет очень медленно, говорят, что она более вязкая, чем жидкость, которая течет легко и быстро. Вещество с низкой вязкостью считается более тонким, чем вещество с более высокой вязкостью, которое обычно считается более густым.Например, мед более вязкий, чем вода. Мед гуще воды и течет медленнее. Вязкость обычно можно уменьшить, нагревая жидкость. При нагревании частицы жидкости движутся быстрее, позволяя жидкости течь легче.

Испарение

Поскольку частицы жидкости находятся в постоянном движении, они будут сталкиваться друг с другом и со стенками контейнера. Такие столкновения передают энергию от одной частицы к другой. Когда частице на поверхности жидкости передается достаточно энергии, она в конечном итоге преодолевает поверхностное натяжение, удерживающее ее по отношению к остальной части жидкости.Испарение происходит, когда поверхностные частицы получают достаточно кинетической энергии, чтобы покинуть систему. По мере выхода более быстрых частиц оставшиеся частицы имеют более низкую среднюю кинетическую энергию, а температура жидкости понижается. Это явление известно как испарительное охлаждение.

Летучесть

Летучесть можно представить как степень вероятности испарения вещества при нормальной температуре. Летучесть чаще является свойством жидкостей, но некоторые легколетучие твердые вещества могут сублимироваться при нормальной комнатной температуре.Сублимация происходит, когда вещество переходит прямо из твердого тела в газ, не проходя через жидкое состояние.

Когда жидкость испаряется внутри закрытого контейнера, частицы не могут покинуть систему. Некоторые из испарившихся частиц в конечном итоге вступят в контакт с оставшейся жидкостью и потеряют достаточно энергии, чтобы снова конденсироваться в жидкость. Когда скорость испарения и скорость конденсации одинаковы, чистого уменьшения количества жидкости не произойдет.

Давление, создаваемое равновесием пар / жидкость в закрытом контейнере, называется давлением пара . По данным химического факультета Университета Пердью, повышение температуры закрытой системы приведет к увеличению давления пара. Вещества с высоким давлением пара могут образовывать высокую концентрацию частиц газа над жидкостью в замкнутой системе. Это может привести к возгоранию, если пар воспламеняется. Любой небольшой искры, даже если она возникает в результате трения между частицами газа, может быть достаточно, чтобы вызвать катастрофический пожар или даже взрыв.Управление по безопасности и гигиене труда США (OSHA) требует, чтобы паспорта безопасности материалов и данных содержали информацию о летучести и воспламеняемости жидкостей, чтобы помочь предотвратить несчастные случаи.

Дополнительная литература

11.6: Свойства жидкостей — химия LibreTexts

Введение

Теперь, когда мы рассмотрели основные межмолекулярные силы, мы рассмотрим некоторые свойства жидкостей. В их число войдут:

1. Испарение и конденсация
2. Давление пара
   • Энтальпия испарения
   • Уравнение Клаузиуса-Клапериона
3. Температура кипения
4. Критическая температура и давление
5. Температура и давление поверхности

Испарение и конденсация

Молекула в жидкости, которая движется к поверхности жидкости, может иметь достаточно кинетической энергии, чтобы преодолеть силы сцепления, которые удерживают молекулы в жидкости вместе и уходят в паровую (газовую) фазу.Точно так же молекула в газовой (паровой) фазе, которая сталкивается с молекулами на поверхности жидкости, может передавать энергию молекулам жидкости и переходить в жидкую фазу. Это приводит к двум фазовым переходам.

1. Испарение — физическое изменение состояния, при котором химический объект превращается из жидкости в пар.
2. Конденсация — физическое изменение состояния, при котором химическое вещество превращается из газа (пара) в жидкость.
Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Двухфазная диаграмма, показывающая молекулы в жидкой фазе, переходящие в газовую фазу (испарение), и молекулы в газовой фазе, переходящие в жидкую фазу (конденсация).

Эту концепцию можно также распространить на твердые вещества, которые подвергаются сублимации и осаждению, и мы можем определить два типа веществ:

1. Летучие вещества — вещество, которое может испаряться или возгоняться.
2. нелетучая субстанция — вещество, которое не испаряется и не возгоняется.

Летучее вещество имеет измеряемое давление пара, которое представляет собой парциальное давление, создаваемое молекулами, вошедшими в газовую фазу.Нелетучие вещества не обладают измеряемым давлением пара. Следует также отметить, что термины «пар» и «газ» часто используются как синонимы, хотя между ними существует неявное различие. Молекула в паровой фазе — это молекула в газовой фазе, но подразумевается, что частицы могут быть также в твердой или жидкой фазе. То есть система является или была неоднородной. Таким образом, если образец воды полностью испаряется (значит, жидкости не остается), это чистый газ, но его часто называют паром, даже если это был чистый газ.

В этой главе мы рассмотрим жидкости, а в следующей главе мы рассмотрим твердые тела.

Давление пара

Давление пара жидкого вещества — это парциальное давление, создаваемое частицами этого вещества, которые обладают достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть силы сцепления у поверхности жидкости и войти в газовую фазу и образовать пар. В тот момент, когда химическое соединение входит в газовую фазу, оно может удариться о поверхность и снова конденсироваться в жидкую фазу (рисунок \ (\ PageIndex {1} \)).Если мы игнорируем межмолекулярные взаимодействия для молекул, которые входят в паровую фазу, мы можем использовать закон идеального газа (PV = nRT) для корреляции давления пара с количеством частиц в этой фазе, где давление пара становится парциальным давлением из-за газ.

\ [P_ {A} = \ frac {n_ {A} RT} {V} \]

Давление пара как равновесное давление

Хотя уравнение 11.6.1 описывает давление, создаваемое жидкостью (A), молекулы которой вошли в паровую фазу, это не всегда то, что химики называют давлением пара.Химики считают давление пара равновесным давлением, когда скорость испарения химических веществ равна скорости, с которой они конденсируются . Если эти скорости не равны, общее количество молекул в паровой фазе изменяется, и, следовательно, изменяется давление пара. Когда они равны, у вас есть динамическое равновесие, при котором отдельные частицы непрерывно испаряются и конденсируются, но количество частиц в газовой фазе постоянно, и это приводит к постоянному значению равновесного давления, которое называется давлением пара. этого вещества (над жидкой поверхностью).Эти значения зависят от температуры (см. Ниже) и часто приводятся в термодинамических таблицах как функция температуры.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \) иллюстрирует эту концепцию. Представьте, что у вас есть летучая жидкость (жидкость, которая может испаряться), которая полностью заполняет контейнер, поэтому над жидкостью не остается места (чтобы не было пара). Если затем вы немедленно удалите часть жидкости (скажем, шприцем), над жидкостью останется пустота, но не будет молекул. Они начнут испаряться, и скорость, с которой они испаряются, будет зависеть от поверхности (чем больше площадь поверхности, тем выше скорость) и температуры (которая описывает среднюю кинетическую энергию системы.Если температура и площадь поверхности постоянны, то скорость испарения постоянна (зеленая линия, рисунок \ (\ PageIndex {2} \)). Первоначально в газовой фазе не было жидких частиц, поэтому как парциальное давление (Рисунок \ (\ PageIndex {3} \)), так и начальная скорость конденсации (Рисунок \ (\ PageIndex {2} \)) равны нулю. Как только некоторые молекулы входят в газовую фазу, парциальное давление начинает расти (уравнение 11.6.1 и рисунок \ (\ PageIndex {3} \)), и некоторые из этих молекул теперь могут сталкиваться с поверхностью и конденсироваться.По мере того, как количество частиц в газовой фазе увеличивается, скорость их столкновения с поверхностью увеличивается, и поэтому скорость конденсации увеличивается (рисунок \ (\ PageIndex {2} \)). Количество частиц в газовой фазе продолжает расти до тех пор, пока скорость их испарения (постоянное значение) не станет равной скорости, с которой они конденсируются, и не будет достигнуто динамическое равновесное давление (плоская область кривых на рисунках 11.6. 2 и 3).

Вы должны знать, что постоянное значение равновесного давления — это то, что химики называют давлением пара , хотя, если система не находилась в равновесии (слева от пунктирной линии, указывающей, что скорости конденсации и испарения равны), мы бы все еще называли это давлением пара.На рисунке \ (\ PageIndex {4} \) показан прибор для измерения давления пара жидкости. Это часто является проблемой для студентов, поскольку значение слова часто зависит от контекста (например, кислород — это одноатомный атом «O» или двухатомная молекула «O ₂ »?) Если мы специально не описываем систему которое не находится в равновесии, давление пара является равновесным давлением, когда скорости испарения равны конденсации, и это имеет определенное значение (которое является функцией температуры).

