Skysta būsena. Medžiagos skystoji būsena Skystų medžiagų apibrėžimas

Skystoje būsenoje esančios medžiagos molekulės yra beveik arti viena kitos. Skirtingai nuo kietų kristalinių kūnų, kuriuose molekulės sudaro tvarkingas struktūras visame kristalo tūryje ir gali atlikti šilumines vibracijas aplink fiksuotus centrus, skystos molekulės turi didesnę laisvę. Kiekviena skysčio molekulė, kaip ir kietoje medžiagoje, iš visų pusių yra „suspausta“ gretimų molekulių ir patiria šiluminius virpesius aplink tam tikrą pusiausvyros padėtį. Tačiau laikas nuo laiko bet kuri molekulė gali persikelti į netoliese esančią laisvą vietą. Tokie šuoliai skysčiuose pasitaiko gana dažnai; todėl molekulės nėra susietos su konkrečiais centrais, kaip kristaluose, ir gali judėti per visą skysčio tūrį. Tai paaiškina skysčių sklandumą. Dėl stiprios sąveikos tarp arti esančių molekulių jos gali sudaryti vietines (nestabilias) tvarkingas grupes, turinčias kelias molekules. Šis reiškinys vadinamas uždaryti tvarką(1 pav.).

Ryžiai. 2 paveiksle parodytas skirtumas tarp dujinės medžiagos ir skysčio, kaip pavyzdys naudojant vandenį. Vandens molekulė H2O susideda iš vieno deguonies atomo ir dviejų vandenilio atomų, išsidėsčiusių 104° kampu. Vidutinis atstumas tarp garo molekulių yra dešimtis kartų didesnis nei vidutinis atstumas tarp vandens molekulių. Skirtingai nuo Fig. 1, kur vandens molekulės pavaizduotos rutuliukų pavidalu, Fig. 2 pateikia vandens molekulės struktūros idėją.

Dėl tankios molekulių pakuotės skysčių suspaudžiamumas, tai yra tūrio pokytis keičiantis slėgiui, yra labai mažas; jis yra dešimtis ir šimtus tūkstančių kartų mažesnis nei dujose. Skysčiai, kaip ir kietos medžiagos, keičia savo tūrį kintant temperatūrai. Vandens šiluminis plėtimasis turi įdomią ir svarbią gyvybei Žemėje anomaliją. Esant žemesnei nei 4°C temperatūrai, temperatūrai mažėjant vanduo plečiasi. Didžiausias vandens tankis ρ in = 10 3 kg/m 3 esant 4 °C temperatūrai. Kai vanduo užšąla, jis plečiasi, todėl ledas lieka plūduriuoti užšąlančio vandens telkinio paviršiuje. Užšąlančio vandens temperatūra po ledu yra 0 °C. Tankesniuose vandens sluoksniuose rezervuaro dugne temperatūra siekia apie 4 °C. Dėl to užšąlančių rezervuarų vandenyje gali egzistuoti gyvybė. Įdomiausia skysčių savybė yra buvimas laisvas paviršius. Skystis, skirtingai nei dujos, neužpildo viso indo, į kurį pilamas, tūrio. Tarp skysčio ir dujų (arba garų) susidaro sąsaja, kuri yra ypatingomis sąlygomis, palyginti su likusiu skysčiu. Skysčio ribiniame sluoksnyje esančios molekulės, skirtingai nei jo gylyje esančios molekulės, iš visų pusių nėra apsuptos kitų to paties skysčio molekulių. Tarpmolekulinės sąveikos jėgos, veikiančios vieną iš skysčio viduje esančių molekulių iš gretimų molekulių, yra vidutiniškai kompensuojamos. Bet kurią ribinio sluoksnio molekulę traukia skysčio viduje esančios molekulės (gali būti nepaisoma jėgos, veikiančios tam tikrą skysčio molekulę iš dujų (arba garų) molekulių). Dėl to atsiranda tam tikra gaunama jėga, nukreipta giliai į skystį. Koeficientas σ vadinamas koeficientu paviršiaus įtempimas(σ > 0). Taigi paviršiaus įtempimo koeficientas yra lygus darbui, kurio reikia norint padidinti skysčio paviršiaus plotą pastovioje temperatūroje vienu vienetu. SI, paviršiaus įtempimo koeficientas matuojamas džaulių vienam kvadratiniam metrui(J/m 2) arba in niutonų už metrą(1 N/m = 1 J/m2). Vadinasi, skysčio paviršinio sluoksnio molekulės turi perteklių potencinė energija. Skysčio paviršiaus potenciali energija E p yra proporcinga jo plotui:

E p = A ext = σS.

Iš mechanikos žinoma, kad sistemos pusiausvyros būsenos atitinka mažiausią jos potencialios energijos vertę. Iš to išplaukia, kad laisvas skysčio paviršius linkęs mažinti jo plotą. Dėl šios priežasties laisvas skysčio lašas įgauna sferinę formą. Skystis elgiasi taip, tarsi jėgos, veikiančios tangentiškai jo paviršių, sutrauktų (trauktų) šį paviršių. Šios jėgos vadinamos paviršiaus įtempimo jėgos. Dėl paviršiaus įtempimo jėgų skysčio paviršius atrodo kaip elastinga ištempta plėvelė, vienintelis skirtumas, kad plėvelės elastingumo jėgos priklauso nuo jos paviršiaus ploto (tai yra nuo plėvelės deformacijos) ir paviršiaus. įtampos jėgų nepriklausykite ant skysčio paviršiaus ploto. Kai kurie skysčiai, pavyzdžiui, muiluotas vanduo, gali sudaryti plonas plėveles. Gerai žinomi muilo burbulai yra taisyklingos sferinės formos – tai taip pat parodo paviršiaus įtempimo jėgų poveikį. Jei vielinis rėmas, kurio viena iš kraštų yra judama, nuleidžiamas į muilo tirpalą, tada visas rėmas bus padengtas skysčio plėvele (3 pav.).

