Жидкость и ее свойства: Понятие о жидкости и ее физических свойствах.

Содержание

Понятие о жидкости и ее физических свойствах.

Что такое жидкость?



Поскольку гидравлика изучает законы равновесия и движения жидкости, необходимо определиться – что же такое жидкость и какими свойствами она обладает.
Согласно наиболее широко принятому определению, жидкостью называют агрегатное состояние вещества, сочетающее в себе признаки как твердого, так и газообразного состояния, т. е. являющееся некоторой переходной формой от твердого состояния вещества к газообразному. При этом жидкость обладает определенным рядом свойств, не присущих другим агрегатным состояниям.
Это сплошная среда, способная легко изменять свою форму под действием даже небольших силовых факторов.

Если рассматривать микроструктуру жидкого вещества, то, в отличие от газообразных веществ, жидкие сохраняют достаточно устойчивые связи между внутренними частицами, но менее прочные, чем у твердых веществ. Именно благодаря ослаблению внутренних связей между частицами, жидкости могут легко изменять форму (деформироваться), практически не выдерживая внешних нагрузок.

Эта способность жидкости деформироваться под действием даже малых сил называются текучестью.
Кроме того, массивы жидкости не обладают прочностью и могут легко распадаться на более мелкие составные части, вплоть до мельчайших капель, поэтому классические жидкости обычно называют «капельными жидкостями».

Еще одним свойством жидкостей, отличающих их от газов, является ничтожно малая сжимаемость, т. е. они почти не изменяют свой объем при сжатии в замкнутом объеме (сосуде). Именно это свойство жидкостей широко используется в различных гидроприводах механизмов.

Физические свойства жидкостей

Жидкости характеризуются следующими основными физическими свойствами: плотностью, удельным весом, удельным объемом, сжимаемостью, вязкостью.

Плотностью (или удельной массой) ρ (кг/м3) любого вещества называют массу этого вещества, заключенную в единице объема. Это определение в полной мере относится и к жидкостям:

ρ = m/V

Так, например, для дистиллированной воды при температуре 4 °С плотность ρ равна 1000 кг/м3, т.е. в каждом кубометре объема вмещается 1000 кг воды.

Удельным весом γ (Н/м3) называют вес единицы объема жидкости:

γ = G/V = mg/(m/ρ) = ρg

Очевидно, что удельный вес связан с удельной массой величиной q — ускорения свободного падения, поскольку вес любого тела на поверхности Земли определяется формулой: G = mq.
Для дистиллированной воды при температуре 4 °С удельный вес γ ≈ 9810 Н/м3. Это означает, что каждый кубометр воды притягивается к Земле силой тяжести примерно равной 9810 Н.

Удельным объемом v (м3/кг) жидкости называют объем, занимаемый единицей массы жидкости:

v = V/m = 1/ρ

Объем жидкости существенно зависит от температуры: при ее повышении он увеличивается и наоборот — при охлаждении уменьшается (единственным известным исключением является вода, которая после охлаждения ниже

+4 ˚С начинает расширяться).
Температурное изменение объема жидкости определяется температурным коэффициентом объемного расширения βT-1):

βT = (ΔV/V)ΔT,

где: ΔV = V — V1 = разность объемов после и до изменения температуры на величину ΔT.

Температурный коэффициент объемного расширения показывает, на какую часть от первоначального состояния изменяется первоначальный объем жидкости при изменении температуры на 1˚K.
Очевидно, что плотность жидкости тоже зависит от ее температуры:

ρ = m/V = m/(ΔV + V1) = m/V1(1 + βTΔT) = ρ1/(1 + βTΔT).

где: ρ1 плотность жидкости до изменения температуры на величину ΔT.

Пример решения задачи:

Определить плотность минерального масла при температуре 380 К, если при температуре 300 К она равна 0,893 кг/м3. Температурный коэффициент объемного расширения масла βT = 0,0076 К-1.

Решение: по приведенной выше формуле получаем:

ρ = = ρ1/(1 + βTΔT) = 0,893/[1+ 0,0078(380 — 300)] = 0,842 г/м3.

***



Сжимаемость (объемная сжимаемость, объемная упругость) – это способность жидкости изменять объем при сжатии, т. е. действием на нее давления. Объемная сжимаемость показывает, на какую величину изменится первоначальный объем жидкости при изменении оказываемого на нее давления на 1 Па.

Сжимаемость характеризуется коэффициентом сжимаемости βv.
Коэффициентом сжимаемости (объемного сжатия) называется отношение относительного изменения объема жидкости ΔV/V к изменению давления Δp:

βv

= — (ΔV/V)/Δp

Знак «минус» в формуле обусловлен тем, что положительному приращению давления р соответствует отрицательное приращение (т.е. уменьшение) объема V.
При изменении давления до 500 атм (49 МПа) коэффициент βv для воды практически постоянен и равен 4,9×10-10 м2 (Па-1).

Величину, обратную объемной сжимаемости, называют модулем объемного сжатия (Па):

Еж = 1/βv

Объемная сжимаемость не является постоянной характеристикой, она зависит от температуры жидкости и оказываемого на нее давления. Однако при давлениях, наиболее часто применяемых на практике в механизмах и устройствах, объемная сжимаемость жидкостей очень мала, и в обычных гидравлических расчетах ей пренебрегают, учитывая лишь в особых случаях, например, при расчетах некоторых гидроприводов, гидроавтоматики и явлениях гидроудара.

С упругими свойствами капельных жидкостей связаны, также, представления о сопротивлении жидкостей растяжению, т. е. деформации, обратной сжатию. Теоретически в капельных жидкостях могут возникать значительные напряжения растяжения, но в реальных жидкостях при наличии в них даже весьма незначительных примесей (твёрдые частицы, газы) уменьшает величину сопротивления жидкости растяжению практически до нуля.

По этой причине можно считать, что в капельных жидкостях напряжения растяжению невозможны.

***

Вязкостью называют свойство жидкости оказывать сопротивление относительному движению (сдвигу) слоев жидкости. Это свойство обусловлено возникновением в движущейся жидкости сил внутреннего трения, которые не проявляются в покоящейся жидкости.
Силы трения возникают из-за сцепления между молекулами и всегда действуют по касательной к плоскости относительного перемещения слоев жидкости. По этой причине в подвижных жидкостях возникают касательные напряжения τ (Па):

τ = Pt/S = µ×dv/dn,

где: Pt – сила внутреннего трения (Н), между слоями жидкости, отстоящими друг от друга на бесконечно малом расстоянии dn; выражение dv/dn является градиентом скорости, характеризующим изменение скорости частиц жидкости в соседних слоях, отстоящих на расстоянии dn; S – площадь соприкосновения этих слоев, м2; µ — коэффициент пропорциональности, называемый динамической вязкостью.

Динамическая вязкость характеризует касательное напряжение, создаваемое силами внутреннего трения между слоями жидкости, отстоящими по нормали на расстояние 1 м при относительной скорости 1 м/с.
Динамическая вязкость показывает, какую работу на единицу объемного расхода жидкости надо совершить для преодоления сил внутреннего трения.
Единицей динамической вязкости является Па×с:

Па×с = Работа/Объемный расход = Н×м/(м3/с) = Дж×с/м3.

Кроме динамической вязкости, в практических расчетах часто пользуются понятием кинематической вязкости v (м

2/с), которая представляет собой отношение динамической вязкости жидкости к ее плотности:

v = µ/ρ

Вязкость капельных жидкостей зависит от многих факторов: температуры, внешнего давления, количества растворенного в жидкости газа. Вязкость многих масел уменьшается при многократном дросселировании через тонкие отверстия и щели различных элементов гидросистем.

Кинематическую вязкость жидкостей измеряют вискозиметрами.
Вискозиметр представляет собой U-образную стеклянную трубку, в колено которой впаян тонкий капилляр с двумя расширениями и меткой между ними. При измерении вязкости определяют время τ протекания исследуемой жидкости под действием силы тяжести через метку из одного расширения капилляра в другое, и применяют формулу:

v = agτ/9,807,    где а — постоянная вискозиметра.

***

Для упрощения теоретических исследований и выводов Л. Эйлер ввел понятие «идеальная жидкость» — воображаемая жидкость, которая обладает абсолютной подвижностью, несжимаема и не обладает вязкостью, т. е. при движении в ней не возникают силы внутреннего трения.
Для применения к реальным жидкостям теоретических выводов, полученных для идеальных жидкостей, вводят поправки или коэффициенты, установленные экспериментально.

***

Поверхностное натяжение жидкости

Когда мы говорим о жидкости как о сплошной среде, это вовсе не означает, что эта среда бесконечна и безгранична. Жидкое тело всегда имеет границы, это либо твёрдые стенки каналов, либо границы раздела с газообразной средой, либо это граница раздела между различными несмешивающимися жидкостями. Такие границы можно с полным правом называть естественными границами.

В некоторых случаях границы могут выделяться условно внутри самой движущейся жидкости.
На естественных границах в пограничном слое жидкости между молекулами самой жидкости и молекулами окружающей жидкость среды существуют силы притяжения, которые, в общем случае, могут оказаться не равными.

В то же время силы взаимодействия между остальными молекулами жидкости, находящимися внутри объёма, ограниченного пограничным слоем эти силы взаимно уравновешены. Таким образом, остаются не уравновешенными силы взаимодействия между молекулами, находящимися лишь во внешнем (пограничном слое).
Тогда в пограничном слое возникают напряжения, которые автоматически балансируют не сбалансированные силы притяжения. Такие напряжения называются поверхностным натяжением жидкости.

Этому напряжению будут соответствовать силы поверхностного натяжения. Под действием этих сил малые объёмы жидкости принимают сферическую форму (форму капли), соответствующей минимуму внутренней энергии; в трубках малого диаметра жидкость поднимается (или опускается) на некоторую высоту по отношению к уровню покоящейся жидкости. Последнее явление носит название капиллярности.

Жидкость в трубке малого диаметра (капилляре) будет подниматься, если жидкость по отношению к стенке капилляра будет смачивающей жидкостью, и наоборот, будет опускаться, если жидкость для стенки капилляра окажется не смачивающей.

Силы поверхностного натяжения малы и проявляются при малых объёмах жидкости. Величина напряжений на границе раздела зависит от температуры жидкости; при увеличении температуры внутренняя энергия молекул возрастает, уменьшается напряжение в пограничном слое жидкости и, следовательно, уменьшаются силы поверхностного натяжения.

***

Растворимость газов в капельных жидкостях

В реальных жидкостях всегда находится в растворённом состоянии газ. Это может быть воздух, азот, углеводородный газ, углекислота, сероводород и др.
Наличие газа растворённого в жидкости может оказывать как благоприятное воздействие (снижается вязкость жидкости, плотность и т.д.), так и неблагоприятные факторы.

Так при снижении давления из жидкости выделяется свободный газ, который может стать источником такого нежелательного явления как кавитация; выделяющийся газ может оказаться не безопасным для окружающей среды, огнеопасным и взрывоопасным (например, углеводородный газ).
Газ, растворённый в жидкости, как и газ в свободном состоянии может также способствовать коррозии стенок труб и оборудования, вызывать химические реакции, ведущие к образованию отложений твёрдых солей на стенках труб, накипей и др.
По этой причине знание особенностей и законов растворения газа в жидкости крайне желательно.

***

Основное уравнение гидростатики и закон Паскаля


Главная страница


Дистанционное образование

Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты

Жидкость И: для дизельного топлива, состав

&nbsp

В зимний период, когда температура воздуха во многих регионах России опускается до -30ºС и ещё ниже, перед автовладельцами возникают сложные проблемы. Дизельные двигатели на транспортных средствах перестают нормально функционировать, так как при пониженных температурах весьма непросто запустить мотор. К тому же замерзает (кристаллизуется) вода, которая в процессе эксплуатации так или иначе образовывается в топливном баке.

 

Для преодоления этих трудностей часто используется жидкость «И». Изначально она была предназначена в качестве добавки к авиационному топливу. Сейчас сфера применения средства расширилась, и автовладельцы используют его как присадку к дизельному топливу и иногда бензину.

Состав 

Стоит заметить, что данная присадка встречается в двух вариантах отличных по составу:

  1. Жидкость И (Производители: ОАО ПО «Химпром» г. Кемерово, Компания «Волга-Ойл» Нижний Новогород) ;
  2. Жидкость И-М. (ЗАО «Заречье» Нижний Новгород).

Несмотря на различный состав, принцип действия, технические характеристики и эффективность применения обоих средств в общем-то абсолютно идентичны.