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Скорость испарения и конденсации летучего жидкого вещества, которое в нулевой момент времени может переходить в газовую фазу при постоянной температуре. Скорость испарения связана с площадью поверхности и, таким образом, постоянна, в то время как скорость конденсации зависит от количества частиц в газовой фазе и увеличивается со временем, пока не достигнет скорости испарения, при которой устанавливается динамическое равновесие. достигнуто.
Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): этот рисунок соответствует рисунку 11.6.c, но показывает, как парциальное давление летучей жидкости (A) увеличивается со временем. То, что химики называют давлением пара вещества, является равновесным давлением пара.
Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Манометр с закрытым концом (правая сторона не подвергается воздействию атмосферы) находится в равновесии (жидкость в трубке, скажем, ртуть, находится на той же высоте), и первоначально нет жидкости. Во время (а) в колбу слева впрыскивается летучая жидкость, которая начинает испаряться, вытесняя ртуть, и ртуть поднимается до максимального значения (когда скорость испарения равна конденсации), и это равновесное давление составляет пар давление летучего соединения (в мм рт. ст. или торр, если жидкость — рт. ст.).

Следует подчеркнуть, что давление пара является равновесным явлением и, следовательно, требует, чтобы газ находился в закрытом контейнере. Если емкость с водой закрыта, часть воды испарится, пока не достигнет равновесного давления пара. Если контейнер открыт для атмосферы, вся вода в конечном итоге испарится, и у вас будет газ, а не газ, находящийся в равновесии с жидкостью.

Температурная зависимость давления пара

Нам необходимо понять, что такие понятия, как жидкость, газ, испарение и конденсация, являются свойствами не отдельных химических объектов, таких как молекула или атом, а огромного их количества, и их следует рассматривать как свойства ансамбля частиц, и не отдельных атомов или молекул.Группа молекул имеет свои энергии, распределенные по диапазону значений, что приводит к профилям скорости, подобным показанным на рисунке 11.6.5. Площади под кривыми равны и представляют общее количество молекул в образце. При повышении температуры кривая сглаживается и тянется вправо, поскольку все больше молекул движется быстрее. Если V _escape — минимальная скорость, необходимая для выхода из поверхности жидкости, только те молекулы со скоростью, равной или большей, могут ускользнуть (заштрихованная часть кривой).Из рисунка 11.6.5 видно, что доля молекул, которые могут войти в газовую фазу (отношение заштрихованной площади к общей площади под кривой), увеличивается с повышением температуры, и поэтому количество молекул в паровой фазе увеличивается. при повышении температуры. Это приводит к увеличению давления пара в зависимости от температуры, что показано на рисунке 11.6.6 для различных веществ.

Рис. \ (\ PageIndex {5} \): профиль скорости, показывающий, как отдельные молекулы в веществе имеют переменную кинетическую энергию.Если V _escape представляет собой минимальную скорость, которая необходима молекуле вблизи поверхности для выхода из жидкой фазы, то только те молекулы, скорость которых превышает ее, могут войти в газовую фазу. По мере увеличения температуры количество молекул со скоростью, превышающей V _escape , увеличивается, и большее количество молекул входит в паровую фазу.

Следует отметить, что то, что частица движется достаточно быстро, чтобы покинуть поверхность, не означает, что она будет двигаться, поскольку она также должна двигаться в правильном направлении.

На следующем рисунке (11.6.6) мы смотрим на давление пара как функцию температуры. Это важная диаграмма для понимания, поскольку она связывает молекулярную структуру с давлением пара вещества. То есть, для молекул одинаковой массы, чем сильнее межмолекулярные силы, тем ниже давление пара. Мы можем как бы визуализировать взаимодействие двух различных и противоположных энергий; увеличение кинетической энергии, которая способствует паровой фазе, в то время как увеличение межмолекулярных сил способствует жидкой фазе.В следующем разделе мы рассмотрим это более подробно, и вам следует вернуться к этой диаграмме.

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): график зависимости давления пара от температуры для различных веществ. Следует отметить, что это «ограниченная функция», где нижний предел соответствует температуре плавления, а верхний предел — температуре кипения вещества. То есть концепция давления пара требует наличия жидкой фазы. Итак, для воды при давлении 1 атм нижний предел составляет 0 ^o C (как показано ниже, у вас есть лед), а верхний предел равен 100 90 342 o 90 343 C, как и выше, у вас есть чистый газ.

Давление пара: межмолекулярные силы, массы частиц и энтальпия испарения

Из кинетической молекулярной теории газов и наших исследований закона излияния Грэма мы знаем, что кинетическая энергия пропорциональна абсолютной температуре, и при повышении температуры мы увеличиваем кинетическую энергию, 1 / 2mv ² (где m = масса и v = скорость), и, таким образом, легкая молекула будет двигаться быстрее, чем тяжелая. Конечно, для газа или жидкости у вас есть ансамбль частиц и функция распределения по скоростям, как на рисунке 11.6.7, где более легкие частицы имеют тенденцию двигаться быстрее, чем более тяжелые (если у них схожие межмолекулярные силы).

Рисунок \ (\ PageIndex {7} \): Профиль постоянной температуры и скорости двух одинаковых неполярных молекул, хлора и фтора. Обратите внимание, что более легкие молекулы имеют тенденцию двигаться быстрее, чем более тяжелые, и если бы была температура, при которой они оба существовали в виде жидкости, давление паров фтора было бы выше, чем у хлора.

Вкратце:

• Более легкие молекулы имеют тенденцию двигаться быстрее, чем более тяжелые при данной температуре, поэтому увеличение массы приводит к снижению давления пара.
• Более сильные межмолекулярные силы подавляют давление пара

Эти эффекты очевидны в 11.6.6, где мы можем наблюдать несколько тенденций при данном давлении, и вы должны быть в состоянии объяснить эти

• При заданной температуре P _{диэтиловый эфир} > P _этанол > P _вода > P _{этиленгликоль} . Диэтиловый эфир неполярен, поэтому, несмотря на то, что он самый тяжелый, он имеет самые слабые межмолекулярные силы и легче всего испаряется.Остальные три соединения не только полярны, но и имеют водородные связи. Этанол имеет одну группу ОН, в то время как вода и этиленгликоль имеют две группы, поэтому, хотя он тяжелее воды, он имеет более низкое давление пара. И вода, и этиленгликоль имеют две группы ОН, но вода легче, и поэтому имеет более высокое давление пара.
• При данной температуре P _вода > P _{н-октан} , хотя вода имеет водородные связи, н-октан составляет 114 а.е.м., вес 6.В 3 раза больше, чем у воды, и будучи большой сильно поляризуемой молекулой с большой площадью поверхности, она обладает сильными лондонскими дисперсионными силами.
• У ртути очень низкое давление пара, и необходимо понимать, что, будучи металлом, он имеет металлические связи, которые мы рассмотрим в следующей главе. Хотя ртуть в стандартных условиях является жидкостью с небольшим давлением пара, ее пары представляют собой серьезную проблему для здоровья, поскольку она биоаккумулируется.

Энтальпия испарения — это энтальпия, необходимая для преобразования одного моля вещества из жидкости в пар, и на нее влияют как масса частицы, так и ее межмолекулярные силы.Чем выше энтальпия испарения, тем больше энергии требуется для испарения вещества и тем ниже давление пара. Более высокая масса и более сильные межмолекулярные силы приводят к более высокой энтальпии парообразования и более низкому давлению пара.