Paviršiaus įtempimo jėgos linkusios sumažinti plėvelės paviršių. Norint subalansuoti judančią rėmo pusę, jam turi būti taikoma išorinė jėga $(\vec(F))_(ext)=-\vec((F)_(n))$. Jei veikiant jėgai $(\vec(F))_(ext)$, skersinis pasislenka Δx, tada darbas bus atliktas ΔA ext = F ext Δx = ΔE p = σΔS, kur ΔS = 2LΔx yra abiejų muilo plėvelės pusių paviršiaus ploto padidėjimas. Kadangi jėgų $(\vec(F))_(ext)$ ir $\vec((F)_(n))$ dydžiai yra vienodi, galime rašyti:

$$ (F)_(n)\Delta x=\sigma 2L\Delta x \: arba \: \sigma =\frac((F)_(n))(2L)$$

Netoli skysčio, kietosios medžiagos ir dujų ribos skysčio laisvojo paviršiaus forma priklauso nuo skysčio molekulių ir kietųjų molekulių sąveikos jėgų (sąveikos su dujų (arba garų) molekulėmis galima nepaisyti). Jei šios jėgos yra didesnės už paties skysčio molekulių sąveikos jėgas, tai skystis sudrėkina kietosios medžiagos paviršių. Šiuo atveju skystis artėja prie kietosios medžiagos paviršiaus tam tikru aštriu kampu θ, būdingu tam tikrai skysčio ir kietos medžiagos porai. Kampas θ vadinamas kontaktiniu kampu. Jei sąveikos tarp skystų molekulių jėgos viršija jų sąveikos su kietosiomis molekulėmis jėgas, tada kontaktinis kampasθ pasirodo bukas (4 pav.). Šiuo atveju jie sako, kad skystis nesušlapina kietos medžiagos paviršius. At visiškas drėkinimasθ = 0, at visiškas nedrėkimasθ = 180°.

Kapiliariniai reiškiniai vadinamas skysčio pakilimu arba kritimu mažo skersmens vamzdeliuose - kapiliarai. Drėkinantys skysčiai kapiliarais kyla aukštyn, o nedrėkantys skysčiai leidžiasi žemyn. Fig. 5 paveiksle pavaizduotas tam tikro spindulio r kapiliarinis vamzdelis, apatiniame gale nuleistas į drėkinamąjį skystį, kurio tankis ρ. Viršutinis kapiliaro galas yra atviras. Skysčio kilimas kapiliare tęsiasi tol, kol skysčio stulpelį kapiliare veikianti gravitacijos jėga tampa lygi susidariusioms F n paviršiaus įtempimo jėgoms, veikiančioms išilgai skysčio sąlyčio su kapiliaro paviršiumi ribos. : F t = F n, kur F t = mg = ρhπr2g, F n = σ2πr cos θ. Tai reiškia:

$$ h=\frac(2\sigma \cos \theta )(\rho gr) $$

Visiškai sudrėkinus θ = 0, cos θ = 1. Šiuo atveju

$$ h=\frac(2\sigma )(\rho gr) $$

Visiškai nesudrėkinus θ = 180°, cos θ = –1 ir todėl h< 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр. Вода практически полностью смачивает чистую поверхность стекла. Наоборот, ртуть полностью не смачивает стеклянную поверхность. Поэтому уровень ртути в стеклянном капилляре опускается ниже уровня в сосуде.

Atsakyti į klausimus:

1. Kodėl skystis turi takumo savybę?

2. Kaip skysčio šiluminis plėtimasis priklauso nuo temperatūros?

3. Kas sukelia paviršiaus įtempimo jėgas?

4. Kodėl lietaus lašai turi rutulio formą?

5. Kas yra kapiliarinis reiškinys?

6. Kodėl skystis kyla per kapiliarą?

7. Kada skystis kapiliaru kyla aukštyn, o kada krenta?

· Eulerio lygtis · Navier – Stokso lygtys · Difuzijos lygtis · Huko dėsnis

Paprastai skystos būsenos medžiaga turi tik vieną modifikaciją. (Svarbiausios išimtys – kvantiniai skysčiai ir skystieji kristalai.) Todėl dažniausiai skystis yra ne tik agregacijos būsena, bet ir termodinaminė fazė (skystoji fazė).

Visi skysčiai paprastai skirstomi į grynus skysčius ir mišinius. Kai kurie skysčių mišiniai turi didelę reikšmę gyvybei: kraujas, jūros vanduo ir kt. Skysčiai gali veikti kaip tirpikliai.

Fizikinės skysčių savybės

• Skystumas

Pagrindinė skysčių savybė yra sklandumas. Jei pusiausvyros skysčio atkarpą veikia išorinė jėga, tada skysčio dalelių srautas atsiranda ta kryptimi, kuria ši jėga veikia: skystis teka. Taigi, veikiamas nesubalansuotų išorinių jėgų, skystis neišlaiko savo formos ir santykinio dalių išdėstymo, todėl įgauna indo, kuriame jis yra, formą.

Skirtingai nuo plastikinių kietųjų medžiagų, skystis neturi takumo ribos: pakanka pritaikyti savavališkai mažą išorinę jėgą, kad skystis tekėtų.