 

В состав жидкости «И» входят следующие компоненты: этилцеллозольв, изопропанол, а также поверхностно-активные добавки (ПАВ). Они предназначены для снижения поверхностного натяжения.

Присадка «И-М», в свою очередь, состоит только лишь из этилцеллозольва и метанола. Эти вещества распределены в «И-М» в равных долях. Важно знать, что все составляющие обеих жидкостей (кроме ПАВ) отличаются высокой токсичностью. Это свойство относится как непосредственно к самой жидкости, так и к её испарениям.

Технические характеристики

К основным техническим характеристикам жидкости «И» относятся следующие:

  • прозрачный цвет с немного желтоватым оттенком;
  • специфический запах; плотность в условиях нормальной комнатной температуры составляет от 858 до 864 кг/м3;
  • доля воды находится в пределах, не превышающих 0,4%;
  • коэффициент оптического преломления составляет от 1,36 до 1,38;
  • антикоррозийное воздействие не наблюдается;
  • летучесть присутствует;
  • гарантийный срок хранения составляет 1 год.

Производство средства «И», предназначенного для дизтоплива, осуществляется в строгом соответствии техническим требованиям. Применяются в этом случае отраслевой стандарт (ОСТ) 53-3-175-73-99, а также технические условия (ТУ) 0257-107-05757618-2001.

Применение присадки

Средство добавляется в топливо непосредственно во время заправки транспортного средства, при этом рекомендовано пользоваться специальным дозатором.

Средство заливают в топливный бак: 20 мл на 10 л топлива. Рекомендовано совмещать с бензином А-80 и А-92.

При добавлении средства нужно учитывать объём горючего и температуру окружающего воздуха. Так, при t = от 0ºС и до -15ºС рекомендуемое количество жидкости «И» составляет 0,1% относительно общего объёма дизтоплива, которое находится в баке.

Если на улице от -15ºС до -30ºС, то это количество увеличивается примерно до 0,2%.

 

При температуре в -30ºС и ниже доля присадки возрастает до 0,3%. При этом стоит заметить, что объём в 0,3% — это максимально допустимое количество жидкости «И», которое можно использовать. Если этот объём увеличить ещё больше, то это приведёт к негативным последствиям.

Чрезмерная концентрация данной присадки в дизельном топливе в худшую сторону повлияет на эксплуатационные возможности автомобильного двигателя. Кроме того, при переизбытке жидкости «И» снижается температура возгорания топлива.

Добавим также, что применение средства никак не влияет на физико-химические свойства топлива. Вместе с тем, использование жидкости «И» в длительный временной период не желательно, так как постепенно снижается смазывающая способность дизтоплива.

Преимущества и недостатки

Жидкостью «И» в основном пользуются российские собственники большегрузов и дальнобойщики. Они применяют её в качестве аналога зарубежным антигелям, которые не всегда эффективно действуют в условиях нашей зимы.

Главная задача средства — предотвращение кристаллизации растворённой в топливе воды.

Однако, у жидкости «И» есть и другие преимущества.

Во-первых, использование присадки способствует снижению вероятности образования льда в карбюраторе, а также в топливном фильтре.

Во-вторых, продлевается срок службы батареи аккумулятора и предотвращается износ двигателя.

В-третьих, после длительной остановки транспортного средства на открытом пространстве в зимних условиях применение жидкости помогает быстрее запустить двигатель.

В-четвёртых, использование средства позволяет применять так называемое летнее дизтопливо при холодной температуре.

В-пятых, при добавлении жидкости «И» улучшается сгорание топлива, что, в свою очередь, приводит к снижению токсичности отработанных газов. К этому можно добавить тот факт, что применение данной присадки не уменьшает октановое число бензина. К тому же средство очень экономично.

Использование жидкости «И» максимально эффективно при значительном снижении температуры. Это подтверждается специалистами Кемеровского центра стандартизации, метрологии и испытаний, которые провели соответствующее исследование. Сотрудники центра применили добавку «И» к дизельному топливу, а также к бензинам (марки А-80 и А-92). Согласно выводам экспертов, использование жидкости «И» улучшило низкотемпературные показатели всех рассматриваемых видов топлива, а именно температуру застывания и температуру помутнения.

Справедливости ради стоит отметить, что жидкость «И» обладает не только преимуществами, есть у неё и существенные недостатки.

К их числу, в первую очередь, относятся токсичность и пожароопасность. Важно знать, что ядовита как сама жидкость, так и её пары, поэтому при контакте с данной добавкой необходимо использовать средства индивидуальной защиты.

Кроме того, при хранении и использовании присадки нужно тщательно соблюдать меры противопожарной безопасности.

Добавим также, что жидкость «И» обладает гигроскопическим эффектом — способностью поглощать из воздуха водяные пары. По этой причине средство с течением времени постепенно утрачивает свою эффективность, а, значит, запасать его «на чёрный день» в больших количествах нет никакого смысла.

Кроме того, жидкость «И», а также уже разведённое с ней топливо не рекомендовано хранить в оцинкованной таре.

Жидкость «И», несмотря на некоторые свои недостатки, всё-таки обладает достаточно устойчивым спросом на отечественном рынке. Непосредственное влияние на это оказывают, конечно, наши климатические условия.

Многие автовладельцы или водители (как правило, тяжёлой техники вроде большегрузов или тягачей) признают данное средство весьма эффективным. Особенно это относиться к случаям, когда двигатель заправлен летним топливом.

Выручит присадка и в зимнюю стужу при вынужденной остановке машины из-за заглохшего двигателя.

Водителями отмечается также и довольно значительное улучшение работы фильтров. Пока в России будут суровые зимние холода, будет и спрос на специальные добавки к топливу. Жидкость «И» тоже будет присутствовать в этом списке.

примеры и свойства. Какие бывают жидкие тела

Выделяют три агрегатных состояния веществ: жидкость, вода и газ. Все они различаются по своим свойствам. Особое место в этом списке занимают жидкости. В отличие от твердых тел, в жидкостях молекулы не расположены упорядочено. Жидкость – это особое состояние вещества, являющееся промежуточным между газом и твердым телом. Вещества в этом виде могут существовать только при строгом соблюдении интервалов определенных температур. Ниже этого интервала жидкое тело превратится в твердое, а выше – в газообразное. При этом границы интервала напрямую зависят от давления.

Вода

Одним из основных примеров жидкого тела является вода. Несмотря на принадлежность к данной категории, вода может принимать форму твердого тела или газа – в зависимости от температуры окружающей среды. В процессе перехода из состояния жидкости в твердое, молекулы обычного вещества сжимаются. Но вода ведет себя совершенно иначе. При замерзании ее плотность снижается, и вместо того, чтобы тонуть, лед выплывает на поверхность. Вода в своем обычном, текучем, состоянии обладает всеми свойствами жидкости – у нее всегда имеется конкретный объем, однако, нет определенной формы.

Поэтому вода всегда сохраняет тепло под поверхностью льда. Даже если температура окружающей среды составляет -50°С, то подо льдом она все равно будет составлять около нуля. Однако в начальной школе можно не углубляться в подробности свойств воды или других веществ. В 3 классе примеры жидких тел можно приводить самые простые – и в этот список желательно включить воду. Ведь ученик начальной школы должен иметь общие представления о свойствах окружающего мира. На данном этапе достаточно знать, что вода в ее обычном состоянии является жидкостью.

Натяжение поверхности — свойство воды

Вода обладает большим, чем другие жидкости, показателем натяжения поверхности. Благодаря этому свойству образуются капли дождя, а, следовательно, и поддерживается круговорот воды в природе. Иначе пары воды не могли бы так легко превратиться в капли и пролиться на поверхность земли в виде дождя. Вода, действительно, является примером жидкого тела, от которого напрямую зависит возможность существования живых организмов на нашей планете.

Поверхностное натяжение объясняется тем, что молекулы жидкости притягиваются друг к другу. Каждая из частиц стремится окружить себя другими и уйти с поверхности жидкого тела. Именно поэтому мыльные и образующиеся при кипении воды пузыри стремятся принять жидкую форму – при этом объеме минимальной толщиной поверхности может обладать только шар.

Жидкие металлы

Однако не только привычные для человека вещества, с которым он имеет дело в повседневности, принадлежат к классу жидких тел. Среди этой категории немало различных элементов периодической системы Менделеева. Примером жидкого тела также является ртуть. Это вещество широко применяется в изготовлении электротехнических приборов, металлургии, химической промышленности.

Ртуть является жидким, блестящим металлом, испаряющимся уже при комнатной температуре. Она способна растворять серебро, золото и цинк, образуя при этом амальгамы. Ртуть является примером того, какие бывают жидкие тела, относящиеся к категории опасных для жизни человека. Ее пары токсичны, опасны для здоровья. Поражающее действие ртути проявляется, как правило, через некоторое время после контакта отравления.

Металл под названием цезий также относится к жидкостям. Уже при комнатной температуре он находится в полужидкой форме. Цезий на вид представляет собой вещество золотисто-белого оттенка. Данный металл немного похож на золото по цвету, однако, светлее его.

Серная кислота

Примером того, какие бывают жидкие тела, также являются и практически все неорганические кислоты. К примеру, серная кислота, на вид представляющая собой тяжелую маслянистую жидкость. У нее нет ни цвета, ни запаха. При нагревании она становится очень сильным окислителем. На холоде она не вступает во взаимодействие с металлами – например, железом и алюминием. Данное вещество проявляет свои характеристики только в чистом виде. Разбавленная серная кислота не проявляет окислительных свойств.

Свойства

Какие жидкие тела существуют помимо перечисленных? Это кровь, нефть, молоко, минеральное масло, алкоголь. Их свойства позволяют этим веществам легко принимать форму тары. Как и другие жидкости, эти вещества не теряют своего объема, если перелить их из одного сосуда в другой. Какие же еще свойства присущи каждому из веществ в данном состоянии? Жидкие тела и их свойства хорошо изучены физиками. Рассмотрим их основные характеристики.

Текучесть

Одна из главнейших характеристик любого тела данной категории – это текучесть. Под данным термином понимается способность тела принимать различную форму, даже если не него оказывается относительно слабое воздействие извне. Именно благодаря данному свойству каждая жидкость может разливаться струями, разбрызгиваться по окружающей поверхности каплями. Если бы тела данной категории не обладали текучестью, было бы невозможным налить воду из бутылки в стакан.

При этом данное свойство выражается у разных веществ в различной степени. Например, мед меняет форму очень медленно по сравнению с водой. Данную характеристику называют вязкостью. Это свойство зависит от внутреннего строения жидкого тела. Например, молекулы меда больше похожи на ветви дерева, а молекулы воды, скорее, напоминают шарики с небольшими выпуклостями. При движении жидкости частицы меда будто «цепляются друг за друга» — именно этот процесс и придает ему большую вязкость, нежели другим типам жидкостей.

Сохранение формы

Нужно помнить и о том, что о каком бы примере жидких тел ни шла речь, они меняют только форму, но не меняют объем. Если налить воды в мензурку, и перелить ее в другую емкость, данная характеристика не изменится, хотя и само тело примет форму нового сосуда, в который его только что перелили. Свойство сохранения объема объясняется тем, что между молекулами действуют как силы взаимного притяжения, так и отталкивающие. Нужно отметить, что жидкости практически невозможно сжать посредством внешнего воздействия за счет того, что они всегда принимают форму контейнера.

Жидкие и твердые тела отличаются тем, что последние не подчиняются закону Паскаля. Напомним, что данное правило описывает поведение всех жидкостей и газов, и заключается в их свойстве передавать оказываемое на них давление во все стороны. Однако нужно отметить, что те жидкости, которые обладают меньшей вязкостью, делают это быстрее, чем более вязкие жидкие тела. Например, если оказать давление на воду или спирт, то оно распространится достаточно быстро.

В отличие от этих веществ, давление на мед или жидкое масло будет распространяться медленнее, однако, так же равномерно. В 3 классе примеры жидких тел можно приводить без указания их свойств. Более детальные знания школьникам понадобятся в старших классах. Однако если ученик подготовит дополнительный материал, это может поспособствовать получению более высокой оценки на уроке.