Уравнение Клаузиуса-Клапейрона: Математический вывод давления пара

В сущности, давление пара над жидкостью представляет собой распределение частиц между двумя фазами, жидкостью и газом, то есть в каждой фазе есть доля частиц.{- \ frac {\ Delta H_ {vap, A}} {RT}}} _ {\ text {экспоненциальная форма}} \ label {11.6.2} \]

\ [\ underbrace {\ ln P_ {A} = — \ frac {\ Delta H_ {vap, A}} {RT} + C} _ {\ text {логарифмическая форма}} \ label {11.6.3} \]

где:

• P _A = Давление пара над летучей жидкостью «A»
• \ (\ Delta H_ {vap, A} \) = энтальпия испарения для «A», всегда положительная, потому что она эндотермическая
• R = 8,314 Дж / моль-К (идеальная газовая постоянная)
• T = Абсолютная температура в Кельвинах (всегда положительная
• k = положительная константа в единицах давления, мы будем рассматривать ее как «неизвестную константу», но она связана с максимально возможным давлением и не будет использоваться в наших расчетах.{положительное \: число}} = \ frac {1} {число> 1} \) = дробь
  • \ (\ Delta H_ {vap, A} \)
    • Когда \ (\ Delta H_ {vap, A} \) становится малым и приближается к нулю, дробь приближается к 1 как e ⁰ = 1
    • Когда \ (\ Delta H_ {vap, A} \) становится большим, а e ^{большое число} становится очень большим, и величина, обратная большому числу, приближается к нулю.
  • RT Это термин молярной кинетической энергии, связанный с трехмерным поступательным движением (через закон идеального газа он связан с работой фотоэлектрической энергии, из раздела 5.{- \ frac {\ Delta H_ {vap, A}} {RT}} \) приближается к 0.

    Помните, что при постоянном давлении наименьшая Т определяется точкой замерзания, а самая высокая Т определяется точкой кипения, , и только в этом диапазоне можно создать систему, в которой пар может находиться в равновесии с жидкостью. Ниже этой температуры жидкость замерзает, а выше у нее появляется газ (как только система достигает равновесия).

    Из ур. 11.6.3, наклон линейного графика lnP _v как функции обратной температуры (1 / T) равен — \ (\ Delta H_ {vap, A} \) / R и может использоваться для измерения энтальпии испарения.

    Рисунок \ (\ PageIndex {8} \): График натурального логарифма давления пара в зависимости от обратной температуры может быть использован для измерения энтальпии парообразования. \ (\ Delta H_ {vap, A} \) = — R (Наклон).

    Двухсторонняя форма уравнения Клаузиуса-Клаперирона:

    Подход с двумя состояниями будет использоваться снова и снова в этом семестре, и он был введен в генхиме 1 в газовых законах (раздел 10.2.4), когда он применялся к уравнению идеального газа, а здесь он применяется к уравнению Клаузиуса- Уравнение Клапериона, которое является экспоненциальным уравнением.{\ frac {\ Delta H_ {v}} {R} (\ frac {T_1-T_2} {T_2T_1})}} \ label {11.6.6} \]

    Логарифмическая форма:

    Вы можете взять натуральный логарифм уравнения. 11.6.5 и найти энтальпию испарения

    \ [ln (\ frac {P_1} {P_2}) = — \ frac {\ Delta H_V} {R} \ left (\ frac {1} {T_1} — \ frac {1} {T_2} \ right) \ этикетка {11.6.7} \]

    Это можно изменить на

    \ [\ Delta H_V = \ frac {R} {\ frac {1} {T_2} — \ frac {1} {T_1}} ln (\ frac {P_1} {P_2}) \ label {11.6.8} \ ]

    или

    \ [\ Delta H_V = \ frac {RT_1T_2} {T_1-T_2} ln \ frac {P_1} {P_2} \ label {11.6.9} \]

    У форм, представленных в уравнениях 11.6.6 и 11.6.9, есть преимущества в том, что их легче «читать». Вы знаете, что с повышением T давление пара повышается, и вы знаете, что энтальпия парообразования должна быть положительной.

    Давайте посмотрим на 11.6.6:

    • Если T ₁ 2 , то показатель в правой части отрицательный и дробный, то есть P ₂ > P ₁ , что имеет смысл.
    • Если T _1> T ₂ , то показатель в правой части положительный, число больше 1, что означает P ₂

      1 , что имеет смысл.

    Давайте посмотрим на 11.6.9

    • Если T ₁ 2 , то P ₁

      2 ,

      • Член 1 / (T _1- T ₂ ) отрицательный
      • P _1/ P ₂ , — дробная часть, а ln дроби — отрицательное число

    Это означает, что энтальпия парообразования является положительным числом, поскольку деление отрицательного числа на положительное дает отрицательное число, и это имеет смысл.

    • Если T ₁ > T ₂ , то P ₁ > P ₂ ,
      • Член 1 / (T _1- T ₂ ) положительный
      • P _1/ P ₂ , больше 1 и ln является положительным числом

    Еще раз, энтальпия парообразования положительна.

    Уравнение Клаузиуса-Клапериона — первое уравнение такой формы, которое мы покрываем в этом семестре. По мере прохождения семестра у нас будут появляться другие аналогичные уравнения, такие как уравнение Аррениуса (экзамен 2) и уравнение свободной энергии Гиббса (экзамен 4).{o}\)»> -241,8

    Ответ

    72,27 Торр, что недалеко от опубликованного значения 71,93 Торр. Обратите внимание: сначала мы решили уравнение, а затем присвоили состояния. Это уравнение может принимать множество правильных форм. В конце задачи вы всегда должны спрашивать, имеет ли мой ответ смысл? В данном случае мы повысили температуру, что привело к увеличению давления пара, и это имеет смысл.Если в задаче вы поднимаете температуру, а давление падает, вам нужно внимательнее присмотреться к своей работе, чтобы увидеть, сможете ли вы найти свою ошибку. Обычно это либо математическая ошибка, либо неправильное присвоение данных алгебраическим переменным. Вот почему я создаю таблицу со столбцом для каждого состояния, так как это снижает вероятность переключения значений.

    Температура кипения

    Точка кипения определяется, когда давление пара равно давлению окружающей среды.При этом давлении молекулы в объеме жидкости превращаются в пар и пузыряются через жидкость. В этом разница между кипением и испарением.

    В чем разница между кипячением и испарением?

    • Испарение — поверхностные явления, при которых молекулы жидкости на поверхности испаряются, покидают силы сцепления (притяжения) и переходят в газовую фазу
    • Кипение — явление объемной жидкости, при котором жидкое состояние становится нестабильным и самопроизвольно образует пар, даже если он находится не у поверхности.Это происходит, когда давление пара равно давлению окружающей среды. Когда вы видите, как закипает вода, это не пузырьки воздуха, а водяной пар.

    Какие есть два способа кипячения вещества

    1. При постоянном давлении (изобара) увеличивайте температуру до тех пор, пока давление пара не сравняется с давлением окружающей среды
    2. При постоянной температуре (изотерме) понижайте давление окружающей среды, пока оно не сравняется с давлением пара.
    Рисунок \ (\ PageIndex {9} \): Кривая давления пара для воды, показывающая, как температура, при которой вода закипает, зависит от давления.

    Это объясняет, как скороварка или автоклав работает для приготовления пищи или стерилизации оборудования, потому что вы можете поднять температуру выше 100 ^o C. Это также объясняет, почему вам нужно варить яйцо дольше в горах, потому что атмосферное давление ниже. В таблице 11.6.1 показано, как температура кипения pt. различные места на Земле меняются по мере изменения высоты (помните, что давление возникает из-за «столба воздуха» над вами, и чем выше вы находитесь, тем меньше воздуха над вами.

    Что означает НОРМАЛЬНАЯ ТОЧКА КИПЕНИЯ?
    Нормальная точка кипения — это температура, при которой вещество кипит при давлении в 1 атмосферу

    Таблица 11.6.1 Точки кипения в различных точках Земли.

    Место	Высота над уровнем моря (футы)	Атмосферное давление (мм рт. Ст.)	Температура кипения воды (° C)
    Mt.Эверест, Непал / Тибет	29 028	240	70
    Богота, Колумбия	11 490	495	88
    Денвер, Колорадо	5280	633	95
    Вашингтон, округ Колумбия	25	759	100
    Мертвое море, Израиль / Иордания	−1312	799	101.4

    Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

    ---

    Учитывая следующие температуры плавления и кипения, укажите две причины, почему йод является твердым телом, а фтор — газом на STP?

    Галоген	МП (К)	п.н. (К)
    Ф. 2	53,5	85,0
    Класс 2	172.2	238,6
    Br 2	265,9	331,9
    Я 2	386,7	457,5

    Ответ

    Все вышеперечисленные молекулы неполярны, и между ними действуют силы Лондонской дисперсии (мгновенный диполь-индуцированный диполь).