• Tūrio išsaugojimas

Viena iš būdingų skysčio savybių yra ta, kad jis turi tam tikrą tūrį (pastoviomis išorinėmis sąlygomis). Skystį itin sunku suspausti mechaniškai, nes, skirtingai nei dujos, tarp molekulių yra labai mažai laisvos vietos. Slėgis, veikiamas inde uždarytame skystyje, nekeičiant perduodamas į kiekvieną šio skysčio tūrio tašką (Paskalio dėsnis galioja ir dujoms). Ši savybė kartu su labai mažu suspaudžiamumu naudojama hidraulinėse mašinose.

Paprastai skysčių tūris padidėja (išsiplečia) kaitinant ir sumažėja (susitraukia) aušinant. Tačiau yra išimčių, pavyzdžiui, vanduo susitraukia kaitinant, esant normaliam slėgiui ir temperatūrai nuo 0°C iki maždaug 4°C.

• Klampumas

Be to, skysčiams (kaip ir dujoms) būdingas klampumas. Jis apibrėžiamas kaip gebėjimas atsispirti vienos dalies judėjimui kitos atžvilgiu – tai yra kaip vidinė trintis.

Kai gretimi skysčio sluoksniai juda vienas kito atžvilgiu, be šiluminio judėjimo sukeliamų molekulių susidūrimų neišvengiamai įvyksta. Atsiranda jėgos, kurios stabdo tvarkingą judėjimą. Šiuo atveju tvarkingo judėjimo kinetinė energija virsta šilumine energija – chaotiško molekulių judėjimo energija.

Skystis inde, paleistas ir paliktas savo įtaisams, palaipsniui sustos, tačiau jo temperatūra kils.

• Laisvas paviršiaus formavimas ir paviršiaus įtempimas

Dėl tūrio išsaugojimo skystis gali suformuoti laisvą paviršių. Toks paviršius yra tam tikros medžiagos fazių sąsaja: vienoje pusėje yra skystoji fazė, kitoje – dujinė fazė (garai) ir, galbūt, kitos dujos, pavyzdžiui, oras.

Jei tos pačios medžiagos skystoji ir dujinė fazės susiliečia, atsiranda jėgos, kurios linkusios mažinti sąsajos plotą – paviršiaus įtempimo jėgos. Sąsaja elgiasi kaip elastinga membrana, kuri linkusi susitraukti.

Paviršiaus įtempimą galima paaiškinti trauka tarp skystų molekulių. Kiekviena molekulė pritraukia kitas molekules, stengiasi jomis „apsupti“ save ir todėl palieka paviršių. Atitinkamai, paviršius linkęs mažėti.

Todėl muilo burbulai ir burbuliukai verdami įgauna sferinę formą: tam tikram tūriui rutulio paviršiaus plotas yra minimalus. Jei skystį veikia tik paviršiaus įtempimo jėgos, jis būtinai įgaus sferinę formą – pavyzdžiui, vanduo nukris esant nulinei gravitacijai.

Maži objektai, kurių tankis didesnis nei skysčio, gali „plūduriuoti“ skysčio paviršiuje, nes gravitacijos jėga yra mažesnė už jėgą, kuri neleidžia padidinti paviršiaus ploto. (Žr. Paviršiaus įtempimas.)

• Garavimas ir kondensacija

• Difuzija

Kai inde yra du sumaišyti skysčiai, molekulės dėl šiluminio judėjimo pradeda palaipsniui pereiti per sąsają, todėl skysčiai palaipsniui maišosi. Šis reiškinys vadinamas difuzija (pasitaiko ir kitose agregacijos būsenose esančiose medžiagose).

• Perkaitimas ir hipotermija

Skystis gali būti šildomas virš jo virimo temperatūros, kad neužvirtų. Tam reikia vienodo šildymo, be didelių temperatūros pokyčių tūryje ir be mechaninių poveikių, tokių kaip vibracija. Jei ką nors įmesite į perkaitintą skystį, jis akimirksniu užvirs. Perkaitintas vanduo lengvai gaunamas mikrobangų krosnelėje.

Peršalimas – tai skysčio aušinimas žemiau užšalimo taško, nevirstant į kietą agregacijos būseną. Kaip ir perkaitimo atveju, hipotermijai nereikia vibracijos ir didelių temperatūros pokyčių.

• Tankio bangos

Nors skystį itin sunku suspausti, jo tūris ir tankis vis tiek kinta keičiantis slėgiui. Tai neįvyksta iš karto; Taigi, jei viena sritis yra suspausta, tai su uždelsimu toks suspaudimas perduodamas į kitas sritis. Tai reiškia, kad tampriosios bangos, tiksliau tankio bangos, gali sklisti skysčio viduje. Kartu su tankiu kinta ir kiti fizikiniai dydžiai, pavyzdžiui, temperatūra.

Jeigu sklindant bangai tankis kinta gana nežymiai, tokia banga vadinama garso banga, arba garsu.

Jei tankis pakinta pakankamai stipriai, tada tokia banga vadinama smūgine banga. Smūgio banga apibūdinama kitomis lygtimis.

Tankio bangos skystyje yra išilginės, tai yra, tankis kinta bangos sklidimo kryptimi. Dėl formos neišsaugojimo skystyje nėra skersinių elastinių bangų.

Tampriosios bangos skystyje laikui bėgant išnyksta, jų energija pamažu virsta šilumine energija. Silpnumo priežastys yra klampumas, „klasikinė absorbcija“, molekulinis atsipalaidavimas ir kt. Šiuo atveju veikia vadinamasis antrasis, arba tūrinis klampumas – vidinė trintis, kai keičiasi tankis. Smūgio banga dėl susilpnėjimo po kurio laiko virsta garso banga.

Tampriosios bangos skystyje taip pat gali būti išsklaidytos dėl nehomogeniškumo, atsirandančio dėl chaotiško molekulių šiluminio judėjimo.