Жидкие вещества и их свойства. Жидкое состояние вещества

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

Особенности жидкого вещества

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

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

Поведение молекул в жидкости

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

Вклад Я. И. Френкеля в изучение жидкостей

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

Давление в жидкости

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

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

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

Испарение

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

Конденсация

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

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

Кипение

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

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

Температура кипения

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

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

Свойства жидкостных пленок

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

Жидкостные пленки в природе и технике

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

Вывод

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

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

ЖИДКОСТЬ • Большая российская энциклопедия

ЖИ́ДКОСТЬ, аг­ре­гат­ное со­стоя­ние ве­ще­ст­ва, за­ни­маю­щее про­ме­жу­точ­ное по­ло­же­ние ме­ж­ду га­зо­об­раз­ным и твёр­дым кри­стал­лич. со­стоя­ния­ми. Об­ласть су­ще­ст­во­ва­ния Ж. ог­ра­ни­че­на со сто­ро­ны низ­ких темп-р фа­зо­вым пе­ре­хо­дом в твёр­дое со­стоя­ние (кри­стал­ли­за­ци­ей), а со сто­ро­ны вы­со­ких темп-р – в га­зо­об­раз­ное (ис­па­ре­нием). По хи­мич. со­ста­ву раз­ли­ча­ют од­но­ком­по­нент­ные, или чис­тые, Ж. и двух- или мно­го­ком­по­нент­ные жид­кие сме­си (рас­тво­ры). Хи­ми­че­ски чис­тые од­но­ком­по­нент­ные Ж. мо­гут быть раз­де­ле­ны на нор­маль­ные (про­стые) и ас­со­ции­ро­ван­ные. К пер­вым от­но­сят­ся од­но­атом­ные Ж., та­кие как сжи­жен­ные бла­го­род­ные га­зы, жид­кие ме­тал­лы, а так­же ряд мно­го­атом­ных Ж. Ко вто­рым от­но­сит­ся зна­чит. чис­ло мно­го­атом­ных ор­га­нич. Ж., на свой­ст­ва ко­то­рых в за­мет­ной сте­пе­ни ока­зы­ва­ют влия­ние сла­бые хи­мические взаи­мо­дей­ст­вия (во­до­род­ные свя­зи). Осо­бое ме­сто за­ни­ма­ют жид­кие кри­стал­лы с силь­но вы­ра­жен­ной ани­зо­тро­пи­ей и кван­то­вые жид­ко­сти, об­ла­даю­щие спе­ци­фическими кван­то­вы­ми свой­ст­ва­ми при очень низ­ких тем­пе­ра­ту­рах.

Свойства жидкостей

По ря­ду свойств Ж. близ­ки к твёр­дым (кри­стал­ли­че­ским) те­лам: со­хра­ня­ют объ­ём, об­ра­зу­ют по­верх­ность, об­ла­да­ют оп­ре­де­лён­ной проч­но­стью на раз­рыв. В то же вре­мя ме­ж­ду твёр­дым те­лом и Ж. име­ют­ся су­ще­ст­вен­ные раз­ли­чия. Ж. от­ли­ча­ет от твёр­дых тел бо́ль­шая под­виж­ность отд. мо­ле­кул, по­это­му в ней при при­ло­же­нии ма­лых сдви­го­вых на­пря­же­ний не воз­ни­ка­ет уп­ру­гой де­фор­ма­ции, а по­яв­ля­ет­ся си­ла вяз­ко­го со­про­тив­ле­ния. Ко­эф. ди­на­мич. вяз­ко­сти Ж. вбли­зи точ­ки плав­ле­ния в 1013 раз мень­ше, чем у твёр­до­го те­ла, а ко­эф. са­мо­диф­фу­зии в 105 раз боль­ше. Вме­сте с тем Ж. об­ла­да­ют свой­ст­ва­ми, сбли­жаю­щи­ми их с га­за­ми: при­ни­ма­ют фор­му со­су­да, в ко­то­рый по­ме­ще­ны; в об­лас­ти со­стоя­ний, на­зы­вае­мой за­кри­ти­че­ской, они не­пре­рыв­но пе­ре­хо­дят в га­зо­об­раз­ное со­стоя­ние, не ис­пы­ты­вая скач­ка плот­но­сти. Од­на­ко есть и су­ще­ст­вен­ные раз­ли­чия в свой­ст­вах Ж. и га­зов. Напр., плот­ность Ж. при­мер­но в ты­ся­чу раз боль­ше плот­но­сти га­зов. Кро­ме то­го, в по­ве­де­нии не­ко­то­рых свойств Ж. и га­зов на­блю­да­ют­ся ка­че­ст­вен­ные раз­ли­чия. Так, вяз­кость га­зов уве­ли­чи­ва­ет­ся с рос­том темп-ры, а вяз­кость Ж., на­про­тив, умень­ша­ет­ся. В от­ли­чие от га­зов для Ж. ха­рак­тер­но воз­рас­та­ние с темп-рой от­но­ше­ния $c_p/c_V$, в га­зах $c_p/c_V = \text{const} \;(c_p$ – те­п­ло­ём­кость при по­сто­ян­ном дав­ле­нии, $c_V$ – те­п­ло­ём­кость при по­сто­ян­ном объ­ё­ме).

Зна­че­ния ко­эф­фи­ци­ен­тов пе­ре­но­са га­зов и Ж. силь­но раз­ли­ча­ют­ся. Так, напр., для жид­ко­го ки­сло­ро­да при темп-ре 100 К ко­эф. вяз­ко­сти $η$ = 0,16·10–3 Па· с, ко­эф. те­п­ло­про­вод­но­сти $λ$ = 135·10–3 Вт/м·К. В га­зо­вой фа­зе при темп-ре 300 К и ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии те же ве­ли­чи­ны име­ют зна­че­ния 0,027·10–3 Па·с и 26,7·10–3 Вт/м·К со­от­вет­ст­вен­но.

Ос­но­вой для ко­ли­че­ст­вен­но­го опи­са­ния тер­мо­ди­на­мич. свойств Ж. яв­ля­ет­ся урав­не­ние со­стоя­ния. Ван дер Ва­аль­са урав­не­ние, не яв­ля­ясь уни­вер­саль­ным в стро­гом смыс­ле, ка­че­ст­вен­но пра­виль­но опи­сы­ва­ет по­ве­де­ние Ж. и га­за в ши­ро­ком диа­па­зо­не дав­ле­ний $p$ и темп-р $T$, а так­же осо­бен­но­сти фа­зо­во­го пе­ре­хо­да ме­ж­ду ни­ми.

При­сут­ст­вие в Ж. силь­но­го меж­мо­ле­ку­ляр­но­го взаи­мо­дей­ст­вия обу­слов­ли­ва­ет на­ли­чие у неё по­верх­но­ст­но­го на­тя­же­ния на гра­ни­це её с лю­бой др. сре­дой. Бла­го­да­ря по­верх­но­ст­но­му на­тя­же­нию Ж. стре­мит­ся при­нять та­кую фор­му, ко­то­рая обес­пе­чи­ва­ет ми­ним. пло­щадь её по­верх­но­сти при за­дан­ном объ­ё­ме. При от­сут­ст­вии внеш­них сил, ко­гда дей­ст­ву­ют толь­ко меж­мо­ле­ку­ляр­ные си­лы (напр., в ус­ло­ви­ях не­ве­со­мо­сти), Ж. при­об­ре­та­ет фор­му ша­ра. Влия­ние по­верх­но­ст­но­го на­тя­же­ния на дви­же­ние гра­ниц Ж. с твёр­ды­ми те­ла­ми или гра­ниц ме­ж­ду не­сме­ши­ваю­щи­ми­ся Ж. от­но­сит­ся к об­лас­ти ка­пил­ляр­ных яв­ле­ний.

Ме­ха­нич. свой­ст­ва Ж. опи­сы­ва­ют­ся на­бо­ром за­ко­нов со­хра­не­ния (чис­ла час­тиц, им­пуль­са и энер­гии). Дви­же­ния Ж., рас­смат­ри­вае­мых как сплош­ные сре­ды, изу­ча­ют­ся в гид­ро­ди­на­ми­ке.

Структура жидкостей

Рис. 1. Функция распределения g(r) для жидкого рубидия в двух состояниях: вблизи точки плавления (кривая a) и вблизи критической точки (кривая б).

Со­глас­но дан­ным рент­ге­но- и ней­тро­но­гра­фии, струк­ту­ра Ж. об­ла­да­ет ближ­ним по­ряд­ком и в ней от­сут­ст­ву­ет даль­ний по­ря­док (см. Даль­ний и ближ­ний по­ря­док). Это зна­чит, что в по­ло­же­нии бли­жай­ших со­се­дей лю­бой мо­ле­ку­лы на­блю­да­ют­ся лишь не­зна­чит. от­кло­не­ния от пра­виль­ной псев­до­кри­стал­лич. упа­ков­ки. Од­на­ко не­боль­шие от­кло­не­ния от пра­виль­ной упа­ков­ки бы­ст­ро на­ка­п­ли­ва­ют­ся, и уже на рас­стоя­нии не­сколь­ких пе­рио­дов не­воз­мож­но об­на­ру­жить та­кую же мо­ле­ку­лу с ок­ру­же­ни­ем, от­ве­чаю­щим ожи­дае­мо­му по­ряд­ку. Ко­ли­че­ст­вен­ной струк­тур­ной ха­рак­те­ри­сти­кой Ж. яв­ля­ет­ся ра­диаль­ная функ­ция рас­пре­де­ле­ния $g(r)$, оп­ре­де­ляю­щая ве­ро­ят­ность, с ко­то­рой на рас­стоя­нии $r$ от вы­бран­ной мо­ле­ку­лы мо­жет быть встре­че­на др. мо­ле­ку­ла. Функ­цию $g(r)$ на­хо­дят из экс­пе­рим. дан­ных по рас­сея­нию рент­ге­нов­ских лу­чей или мед­лен­ных ней­тро­нов (из уг­ло­во­го рас­пре­де­ле­ния ин­тен­сив­но­сти рас­се­ян­ных лу­чей). Не­по­сред­ст­вен­но из опы­та мо­жет быть по­лу­че­на т. н. функ­ция рас­сея­ния (струк­тур­ный фак­тор) $S(Q)$, ко­то­рая пред­став­ля­ет со­бой фу­рье-об­раз функ­ции $g(r)$. На рис. 1 изо­бра­же­на функ­ция $g(r)$ для жид­ко­го ру­би­дия. На­ли­чие не­сколь­ких мак­си­му­мов у ра­ди­аль­ной функ­ции рас­пре­де­ле­ния сви­де­тель­ст­ву­ет о ло­каль­ном упо­ря­до­че­нии мо­ле­кул на рас­стоя­ни­ях по­ряд­ка не­сколь­ких мо­ле­ку­ляр­ных диа­мет­ров. С уве­ли­че­ни­ем темп-ры, т. е. по ме­ре умень­ше­ния плот­но­сти Ж., мак­си­му­мы ра­ди­аль­ной функ­ции рас­пре­де­ле­ния про­яв­ля­ют­ся ме­нее от­чёт­ли­во, что ука­зы­ва­ет на умень­ше­ние сте­пе­ни мо­леку­ляр­но­го упо­ря­до­че­ния. С по­мо­щью ра­ди­аль­ной функ­ции рас­пре­де­ле­ния мо­жет быть оп­ре­де­ле­но среднее чис­ло $N$ бли­жай­ших со­се­дей вы­бран­ной мо­ле­ку­лы. В от­ли­чие от твёр­дых тел в Ж. те­п­ло­вое рас­ши­ре­ние со­про­во­ж­да­ет­ся су­ще­ст­вен­ным из­ме­не­ни­ем имен­но это­го па­ра­мет­ра: например, в крип­то­не при из­ме­не­нии плот­но­сти от зна­че­ния, со­от­вет­ст­вую­ще­го точ­ке плав­ле­ния, до зна­че­ния, со­от­вет­ст­вую­ще­го кри­тической точ­ке, $N$ умень­ша­ет­ся от 8,5 до 4. При этом среднее меж­атом­ное рас­стоя­ние уве­ли­чи­ва­ет­ся все­го лишь на 5%, в то вре­мя как удель­ный объ­ём воз­рас­та­ет в 2,5 раза.