    • Причина 1: Молекулы фтора легче и поэтому имеют тенденцию двигаться быстрее при данной температуре, чем более тяжелые молекулы йода (посмотрите на профили скорости).
    • Причина 2: Йод более поляризуем и, следовательно, имеет более сильные межмолекулярные силы. Он более поляризуемый, потому что у него (а) больше электронов и (б) больший объем, что приводит к тому, что его электроны менее плотно удерживаются (и, следовательно, более поляризуемы).

    Упражнение \ (\ PageIndex {2} \)

    ---

    Предсказать тенденцию изменения температур кипения следующих линейных углеводородов: CH ₄ , C ₂ H ₆ , C ₃ H ₈ , C ₄ H ₁₀ и C ₅ Н ₁₂ :

    Ответ

    CH ₄ 2 H ₆ 3 H ₈ 4 H ₁₀ 5 H ₁₂ .потому что это направление (а) увеличения массы и (б) увеличения поляризуемости и, таким образом, увеличения сил дисперсии Лодона.

    Упражнение \ (\ PageIndex {3} \)

    ---

    Расположите следующие в порядке увеличения точки кипения.

    1. HF, HCl, HBr и HI

    Ответ

    HCl

    Критическая температура и давление

    Есть две текучие фазы: газ и жидкость.

    • Газовая фаза,
      • предпочтение при низком давлении (частицы далеко друг от друга)
      • Преимущество при высокой температуре (частицы имеют высокую кинетическую энергию, что делает силы притяжения незначительными)
    • Жидкая фаза
      • Преимущество при высоком давлении (молекулы расположены близко друг к другу)
      • Предпочтение при низких температурах (силы притяжения могут конкурировать с движением и удерживать молекулы вместе

    Следующее видео было создано в ETH Zurich в рамках выставки по улавливанию и хранению углерода.В этом видео у них есть два вещества разной плотности, которые «плавают» на жидком диоксиде углерода при температуре 28 ^o ° C и 69 бар, но одно из них более плотное, чем сверхкритический диоксид углерода. Затем они поднимают его до критической точки 31,1 ^o ° C и 73,9 бар, и фазы сливаются, причем один поплавок опускается, а другой перемещается. Затем они возвращаются к исходному состоянию, и граница восстанавливается, и оба поплавка возвращаются на поверхность.

    YouTube, разработанный ETH Zurich, для описания сверхкритических флюидов https: // youtu.be / P9EftqFYaHg

    Мы вернемся к сверхкритическим флюидам и критической точке в следующей главе, когда рассмотрим фазовые диаграммы.

    Поверхностное натяжение, капиллярное действие и вязкость

    Введение

    Силы сцепления — это силы притяжения между частицами в веществе (или фазе), а адгезив — между двумя разными веществами (или фазами). Они могут объяснить такие свойства, как поверхностное натяжение и вязкость, а также такие явления, как капиллярное действие, и почему мениск иногда бывает вогнутым, а иногда — выпуклым.

    • Силы сцепления — межмолекулярные силы притяжения, удерживающие частицы жидкости вместе.
    • Сила сцепления — межмолекулярные силы между молекулами жидкости и другим веществом, например стеклянной поверхностью.

    Для них вы должны уметь предсказывать тенденции на основе межмолекулярных сил.

    Поверхностное натяжение

    На поверхности жидкости действуют незначительные силы сцепления, притягивающие жидкость к газовой фазе, но существенные силы сцепления, притягивающие жидкость к самой себе.В результате частицы вблизи поверхности жидкости ощущают чистую силу, втягивающую их в жидкость, что приводит к уменьшению площади поверхности, поэтому жидкости образуют капли. Поверхностное натяжение связано с силой, необходимой для увеличения площади поверхности, и может объяснить, почему такие предметы, как канцелярская скрепка, могут плавать, если они находятся на поверхности, но тонуть, если они находятся под поверхностью. Чем сильнее межмолекулярные силы, тем больше поверхностное натяжение.

    Рисунок \ (\ PageIndex {10} \) :.Диаграмма слева показывает векторную разность сил, действующих на частицу в жидкости в объеме и на поверхности. На картинке справа изображена скрепка, плавающая в воде, хотя она плотнее воды. (оба изображения взяты из Википедии).

    1:24 youtubeYoutube о поверхностном натяжении от лаборатории молекулярного литья Беркли, https://youtu.be/ciqNNRlS2yA.

    Капиллярное действие

    Благодаря капиллярному действию полярные жидкости, такие как вода, могут подниматься вверх по трубкам узкого диаметра против силы тяжести.

    Рисунок \ (\ PageIndex {11} \): действия капилляров, показывающие, как чем тоньше трубка, тем выше поднимается вода.

    На самом деле не все вещества поднимаются вверх, некоторые даже падают. Это результат взаимодействия жидкости с твердым телом, и здесь действуют два типа сил: когезионные и адгезионные.

    Стекло создано на основе диоксида кремния (например, песка), а поверхность имеет множество гидроксильных групп (ОН), которые могут участвовать в водородных связях. Это приводит к сильным силам сцепления с полярными растворителями, такими как вода, и если силы сцепления превышают силы сцепления, вода будет ползать вверх по маленькой капиллярной трубке, как показано на рисунке 11.6. м.

    Рисунок \ (\ PageIndex {12} \): Две стеклянные капиллярные трубки помещены в полярную и неполярную жидкости. В случае стекла в воде силы сцепления больше, чем силы сцепления, и вода притягивается вверх по трубке. В случае ртути, которая не притягивается к стеклу, силы сцепления больше, чем у клея, и возникает фактическое углубление, поскольку ртуть отталкивается от трубки.

    Мениск: Мениск изгибается вверх, когда силы сцепления> силы сцепления, и вниз, когда силы сцепления> силы сцепления.В случае воды и стекла небольшая пленка воды поднимается по поверхности устройств большого диаметра, таких как бюретки и градуированные цилиндры, и вы читаете с нижней части мениска. В случае с такими приборами, как ртутные термометры и барометры, вы читаете от верхней части мениска.

    • Клей> Когезив — мениск поднимается вверх
    • Когезив> Клей — мениск опускается

    Рисунок \ (\ PageIndex {13} \): Диаграмма, показывающая различные типы мениска.

    Вязкость — сопротивление потоку

    Вязкость жидкости является мерой ее сопротивления потоку. Жидкость с высокой вязкостью подобна патоке и имеет большое сопротивление потоку, тогда как жидкость с низкой вязкостью будет похожа на воду и иметь низкое сопротивление потоку. Следующие 2 You Tubes демонстрируют жидкости с высокой и низкой вязкостью.

    0,33 мин. Youtube, показывающий разлив жидкости с высокой и низкой вязкостью, https://youtu.be/vNzTYzjLgKE.

    0,33 мин. Анимация на YouTube, показывающая, как свинцовый шар падает в два цилиндра, один с жидкостью с высокой вязкостью, а другой с жидкостью с низкой вязкостью.

    Единицами вязкости являются пуаз (П) или сантипуаз (сП

    1P = 0,1 Н с м ^-2 = 0,1 Паскаль-секунду
    1cP = 0,001 Н с м ^-2

    Таблица \ (\ PageIndex {2} \): вязкость и поверхностное натяжение для различных веществ. Не то, что неполярные молекулы, такие как диэтиловый эфир, имеют низкую вязкость, в то время как молекулы с тяжелыми водородными связями, такие как глицерин, имеют большую вязкость.

    Обычная жидкость	Вязкость / сП	Поверхностное натяжение / Н · м-1
    Диэтиловый эфир	0.233	0,0728
    Хлороформ	0,58	0,0271
    Бензол	0,652	0,0289
    Тетрахлорметан	0,969	0,0270
    Вода	1,002	0,0728
    Этанол	1.200	0,0228
    Меркурий	1,554	0,436
    Оливковое масло	84	–
    Касторовое масло	986	–
    Глицерин	1490	0,0634
    Очки	очень большой	–

    Вязкость сильно зависит от температуры, как показано в таблице 11.6,3

    Таблица 11.6.3: Вязкость воды как функция температуры.

    Температура / ° C	Вязкость / сП
    20	1,002
    40	0,653
    60	0,467

    Свойства жидкостей

    10.3 Свойства жидкостей

    Цели обучения

    1. Определите давление пара жидкостей.
    2. Объясните происхождение как поверхностного натяжения, так и капиллярного действия.

    Есть некоторые свойства, которыми обладают все жидкости. Наиболее знакомая нам жидкость — это, вероятно, вода, и она обладает этими свойствами. Они есть и в других жидкостях, о чем следует помнить.