• Bangos paviršiuje

Jei perkeliate skysčio paviršiaus dalį iš pusiausvyros padėties, tada, veikiant atkuriamoms jėgoms, paviršius pradeda judėti atgal į pusiausvyros padėtį. Tačiau šis judėjimas nesustoja, o virsta svyruojančiu judesiu šalia pusiausvyros padėties ir plinta į kitas sritis. Taip skysčio paviršiuje atsiranda bangos.

Jei atkuriamoji jėga visų pirma yra gravitacija, tai tokios bangos vadinamos gravitacinėmis bangomis (nepainioti su gravitacijos bangomis). Gravitacinės bangos ant vandens matomos visur.

Jei atkuriamoji jėga daugiausia yra paviršiaus įtempimo jėga, tada tokios bangos vadinamos kapiliarinėmis.

Jei šios jėgos yra palyginamos, tokios bangos vadinamos kapiliarinės gravitacijos bangomis.

Skysčio paviršiaus bangos suyra, veikiamos klampumo ir kitų veiksnių.

• Sugyvenimas su kitomis fazėmis

Formaliai kalbant, norint, kad skystoji fazė egzistuotų pusiausvyra su kitomis tos pačios medžiagos – dujinėmis ar kristalinėmis – fazėmis, reikalingos griežtai apibrėžtos sąlygos. Taigi, esant tam tikram slėgiui, reikalinga griežtai apibrėžta temperatūra. Tačiau gamtoje ir technikoje visur skystis egzistuoja kartu su garais arba taip pat su kietu agregacijos būviu - pavyzdžiui, vanduo su garais ir dažnai su ledu (jei garą laikysime atskira faze, esančia kartu su oru). Taip yra dėl toliau nurodytų priežasčių.

Nepusiausvyros būsena. Skysčiui išgaruoti reikia laiko, kol skystis visiškai išgaruoja, jis egzistuoja kartu su garais. Gamtoje vanduo garuoja nuolat, kaip ir atvirkštinis procesas – kondensacija.

Uždarytas tomas. Skystis uždarame inde pradeda garuoti, bet kadangi tūris ribojamas, didėja garų slėgis, jis tampa prisotintas dar iki visiško skysčio išgaravimo, jei jo kiekis buvo pakankamai didelis. Pasiekus soties būseną, išgaravusio skysčio kiekis lygus kondensuoto skysčio kiekiui, sistema patenka į pusiausvyrą. Taigi, esant ribotam tūriui, galima sukurti sąlygas, būtinas pusiausvyriniam skysčio ir garų sambūviui.

Atmosferos buvimas žemės gravitacijos sąlygomis. Skystį veikia atmosferos slėgis (oras ir garai), o garams reikia atsižvelgti beveik tik į dalinį jo slėgį. Todėl skystis ir garai virš jo paviršiaus atitinka skirtingus fazių diagramos taškus, atitinkamai skystosios fazės ir dujinės fazės egzistavimo srityje. Tai nepanaikina garavimo, tačiau garavimui reikia laiko, per kurį abi fazės egzistuoja kartu. Be šios sąlygos skysčiai labai greitai užvirtų ir išgaruotų.

teorija

Mechanika

Skysčių ir dujų judėjimo ir mechaninės pusiausvyros bei jų tarpusavio sąveikos ir su kietosiomis medžiagomis tyrinėjimui skirta mechanikos dalis – hidroaeromechanika (dažnai dar vadinama hidrodinamika). Skysčių aeromechanika yra bendresnės mechanikos šakos, kontinuumo mechanikos, dalis.

Skysčių mechanika yra hidroaeromechanikos šaka, susijusi su nesuspaudžiamais skysčiais. Kadangi skysčių suspaudžiamumas yra labai mažas, daugeliu atvejų jo galima nepaisyti. Dujų dinamika skirta suspaudžiamiems skysčiams ir dujoms tirti.

Skysčių mechanika skirstoma į hidrostatiką, tiriančią nesuspaudžiamų skysčių pusiausvyrą, ir hidrodinamiką (siaurąja prasme), tiriančią jų judėjimą.

Magnetohidrodinamikoje tiriamas elektrai laidžių ir magnetinių skysčių judėjimas. Hidraulika naudojama taikomoms problemoms spręsti.

Pagrindinis hidrostatikos dėsnis yra Paskalio dėsnis.

2. Skysčiai iš dviatominių molekulių, susidedančių iš identiškų atomų (skystas vandenilis, skystas azotas). Tokios molekulės turi kvadrupolio momentą.

4. Skysčiai, susidedantys iš polinių molekulių, sujungtų dipolio ir dipolio sąveika (skystas vandenilio bromidas).

5. Susiję skysčiai arba skysčiai su vandenilinėmis jungtimis (vanduo, glicerinas).

6. Skysčiai, susidedantys iš didelių molekulių, kurių vidiniai laisvės laipsniai yra reikšmingi.

Pirmųjų dviejų grupių (kartais trijų) skysčiai paprastai vadinami paprastais. Paprasti skysčiai buvo ištirti geriau nei kiti. Ši klasifikacija neapima kvantinių skysčių ir skystųjų kristalų, kurie yra ypatingi atvejai ir turi būti nagrinėjami atskirai.

Statistinė teorija

Skysčių sandara ir termodinaminės savybės sėkmingiausiai tiriamos naudojant Percus-Yevik lygtį.

Jei naudosime kietojo rutulio modelį, tai yra, skysčių molekules laikome rutuliais, kurių skersmuo d, tada Percus-Yevicko lygtį galima išspręsti analitiškai ir gauti skysčio būsenos lygtį:

Kur n- dalelių skaičius tūrio vienete, - bematis tankis. Esant mažam tankiui, ši lygtis virsta idealių dujų būsenos lygtimi: . Esant itin dideliam tankiui, gaunama nesuspaudžiamo skysčio būsenos lygtis: .