Од­ной из центр. про­блем в ис­сле­до­ва­нии про­стых Ж. яв­ля­ет­ся оп­ре­де­ле­ние свя­зи ме­ж­ду ра­ди­аль­ной функ­ци­ей рас­пре­де­ле­ния $g(r)$ и пар­ным по­тен­циа­лом меж­мо­ле­ку­ляр­но­го взаи­мо­дей­ст­вия $\phi(r)$. Из­вест­но неск. при­бли­же­ний, по­зво­ляю­щих рас­счи­ты­вать струк­тур­ные ха­рак­те­ри­сти­ки Ж. по за­дан­ным пар­ным по­тен­циа­лам. Од­но из при­бли­же­ний (ин­те­граль­ное урав­не­ние Пер­ку­са – Йе­ви­ка) по­зво­ли­ло вы­ра­зить в ана­ли­тич. фор­ме связь $g(r)$ с про­стым пар­ным по­тен­циа­лом, от­ве­чаю­щим мо­де­ли жё­ст­ких (не­при­тя­ги­ваю­щих­ся) сфер. Этот ре­зуль­тат сыг­рал боль­шую роль в раз­ви­тии ме­то­дов тер­мо­ди­на­мич. тео­рии воз­му­ще­ний, в ко­то­рой в ка­че­ст­ве ну­ле­во­го при­бли­же­ния ис­поль­зу­ет­ся ра­ди­аль­ная функ­ция рас­пре­де­ле­ния мо­де­ли жё­ст­ких сфер. Мно­го­числ. ис­сле­до­ва­ния, про­ве­дён­ные ме­то­дом рас­сея­ния рент­ге­нов­ских лу­чей и ней­тро­нов, по­ка­за­ли, что струк­ту­ра про­стых Ж. вбли­зи точ­ки плав­ле­ния хо­ро­шо мо­де­ли­ру­ет­ся струк­ту­рой, фор­ми­руе­мой мо­ле­ку­ла­ми в ви­де твёр­дых сфер при со­от­вет­ст­вую­щих плот­но­стях.

Молекулярно-кинетическая теория жидкостей

Раз­ли­чие в свой­ст­вах Ж., твёр­дых тел и га­зов тес­ным об­ра­зом свя­за­но с раз­ли­чия­ми в мик­ро­ско­пич. струк­ту­ре и в ха­рак­те­ре мо­ле­ку­ляр­но­го те­п­ло­во­го дви­же­ния. В Ж. те­п­ло­вое дви­же­ние мо­ле­кул но­сит ло­каль­но кол­лек­тив­ный ха­рак­тер в от­ли­чие от их бес­по­ря­доч­но­го дви­же­ния в га­зах и кол­лек­тив­но­го дви­же­ния в твёр­дых те­лах. В Ж. те­п­ло­вое дви­же­ние мо­ле­кул про­ис­хо­дит сле­дую­щим об­ра­зом. Мо­ле­ку­ла со­вер­ша­ет не­ре­гу­ляр­ные ко­ле­ба­ния со ср. час­то­той $1/τ_0$, близ­кой к макс. час­то­те ко­ле­ба­ний час­тиц в кри­стал­ле, и ам­пли­ту­дой, оп­ре­де­ляе­мой т. н. сво­бод­ным объ­ё­мом, не за­ня­тым со­се­дя­ми. На ос­но­ве мо­дель­ных пред­став­ле­ний о сво­бод­ном объ­ё­ме по­лу­ча­ют наи­бо­лее про­стые вы­ра­же­ния для ко­эф­фи­ци­ен­тов пе­ре­но­са.

Сво­бод­ный объ­ём не яв­ля­ет­ся по­сто­ян­ной ве­ли­чи­ной, а рас­пре­де­ля­ет­ся ме­ж­ду час­ти­ца­ми в са­мых раз­ных до­лях. Центр ко­ле­ба­ний мо­ле­ку­лы в Ж. пе­ре­ме­ща­ет­ся вслед­ст­вие под­виж­но­сти ок­ру­жаю­щих мо­ле­кул. Пе­ре­ме­ще­ние мо­ле­ку­лы из од­но­го по­ло­же­ния рав­но­ве­сия в дру­гое про­ис­хо­дит скач­ком с пре­одо­ле­ни­ем по­тен­ци­аль­но­го барь­е­ра $W$ (энер­гия ак­ти­ва­ции). Ср. вре­мя $τ$ пре­бы­ва­ния мо­ле­ку­лы в од­ном рав­но­вес­ном по­ло­же­нии, или «вре­мя осед­лой жиз­ни» мо­ле­кул в Ж., про­пор­цио­наль­но $τ_0\text{exp}(W/kT),\; где \: k$ – по­сто­ян­ная Больц­ма­на, $T$ – темп-ра. Ко­эф. диф­фу­зии $D$ об­рат­но про­пор­цио­на­лен $τ$, по­это­му$$D∼\frac{1}{\tau_0}\text{exp}(–W\!/kT).$$

В этих мо­дель­ных пред­став­ле­ни­ях вяз­кость $η$ как ве­ли­чи­на, об­рат­ная те­ку­че­сти, опи­сы­ва­ет­ся экс­по­нен­той с по­ло­жи­тель­ным по­ка­за­те­лем, т. е.$$η = A(T)\text{exp}(W/kT)$$[где $A(T)$ – функ­ция, сла­бо за­ви­ся­щая от темп-ры], и, сле­до­ва­тель­но, долж­на умень­шать­ся с рос­том темп-ры. По­след­нее вы­ра­же­ние, из­вест­ное как фор­му­ла Ан­д­ра­де, до­воль­но точ­но опи­сы­ва­ет коэф. сдви­го­вой вяз­ко­сти как про­стых, так и слож­ных мно­го­атом­ных Ж. при по­сто­ян­ном дав­ле­нии. Уве­ли­че­ние те­ку­че­сти, со­про­во­ж­даю­щее рост темп-ры Ж., в зна­чит. ме­ре обу­слов­ле­но уве­ли­че­ни­ем сво­бод­но­го объ­ё­ма, что яв­ным об­ра­зом учи­ты­ва­ет фор­му­ла Ба­чин­ско­го – по­лу­эм­пи­рич. со­от­но­ше­ние, со­глас­но ко­то­ро­му за­ви­си­мость ко­эф. вяз­ко­сти $η$ от темп-ры $T$ и дав­ле­ния $p$ опи­сы­ва­ет­ся с по­мо­щью од­ной пе­ре­мен­ной – удель­но­го объ­ё­ма $v$:$$η=\frac {B}{v-b},$$где $B \; и \; b$ – по­сто­ян­ные, при­чём $b$ при­бли­зи­тель­но рав­на по­сто­ян­ной $b$ в урав­не­нии Ван дер Ва­аль­са, зна­ме­на­тель $v–b$ пред­став­ля­ет со­бой сво­бод­ный объ­ём Ж. Из этой фор­му­лы сле­ду­ет, что в ус­ло­ви­ях по­сто­ян­ст­ва дав­ле­ния вяз­кость не за­ви­сит от темп-ры.{\infty }\psi (\tau )d\tau.$$

Для раз­ре­жен­но­го га­за функ­ция $ψ(τ)$ про­пор­цио­наль­на $\text{exp}(–kT/Dm)$ (кри­вая $a$ на рис. 2), где $m$ – мас­са час­ти­цы. Ме­тод мо­ле­ку­ляр­ной ди­на­ми­ки по­зво­ля­ет оп­ре­де­лить вид $ψ(τ)$ для мо­дель­ной сре­ды с за­дан­ным пар­ным потенциа­лом, плот­но­стью чис­ла час­тиц и темп-рой. Для плот­ных га­зов и Ж. $ψ(τ)$ име­ет вид зна­ко­пе­ре­мен­ной функ­ции (кри­вая б на рис. 2), что свя­за­но с вы­со­кой ве­ро­ят­но­стью из­ме­не­ния зна­ка ско­ро­сти час­ти­цы че­рез вре­мя $τ>τ_и$ [$τ_и$ – мо­мент пе­ре­се­че­ния функ­ци­ей $ψ(τ)$ оси вре­ме­ни; ве­ли­чи­на по­ряд­ка 10–13 с]. От­ри­ца­тель­ная об­ласть объ­яс­ня­ет­ся «рас­сея­ни­ем на­зад» час­ти­цы внут­ри сво­бод­но­го объ­ё­ма, соз­да­вае­мо­го бли­жай­ши­ми со­се­дя­ми.

Рис. 2. Функция ψ(τ) для разреженных газов (кривая а) и для плотных газов и жидкостей (кривая б).

Стро­гая мо­ле­ку­ляр­но-ки­не­тич. тео­рия яв­ле­ний пе­ре­но­са в Ж. стро­ит­ся на ос­но­ве дан­ных о не­рав­но­вес­ных функ­ци­ях рас­пре­де­ле­ния, ко­то­рые на­хо­дят­ся из ре­ше­ния ин­тег­ро-диф­фе­рен­ци­аль­ных урав­не­ний. Эти урав­не­ния со­дер­жат член, опи­сы­ваю­щий об­мен им­пуль­са­ми при столк­но­ве­ни­ях. Его вид за­ви­сит от вы­бран­ной мо­де­ли мо­ле­ку­ляр­но­го те­п­ло­во­го дви­же­ния. Мо­дель Рай­са – Ол­нет­та ос­но­ва­на на том, что час­ти­ца, уча­ст­вую­щая в мо­ле­ку­ляр­ном те­п­ло­вом дви­же­нии, ис­пы­ты­ва­ет два ви­да воз­дей­ст­вий со сто­ро­ны сво­его ок­ру­же­ния. Во-пер­вых, она на­хо­дит­ся в мо­ле­ку­ляр­ном по­ле, со­зда­вае­мом бли­жай­ши­ми со­се­дя­ми. Под дей­ст­ви­ем это­го флук­туи­рую­ще­го по­ля мо­ле­ку­ла ис­пы­ты­ва­ет сла­бые, но час­тые толч­ки. Из­ме­не­ние им­пуль­са мо­ле­ку­лы опи­сы­ва­ет­ся ки­не­тич. урав­не­ни­ем диф­фу­зи­он­но­го ти­па (Фок­ке­ра – План­ка урав­не­ние), ко­то­рое мож­но ин­тер­пре­ти­ро­вать как урав­не­ние, ото­бра­жаю­щее бро­унов­ское дви­же­ние в им­пульс­ном про­стран­ст­ве. Во-вто­рых, им­пульс мо­ле­ку­лы мо­жет силь­но из­ме­нять­ся в ре­зуль­та­те пар­но­го со­уда­ре­ния с мо­ле­ку­лой, имею­щей зна­чит. ско­рость. Та­ко­го ро­да столк­но­ве­ния опи­сы­ва­ют­ся ки­не­тич. урав­не­ни­ем Больц­ма­на. По­сколь­ку меж­ду эти­ми ак­та­ми столк­но­ве­ния им­пульс мо­ле­ку­лы мно­го­крат­но из­ме­ня­ет­ся, то по­след­ст­вия пре­ды­ду­ще­го силь­но­го толч­ка «за­бы­ва­ют­ся» и при оче­ред­ном силь­ном столк­но­ве­нии мож­но пре­неб­речь кор­ре­ля­ци­ей ско­ро­стей стал­ки­ваю­щих­ся мо­ле­кул. Тео­рия Рай­са – Ол­нет­та пред­став­ля­ет со­бой ком­би­на­цию урав­не­ния Фок­ке­ра – План­ка и урав­не­ния Больц­ма­на, усо­вер­шен­ст­во­ван­но­го С. Чеп­ме­ном и швед. учё­ным Д. Эн­ско­гом. Тео­рия по­зво­ли­ла рас­счи­тать аб­со­лют­ные зна­че­ния ко­эф­фи­ци­ен­тов вяз­ко­сти и те­п­ло­про­вод­но­сти ар­го­на при ми­ним. ис­ход­ной ин­фор­ма­ции.

Ме­то­ды мо­ле­ку­ляр­ной ди­на­ми­ки по­зво­ля­ют мо­де­ли­ро­вать те­п­ло­вое дви­же­ние боль­шо­го чис­ла час­тиц при за­дан­ном за­ко­не их взаи­мо­дей­ст­вия. Ана­лиз ин­ди­ви­ду­аль­ных и кол­лек­тив­ных дви­же­ний мо­ле­кул да­ёт воз­мож­ность про­вер­ки разл. тео­рий жид­ко­го со­стоя­ния.

1. Жидкость и ее свойства

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Волгоградский Государственный Технический Университет

Кафедра Теплотехники и гидравлики

КОНСПЕКТ

лекций по дисциплине «Гидравлика»

Разработал

С. Г. Телица

Волгоградский государственный

Кафедра «ТиГ»

технический университет

 

Гидравлика

Учебное пособие

Жидкость –– непрерывная среда, обладающая свойством текучести, т.е. способностью неограниченно изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил.

Различают жидкости капельные и газообразные. Капельные –– это жидкости, встречающиеся в природе –– вода, нефть, ртуть и их производные. Все капельные жидкости оказывают большое сопротивление сжатию и мало изменяют при этом свой объем. Газообразные жидкости или просто газы изменяют свой объем при сжатии в значительной степени.