    Все жидкости имеют определенную часть своих частиц, обладающих достаточной энергией для перехода в газовую фазу, и если эти частицы находятся на поверхности жидкости, они это делают (Рисунок 10.5 «Испарение»). Образование газа из жидкости при температурах ниже точки кипения называется испарением. Образование газовой фазы из жидкости при температурах ниже точки кипения. При этих температурах материал в газовой фазе называется паром Материал в газовой фазе. из-за испарения, а не газа; термин газ зарезервирован для случаев, когда газовая фаза является стабильной фазой.

    Рисунок 10.5 Испарение

    Некоторые частицы жидкости обладают достаточной энергией, чтобы покинуть жидкую фазу и стать паром.

    Если доступный объем достаточно велик, в конечном итоге вся жидкость превратится в пар. Но если доступного объема недостаточно, в конечном итоге некоторые частицы пара снова войдут в жидкую фазу (рис. 10.6 «Равновесие»). В какой-то момент количество частиц, попадающих в паровую фазу, будет равно количеству частиц, покидающих паровую фазу, поэтому чистое изменение количества пара в системе отсутствует. Мы говорим, что система в состоянии равновесия . Парциальное давление пара в состоянии равновесия называется давлением пара жидкости .

    Рисунок 10.6 Равновесие

    В какой-то момент количество частиц, попадающих в паровую фазу, будет уравновешено количеством частиц, возвращающихся в жидкость. Эта точка называется равновесием.

    Поймите, что жидкость не перестала испаряться. Обратный процесс — конденсация — происходит так же быстро, как и испарение, поэтому чистое изменение количества пара в системе отсутствует. Термин динамическое равновесие — это ситуация, в которой процесс все еще происходит, но противоположный процесс также происходит с той же скоростью, так что в системе нет чистых изменений.представляет ситуацию, в которой процесс все еще происходит, но противоположный процесс также происходит с той же скоростью, поэтому в системе нет чистых изменений.

    Давление пара вещества зависит от температуры вещества; с повышением температуры увеличивается и давление пара. Рисунок 10.7 «Графики зависимости давления пара от температуры для нескольких жидкостей» представляет собой график зависимости давления пара от температуры для нескольких жидкостей. Определив давление пара, мы также можем переопределить точку кипения жидкости: температуру, при которой давление пара жидкости равно давлению окружающей среды.Таким образом, нормальное давление пара — это температура, при которой давление пара составляет 760 торр, или ровно 1 атм. Таким образом, точки кипения зависят от давления окружающей среды, что может иметь большое значение для приготовления пищи на более низкой или более высокой, чем обычно, высоте. Атмосферное давление значительно зависит от высоты.

    Рисунок 10.7 Графики зависимости давления пара от температуры для нескольких жидкостей

    Давление пара жидкости зависит от идентичности жидкости и температуры, как показано на этом графике.

    Пример 4

    Используйте рисунок 10.7 «Графики зависимости давления пара от температуры для нескольких жидкостей», чтобы оценить температуру кипения воды при 500 торр, что является приблизительным атмосферным давлением на вершине Эвереста.

    Решение

    См. Прилагаемый рисунок. Пятьсот торр составляет от 400 до 600, поэтому мы продлим линию от этой точки на оси y до кривой для воды, а затем опускаем ее до оси x , чтобы считать соответствующую температуру.Похоже, что точка на кривой давления водяного пара соответствует температуре около 90 ° C, поэтому мы заключаем, что температура кипения воды при 500 торр составляет 90 ° C.

    Проверьте себя

    Используйте рисунок 10.7 «Графики зависимости давления пара от температуры для нескольких жидкостей», чтобы оценить точку кипения этанола при 400 торр.

    Ответ

    около 65 ° C

    Кривая давления пара для воды не совсем равна нулю при температуре плавления —0 ° C.Даже лед имеет давление пара; вот почему со временем он возвышается. Однако давление пара твердых тел обычно намного ниже, чем у жидкостей. При −1 ° C давление пара льда составляет 4,2 торр. При температуре морозильной камеры 0 ° F (-17 ° C) давление пара льда составляет всего 1,0 торр; так называемые морозильные камеры могут охладиться до -23 ° C, где давление пара льда составляет всего 0,6 торр.

    Все жидкости обладают также некоторыми другими свойствами. Поверхностное натяжение — эффект, вызванный дисбалансом сил, действующих на атомы на поверхности жидкости.- это эффект, вызванный дисбалансом сил на атомах на поверхности жидкости, как показано на Рисунке 10.9 «Поверхностное натяжение». Голубая частица в объеме жидкости испытывает межмолекулярные силы со всех сторон, как показано стрелками. Однако желтая частица на поверхности не испытывает никаких сил над ней, потому что над ней нет никаких частиц. Это приводит к дисбалансу сил, который мы называем поверхностным натяжением.

    Рисунок 10.9 Поверхностное натяжение

    Поверхностное натяжение возникает из-за того, что частицы на поверхности жидкости не взаимодействуют во всех направлениях, что приводит к дисбалансу сил на поверхности.

    Поверхностное натяжение отвечает за несколько хорошо известных характеристик жидкостей, включая воду. Жидкости с высоким поверхностным натяжением имеют тенденцию к образованию шариков, когда они присутствуют в небольших количествах (Рисунок 10.10 «Эффекты поверхностного натяжения»). Поверхностное натяжение заставляет жидкости образовывать сферы в свободном падении или в условиях невесомости (см. Рисунок 10.3 «Жидкости и гравитация»: «плавающая» вода принимает форму шара не случайно; это результат поверхностного натяжения). Поверхностное натяжение также является причиной того, что мелкие насекомые могут «ходить» по воде.Из-за поверхностного натяжения требуется энергия, чтобы разрушить поверхность жидкости, и если объект (например, насекомое) достаточно легкий, силы тяжести недостаточно для того, чтобы объект пробил поверхность, поэтому объект остается на поверхности воды (Рисунок 10.11 «Хождение по воде»). Если сделать это аккуратно, это явление также можно проиллюстрировать с помощью тонкого лезвия бритвы или скрепки.

    Тот факт, что маленькие капельки воды разбиваются о поверхность, не означает, что вода или любая другая жидкость не взаимодействует с другими веществами.Иногда влечение может быть очень сильным. Адгезия: тенденция вещества взаимодействовать с другими веществами из-за межмолекулярных сил. это тенденция вещества взаимодействовать с другими веществами из-за межмолекулярных сил, а когезия — тенденция вещества взаимодействовать с самим собой. это тенденция вещества взаимодействовать с самим собой. Если силы сцепления внутри жидкости сильнее, чем силы сцепления между жидкостью и другим веществом, тогда жидкость имеет тенденцию удерживаться сама по себе; он будет вздыматься.Однако, если силы сцепления между жидкостью и другим веществом больше, чем силы сцепления, тогда жидкость будет распространяться по другому веществу, пытаясь максимизировать границу раздела между другим веществом и жидкостью. Мы говорим, что жидкость смачивает другое вещество.

    Адгезия и когезия важны и для других явлений. В частности, если силы адгезии велики, то, когда жидкость вводится в трубку небольшого диаметра из другого вещества, жидкость движется по трубке вверх или вниз, как бы игнорируя силу тяжести.Поскольку крошечные трубки называются капиллярами, это явление называется капиллярным действием. Поведение жидкости на узких поверхностях из-за различий в адгезии и когезии. Например, один тип капиллярного действия — капиллярный подъем — наблюдается, когда вода или вода- жидкости на основе поднимаются в тонких стеклянных пробирках (например, капилляры, которые иногда используются в анализах крови), образуя изогнутую вверх поверхность, называемую мениском. Изогнутая поверхность, которую создает жидкость, приближаясь к твердому барьеру. эффект, которым полотенца и губки используют для сушки влажных предметов; матирование волокон образует крошечные капилляры, которые хорошо сцепляются с водой.Хлопок — хороший материал для этого; полиэстер и другие синтетические ткани не обладают подобным капиллярным действием, поэтому вы редко найдете банные полотенца из искусственного шелка. Аналогичный эффект наблюдается с жидким топливом или расплавленным воском и их фитилями. Считается, что капиллярное действие частично отвечает за транспортировку воды от корней к вершинам деревьев, даже высоких.