Kietojo rutulio modelyje neatsižvelgiama į trauką tarp molekulių, todėl pasikeitus išorinėms sąlygoms nėra staigaus perėjimo tarp skysčio ir dujų.

Jei reikia tikslesnių rezultatų, geriausias skysčio struktūros ir savybių aprašymas pasiekiamas naudojant perturbacijos teoriją. Šiuo atveju kietojo rutulio modelis laikomas nuliniu aproksimavimu, o traukos jėgos tarp molekulių laikomos trikdymu ir pateikia pataisymus.

Klasterių teorija

Viena iš šiuolaikinių teorijų yra "Klasterių teorija". Jis pagrįstas idėja, kad skystis vaizduojamas kaip kietos ir dujų derinys. Šiuo atveju kietosios fazės dalelės (kristalai, judantys nedideliais atstumais) yra dujų debesyje ir susidaro klasterio struktūra. Dalelių energija atitinka Boltzmanno pasiskirstymą, o vidutinė sistemos energija išlieka pastovi (jei ji yra izoliuota). Lėtos dalelės susiduria su klasteriais ir tampa jų dalimi. Taigi klasterių konfigūracija nuolat keičiasi, sistema yra dinaminės pusiausvyros būsenoje. Sukūrus išorinį poveikį, sistema elgsis pagal Le Chatelier principą. Taigi lengva paaiškinti fazės transformaciją:

• Kai šildoma, sistema palaipsniui virsta dujomis (verda)
• Atvėsusi sistema pamažu virs kieta medžiaga (užšalimas).

Eksperimentiniai tyrimo metodai

Skysčių struktūra tiriama naudojant rentgeno struktūrinės analizės, elektronų difrakcijos ir neutronų difrakcijos metodus.

taip pat žr

• Skysčio paviršiaus sluoksnio ypatybės

Nuorodos

Skirtingai nuo dujų, tarp skysčio molekulių veikia gana didelės abipusės traukos jėgos, o tai lemia unikalų molekulinio judėjimo pobūdį. Skysčio molekulės šiluminis judėjimas apima vibracinį ir transliacinį judėjimą. Kiekviena molekulė tam tikrą laiką svyruoja aplink tam tikrą pusiausvyros tašką, tada juda ir vėl užima naują pusiausvyros padėtį. Tai lemia jo sklandumą. Tarpmolekulinės traukos jėgos neleidžia molekulėms judėti toli viena nuo kitos. Bendras molekulių traukos efektas gali būti pavaizduotas kaip vidinis skysčių slėgis, kuris pasiekia labai aukštas vertes. Tai paaiškina tūrio pastovumą ir praktinį skysčių nesuspaudžiamumą, nors jie lengvai įgauna bet kokią formą.

Skysčių savybės taip pat priklauso nuo molekulių tūrio, jų formos ir poliškumo. Jei skysčio molekulės yra polinės, tada dviejų ar daugiau molekulių sąjunga (asociacija) susidaro į sudėtingą kompleksą. Tokie skysčiai vadinami susiję skysčių. Susiję skysčiai (vanduo, acetonas, alkoholiai) turi aukštesnę virimo temperatūrą, yra mažiau lakūs ir turi didesnę dielektrinę konstantą. Pavyzdžiui, etilo alkoholis ir dimetilo eteris turi tą pačią molekulinę formulę (C 2 H 6 O). Alkoholis yra susijęs skystis ir verda aukštesnėje temperatūroje nei dimetilo eteris, kuris yra nesusijęs skystis.

Skysta būsena pasižymi tokiomis fizinėmis savybėmis kaip tankis, klampumas, paviršiaus įtempis.

Paviršiaus įtempimas.

Paviršiniame sluoksnyje esančių molekulių būsena labai skiriasi nuo giliai skystyje esančių molekulių būsenos. Panagrinėkime paprastą atvejį – skystis – garai (2 pav.).

Ryžiai. 2.

Fig. 2 molekulė (a) yra skysčio viduje, molekulė (b) yra paviršiniame sluoksnyje. Aplink juos esančios sferos yra atstumai, per kuriuos tęsiasi aplinkinių molekulių tarpmolekulinės traukos jėgos.

Molekulę (a) tolygiai veikia tarpmolekulinės jėgos iš aplinkinių molekulių, todėl tarpmolekulinės sąveikos jėgos yra kompensuojamos, šių jėgų rezultatas lygus nuliui (f = 0).

Garų tankis yra daug mažesnis nei skysčio tankis, nes molekulės yra dideliais atstumais viena nuo kitos. Todėl paviršiniame sluoksnyje esančios molekulės beveik nepatiria šių molekulių traukos jėgos. Visų šių jėgų rezultatas bus nukreiptas į skystį statmenai jo paviršiui. Taigi skysčio paviršiaus molekulės visada yra veikiamos jėgos, linkusios jas traukti į vidų ir taip sumažinti skysčio paviršių.

Norint padidinti skysčio sąsają, reikia sunaudoti A (J) darbą. Darbas, kurio reikia norint padidinti sąsają S 1 m 2, yra paviršiaus energijos matas arba paviršiaus įtempimas.

Taigi paviršiaus įtempis d (J/m 2 = Nm/m 2 = N/m) yra nekompensuotų tarpmolekulinių jėgų paviršiniame sluoksnyje rezultatas:

d = F/S (F – paviršiaus energija) (2.3)

Yra daugybė paviršiaus įtempimo nustatymo metodų. Labiausiai paplitęs yra stalagmometrinis metodas (lašų skaičiavimo metodas) ir didžiausio dujų burbuliukų slėgio metodas.