Капельные жидкости, в дальнейшем просто жидкости, можно рассматривать как объект для перемещения и как рабочее тело гидропривода. Как объект перемещения жидкость определяет конструкцию, материалы машин и соответствующую инфраструктуру. Как рабочее тело гидропривода жидкость вторична по отношению к машине, где она используется ,т.е. машина определяет необходимые функции, свойства и виды рабочих жидкостей гидропривода.

1.1 Функции, свойства и виды рабочих жидкостей гидропривода

Функции (жидкость должна осуществлять):

∙передачу энергии

∙охлаждение

∙смазку

∙защиту от коррозии

∙эвакуацию продуктов износа из зон трения Свойства (жидкость должна быть):

∙нетоксичной

∙пожаровзрывобезопасной

∙теплостойкой

∙химически стабильной

∙совместимой с материалами гидропривода

∙дешевой и доступной Виды рабочих жидкостей:

∙минеральные масла на нефтяной основе

∙синтетические жидкости

∙жидкости на водной основе с добавлением необходимых присадок

1.2Силы действующие на жидкость. Давление

На жидкость вследствие ее текучести действует не сосредоточенные, а непрерывно распределенные по массе и поверхности силы.

Массовые силы –– силы тяжести, инерции, центробежные.

Поверхностные силы –– силы давления, трения и поверхностного натяжения. Сжимающая сила, направленная по нормали к поверхности жидкости,

называется силой давления.

Гидравлика

Учебное пособие

Лист №

2

Волгоградский государственный

Кафедра «ТиГ»

технический университет

 

Гидравлика

Учебное пособие

Касательная сила к поверхности жидкости называется силой трения.

Сила давления действует как в покоящейся, так и в движущейся жидкости. Силы трения –– только в движущейся жидкости.

Нормальные сжимающие напряжения, возникающие в жидкости под действием силы давления, называется давлением, которое при равномерном распределении силы F по поверхности S равно:

Единицей измерения давления в системе СИ является Н/м2 или Паскаль (Па). Кратными единицами измерения давления являются:

1кПа = 103 Па

1МПа = 106 Па

Втехнике используются внесистемные единицы давления –– техническая атмосфера

1ат = 1 кгс/см2

1кгс/см2 = 9,8·104 Па

Взависимости от принятого начала отсчета различают абсолютное и относительное давления (см. рис. 1.1).

P

P P вак изб

P атм

относительный «0» давления

абсолютный «0» давления

Рис. 1.1

Абсолютное давление отсчитывается от абсолютного нуля давления, который наблюдается в космосе. Атмосферное давление Pатм (давление на поверхности Земли) является абсолютным давлением и для его измерения используют разнообразные барометры.

Относительное давление отсчитывается от относительного нуля давления, за который принимается атмосферное давление. В этом случае различают избыточное давление Pизб –– превышение давления над атмосферным и вакуумметрическое

Гидравлика

Учебное пособие

Лист №

3

Свойства жидкостей

Свойства жидкостей


Критическая температура и критическая Давление

Очевидный способ превратить газ в жидкость — охладить его до температуры ниже его точка кипения. Однако есть еще один способ конденсации газа с образованием жидкости, который предполагает повышение давления на газ. Жидкости закипают при температуре, при которой давление пара равно давлению жидкости из окружающей среды.Повышение поэтому давление на газ эффективно увеличивает температуру кипения жидкости.

Предположим, что у нас есть водяной пар (или пар) в закрытом контейнере при температуре 120 o C и 1 атм. Поскольку температура системы выше нормальной точки кипения воды, у водяного пара нет причины конденсироваться с образованием жидкости. Ничего не происходит, пока мы медленно сожмите контейнер тем самым повышение давления на газ до давление достигает 2 атм.На данный момент система находится при температуре кипения воды, и часть газа конденсируется с образованием жидкости. Как только давление на газ превышает 2 атм, давление водяного пара при 120 o C уже недостаточно для жидкость до кипения. Таким образом, газ конденсируется с образованием жидкости, как показано на рисунке. ниже.

Теоретически мы должны уметь предсказать давление, при котором газ конденсируется в заданной температуры, просмотрев график зависимости давления пара оттемпература. На практике каждое соединение имеет критическую температуру (T c ) . Если температура газа выше критической, газ не может быть конденсируется независимо от приложенного давления.

Существование критической температуры было обнаружено Томасом Эндрюсом в 1869 году, когда изучение влияния температуры и давления на поведение углекислого газа. Эндрюс обнаружил, что он может конденсировать газ CO 2 в жидкость, повышая давление на газ, пока он держал температуру ниже 31.0 o C. При 31.0 o C, например, для сжижения газа CO 2 требуется давление 72,85 атм. Эндрюс нашел что невозможно было превратить CO 2 в жидкость выше этой температуры, нет независимо от того, какое давление было приложено.

Газы не могут сжижаться при температурах выше критической, потому что при этом точки свойства газов и жидкостей становятся одинаковыми, и нет никаких оснований, на которых различать газы и жидкости.Давление пара жидкости при критическом температура называется критическим давлением (P c ) . Пар давление жидкости никогда не превышает этого критического давления.

Критические температуры, критические давления и точки кипения ряда газов приведены в таблице ниже. Существует очевидная корреляция между критическими температура и точка кипения этих газов. Эти свойства связаны, потому что они оба являются косвенными показателями силы притяжения между частицами в газовой фазе.

Критические температуры, критические давления и точки кипения Общие газы

Газ T c ( o C) P c (атм) BP ( o C)
He -267.96 2,261 — 268,94
H 2 -240,17 12,77 -252,76
Ne -228,71 26,86 -246.1
N 2 -146,89 33,54 -195,81
CO -140,23 34,53 -191,49
Ар -122.44 48,00 -185,87
О 2 -118,38 50,14 -182,96
Канал 4 -82,60 45,44 -161.49
CO 2 31,04 72,85 -78,44
NH 3 132,4 111,3 -33,42
Класс 2 144.0 78,1 -34,03

Экспериментальные значения критических температуры и давления вещества могут быть используется для расчета констант a и b в ван-дер-ваальсовом уравнение.


Поверхностное натяжение

Между молекулами в жидкостях существует сила притяжения, и жидкости могут течь, пока они принимают форму, которая максимизирует эту силу притяжения.Под поверхностью жидкость, сила сцепления (буквально «слипание») между молекулами одинакова во всех направлениях, как показано на рисунке ниже. Молекулы на поверхности жидкости, однако, чувствуется чистая сила притяжения, которая тянет их назад в тело жидкости. В результате жидкость пытается принять форму, которая минимально возможная площадь поверхности форма шара. Величина силы, контролирующей форму жидкости, равна называется поверхностное натяжение .Чем сильнее связи между молекулами в жидкости, тем больше поверхностное натяжение.

Также присутствует сила адгезии (буквально «прилипание») между жидкостью и стенками емкости. Когда сила адгезии больше чем в два раза меньше силы сцепления между молекулами жидкости, жидкость «намочить» твердое тело. Хорошим примером этого явления является смачивание бумаги вода.Сила сцепления бумаги с водой в сочетании с силой сцепления. между молекулами воды объясняет, почему листы влажной бумаги слипаются.

Вода смачивает стекло из-за силы сцепления, возникающей при взаимодействии между положительными концами полярных молекул воды и отрицательно заряженным кислородом атомы в стекле. В результате вода образует мениск , изгибающийся вверх в стеклянная трубка малого диаметра, как показано на рисунке ниже.(Термин мениск происходит от греческого слова «луна» и используется для описания всего, что имеет серповидной формы.) Мениск, образующийся в бюретке, является результатом баланса между сила адгезии, подтягивающая столб воды к смачиванию стенок стеклянной трубки и сила тяжести, притягивающая жидкость.

Вода поднимается по стенкам трубки малого диаметра, образуя мениск, изгибающийся вверх, тогда как ртуть образует мениск, изгибающийся вниз.

Сила сцепления между водой и воском очень мала по сравнению с сила сцепления между молекулами воды. В результате дождь не держится воск. Он имеет тенденцию образовывать шарики или капли с минимально возможной площадью поверхности, тем самым максимизируя силу сцепления между молекулами воды. То же самое происходит, когда ртуть пролита на стекло или налита в узкую стеклянную трубку. Сила сплоченности между атомами ртути намного больше, чем сила адгезии между ртутью и стекло, что площадь контакта между ртутью и стеклом сведена к минимуму, с чистый результат — мениск, показанный на рисунке выше.


Вязкость

Вязкость — это мера сопротивления потоку. Моторные масла больше более вязкий, чем, например, бензин, а кленовый сироп, используемый для приготовления блинов, более вязкий чем растительные масла, используемые в заправках для салатов.

Вязкость измеряется путем определения скорости, с которой жидкость или газ протекает через стеклянная трубка малого диаметра. В 1844 году Жан Луи Мари Пуазей показал, что объем жидкость ( В, ), которая течет по капиллярной трубке малого диаметра за единицу времени ( т ) пропорционально радиусу рубца ( r ), давление толкает жидкость вниз по трубке ( P ), длина трубки ( л ) и вязкость жидкость ().

Вязкость указывается в единицах, называемых пуаз (произносится как «пвахз»). Вязкость воды при комнатной температуре составляет примерно 1 сантипуаз, или 1 сП. Бензин имеет вязкость от 0,4 до 0,5 сП; вязкость воздуха 0,018 сП.

Поскольку молекулы, наиболее близкие к стенкам трубки малого диаметра, прилипают к стекла, вязкость измеряет скорость, с которой молекулы в середине потока жидкость или газ проходят мимо этого внешнего слоя более или менее неподвижных молекул.Вязкость следовательно, зависит от любого фактора, который может повлиять на легкость прохождения молекул друг друга. Жидкости становятся более вязкими по мере того, как молекулы становятся больше или увеличивается количество межмолекулярных связей. Они становятся менее вязкими с повышением температуры. увеличивается. Вязкость воды, например, уменьшается с 1,77 сП при 0 o ° C. до 0,28 сП при 100 o C.


Водородная связь и аномалии Свойства воды

Мы настолько знакомы со свойствами воды, что трудно оценить ее степень, в которой его поведение необычно.

  • Большинство твердых веществ расширяются при плавлении. Вода расширяется, когда замерзает .
  • Большинство твердых веществ более плотные, чем соответствующие жидкости. Лед (0,917 г / см 3 ) не такой плотный, как вода.
  • Вода имеет температуру плавления как минимум на 100 o C выше, чем ожидалось на основе температуры плавления H 2 S, H 2 Se и H 2 Te.
  • Вода имеет температуру кипения почти на 200 o C выше, чем ожидалось при температуре кипения. точки H 2 S, H 2 Se и H 2 Te.
  • Вода имеет наибольшее поверхностное натяжение из всех обычных жидкостей, кроме жидкой ртути.
  • Вода имеет необычно большую вязкость.
  • Вода — отличный растворитель. Он может растворять соединения, такие как NaCl, которые нерастворим или мало растворим в других жидкостях.
  • Вода имеет необычно высокую теплоемкость. Для повышения температуры требуется больше тепла 1 грамм воды на 1 o C, чем любая другая жидкость.

Все эти аномальные свойства являются результатом сильных межмолекулярных связей в воде. Воду лучше всего описать как полярную. молекула, в которой есть частичное разделение заряда, чтобы дать положительный и отрицательные полюса. Сила притяжения между положительно заряженным атомом водорода на одном молекула воды и отрицательно заряженный атом кислорода на другом образуют межмолекулярная связь, как показано на рисунке ниже. Это диполь-дипольное взаимодействие между молекулы воды известны как водородная связь .

Водородные связи отделены от других примеров сил Ван-дер-Ваальса, потому что они необычайно сильны: 10-12 кДж / моль. Водородные связи в воде особенно важны. из-за доминирующей роли, которую вода играет в химии живых систем. Водород однако связи не ограничиваются водой.

Доноры водородной связи включают вещества, которые содержат относительно полярный H- X связи, такие как NH 3 , H 2 O и HF.Акцепторы водородной связи включают вещества, имеющие несвязывающие пары валентных электронов. Связь H- X должна быть полярный, чтобы создать частичный положительный заряд на атоме водорода, который позволяет диполь-дипольному взаимодействия существовать. Поскольку атом X в связи H- X становится меньше электроотрицательный, водородная связь между молекулами становится менее важной. Водород связь в HF, например, намного сильнее, чем в H 2 O или HCl.