    С другой стороны, некоторые жидкости обладают более сильными силами сцепления, чем силы сцепления. В этом случае при наличии капилляра жидкость сбрасывается с его поверхности; это пример типа капиллярного действия, называемого капиллярной депрессией .В этом случае мениск изгибается вниз. У Меркурия очень сильные силы сцепления; когда капилляр помещается в бассейн с ртутью, поверхность ртутной жидкости вдавливается (рисунок 10.12 «Капиллярное действие»).

    Рисунок 10.12 Капиллярное действие

    (a) Капиллярный подъем наблюдается при сильной адгезии, например, с водой в тонкой стеклянной трубке. (b) Капиллярная депрессия наблюдается, когда силы сцепления превышают силы сцепления, например, с ртутью и тонкими стеклянными трубками.

    Химия везде: восковая эпиляция автомобиля

    Мы поощряем ответственных автовладельцев регулярно смазывать свои автомобили воском. Помимо улучшения внешнего вида автомобиля, он также помогает защитить поверхность, особенно если поверхность металлическая. Почему?

    Ответ связан с когезией и адгезией (и, в меньшей степени, с ржавчиной). Вода является важным фактором ржавления железа, иногда широко используемого в наружных кузовах автомобилей. Не допускайте попадания воды на металл — один из способов минимизировать ржавчину.Слой краски помогает в этом. Однако грязная или поцарапанная краска может притягивать воду, а силы сцепления позволяют воде смачивать поверхность, увеличивая ее контакт с металлом и способствуя появлению ржавчины.

    Воск состоит из длинных молекул углеводорода, которые плохо взаимодействуют с водой. (Углеводороды — это соединения с атомами C и H; дополнительную информацию об углеводородах см. В главе 16 «Органическая химия».) То есть тонкий слой воска не смачивается водой. Свежеполированный автомобиль имеет низкую силу сцепления с водой, поэтому вода скапливается на поверхности из-за ее сцепления и поверхностного натяжения.Это сводит к минимуму контакт между водой и металлом, тем самым сводя к минимуму ржавчину.

    Основные выводы

    • Все жидкости испаряются.
    • Если объем ограничен, испарение в конечном итоге достигает динамического равновесия и поддерживается постоянное давление пара.
    • Все жидкости испытывают поверхностное натяжение, дисбаланс сил на поверхности жидкости.
    • Все жидкости испытывают капиллярное действие, демонстрируя либо подъем, либо депрессию капилляров в присутствии других веществ.

    Упражнения

    1. В чем разница между испарением и кипячением?

    2. В чем разница между газом и паром?

    Уникальные свойства жидкостей

    Хотя вы познакомились с некоторыми взаимодействиями, которые удерживают молекулы вместе в жидкости, мы еще не обсуждали последствия этих взаимодействий для объемных свойств жидкостей.Теперь обратим наше внимание на три уникальных свойства жидкостей, которые во многом зависят от природы межмолекулярных взаимодействий: поверхностное натяжение, капиллярное действие и вязкость.

    Поверхностное натяжение

    В разделе 11.1 «Кинетическое молекулярное описание жидкостей» мы заявили, что жидкости имеют тенденцию принимать форму своих контейнеров. Почему же тогда небольшое количество воды на свежеприготовленном воском автомобиле образует выпуклые капли вместо тонкой сплошной пленки? Ответ кроется в свойстве поверхностное натяжение , которое зависит от межмолекулярных сил.

    Рисунок 11.9 «Изображение поверхностного натяжения в жидкости» представляет собой микроскопический вид капли жидкости. Типичная молекула внутри капли окружена другими молекулами, которые проявляют силы притяжения со всех сторон. Следовательно, на молекулу не действует сила чистая , которая заставила бы ее двигаться в определенном направлении. Напротив, молекула на поверхности испытывает чистое притяжение к капле, потому что снаружи нет молекул, которые бы уравновешивали силы, проявляемые соседними молекулами внутри.Поскольку сфера имеет наименьшую возможную площадь поверхности для данного объема, межмолекулярные взаимодействия притяжения между молекулами воды заставляют каплю принимать сферическую форму. Это максимизирует количество взаимодействий притяжения и минимизирует количество молекул воды на поверхности. Следовательно, капли дождя имеют почти сферическую форму, а капли воды на вощеной (неполярной) поверхности, которая не сильно взаимодействует с водой, образуют круглые бусинки (см. Фото в открытии главы). Грязный автомобиль покрыт смесью веществ, некоторые из которых полярны.Привлекательные взаимодействия между полярными веществами и водой заставляют воду растекаться в тонкую пленку вместо образования шариков.

    Рисунок 11.9 Изображение поверхностного натяжения в жидкости

    Молекулы на поверхности воды испытывают чистое притяжение к другим молекулам в жидкости, которое удерживает вместе поверхность объемного образца. Напротив, те, кто находится внутри, испытывают одинаковую силу притяжения.

    То же явление удерживает молекулы вместе на поверхности образца воды, как если бы они образовывали кожу.При наполнении стакана водой стакан может быть переполнен, так что уровень жидкости фактически будет на выше края . Точно так же швейную иглу или канцелярскую скрепку можно положить на поверхность стакана с водой, где она «плавает», даже если сталь намного плотнее воды (часть (а) на рис. 11.10 «Влияние высокого поверхностного натяжения» жидкой воды »). Многие насекомые пользуются этим свойством, чтобы ходить по лужам или водоемам, не утопая (часть (b) на рисунке 11.10 «Эффекты высокого поверхностного натяжения жидкой воды»).

    Рисунок 11.10 Влияние высокого поверхностного натяжения жидкой воды

    (a) Скрепка может «плавать» по воде из-за поверхностного натяжения. (b) Поверхностное натяжение также позволяет таким насекомым, как этот водомер, «ходить по воде».

    Такие явления являются проявлением поверхностного натяжения — энергии, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости на определенную величину.Поверхностное натяжение измеряется в единицах энергии на единицу площади (например, Дж / м2), что определяется как энергия, необходимая для увеличения площади поверхности жидкости на определенное количество. Поэтому поверхностное натяжение измеряется как энергия на единицу площади, например, джоуль на квадратный метр (Дж / м ² ) или дин на сантиметр (дин / см), где 1 дин = 1 × 10 ⁻⁵ Н. Значения поверхностного натяжения некоторых типичных жидкостей перечислены в таблице 11.4 «Поверхностное натяжение, вязкость, давление пара (при 25 ° C, если не указано иное) и нормальные точки кипения обычных жидкостей».Обратите внимание на корреляцию между поверхностным натяжением жидкости и силой межмолекулярных сил: чем сильнее межмолекулярные силы, тем выше поверхностное натяжение. Например, вода с ее сильной межмолекулярной водородной связью имеет одно из самых высоких значений поверхностного натяжения среди всех жидкостей, тогда как органические молекулы с низкой точкой кипения, которые обладают относительно слабыми межмолекулярными силами, имеют гораздо более низкое поверхностное натяжение. Ртуть — очевидная аномалия, но ее очень высокое поверхностное натяжение связано с наличием прочной металлической связи, которую мы обсудим более подробно в главе 12 «Твердые тела».

    Таблица 11.4 Поверхностное натяжение, вязкость, давление пара (при 25 ° C, если не указано иное) и нормальные точки кипения обычных жидкостей

    Вещество	Поверхностное натяжение (× 10 −3 Дж / м 2 )	Вязкость (мПа · с)	Давление пара (мм рт. Ст.)	Нормальная точка кипения (° C)
    Органические соединения
    диэтиловый эфир	17	0.22	531	34,6
    n -гексан	18	0,30	149	68,7
    ацетон	23	0,31	227	56.5
    этанол	22	1,07	59	78,3
    этиленгликоль	48	16,1	~ 0,08	198,9
    Жидкие элементы
    бром	41	0.94	218	58,8
    ртуть	486	1,53	0,0020	357
    Вода
    0 ° С	75.6	1,79	4,6	–
    20 ° С	72,8	1,00	17,5	–
    60 ° С	66,2	0,47	149	–
    100 ° С	58.9	0,28	760	–

    Добавление мыла и моющих средств, которые разрушают межмолекулярное притяжение между соседними молекулами воды, может снизить поверхностное натяжение воды. Поскольку они влияют на свойства поверхности жидкости, мыла и детергенты называются поверхностно-активными веществами или поверхностно-активными веществами. Вещества (поверхностно-активные вещества), такие как мыло и детергенты, нарушают привлекательные межмолекулярные взаимодействия между молекулами полярной жидкости, тем самым снижая поверхностное натяжение жидкости.. В 1960-х годах исследователи ВМС США разработали метод тушения пожаров на борту авианосцев с использованием «пен», которые представляют собой водные растворы фторированных поверхностно-активных веществ. Поверхностно-активные вещества снижают поверхностное натяжение воды ниже, чем у топлива, поэтому фторированный раствор может растекаться по горящей поверхности и тушить огонь. Такие пены теперь повсеместно используются для тушения крупномасштабных пожаров органических жидкостей.