Taikant rentgeno spindulių difrakcijos analizės metodus, nustatyta, kad skysčiuose yra tam tikra tvarka dėl erdvinio molekulių išsidėstymo atskiruose mikrotūriuose. Prie kiekvienos molekulės stebima vadinamoji trumpojo nuotolio tvarka. Tolstant nuo jo tam tikru atstumu, šis modelis pažeidžiamas. Ir visame skysčio tūryje nėra dalelių išdėstymo tvarkos.

Ryžiai. 3.

Klampumas z (Pa s) - savybė priešintis vienos skysčio dalies judėjimui kitos atžvilgiu. Praktiniame gyvenime žmogus susiduria su daugybe įvairių skysčių sistemų, kurių klampumas yra skirtingas – vanduo, pienas, augaliniai aliejai, grietinė, medus, sultys, melasa ir kt.

Skysčių klampumą lemia tarpmolekulinės jėgos, kurios riboja molekulių judrumą. Tai priklauso nuo skysčio pobūdžio, temperatūros, slėgio.

Klampumui matuoti naudojami prietaisai, vadinami viskozimetrais. Viskozimetro ir klampumo nustatymo metodo pasirinkimas priklauso nuo tiriamos sistemos būklės ir jos koncentracijos.

Mažo klampumo arba mažos koncentracijos skysčiams plačiai naudojami kapiliarinio tipo viskozimetrai.

Gamtoje vanduo randamas trijų būsenų:

• kietos būsenos (sniegas, kruša, ledas);
• skysta būsena (vanduo, rūkas, rasa ir lietus);
• dujinė būsena (garai).

Nuo ankstyvos vaikystės, net mokykloje, jie tiria įvairias vandens fizines būsenas: rūką, kritulius, krušą, sniegą, ledą ir kt. Yra vienas, kuris detaliai mokomasi mokykloje. Jie sutinka mus kiekvieną dieną gyvenime ir daro įtaką mūsų gyvenimui. – tai tam tikros temperatūros ir slėgio vandens būsena, kuri apibūdinama tam tikru intervalu.

Reikėtų paaiškinti pagrindines vandens būklės sąvokas, kad rūko būsena ir debesuotumas nesusiję su dujų susidarymu. Jie atsiranda kondensacijos metu. Tai unikali vandens savybė, kuri gali būti trijų skirtingų agregacijos būsenų. Trys vandens būsenos yra gyvybiškai svarbios planetai, jos sudaro hidrologinį ciklą ir užtikrina vandens cirkuliacijos procesą gamtoje. Mokykloje jie rodo įvairius garavimo ir garavimo eksperimentus. Bet kuriame gamtos kampelyje vanduo laikomas gyvybės šaltiniu. Yra ir ketvirta, ne mažiau svarbi būsena – Deryagin vanduo (rusiška versija), arba kaip šiuo metu įprasta vadinti – Nanovamzdelio vanduo (amerikietiška versija).

Vandens kietoji būsena

Išsaugoma forma ir tūris. Esant žemai temperatūrai, medžiaga užšąla ir virsta kieta medžiaga. Jei slėgis aukštas, kietėjimo temperatūra reikalinga aukštesnė. Kieta medžiaga gali būti kristalinė arba amorfinė. Kristale atomo padėtis yra griežtai nustatyta. Kristalų formos yra natūralios ir primena daugiakampį. Amorfiniame kūne taškai išsidėstę chaotiškai ir juose išlaikoma tik trumpo nuotolio tvarka.

Skysta vandens būsena

Skystoje būsenoje vanduo išlaiko savo tūrį, tačiau jo forma neišsaugoma. Tai reiškia, kad skystis užima tik dalį tūrio ir gali tekėti per visą paviršių. Studijuodami skystosios būsenos klausimus mokykloje, turėtumėte suprasti, kad tai yra tarpinė būsena tarp kietos terpės ir dujinės terpės. Skysčiai skirstomi į grynus ir mišinius. Kai kurie mišiniai labai svarbūs gyvybei, pavyzdžiui, kraujas ar jūros vanduo. Skysčiai gali veikti kaip tirpikliai.

Dujų būklė

Forma ir tūris neišsaugomi. Kitu būdu dujinė būsena, kuri tiriama mokykloje, vadinama vandens garais. Eksperimentai aiškiai rodo, kad garai yra nematomi, jie tirpsta ore ir rodo santykinę drėgmę. Tirpumas priklauso nuo temperatūros ir slėgio. Sotūs garai ir rasos taškas yra didžiausios koncentracijos rodikliai. Garai ir rūkas yra skirtingos agregacijos būsenos.

Ketvirtoji agregacijos būsena yra plazma

Plazmos tyrimas ir šiuolaikiniai eksperimentai pradėti svarstyti kiek vėliau. Plazma yra visiškai arba iš dalies jonizuotos dujos, kurios susidaro pusiausvyros būsenoje aukštoje temperatūroje. Žemės sąlygomis susidaro dujų išlydis. Plazmos savybės lemia jos dujinę būseną, išskyrus tai, kad elektrodinamika vaidina didžiulį vaidmenį visame tame. Tarp agreguotų būsenų plazma yra labiausiai paplitusi Visatoje. Žvaigždžių ir tarpplanetinės erdvės tyrimas parodė, kad medžiagos yra plazmos būsenoje.

Kaip keičiasi agregavimo būsenos?

Keisti perėjimo iš vienos būsenos į kitą procesą:

- skystas - garas (garinimas ir virinimas);

- garai - skystis (kondensatas);

- skystis - ledas (kristalizacija);

- ledas - skystis (tirpsta);

- ledas - garas (sublimacija);

- garai - ledas, šerkšno susidarymas (desublimacija).