Водородные связи между молекулами воды во льду образуют открытую структуру, показанную на рисунок ниже. Когда лед тает, некоторые из этих связей разрываются, и эта структура схлопывается, образуя жидкость, которая примерно на 10% плотнее. Это необычное свойство воды имеет несколько важных последствий. Расширение воды при замерзании отвечает за растрескивание бетона, образующее выбоины на улицах и шоссе. Но это также означает что лед плавает над реками и ручьями.Поэтому лед, образующийся каждую зиму, шанс растаять летом.

Структура льда. Обратите внимание, что атомы водорода находятся ближе к одному из кислородных атомов, чем другие в каждой из водородных связей.

На рисунке ниже показано еще одно следствие прочности водородных связей в вода. В серии CH 4 , GeH 4 , наблюдается постоянное повышение температуры кипения. SiH 4 и SnH 4 .Температуры кипения H 2 O и HF, однако они аномально велики из-за сильных водородных связей между молекулами в эти жидкости. Если это не кажется важным, попробуйте представить, какой была бы жизнь, если бы вода кипяченая при -80 o С.

Поверхностное натяжение и вязкость воды также связаны с прочностью водородные связи между молекулами воды. Поверхностное натяжение воды отвечает за капиллярное действие, благодаря которому вода поднимается вверх через корневую систему растений.Это также отвечает за эффективность, с которой воск, покрывающий поверхность листьев, может защитить растения от чрезмерной потери воды за счет испарения.

Необычно большая теплоемкость воды также связана с прочностью водородные связи между молекулами воды. Все, что увеличивает движение воды молекулы и, следовательно, температура воды должны мешать водородным связям между этими молекулами. Тот факт, что для разрушения этих связей требуется так много энергии означает, что вода может хранить огромное количество тепловой энергии.Хотя вода в озерах и реки становятся теплее летом и прохладнее зимой, большая теплоемкость вода ограничивает диапазон температур, которые в противном случае угрожали бы жизни, процветает в этой среде. Теплоемкость воды также отвечает за способность океана действовать как термальный резервуар, смягчающий колебания температуры которые происходят с зимы до лета.

Газы, жидкости и твердые вещества

Газы, жидкости и твердые вещества Газы, жидкости и твердые вещества

Газы, жидкости и твердые тела состоят из атомов, молекул и / или ионы, но поведение этих частиц различается в трех фазах.На следующем рисунке показаны микроскопические различия.

Вид газа под микроскопом. Вид жидкости под микроскопом. Изображение твердого тела под микроскопом.

Обратите внимание, что:

  • Частицы в a:
    • газ хорошо разделен без упорядоченности.
    • жидкости расположены близко друг к другу без регулярного расположения.
    • solid плотно упакованы, как правило, равномерно.
  • Частицы в a:
    • газ колеблется и свободно перемещается на высоких скоростях.
    • жидкости вибрируют, перемещаются и скользят друг мимо друга.
    • твердые вибрируют (покачиваются), но обычно не перемещаются с места на место.
Жидкости и твердые вещества часто называют конденсированными фазами потому что частицы очень близко друг к другу.

В следующей таблице приведены свойства газов, жидкостей и твердых тел. и определяет микроскопическое поведение, отвечающее за каждое свойство.

Некоторые характеристики газов, жидкостей и твердых тел и микроскопическое объяснение поведения
газ жидкость цельный
принимает форму и объем своего контейнера
частицы могут двигаться друг мимо друга
принимает форму той части контейнера, которую он занимает
частицы могут перемещаться / скользить друг мимо друга
сохраняет фиксированный объем и форму
жесткий — частицы зафиксированы на месте
сжимаемый
много свободного пространства между частицами
не легко сжимается
Мало свободного пространства между частицами
не легко сжимается
Мало свободного пространства между частицами
течет легко
частицы могут двигаться друг мимо друга
течет легко
частицы могут перемещаться / скользить друг мимо друга
не течет легко
жесткий — частицы не могут двигаться / скользить мимо еще

12.2: Свойства жидкостей и твердых тел

12.2: Свойства жидкостей и твердых тел — Chemistry LibreTexts Перейти к основному содержанию
  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  1. Твердые вещества
  2. Жидкости
  3. Газы
  4. Взгляд внимательнее: вода, самая важная жидкость
  5. Ключевой вывод
  6. Вклад и авторство
Глава 1
  1. Глава 1: Химический мир
  2. 1.1: Область химии
  3. 1.2: Химические вещества составляют обычные предметы
  4. 1.3: Гипотезы, теории и законы
  5. 1.4: Научный метод: как думают химики
  6. 1.5: Начинающий химик: как добиться успеха
• Глава 2
  1. Глава 2: Измерение и решение проблем
  2. 2.1: Проведение измерений
  3. 2.2: Научная нотация: написание больших и малых чисел
  4. 2.3: Значимые числа: написание чисел для отражения точности
  5. 2.4: Значимые цифры в расчетах
  6. 2.5: Основные единицы измерения
  7. 2.6: Решение проблем и преобразование единиц
  8. 2.7: Решение проблем многоступенчатого преобразования
  9. 2.8: Единицы доведены до уровня
  10. 2,9: Плотность
  11. 2.10: Стратегии численного решения проблем и карта решений
  12. 2.E: Измерение и решение проблем (упражнения)
• Глава 3
  1. Глава 3: Материя и энергия
  2. 3.1: в вашей комнате
  3. 3.2: Что такое материя?
  4. 3.3: Классификация материи по ее состоянию: твердое, жидкое и газообразное
  5. 3.4: Классификация вещества по составу
  6. 3.5: Различия в материи: физические и химические свойства
  7. 3.6: Изменения в материи: физические и химические изменения
  8. 3.7: Сохранение массы: нет новой материи
  9. 3.8: Энергия
  10. 3.9: Энергетические и химические и физические изменения
  11. 3.10. Температура: случайное движение молекул и атомов
  12. 3.11: Изменение температуры: теплоемкость
  13. 3.12: Расчет энергии и теплоемкости
  14. 3.E: Упражнения
• Глава 4
  1. Глава 4: Атомы и элементы
  2. 4.1: Испытание атомов на Тибуроне
  3. 4.2: Неделимость: атомная теория
  4. 4.3: Ядерный атом
  5. 4.4: Свойства протонов, нейтронов и электронов
  6. 4.5: Элементы: определяются числом протонов
  7. 4.6: В поисках закономерностей: периодический закон и периодическая таблица
  8. 4.7: Ионы: потеря и получение электронов
  9. 4.8: Изотопы: когда количество нейтронов меняется
  10. 4.9: Атомная масса: средняя масса атомов элемента
• Глава 5
  1. Глава 5: Молекулы и соединения
  2. 5.1: сахар и соль
  3. 5.2: Постоянный состав отображения соединений
  4. 5.3: Химические формулы: как представлять соединения
  5. 5.4: Молекулярный взгляд на элементы и соединения
  6. 5.5: Написание формул для ионных соединений
  7. 5.6: Номенклатура: наименования соединений
  8. 5.7: Название ионных соединений
  9. 5.8: Название молекулярных соединений
  10. 5.9: Наименование кислот
  11. 5.10: Краткое описание номенклатуры
  12. 5.11: Формула массы: масса молекулы или формульная единица
• Глава 6
  1. Глава 6: Химический состав
  2. 6.1: Сколько натрия?
  3. 6.2: Подсчет гвоздей по фунту
  4. 6.3: Подсчет атомов по грамму
  5. 6.4: Подсчет молекул по грамму
  6. 6.5: Химические формулы как коэффициенты пересчета
  7. 6.6: Массовый процентный состав соединений
  8. 6.7: Массовый процентный состав химической формулы
  9. 6.8: Расчет эмпирических формул для соединений
  10. 6.9: Расчет молекулярных формул для соединений
• Глава 7
  1. Глава 7: Химические реакции
  2. 7.1: Вулканы начальной школы, автомобили и моющие средства для стирки
  3. 7.2: Свидетельства химической реакции
  4. 7.3: Химическое уравнение
  5. 7.4: Как написать сбалансированные химические уравнения
  6. 7.5 Водные растворы и растворимость: соединения, растворенные в воде
  7. 7.6: Реакции осаждения: реакции в водном растворе с образованием твердого вещества
  8. 7.7: Написание химических уравнений для реакций в растворах: молекулярные, полные ионные и чистые ионные уравнения
  9. 7.8: Кислотно-щелочные реакции и реакции выделения газа
  10. 7.9: Реакции окисления-восстановления
  11. 7.10: Классификация химических реакций
  12. 7.11: Серия действий
• Глава 8
  1. Глава 8: Количества в химических реакциях
  2. 8.1: Изменение климата: слишком много двуокиси углерода
  3. 8.2: Стехиометрия
  4. 8.3: Создание молекул: преобразование из молей в моли
  5. 8.4: Создание молекул: преобразование массы в массу
  6. 8.5: Ограничение реагента, теоретического выхода и процентного выхода
  7. 8.6: Ограничение реагента, теоретический выход и процентный выход от исходных масс реагентов

11.S: жидкости и межмолекулярные силы (сводка)

  • межмолекулярные силы — силы, существующие между молекулами

Состояние вещества зависит от баланса между кинетической энергией отдельных частиц (молекул или атомов) и межмолекулярными силами.Кинетическая энергия разделяет и перемещает молекулы и является функцией температуры вещества, а межмолекулярные силы пытаются сблизить частицы.

  • газы
    • средняя кинетическая энергия молекул больше, чем средняя энергия притяжения между молекулами
    • Отсутствие сильных сил притяжения позволяет газам расширяться
  • жидкости
    • плотнее газов
    • имеют определенный объем
    • силы притяжения недостаточно сильны, чтобы удерживать молекулы от движения, позволяя жидкостям сохранять форму контейнера
  • твердых веществ
    • межмолекулярные силы удерживают молекулы вместе и не дают им двигаться
    • не очень сжимаемый
    • кристаллический — твердые тела с высокоупорядоченной структурой
Газ предполагает, что емкость и форма емкости сжимаемы, диффузия в газе происходит быстро, легко течет
Жидкость Предполагается, что форма занимаемой части контейнера Не ​​расширяется при заполнении контейнера Практически несжимаема Диффузия внутри жидкости происходит медленно Легко течет
Цельный Сохраняет свою форму и объем Практически не сжимается Диффузия в твердом теле происходит очень медленно Не течет
  • Состояние вещества зависит от баланса между кинетической энергией частиц и энергиями межчастичного притяжения
  • кинетическая энергия зависит от температуры и имеет тенденцию разделять частицы и двигаться
  • притяжение частиц сближает частицы
  • конденсированные фазы — жидкости и твердые вещества, поскольку частицы расположены близко друг к другу по сравнению с газами
  • увеличение температуры заставляет молекулы быть ближе друг к другу ® увеличение силы межмолекулярных сил

Молекулы в жидкостях прикрепляются к другим молекулам за счет межмолекулярных взаимодействий, которые слабее, чем внутримолекулярные взаимодействия, удерживающие молекулы и многоатомные ионы вместе.Три основных типа межмолекулярных взаимодействий — это диполь-дипольные взаимодействия, силы лондонской дисперсии (эти два часто вместе называются силами Ван-дер-Ваальса) и водородные связи.