    Капиллярное действие

    Межмолекулярные силы также вызывают явление, называемое капиллярным действием: тенденция полярной жидкости подниматься против силы тяжести в стеклянную трубку малого диаметра., которая представляет собой тенденцию полярной жидкости подниматься против силы тяжести в трубку малого диаметра (капилляр , ), как показано на рисунке 11.11 «Феномен капиллярного действия». Когда стеклянный капилляр помещается в емкость с водой, вода втягивается в трубку. Высота, на которую поднимается вода, зависит от диаметра трубы и температуры воды, но , а не от угла, под которым труба входит в воду. Чем меньше диаметр, тем выше поднимается жидкость.

    Рисунок 11.11 Феномен капиллярного действия

    Когда стеклянный капилляр помещен в жидкую воду, вода поднимается в капилляр. Чем меньше диаметр капилляра, тем выше поднимается вода. Высота воды не зависит от угла наклона капилляра , а не .

    Капиллярное действие является чистым результатом двух противоположных наборов сил: сил сцепления, межмолекулярных сил, удерживающих жидкость вместе, которые представляют собой межмолекулярные силы, удерживающие жидкость вместе, и сил адгезии, межмолекулярных сил притяжения между жидкостью и веществом, составляющим поверхность капилляра., которые представляют собой силы притяжения между жидкостью и веществом, составляющим капилляр. Вода имеет сильную адгезию к стеклу, содержащему полярные группы SiOH, и сильную межмолекулярную когезию. Когда стеклянный капилляр помещается в воду, поверхностное натяжение из-за сил когезии сужает площадь поверхности воды внутри трубки, в то время как адгезия между водой и стеклом создает направленную вверх силу, которая максимизирует площадь поверхности стекла, контактирующего с водой. . Если силы сцепления сильнее, чем силы сцепления, как в случае с водой, то жидкость в капилляре поднимается до уровня, на котором направленная вниз сила тяжести точно уравновешивает эту восходящую силу.Однако, если силы сцепления больше, чем силы сцепления, как в случае ртути и стекла, жидкость стягивается вниз в капилляр под поверхностью основной жидкости, чтобы минимизировать контакт со стеклом (часть (а) в Рисунок 11.12 «Эффекты капиллярного действия»). Верхняя поверхность жидкости в трубке называется мениском. Верхняя поверхность жидкости в трубке. Форма мениска зависит от относительной силы сил сцепления и сцепления. В жидкостях, таких как вода, мениск вогнутый; однако в жидкостях, таких как ртуть, которые обладают очень сильными силами сцепления и слабой адгезией к стеклу, мениск выпуклый (часть (b) на рисунке 11.12 «Эффекты капиллярного действия»).

    Обратите внимание на узор

    Полярные вещества вытянуты в стеклянный капилляр

    Свойства жидкостей

    Свойства жидкостей

    Свойства жидкостей

    Что такое испарение?

    Испарение — это процесс превращения жидкости в газ. Его еще называют испарением. Поскольку мы знаем, что частицы газа движутся быстрее, чем частицы жидкости, для того, чтобы жидкость превратилась в газ, требуется подвод энергии.Самый распространенный способ добавить энергии в жидкую систему — это добавить тепла.

    Когда жидкость набирает энергию, молекулы начинают двигаться быстрее. Если молекула находится на поверхности жидкости и имеет достаточно энергии, она может вырваться на свободу и превратиться в молекулу газа. Как и в случае с чем-либо в химии или жизни в этом отношении, есть и другие факторы, которые определяют, насколько легко молекула может вырваться из жидкости. Мы только что обсудили некоторые из них: межмолекулярные силы.

    Чем сильнее межмолекулярные силы, удерживающие жидкость вместе, тем больше энергии потребуется для их разрыва.На практике это означает, что жидкость с сильными межмолекулярными силами должна быть нагрета до более высокой температуры, прежде чем она испарится.

    Например: посмотрите на метан (CH ₄ MW 16 г / моль) и воду (H ₂ O 18 г / моль). Их молекулярные массы очень похожи, но их теплота испарения (сколько тепла на моль, которое нужно добавить, чтобы заставить их испариться) сильно различается. Вода имеет значение DH _vap , равное 40,7 кДж / моль, а метан имеет значение DH _vap , равное 8.2 кДж / моль. Метан фактически является газом при комнатной температуре из-за низкой теплоты испарения.

    Что такое конденсация?

    Ну, противоположность испарению, конечно. Процесс, при котором газ превращает фазы в жидкость. И если вы должны добавить энергию / нагреть жидкость, чтобы преобразовать ее в газ, вы должны удалить энергию или охладить газ, чтобы преобразовать его в жидкость. Есть смысл? Да. Что еще имеет смысл, так это то, что количество энергии, необходимое для перехода из газовой в жидкую фазу, будет таким же, как и для перехода из жидкости в газ, как раз противоположного знака.Таким образом, теплота испарения одинакова для обоих процессов, только положительная (эндогоническая / эндотермическая) для испарения и отрицательная (экзергоническая / экзотермическая) для конденсации.

    Еще одним свойством, которое влияет на значение DH _vap , является молекулярный вес или размер молекулы. Обычно это происходит потому, что у вас больше поверхностных (сила Лондона) взаимодействий между более крупными молекулами, чем между небольшими молекулами, а плотность более крупной молекулы обычно больше, чем плотность небольшой молекулы.Помните, что для того, чтобы попасть в воздух, молекула должна иметь более низкую плотность, чем молекулы воздуха вокруг нее. Таким образом, общая тенденция заключается в том, что по мере увеличения молекулярной массы / размера молекулы DH _vap будет расти. Исключения из тенденции будут иметь место, когда небольшая молекула способна к более сильной межмолекулярной силе, например. HF против HBr. HF водородные связи и, следовательно, имеет более высокое значение DH _vap .

    Итак, теперь, когда вы знаете все о том, что такое DH _vap , какого черта это нам нужно? Что ж, вот реальное применение этой важной для всех нас ценности: время высыхания лака для ногтей.Для лака для ногтей, если вы хотите, чтобы полироль высыхал быстрее, используйте растворитель с более низким значением DH _vap . Например: в таблице 2 приведены некоторые из наиболее распространенных растворителей, используемых в лака для ногтей. Метилацетат является предпочтительным растворителем для большинства. Это связано с тем, что он не только быстро сохнет, но и частично растворяется в воде.

    Еще один простой пример использования этого значения — определение количества тепла, необходимого для вскипания воды из кастрюли? DH _vap для воды — 40.7 кДж / моль. Если ваша кастрюля содержит 2,2 литра воды, и мы предполагаем, что плотность воды составляет ~ 1 г / мл, тогда масса воды в кастрюле составляет 2,2 x 10 ³ грамма. Молекулярная масса воды составляет 18,0 г / моль, это означает, что у нас 2,2 x 10 ³ грамма / 18,0 г / моль = 122,2 моль воды. Теперь мы можем использовать коэффициент 40,7 кДж / моль, чтобы показать, что для испарения всей воды в горшке потребуется 122,2 моль x 40,7 кДж / моль = 4974,4 кДж энергии.

    Что, если мы сделаем еще один шаг? Давайте объединим некоторые концепции, которые мы изучили в CHM1045, с концепцией, которую мы только что обсудили, и решим следующую проблему: сколько тепловой энергии требуется для преобразования
    5.00 кг льда при 0 ° C на 5,00 кг пара при 100 ° C?

    Что нам нужно посчитать? Сначала нам нужно преобразовать лед из твердого в жидкий, используя энтальпию плавления (значение, аналогичное теплоте испарения, которая измеряет количество тепла, необходимое для преобразования вещества из твердого в жидкое), а затем нам нужно нагреть материал от 0 до 100 градусов и, наконец, нам нужно преобразовать его из жидкости в газ с помощью тепла испарения.