Vanduo buvo vadinamas įdomiu natūraliu žemės mineralu. Šie klausimai yra sudėtingi ir reikalauja nuolatinio tyrimo. Fizinę būklę mokykloje patvirtina atlikti eksperimentai, o jei kyla klausimų, eksperimentai aiškiai leidžia suprasti pamokoje dėstomą medžiagą. Garuojant skystis virsta, procesas gali prasidėti nuo nulio laipsnių. Kylant temperatūrai ji didėja. To intensyvumą patvirtina virimo eksperimentai 100 laipsnių temperatūroje. Į garavimo klausimus atsako garavimas nuo ežerų, upių paviršių ir net iš sausumos. Atvėsus, vyksta atvirkštinės transformacijos procesas, kai iš dujų susidaro skystis. Šis procesas vadinamas kondensacija, kai iš ore esančių vandens garų susidaro maži debesų lašeliai.

Ryškus pavyzdys yra gyvsidabrio termometras, kuriame gyvsidabris yra skystas, esant -39 laipsnių temperatūrai, gyvsidabris tampa kieta medžiaga. Galima keisti kieto kūno būseną, tačiau tam reikės papildomų pastangų, pavyzdžiui, lenkiant nagą. Dažnai moksleiviai užduoda klausimus, kaip tvirtam kūnui suteikiama forma. Tai atliekama gamyklose ir specializuotose dirbtuvėse naudojant specialią įrangą. Visiškai bet kuri medžiaga gali egzistuoti trijose būsenose, įskaitant vandenį, tai priklauso nuo fizinių sąlygų. Vandeniui pereinant iš vienos būsenos į kitą, pasikeičia molekulinis išsidėstymas ir judėjimas, tačiau nesikeičia molekulės sudėtis. Eksperimentinės užduotys padės stebėti tokias įdomias būsenas.

Skystoje būsenoje atstumas tarp dalelių yra daug mažesnis nei dujinėje būsenoje. Dalelės užima didžiąją dalį tūrio, nuolat liesdamos viena kitą ir traukdamos viena kitą. Pastebima tam tikra dalelių tvarka (trumpojo nuotolio tvarka). Dalelės yra mobilios viena kitos atžvilgiu.

Skysčiuose tarp dalelių atsiranda van der Waals sąveika: dispersija, orientacija ir indukcija. Vadinamos nedidelės dalelių grupės, kurias vienija tam tikros jėgos klasteriai. Esant identiškoms dalelėms, vadinamos sankaupos skystyje bendradarbiai

Skysčiuose susidarant vandenilinėms jungtims padidėja dalelių eiliškumas. Tačiau vandeniliniai ryšiai ir van der Waalso jėgos yra trapios – skystos būsenos molekulės vyksta nuolatiniame chaotiškame judėjime, kuris vadinamas Brauno judesys.

Skystoje būsenoje galioja Maxwell-Boltzmann molekulių pasiskirstymas pagal greitį ir energiją.

Skysčių teorija yra daug mažiau išvystyta nei dujų, nes skysčių savybės priklauso nuo tarpusavyje glaudžiai esančių molekulių geometrijos ir poliškumo. Be to, specifinės skysčių struktūros nebuvimas apsunkina jų formalizuotą aprašymą – daugumoje vadovėlių skysčiams skiriama daug mažiau vietos nei dujoms ir kristalinėms kietosioms medžiagoms.

Tarp skysčių ir dujų nėra aštrios ribos – jos visiškai išnyksta kritinius taškus. Kiekvienoms dujoms yra žinoma temperatūra, virš kurios jos negali būti skystos esant jokiam slėgiui; su šiuo kritiškas temperatūros, išnyksta riba (meniskas) tarp skysčio ir jo sočiųjų garų. Kritinės temperatūros („absoliučios virimo temperatūros“) egzistavimą nustatė D. I. Mendelejevas 1860 m

7.2 lentelė. Kai kurių medžiagų kritiniai parametrai (t k, p k, V k).

Sočiųjų garų slėgis– dalinis slėgis, kuriam esant vienodi garų garavimo ir kondensacijos greičiai:

kur A ir B yra konstantos.

Virimo temperatūra– temperatūra, kurioje skysčio sočiųjų garų slėgis yra lygus atmosferos slėgiui.

Skysčiai turi sklandumas– gebėjimas judėti veikiant mažoms šlyties jėgoms; skystis užima tūrį, į kurį jis dedamas.

Skysčio atsparumas takumui vadinamas klampumas,[Pa. Su].

Paviršiaus įtempimas[J/m2] – darbas, reikalingas paviršiaus vienetui sukurti.

Skystųjų kristalų būsena– skystos būsenos medžiagos, turinčios aukštą tvarkos laipsnį, užima tarpinę padėtį tarp kristalų ir skysčio. Jie pasižymi sklandumu, bet tuo pat metu turi ilgalaikę tvarką. Pavyzdžiui, rudos rūgšties dariniai, azolitinai ir steroidai.

Išvalymo temperatūra– temperatūra, kurioje skystieji kristalai (LC) virsta normalia skysta būsena.

7.5 Kietosios medžiagos

Kietoje būsenoje dalelės taip arti viena kitos, kad tarp jų atsiranda stiprūs ryšiai, nevyksta transliacinis judėjimas ir išlieka vibracijos aplink jų padėtį. Kietosios medžiagos gali būti amorfinės arba kristalinės būsenos.

7.5.1 Amorfinės būsenos medžiagos

Amorfinėje būsenoje medžiagos neturi tvarkingos struktūros.

Stiklinis būsena – kieta amorfinė medžiagos būsena, gaunama giliai peršaldžius skystį. Ši būsena nėra pusiausvyra, tačiau akiniai gali egzistuoti ilgą laiką. Stiklo minkštėjimas vyksta tam tikrame temperatūrų intervale – stiklėjimo intervale, kurio ribos priklauso nuo aušinimo greičio. Didėjant skysčio ar garų aušinimo greičiui, padidėja tikimybė gauti šią medžiagą stiklinėje būsenoje.

XX amžiaus 60-ųjų pabaigoje buvo gauti amorfiniai metalai (metaliniai stiklai) - tam reikėjo aušinti išlydytą metalą 10 6 - 10 8 laipsnių per sekundę greičiu. Dauguma amorfinių metalų ir lydinių kristalizuojasi kaitinant aukštesnėje nei 300 o C temperatūroje. Viena iš svarbiausių pritaikymų yra mikroelektronika (difuzijos barjerai metalo ir puslaidininkio sąsajoje) ir magnetiniai saugojimo įrenginiai (LCD galvutės). Pastarasis yra dėl unikalaus magnetinio minkštumo (magnetinė anizotropija yra dviem eilėmis mažesnė nei įprastų lydinių).

Amorfinės medžiagos izotropinis, t.y. turi tas pačias savybes visomis kryptimis.

7.5.2 Kristalinės būsenos medžiagos

Kietas kristalinis medžiagos turi tvarkingą struktūrą su pasikartojančiais elementais, todėl jas galima tirti rentgeno spindulių difrakcija (rentgeno difrakcijos metodas, naudojamas nuo 1912 m.).

Pavieniams kristalams (pavieniams junginiams) būdinga anizotropija – savybių priklausomybė nuo krypties erdvėje.

Taisyklingas dalelių išsidėstymas kietoje medžiagoje vaizduojamas kaip kristalinė gardelė. Kristalinės medžiagos tirpsta tam tikroje temperatūroje, vadinamoje lydymosi temperatūra.

Kristalams būdinga energija, gardelės konstanta ir koordinacinis skaičius.

Nuolatinis tinklelis apibūdina atstumą tarp kristalo mazgus užimančių dalelių centrų charakteringų ašių kryptimi.

Koordinavimo numeris paprastai vadinamas dalelių, esančių tiesiogiai šalia tam tikros kristalo dalelės, skaičiumi (žr. 7.2 pav. – cezio ir chloro koordinacinis skaičius aštuoni).

Kristalinės gardelės energija yra energija, reikalinga vienam kristalo moliui sunaikinti ir dalelėms pašalinti už jų sąveikos ribų.

7.2 pav. Cezio chlorido kristalo CsCl struktūra (a) ir šio kristalo kubinio vieneto elemento, kurio centre yra kūnas, struktūra (b)

7.5.3 Kristalinės struktūros

Mažiausias kristalo struktūrinis vienetas, išreiškiantis visas jo simetrijos savybes, yra elementari ląstelė. Kai ląstelės kartojasi daug kartų trimis matmenimis, gaunama kristalinė gardelė.

Yra septynios pagrindinės ląstelės: kubinės, tetraedrinės, šešiakampės, romboedrinės, orto-romboedrinės, monoklininės ir triklininės. Yra septyni pagrindinių vienetinių ląstelių dariniai, pavyzdžiui, kūno centre, veido centre.

a - vienetinė NaCl kristalo ląstelė; b - tankus į veidą orientuotas kubinis NaCl įpakavimas; c – į kūną orientuotas kubinis CsCl kristalo įpakavimas 7.3 pav.

Izomorfinės medžiagos– panašios cheminės prigimties medžiagos, sudarančios tokias pačias kristalų struktūras: CaSiO 4 ir MgSiO 4

Polimorfizmas– junginiai, esantys dviejose ar daugiau kristalų struktūrų, pavyzdžiui, SiO 2 (šešiakampio kvarco, ortorombinio tridimito ir kubinio kristobalito pavidalu).

Allotropinės modifikacijos– paprastų medžiagų, pavyzdžiui, anglies, polimorfinės modifikacijos: deimantas, grafitas, karbinas, fullenas.

Atsižvelgiant į kristalinės gardelės mazgų dalelių pobūdį ir cheminius ryšius tarp jų, kristalai skirstomi į:

1) molekulinis– mazguose yra molekulių, tarp kurių veikia mažos energijos van der Waals jėgos: ledo kristalai;

2) atomiškai- kovalentiniai kristalai– kristalų mazguose yra atomų, kurie tarpusavyje sudaro stiprius kovalentinius ryšius ir turi didelę gardelės energiją, pavyzdžiui, deimantas (anglis);

3) joniniai kristalai– šio tipo kristalų struktūriniai vienetai yra teigiamai ir neigiamai įkrauti jonai, tarp kurių vyksta elektrinė sąveika, pasižyminti gana didele energija, pvz., NaCL, KCL;

4) metalo kristalai– medžiagos, pasižyminčios dideliu elektros laidumu, šilumos laidumu, lankstumu, plastiškumu, metaliniu akinimu ir dideliu šviesos atspindžiu; ryšys kristaluose yra metalinis, metalinio ryšio energija yra tarpinė tarp kovalentinių ir molekulinių kristalų energijų;

5) mišrių ryšių kristalai– tarp dalelių vyksta sudėtingos sąveikos, kurias galima apibūdinti dviejų ar daugiau tipų jungčių superpozicija viena ant kitos, pavyzdžiui, klatratai (įskaitant junginius) – susidaro molekulėms (svečiams) įtraukus į kristalinio karkaso ertmes. kito tipo dalelių (šeimininkų): dujų klatratų CH 4 . 6H 2 O, karbamido klatratai.