  • межмолекулярные силы более слабые, чем ионные или ковалентные связи
  • многие свойства жидкостей отражают силу межмолекулярных сил
  • три типа межмолекулярных сил: диполь-дипольные силы, силы дисперсии Лондона и силы водородных связей.
    • также называется силами Ван-дер-Ваальса
    • менее чем на 15% прочнее ковалентных или ионных связей
    • электростатический по своей природе, включает в себя притяжение между положительными и отрицательными видами

11.2.1 Ионно-дипольные силы

  • Ионно-дипольная сила — существует между ионом и частичным зарядом на одном конце полярной молекулы
  • Полярные молекулы — диполи
  • величина притяжения увеличивается с увеличением заряда иона или величины дипольного момента

11.2.2 Диполь-дипольные силы

  • диполь-дипольная сила — существует между нейтральными полярными молекулами
  • эффективен только тогда, когда полярные молекулы находятся очень близко друг к другу
  • слабее ионно-дипольных сил
  • для молекул примерно одинаковой массы и размера, сила межмолекулярного притяжения увеличивается с увеличением полярности
  • увеличить дипольный момент ® повысить температуру кипения

11.2.3 Лондонские силы рассеяния

    • межчастичные силы, существующие между неполярными атомами или молекулами
    • движение электронов может создавать мгновенный дипольный момент
    • молекулы должны быть очень близко друг к другу
    • поляризуемость — легкость, при которой распределение заряда в молекуле может быть искажено
    • большая поляризуемость ® более легкое искажение электронного облака с образованием мгновенного диполя
    • молекулы большего размера обладают большей поляризуемостью
    • Дисперсионные силы Лондона увеличиваются с увеличением размера молекулы
    • Прочность дисперсионных сил увеличивается с увеличением молекулярной массы
    • Форма молекулы влияет на межмолекулярное притяжение
    • больший поверхностный контакт ® более высокая точка кипения и силы лондонской дисперсии
    • дисперсионные силы действуют между всеми молекулами
    • сравнение относительной силы межмолекулярных притяжений:
    • 1) сопоставимые молекулярные массы и формы = равные дисперсионные силы
      • Различия в величинах сил притяжения из-за разницы в силе диполь-дипольного притяжения
      • самая полярная молекула имеет самое сильное притяжение
    • 2) различный молекулярный вес = дисперсионные силы, как правило, являются решающими
      • различия в величинах сил притяжения, связанные с различиями в молекулярных массах
      • самая массивная молекула имеет сильнейшее притяжение

11.2.4 Водородная связь

  • водородная связь — особый тип межмолекулярного притяжения, которое существует между атомом водорода в полярной связи и неподеленной электронной парой на соседнем электроотрицательном ионе или атоме
  • водородная связь с F, N и O полярна
  • плотность льда ниже, чем у жидкой воды
  • когда вода замерзает, молекулы предполагают, что упорядоченное открытое расположение ® делает лед менее плотным, чем вода
  • объем льда данной массы больше, чем такой же массы воды
  • структура льда позволяет существовать максимальному количеству взаимодействий водородных связей

11.2.5 Сравнение межмолекулярных сил

  • дисперсионные силы во всех веществах
  • сила сил увеличивается с увеличением молекулярной массы и также зависит от формы
  • диполь-дипольные силы добавляют к эффекту дисперсионных сил и обнаруживаются в полярных молекулах
  • водородные связи имеют тенденцию быть самой сильной межмолекулярной силой

Поверхностное натяжение, капиллярное действие и вязкость — уникальные свойства жидкостей, которые зависят от природы межмолекулярных взаимодействий.Поверхностное натяжение — это энергия, необходимая для увеличения площади поверхности жидкости. Поверхностно-активные вещества — это молекулы, которые уменьшают поверхностное натяжение полярных жидкостей, таких как вода. Капиллярное действие — это явление, при котором жидкость поднимается в узкую трубку, называемую капилляром. Вязкость жидкости — это ее сопротивление потоку.

  • два свойства жидкостей: вязкость и поверхностное натяжение

11.3.1 Вязкость

  • вязкость — сопротивление жидкости течению
  • чем выше вязкость, тем медленнее течет жидкость.
  • измеряется путем измерения времени, в течение которого определенное количество жидкости протекает через тонкую трубку под действием гравитационных сил
  • также можно измерить по тому, сколько времени требуется стальным сферам, чтобы пропустить сквозь жидкость
  • Вязкость, связанная с легкостью, с которой отдельные молекулы жидкости могут перемещаться друг относительно друга
  • зависит от сил притяжения между молекулами и наличия структурных особенностей, вызывающих перепутывание молекул
  • вязкость уменьшается с повышением температуры

11.3.2 Поверхностное натяжение

  • поверхностное натяжение — энергия, необходимая для увеличения площади поверхности жидкости на единицу
  • Поверхностное натяжение воды при 20 ° C составляет 7,29 x 10 -2 Дж / м 2
  • 7,29 x 10 -2 Дж / м 2 необходимо подавать для увеличения площади поверхности данного количества воды на 1 м 2
  • силы сцепления — межмолекулярные силы, связывающие похожие молекулы
  • силы адгезии — межмолекулярные силы, связывающие вещество с поверхностью
  • капиллярное действие — подъем жидкости по очень узким трубкам

Синтез, испарение и сублимация — эндотермические процессы, тогда как замораживание, конденсация и осаждение — экзотермические процессы.Изменения состояния являются примерами фазовых переходов или фазовых переходов. Все фазовые изменения сопровождаются изменением энергии системы. Переход от более упорядоченного состояния к менее упорядоченному (например, от жидкости к газу) является эндотермическим. Переходы от менее упорядоченного состояния к более упорядоченному (например, от жидкости к твердому) всегда экзотермичны.

11.4.1 Изменения энергии, сопровождающие изменения фаз

    • изменения фаз требуют энергии
    • переход фаз в менее упорядоченное состояние требует энергии
    • процесс плавления твердого тела, называемый плавлением
    • теплота плавления — изменение энтальпии плавления твердого тела
    • D H фус вода = 6.01 кДж / моль
    • теплота испарения — теплота, необходимая для испарения жидкости
    • D H пар. вода = 40,67 кДж / моль
    • плавление, испарение и сублимация являются эндотермическими
    • замораживание, конденсация и осаждение являются экзотермическими

11.4.2 Кривые нагрева

    • кривая нагрева — график зависимости температуры системы от количества добавленного тепла
    • используется для расчета изменений энтальпии
    • переохлажденная вода — при охлаждении воды до температуры ниже 0 ° C

11.4.3 Критическая температура и давление

    • критическая температура — максимальная температура, при которой вещество может существовать в жидком виде
    • критическое давление — давление, необходимое для разжижения при критической температуре
    • чем больше силы межмолекулярного притяжения, тем легче газы сжижаются ® выше критическая температура
    • не может сжижать газ путем приложения давления, если температура газа выше критической

Поскольку молекулы жидкости находятся в постоянном движении и обладают широким диапазоном кинетических энергий, в любой момент у какой-то их части достаточно энергии, чтобы вырваться с поверхности жидкости и войти в газовую или паровую фазу.Этот процесс, называемый испарением или испарением, создает давление пара над жидкостью. Молекулы в газовой фазе могут сталкиваться с поверхностью жидкости и повторно входить в жидкость посредством конденсации. В конце концов, достигается устойчивое состояние или динамическое равновесие.

Давление пара — измеряет склонность жидкости к испарению

11.5.1 Объяснение давления пара на молекулярном уровне

    • динамическое равновесие — состояние, когда два противоположных процесса происходят одновременно с равной скоростью
    • Давление пара жидкости — это давление, оказываемое ее паром, когда состояния жидкости и пара находятся в динамическом равновесии

11.5.2 Летучесть, давление пара и температура

    • летучие — жидкости, которые легко испаряются
    • Давление пара увеличивается с повышением температуры

11.5.3 Давление паров и точка кипения

    • жидкость кипит, когда давление ее пара равно внешнему давлению, действующему на поверхность жидкости
    • Температура кипения увеличивается с увеличением внешнего давления
    • normal boiling point — точка кипения жидкости при 1 атм.
    • более высокое давление вызывает кипение воды при более высоких температурах

Состояния вещества, проявляемые веществом при различных температурах и давлениях, могут быть представлены графически на фазовой диаграмме, которая представляет собой график зависимости давления от температуры.Фазовые диаграммы содержат дискретные области, соответствующие твердой, жидкой и газовой фазам. Твердые и жидкие области разделены кривой плавления вещества, а жидкие и газовые области разделены кривой давления пара, которая заканчивается в критической точке.

  • фазовые диаграммы — графический способ суммировать условия, при которых существует равновесие между различными состояниями материи
  • три важных кривых:
    • 1) Кривая давления пара жидкости
    • показывает равновесие жидкой и газовой фаз
    • нормальная точка кипения = точка на кривой, где давление при 1 атм.
    • 2) изменение давления пара твердого тела при его сублимации при разных температурах
    • 3) изменение температуры плавления твердого тела при повышении давления
    • наклоняется вправо при увеличении давления
    • более высокие температуры, необходимые для плавления твердых тел при более высоких давлениях
    • точка плавления твердого вещества идентична точке замерзания
      • отличаются только направлением температуры, от которой приближается фазовый переход
      • точка плавления при 1 атм является нормальной точкой плавления
  • тройная точка — точка, в которой все три фазы находятся в равновесии
  • газовая фаза, стабильная при низких давлениях и высоких температурах
  • твердая фаза, стабильная при низких температурах и высоких давлениях
  • жидкая фаза — стабильная между газом и твердыми частицами

11.6.1 Фазовые диаграммы H 2 O и CO 2

    • точка плавления CO 2 увеличивается с увеличением давления
    • температура плавления H 2 O уменьшается с увеличением давления
    • тройная точка H 2 O (0,0098 ° C и 4,58 торр) при более низком давлении, чем CO 2 (-56,4 ° C и 5,11 атм)
    • твердый CO 2 не плавится, а сублимирует
    • CO 2 не имеет нормальной температуры плавления, но имеет нормальную температуру сублимации
    • CO 2 поглощает энергию при обычных температурах

Кристаллическое твердое тело может быть представлено его элементарной ячейкой, которая представляет собой наименьшую идентичную единицу, которая, сложенная вместе, дает характерную трехмерную структуру.Твердые тела характеризуются расширенным трехмерным расположением атомов, ионов или молекул, в котором компоненты, как правило, заблокированы в своих положениях. Компоненты могут быть расположены в регулярном повторяющемся трехмерном массиве. Наименьшей повторяющейся единицей кристаллической решетки является элементарная ячейка.

  • кристаллическое твердое тело — твердое тело, атомы, ионы или молекулы которого упорядочены в четко определенном порядке.
    • плоские поверхности или грани, образующие определенные углы
    • правильной формы
  • аморфное твердое тело — твердое тело, частицы которого не имеют упорядоченной структуры
    • не хватает четко определенных граней и форм
    • смеси молекул, которые плохо складываются вместе
    • большие сложные молекулы
    • межмолекулярные силы различаются по силе
    • не плавится при определенной температуре, но размягчается в диапазоне температур

11.7.1 Единичная ячейка

    • элементарная ячейка — повторяющаяся единица твердого тела
    • кристаллическая решетка — трехмерный массив точек, каждая из которых представляет идентичную среду внутри кристалла
    • три типа кубической элементарной ячейки: примитивная кубическая, объемно-центрированная кубическая и гранецентрированная кубическая
    • примитивная кубическая — решетка только по углам
    • объемно-центрированный кубик — точки решетки в углах и центре
    • гранецентрированный кубик — точки решетки в центре каждой грани и в каждом углу

11.7.2 Кристаллическая структура хлорида натрия

    • общее соотношение катионов и анионов в элементарной ячейке должно быть таким же, как и для всего кристалла

11.7.3 Плотная упаковка сфер

    • Структуры кристаллических твердых тел — это те, которые приводят частицы в самый тесный контакт для максимизации сил притяжения
    • большинство частиц, из которых состоят твердые тела, имеют сферическую форму
    • две формы плотной упаковки: кубическая плотная упаковка и шестиугольная плотная упаковка
    • гексагональная плотная упаковка — сферы третьего слоя, расположенные на одной линии со сферами первого слоя
    • Координационное число
    • — число частиц, непосредственно окружающих частицу в кристаллической структуре
    • обе формы плотной упаковки имеют координационное число 12

Основными типами твердых веществ являются ионные, молекулярные, ковалентные и металлические.Ионные твердые тела состоят из положительно и отрицательно заряженных ионов, удерживаемых вместе электростатическими силами; сила связи отражается на энергии решетки. Ионные твердые вещества имеют высокую температуру плавления и довольно твердые. Молекулярные твердые тела удерживаются вместе относительно слабыми силами, такими как диполь-дипольные взаимодействия, водородные связи и дисперсионные силы Лондона. Металлические твердые тела обладают необычными свойствами.

Тип твердого Формы единичных частиц Силы между частицами Недвижимость Примеры

Жидкости

В главе 10 «Газы» вы узнали, что силы притяжения между молекулами заставляют большинство газов конденсироваться в жидкости при высоком давлении, низкой температуре или и том и другом.Вещества, которые обычно являются жидкостями, удерживаются вместе точно теми же силами, которые ответственны за сжижение газов. Одним из таких веществ является вода, растворитель, в котором происходят все биохимические реакции. Благодаря своим тепловым свойствам вода также изменяет температуру Земли, поддерживая температурный диапазон, подходящий для жизни. Другие жидкости используются для производства предметов, которые мы используем каждый день — например, твердый материал превращается в жидкость, жидкость впрыскивается в форму, а затем она затвердевает в сложные формы в условиях, которые тщательно контролируются.Чтобы понять такие процессы, наше исследование макроскопических свойств материи должно включать понимание свойств жидкостей и взаимного преобразования трех состояний вещества: газов, жидкостей и твердых тел.