    Итак, теперь мы знаем три шага, которые нужно предпринять, нам нужно собрать наши коэффициенты пересчета для использования:

    Шаг 1: Растопите твердый лед, для этого нам нужно знать DH _fus льда, который составляет 335 кДж / кг.Таким образом, мы можем просто умножить количество кг в нашем

    Шаг 2: Нам нужно нагреть жидкую воду от 0 до 100 градусов Цельсия. Энергия (q), необходимая для этого, может быть рассчитана с использованием q = mcDT, где m — масса воды, DT — изменение температуры, а c — удельная теплоемкость воды (концепция CHM1045, которая описывает, сколько тепловой энергии вещество может поглотить до того, как его температура повысится на один градус). Удельная теплоемкость воды составляет 4,19 Дж / г ^o C.

    Шаг 3. Превратите жидкую воду в пар при 100 ^o C.Для этого мы используем теплоту испарения, как делали выше. (Примечание: если вы переведете единицы измерения DH _Vap из кДж / моль в кДж / кг, вы получите ~ 2300 кДж / кг)

    Что такое давление пара?

    Давление пара — это измеримая величина, которая существует, когда жидкость и ее пар находятся в равновесии. Это возможно только в закрытых системах. Но учтите, что земная атмосфера считается замкнутой системой. В гораздо меньшем масштабе это будет, когда вы поместите любую жидкость в герметичный контейнер.Молекулы на поверхности жидкости будут превращаться в молекулы газовой фазы и возвращаться в жидкость до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Это то, что мы называем «динамическим равновесием». Когда молекулы из жидкости переходят в газовую фазу внутри контейнера, это увеличивает давление над жидкостью. Измерение этого давления (минус нормальное атмосферное давление) дает нам давление пара жидкости. Чем выше это давление, тем более летучая жидкость.Давление пара также зависит от температуры системы. У жидкости по-прежнему будет теплота испарения, с которой придется бороться, поэтому равновесное давление пара будет увеличиваться при более высоких температурах. (И любой, кто когда-либо готовил свой обед в микроволновой печи в закрытом контейнере для посуды, знает, что произойдет, если давление или температура станут слишком высокими, не так ли?)

    Практическое использование чисел давления пара:

    Вы уезжаете на выходные и хотите убедиться, что в клетке достаточно воды для птицы, чтобы она не умерла от жажды, пока вас нет.Если в вашей комнате в общежитии средняя температура 21 ^o C, сколько литров воды вам нужно налить, чтобы она оставалась на все выходные?

    Скважина, при 21 ^o C давление пара воды ~ 18 мм рт. Если предположить, что объем вашей комнаты в общежитии составляет примерно 5,0 x 10 ⁴ л, мы можем использовать закон идеального газа, чтобы определить, сколько воды испарится, и просто убедиться, что для птицы доступно больше, чем это количество.

    49.09 моль воды — это всего около 883 г воды или ~ 883 мл, поэтому, если мы оставим что-то сверх этого для птицы, он не испарится, и с птицей все будет в порядке!

    Несколько моментов, которые следует отметить в отношении приведенных выше расчетов: 1) Если бы комната была больше, нужно было бы испарить больше воды, прежде чем было бы достигнуто равновесное давление пара и 2) если бы температура была выше в комнате, равновесное давление пара было бы также выше. Давление пара зависит от температуры!

    Итак, для практического использования нам нужно знать, как давление пара изменяется в зависимости от температуры (таким образом вы можете оставить свою птицу в чужом доме, да! Даже если в их доме нет кондиционера).К сожалению, мы быстро видим, что большинство зависимостей давления пара от температуры не являются линейными, что делает прогнозы трудными, а то и невозможными. Бу!

    Не бойтесь, Клаузиус-Клапейрон здесь! Немец и француз зашли в бар … ну нет, это уже другая история. Так или иначе, немецкий физик по имени Клаузиус объединился с французским физиком по имени Клапейрон и разработал аккуратное небольшое уравнение, которое преобразует нелинейную зависимость между давлением пара и температурой в линейную, используя давление и температуру вещества в двух точках.

    Уравнение Клаузиуса-Клапейрона:

    В принципе, это уравнение можно использовать для различных целей: 1) Вы можете рассчитать теплоту испарения вещества, дважды измерив его температуру и давление. 2) Вы можете определить давление паров вещества при любой температуре, если вы знаете это DH _vap , а также температуру и давление в другой точке.

    Самая большая проблема, с которой сталкиваются студенты с этим уравнением, — это их неспособность выполнить математические манипуляции, сопровождающие его решения.Чтобы попрактиковаться в некоторых задачах, нажмите здесь .

    И еще несколько определений:

    Точки кипения:

    Точка кипения жидкости — это температура , при которой жидкость превратится в газ. Если атмосферное давление при этой температуре задано равным 1 атмосфере или 760 мм рт. Ст., То эта температура называется нормальной точкой кипения жидкости. Таким образом, точки кипения зависят от давления.(Чем ниже атмосферное давление, тем ниже температура кипения и наоборот). Это связано с тем, что атмосферное давление — это то, что давит на поверхность жидкости и удерживает ее внизу. Когда давление пара жидкости равно или превышает атмосферное давление, происходит кипение (или, другими словами, образуется пар), и молекулы газовой фазы вырываются с поверхности жидкости (вы видите это как пузырьки).

    Критические температура и давление:

    Температура и давление, при которых линия между жидкой и газовой фазами размывается, называются критической температурой и критическим давлением соответственно.При очень высоких температурах и давлениях свойства вещества напоминают свойства как жидкости, так и газа.

    Сверхкритические жидкости:

    Сверхкритическая жидкость (SCF) — это вещество, температура которого выше критической (TC) и критического давления (PC). Критическая точка представляет собой наивысшую температуру и давление, при которых вещество может существовать как пар и жидкость в равновесии. Это явление можно легко объяснить с помощью фазовой диаграммы для чистого диоксида углерода (рисунок ниже).На этом рисунке показаны области, где углекислый газ существует в виде газа, жидкости, твердого вещества или SCF. Кривые представляют температуры и давления, при которых две фазы сосуществуют в равновесии (в тройной точке сосуществуют три фазы). Кривая сосуществования газа и жидкости известна как кривая кипения. Если мы движемся вверх по кривой кипения, увеличивая как температуру, так и давление, тогда жидкость становится менее плотной из-за теплового расширения, а газ становится более плотным по мере роста давления.В конце концов плотности двух фаз сходятся и становятся идентичными, различие между газом и жидкостью исчезает, и кривая кипения заканчивается в критической точке. Критическая точка для диоксида углерода возникает при давлении 73,8 бар и температуре 31,1 ° C.

    
    

    Поверхностное натяжение:

    Молекулы на поверхности жидкости удерживаются в жидкости межмолекулярным притяжением со стороны молекул внизу и рядом с ними.Поверхностное натяжение измеряется в эрг / см ² или дин / см. Он возникает из-за того, что у атомов на поверхности отсутствуют связи. Энергия высвобождается при образовании связей, поэтому наиболее стабильная низкоэнергетическая конфигурация имеет наименьшее количество недостающих связей. Поэтому поверхностное натяжение пытается минимизировать площадь поверхности, в результате чего жидкости образуют сферические капли и позволяют насекомым ходить по поверхности, не тоня.

    Капиллярное действие:

    Капиллярное действие — это физический эффект, вызванный взаимодействием жидкости со стенками тонкой трубки.Капиллярный эффект зависит от способности жидкости смачивать конкретный материал. Жидкость, для которой этот эффект проявляется чаще всего, — это вода, потому что вода способна к сильным поверхностным взаимодействиям и потому, что вода присутствует повсеместно.

    Вода поднимается по тонкой стеклянной трубке из-за сильных водородных связей между водой и кислородом (и концевыми атомами водорода) на поверхности стекла (SiO 2 ; поверхностные атомы кислорода обычно связаны с водородом).Энергетическая выгода от новых межмолекулярных взаимодействий должна быть уравновешена гравитацией, которая пытается вернуть жидкость вниз. Следовательно, чем уже трубка, тем выше будет подниматься жидкость, потому что узкий столб жидкости весит меньше, чем толстый. Это процесс, при котором растения поглощают влагу из почвы.

    Вязкость:

    Вязкость — это внутреннее свойство жидкости, которая оказывает сопротивление потоку.

    .