Вода, выступающая на поверхности свежеприготовленного воском автомобиля. Вощеная неполярная поверхность не сильно взаимодействует с полярными молекулами воды. Отсутствие притягивающих взаимодействий заставляет воду образовывать круглые бусинки.

В этой главе мы более внимательно рассмотрим межмолекулярные силы, которые отвечают за свойства жидкостей, опишем некоторые уникальные свойства жидкостей по сравнению с другими состояниями материи, а затем рассмотрим изменения в состоянии между жидкостями и газами или твердыми телами. .К концу главы вы поймете, что происходит на молекулярном уровне, когда вы вытираетесь полотенцем, почему вам холодно, когда вы выходите из воды, почему лед скользкий и как можно избавиться от кофеина. без удаления важных ароматических компонентов. Вы также узнаете, как работают жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи) в электронных устройствах и как клейкие полоски, используемые для измерения температуры тела, изменяют цвет, указывая на жар.

11.1 Кинетическое молекулярное описание жидкостей

Цель обучения

  1. Чтобы ознакомиться с кинетическим молекулярным описанием жидкостей.

Кинетическая молекулярная теория газов, описанная в главе 10 «Газы», ​​дает достаточно точное описание поведения газов. Аналогичная модель может быть применена к жидкостям, но она должна учитывать ненулевые объемы частиц и наличие сильных сил межмолекулярного притяжения.

В газе расстояние между молекулами, одноатомными или многоатомными, очень велико по сравнению с размером молекул; таким образом, газы имеют низкую плотность и обладают высокой сжимаемостью.Напротив, молекулы в жидкостях расположены очень близко друг к другу, и между ними практически нет пустого пространства. Однако, как и в газах, молекулы в жидкостях находятся в постоянном движении, и их кинетическая энергия (и, следовательно, их скорость) зависит от их температуры. Мы начнем наше обсуждение с изучения некоторых характерных свойств жидкостей, чтобы увидеть, как каждое из них согласуется с модифицированным кинетическим молекулярным описанием.

Плотность

Молекулы жидкости упакованы относительно близко друг к другу.Следовательно, жидкости намного плотнее газов. Плотность жидкости обычно примерно такая же, как плотность твердого состояния вещества. Поэтому плотности жидкостей чаще измеряются в граммах на кубический сантиметр (г / см 3 ) или граммах на миллилитр (г / мл), чем в граммах на литр (г / л), единицах измерения, обычно используемых для газов.

Молекулярный порядок

Жидкости демонстрируют ближний порядок, потому что сильные силы межмолекулярного притяжения заставляют молекулы довольно плотно упаковываться.Однако из-за своей более высокой кинетической энергии по сравнению с молекулами в твердом теле молекулы в жидкости быстро перемещаются относительно друг друга. Таким образом, в отличие от ионов в ионных твердых телах, обсуждаемых в главе 8 «Ионная и ковалентная связь», в разделе 8.2 «Ионная связь», молекулы в жидкостях не расположены в повторяющемся трехмерном массиве. Однако, в отличие от молекул в газах, расположение молекул в жидкости не является полностью случайным.

Сжимаемость

У жидкостей так мало пустого пространства между составляющими их молекулами, что они не могут быть легко сжаты.Сжатие заставит атомы соседних молекул занять одну и ту же область пространства.

Тепловое расширение

Межмолекулярные силы в жидкостях достаточно велики, чтобы удерживать их от значительного расширения при нагревании (обычно всего несколько процентов в диапазоне температур 100 ° C). Таким образом, объемы жидкостей в некоторой степени фиксированы. Обратите внимание на таблицу 11.1 «Плотность воды при различных температурах», что плотность воды, например, изменяется только примерно на 3% в диапазоне температур 90 градусов.

Таблица 11.1 Плотность воды при различных температурах

T (° C) Плотность (г / см 3 )
0 0,99984
30 0,99565
60 0.98320
90 0,96535

диффузия

Молекулы в жидкостях диффундируют, потому что они находятся в постоянном движении (Рисунок 11.1 «Молекулярная диффузия в жидкости»). Однако молекула в жидкости не может двигаться далеко до столкновения с другой молекулой, поэтому длина свободного пробега в жидкостях очень мала, а скорость диффузии намного ниже, чем в газах.

Рисунок 11.1 Молекулярная диффузия в жидкости

Капля водного раствора, содержащего маркерную краску, добавляется к большему объему воды. По мере того, как краска распространяется по краям, цвет становится бледнее.

Текучесть

Жидкости могут течь, принимая форму своих контейнеров, поскольку их молекулы могут свободно перемещаться. Эта свобода движения и их близкое расположение позволяют молекулам жидкости быстро перемещаться в отверстия, оставленные другими молекулами, в свою очередь, создавая больше отверстий и т. Д. (Рисунок 11.2 «Почему текут жидкости»).

Рисунок 11.2 Почему поток жидкости

Молекулы в жидкости находятся в постоянном движении. Следовательно, когда колба наклоняется, молекулы перемещаются влево и вниз под действием силы тяжести, а отверстия занимают другие молекулы. Результатом является чистый поток жидкости из контейнера.

Сводка

Свойства жидкостей можно объяснить с помощью модифицированной версии кинетической молекулярной теории газов, описанной в главе 10 «Газы».Эта модель объясняет более высокую плотность, больший порядок и меньшую сжимаемость жидкостей по сравнению с газами; тепловое расширение жидкостей; почему они распространяются; и почему они принимают форму (но не объем) своих контейнеров.

Ключевые вынос

  • Кинетическое молекулярное описание жидкостей должно учитывать как ненулевые объемы частиц, так и наличие сильных сил межмолекулярного притяжения.

жидкость | Химия, свойства и факты

Жидкость , в физике, одно из трех основных состояний вещества, промежуточное между газом и кристаллическим твердым телом.

Физические свойства жидкостей

Наиболее очевидные физические свойства жидкости — это сохранение объема и соответствие форме емкости. Когда жидкое вещество наливается в сосуд, оно принимает форму сосуда и, пока вещество остается в жидком состоянии, оно остается внутри сосуда. Более того, когда жидкость переливается из одного сосуда в другой, она сохраняет свой объем (до тех пор, пока не происходит испарение или изменение температуры), но не форму.Эти свойства служат удобными критериями для отличия жидкого состояния от твердого и газообразного. Например, газы расширяются и заполняют свой контейнер, так что объем, который они занимают, совпадает с объемом контейнера. Твердые тела сохраняют свою форму и объем при перемещении из одного контейнера в другой.

Жидкости можно разделить на две основные категории: чистые жидкости и жидкие смеси. На Земле вода — самая распространенная жидкость, хотя большая часть воды, с которой вступают в контакт организмы, не в чистом виде, а представляет собой смесь, в которой растворены различные вещества.Такие смеси включают жидкости, необходимые для жизни, например кровь, напитки и морскую воду. Морская вода — это жидкая смесь, в которой растворены различные соли. Хотя в чистом виде эти соли представляют собой твердые вещества, в океанах они являются частью жидкой фазы. Таким образом, жидкие смеси содержат вещества, которые в чистом виде сами могут быть жидкостями, твердыми веществами или даже газами.

Жидкое состояние иногда описывается просто как состояние, которое возникает между твердым и газообразным состояниями, и для простых молекул это различие однозначно.Однако четкое различие между жидким, газообразным и твердым состояниями сохраняется только для тех веществ, молекулы которых состоят из небольшого числа атомов. Когда число превышает примерно 20, жидкость часто можно охладить ниже истинной точки плавления с образованием стекла, которое обладает многими механическими свойствами твердого тела, но не имеет кристаллического порядка. Если количество атомов в молекуле превышает примерно 100–200, классификация на твердые, жидкие и газообразные перестает быть полезной. При низких температурах такими веществами обычно являются стекла или аморфные твердые тела, и их жесткость падает с повышением температуры — т.е.е., они не имеют фиксированных температур плавления; некоторые, однако, могут образовывать настоящие жидкости. С этими большими молекулами невозможно достичь газообразного состояния, потому что они химически разлагаются до того, как температура станет достаточно высокой для испарения жидкости. Так ведут себя синтетические и натуральные высокомолекулярные полимеры (например, нейлон и резина).

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Если молекулы большие, жесткие и либо примерно плоские, либо линейные, как в холестерилацетате или p -азоксианизоле, твердое вещество может плавиться до анизотропной жидкости (т.е.е., который не является однородным во всех направлениях), в котором молекулы могут свободно перемещаться, но им очень трудно вращаться. Такое состояние называется жидким кристаллом, и анизотропия вызывает изменения показателя преломления (мера изменения направления света, когда он переходит из одной среды в другую) с направлением падающего света и, следовательно, приводит к необычным оптическим характеристикам. эффекты. Жидкие кристаллы нашли широкое применение в устройствах измерения температуры, а также в дисплеях для часов и калькуляторов.Однако никакие неорганические соединения и только около 5 процентов известных органических соединений образуют жидкие кристаллы. Таким образом, теория нормальных жидкостей — это преимущественно теория поведения веществ, состоящих из простых молекул.

Жидкость лишена как сильного пространственного порядка твердого тела, хотя она имеет высокую плотность твердых тел, так и отсутствия порядка газа, что является результатом низкой плотности газов, то есть молекулы газа относительно свободны от влияния друг друга. . Сочетание высокой плотности и частичного порядка в жидкостях привело к трудностям в разработке количественно приемлемых теорий жидкостей.Понимание жидкого состояния, как и всех состояний материи, пришло с кинетической молекулярной теорией, которая утверждала, что материя состоит из частиц, находящихся в постоянном движении, и что это движение является проявлением тепловой энергии. Чем больше тепловая энергия частицы, тем быстрее она движется.

Переходы между состояниями материи

В очень общих чертах, частицы, составляющие материю, включают молекулы, атомы, ионы и электроны. В газе эти частицы расположены достаточно далеко друг от друга и движутся достаточно быстро, чтобы избежать влияния друг друга, которое может быть различного типа — например, притяжения или отталкивания из-за электрических зарядов и особых сил притяжения, в которых участвуют электроны, вращающиеся вокруг атома. ядра.Движение частиц происходит по прямой линии, и возникающие в результате столкновения происходят без потери энергии, хотя между сталкивающимися частицами может происходить обмен энергиями. Когда газ охлаждается, его частицы движутся медленнее, а те, которые достаточно медленно, чтобы задерживаться в непосредственной близости друг от друга, сливаются, потому что сила притяжения преодолевает их пониженную кинетическую энергию и, по определению, тепловую энергию. Каждая частица, когда она соединяется с другими в жидком состоянии, отдает некоторую долю тепла, называемую скрытой теплотой сжижения, но каждая продолжает двигаться с той же скоростью внутри жидкости, пока температура остается на уровне точки конденсации.Расстояния, на которые частицы могут перемещаться в жидкости без столкновения, порядка диаметров молекул. По мере охлаждения жидкости частицы движутся еще медленнее, пока при температуре замерзания энергия притяжения не создаст такую ​​высокую плотность, что жидкость замерзнет в твердом состоянии. Однако они продолжают вибрировать с той же скоростью, пока температура остается на уровне точки замерзания, а их скрытая теплота плавления выделяется в процессе замерзания. Нагревание твердого тела обеспечивает частицы теплотой плавления, необходимой для того, чтобы позволить им избежать влияния друг друга, достаточного для перемещения в жидком состоянии.Дальнейшее нагревание обеспечивает жидкие частицы теплотой испарения, которая позволяет им полностью покинуть друг друга и перейти в паровое или газообразное состояние.

Этот резко упрощенный взгляд на состояния материи игнорирует многие усложняющие факторы, наиболее важным из которых является тот факт, что никакие две частицы не должны двигаться с одинаковой скоростью в газе, жидкости или твердом теле, и связанный с этим факт, что даже в твердом теле некоторые частицы частицы могли получить энергию, необходимую для существования в виде частиц газа, в то время как даже в газе некоторые частицы могут быть практически неподвижными в течение короткого времени.Следует учитывать среднюю кинетическую энергию частиц, а также тот факт, что движение является случайным. На границе между жидкостью и газом, а также между жидкостью и твердым телом всегда происходит обмен частицами: медленные молекулы газа конденсируются на поверхности жидкости, а быстрые молекулы жидкости уходят в газ.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *