Строежът на газообразни, течни и твърди тела. Строеж на течност и газ Молекулярна структура на течност

Молекулярно-кинетичната теория дава възможност да се разбере защо едно вещество може да бъде в газообразно, течно и твърдо състояние.

Газ.В газовете разстоянието между атомите или молекулите е средно много пъти по-голямо от размера на самите молекули (фиг. 10). Например при атмосферно налягане обемът на съда е десетки хиляди пъти по-голям от обема на газовите молекули в съда.

Газовете лесно се компресират, тъй като когато газът се компресира, само средното разстояние между молекулите намалява, но молекулите не се „притискат“ една друга (фиг. 11).

В пространството се движат молекули с огромни скорости - стотици метри в секунда. Сблъсквайки се, те отскачат една от друга в различни посоки като билярдни топки.
Слабите сили на привличане на газовите молекули не са в състояние да ги задържат близо една до друга. Следователно газовете могат да се разширяват неограничено. Те не запазват нито форма, нито обем.
Многобройните удари на молекули върху стените на съда създават газово налягане.

Течности. В течностите молекулите са разположени почти близо една до друга (фиг. 12). Следователно една молекула в течност се държи различно от това в газ. Захванат, както в клетка, от други молекули, той извършва „бягане на място“ (осцилира около равновесното положение, сблъсквайки се със съседни молекули). Само от време на време прави "скок", пробивайки "решетките на клетката", но след това попада в нова "клетка", образувана от нови съседи. Времето на "заседналия живот" на водната молекула, т.е. времето на колебания около едно определено равновесно положение, при стайна температура е средно 10-11 s. Времето на едно трептене е много по-кратко (10–12 – 10–13 s). С повишаването на температурата "заседналият живот" на молекулите намалява. Естеството на молекулярното движение в течности, установено за първи път от съветския физик Я. И. Френкел, позволява да се разберат основните свойства на течностите.

Френкел Яков Илич (1894 - 1952) - изключителен съветски физик-теоретик, който направи значителен принос в различни области на физиката. Я. И. Френкел е автор на съвременната теория за течното състояние на материята. Той постави основите на теорията за феромагнетизма. Трудовете на Я. И. Френкел върху атмосферното електричество и произхода на магнитното поле на Земята са широко известни. Първата количествена теория за делене на уранови ядра е създадена от Я. И. Френкел.

Молекулите на течността са разположени непосредствено една до друга. Следователно, когато се опитате да промените обема на течността дори с малко количество, започва деформацията на самите молекули (фиг. 13). А това изисква много енергия. Това обяснява ниската свиваемост на течностите.

Течностите, както знаете, са течни, тоест не запазват формата си. Това се обяснява по следния начин. Ако течността не тече, тогава скоковете на молекулите от едно "заседнало" положение в друго се случват със същата честота, но във всички посоки (фиг. 12). Външната сила не променя забележимо броя на молекулните скокове в секунда, но скоковете на молекулите от едно "заседнало" положение в друго се случват предимно в посока на външната сила (фиг. 14). Ето защо течността тече и приема формата на съд.
Твърди вещества.Атомите или молекулите на твърдите тела, за разлика от течностите, се колебаят около определени равновесни позиции. Вярно е, че понякога молекулите променят равновесното си положение, но това се случва изключително рядко. Ето защо твърдите тела запазват не само обема, но и формата.

Има още една важна разлика между течности и твърди вещества. Течността може да се сравни с тълпа, чиито отделни членове неспокойно се блъскат на място, а твърдото тяло е като стройна кохорта, членовете на която, въпреки че не стоят на едно място (поради топлинно движение), поддържат определени интервали средно помежду си. Ако свържем центровете на равновесни позиции на атоми или йони на твърдо тяло, тогава получаваме правилната пространствена решетка, т.нар. кристален. Фигури 15 и 16 показват кристалните решетки на трапезната сол и диаманта. Вътрешният ред в подреждането на атомите на кристалите води до геометрично правилни външни форми. Фигура 17 показва якутски диаманти.

Качественото обяснение на основните свойства на материята на базата на молекулярно-кинетичната теория, както видяхте, не е особено трудно. Въпреки това теорията, която установява количествени връзки между експериментално измерените величини (налягане, температура и др.) и свойствата на самите молекули, техния брой и скорост на движение, е много сложна. Ние се ограничаваме до разглеждане на теорията на газовете.

1. Представете доказателства за съществуването на топлинно движение на молекулите. 2. Защо брауновото движение е забележимо само за частици с малка маса? 3. Каква е природата на молекулярните сили? 4. Как силите на взаимодействие между молекулите зависят от разстоянието между тях? 5. Защо две оловни пръти с гладки, чисти срезове се слепват, когато се притиснат една към друга? 6. Каква е разликата между топлинното движение на молекулите на газове, течности и твърди тела?

Основни физични характеристики на течности и газове.

ЛЕКЦИЯ 3

Предмет на изучаване на механиката на флуидите и газовете е физическо тяло, в което относителната позиция на неговите елементи се променя значително, когато се прилагат достатъчно малки сили в съответната посока. По този начин основното свойство на течно тяло (или просто течност) е течливост.Свойството течливост се притежава както от капкови течности (всъщност течности, като например вода, бензин, индустриални масла), така и от газове (въздух, азот, водород, въглероден диоксид). Значителна разлика в поведението на течности и газове, обяснена от гледна точка на молекулярната структура, ще се определя от наличието на свободна повърхност в капеща течност, съседна на газа, наличието на повърхностно напрежение, възможността за фазов преход и др.

Всички материални тела, независимо от тяхното агрегатно състояние: твърдо, течно или газообразно, имат вътрешна молекулярна (атомна) структура с характерна вътрешна термична, микроскопичендвижението на молекулите. В зависимост от количествената връзка между кинетичната енергия на молекулярното движение и потенциалната енергия на междумолекулното взаимодействие възникват различни молекулни структури и разновидности на вътрешното движение на молекулите.

AT твърди веществае от първостепенно значение енергия на молекулно взаимодействиемолекули, в резултат на което под действието на адхезионните сили молекулите се подреждат в правилни кристални решетки с позиции на устойчиво равновесие във възлите на тази решетка. Топлинните движения в твърдото тяло са вибрации на молекули спрямо възли на решетката с честота около 10 12 Hz и амплитуда, пропорционална на разстоянието между възлите на решетката.

За разлика от твърдото тяло, газовеняма кохезионни сили между молекулите. Газовите молекули извършват произволни движения и тяхното взаимодействие се свежда само до сблъсъци. В интервалите между сблъсъците взаимодействието между молекулите може да бъде пренебрегнато, което съответства на малката потенциална енергия на силовото взаимодействие на молекулите в сравнение с кинетичната енергия на тяхното хаотично движение. Средното разстояние между два последователни сблъсъка на молекули определя дължина на свободния път.Средната скорост на топлинното движение на молекулите е сравнима със скоростта на разпространение на малки смущения (скоростта на звука) в дадено състояние на газа.

течни телапо своята молекулна структура и топлинно движение молекулите заемат междинно състояние между твърдите и газообразните тела. Според съществуващите възгледи около някои, централен, молекулите са групирани от съседни молекули, които извършват малки вибрации с честота, близка до честотата на вибрациите на молекулите в решетката на твърдо тяло и амплитуда от порядъка на средното разстояние между молекулите. Централната молекула или (когато течността е в покой) остава неподвижна, или мигрира със скорост, която съвпада по стойност и посока със средната скорост на макроскопичното движение на течността. В течност потенциалната енергия на взаимодействие на молекулите сравними по редс кинетичната енергия на топлинното им движение. Доказателството за наличието на вибрации на молекулите в течностите е "брауновото движение" на най-малките твърди частици, въведени в течността. Трептенията на тези частици се наблюдават лесно в полето на микроскоп и могат да се разглеждат като резултат от сблъсък на твърди частици с течни молекули. Наличието на междумолекулно взаимодействие в течностите определя наличието на повърхностно напрежение на течността на нейната граница с всяка друга среда, което я принуждава да приеме форма, в която нейната повърхност е минимална. Малки обеми течност обикновено са под формата на кълбовидна капка. Поради това течностите в хидравликата се наричат капково.

Трябва да се отбележи, че границата между твърди и течни тела не винаги е ясно определена. Така, когато върху падаща течност (например течна струя) се прилагат големи сили с кратко време на взаимодействие, последната придобива свойства, близки до тези на крехко твърдо тяло. Струя течност при високо налягане пред отвора има свойства, близки до тези на твърдо тяло. И така, при налягане, по-голямо от 10 8 Pa, водна струя разрязва стоманена плоча; при налягане около 5 10 7 Pa - реже гранит, при налягане 1,5 10 7 - 2 10 7 Pa - разрушава въглища. Налягането (1,5 - 2)·10 6 Pa е достатъчно за разрушаване на различни почви.

При определени условия границата между течни и газообразни тела също може да отсъства. Газовете запълват целия предоставен им обем, тяхната плътност може да варира в широк диапазон в зависимост от приложените сили. Течностите, запълващи съд с обем, по-голям от обема на течността, образуват свободна повърхност - границата между течност и газ. При нормални условия обемът на течността зависи малко от силите, приложени към нея. Близо до критичното състояние разликата между течност и газ става едва забележима. Наскоро се появи концепцията за течно състояние, когато течни частици с размери от няколко нанометра са достатъчно равномерно смесени с техните пари. В този случай няма визуална разлика между течност и пара.

Парата се различава от газа по това, че състоянието й при движение е близко до насищане. Следователно, при определени условия, той може частично да кондензира и да образува двуфазна среда. При бързо разширяване процесът на кондензация се забавя и след това, когато се достигне известно преохлаждане, той протича лавинообразно. В този случай законите на потока на парата могат да се различават значително от законите на потока на течности и газове.

Свойствата на твърдите тела, течностите и газовете се дължат на различната им молекулна структура . Въпреки това, основната хипотеза на механиката на флуидите и газовете е хипотезата за континуума, според която течността е представена като непрекъснато разпределена субстанция (континуум), която запълва пространството без празнини.

Поради слабите връзки между молекулите на течностите и газовете (затова те са течни), върху повърхността им не може да се приложи концентрирана сила, а само разпределен товар. Насоченото движение на течност се състои от движението на огромен брой молекули, движещи се произволно във всички посоки една спрямо друга. В механиката на течността и газа, която изучава тяхното насочено движение, разпределението на всички характеристики на течността в разглежданото пространство се приема за непрекъснато. Молекулната структура се взема предвид само при математическото описание на физическите характеристики на течност или газ, което е направено при разглеждане на транспортни процеси в газове.

Моделът на непрекъсната среда е много полезен при изучаване на нейното движение, тъй като позволява използването на добре развит математически апарат от непрекъснати функции.

Количествено, границите на приложимост на математическия апарат на механиката на континуума за газ се определят от стойността на критерия Кнудсен - отношението на средния свободен път на газовите молекули лдо характерния размер на потока Л

Ако Кн< 0,01, тогава газовият поток може да се разглежда като непрекъснат среден поток. Когато непрекъсната среда тече около твърда повърхност, нейните молекули се придържат към нея (хипотезата на Прандтл за залепване) и следователно скоростта на течността върху повърхността на твърдите тела винаги е равна на скоростта на тази повърхност и температурата на течността на стената е равна на температурата на стената.

Ако Kn> 0,01, тогава движението на разреден газ се разглежда с помощта на математическия апарат на молекулярно-кинетичната теория.

В машиностроенето хипотезата за континуума може да не е вярна при изчисляване на потока на течност или газ в тесни междини. Молекулите са с размери от порядъка на 10 -10 m; при пропуски от порядъка на 10 -9 m, характерни за нанотехнологиите, могат да се наблюдават значителни отклонения от изчислените данни, получени с помощта на обичайните уравнения на динамиката на флуидите

Течното състояние, заемащо междинно положение между газове и кристали, съчетава някои от характеристиките на двете състояния. По-специално, за течности, както и за кристални тела, е характерно наличието на определен обем и в същото време течността, подобно на газ, приема формата на съда, в който се намира. Освен това кристалното състояние се характеризира с подредено подреждане на частици (атоми или молекули); в газовете в този смисъл цари пълен хаос. Според радиографските изследвания, по отношение на естеството на подреждането на частиците на течността, те също заемат междинно положение. В подреждането на течните частици се наблюдава така нареченият близък ред. Това означава, че по отношение на всяка частица местоположението на нейните най-близки съседи е подредено. Въпреки това, когато човек се отдалечава от дадена частица, подреждането на други частици по отношение на нея става все по-малко подредено и доста бързо редът в подреждането на частиците напълно изчезва. В кристалите има ред на далечни разстояния: подреденото разположение на частиците по отношение на всяка частица се наблюдава в значителен обем.

Наличието на близък ред в течностите е причина структурата на течностите да се нарича квазикристална (кристална).

Поради липсата на ред на дълги разстояния, течностите, с малки изключения, не показват анизотропията, която е характерна за кристалите с тяхното правилно подреждане на частиците. В течности с удължени молекули се наблюдава същата ориентация на молекулите в значителен обем, което определя анизотропията на оптичните и някои други свойства. Такива течности се наричат течни кристали. Те са подредили само ориентацията на молекулите, докато взаимното разположение на молекулите, както в обикновените течности, не показва ред на далечни разстояния.

Междинното положение на течностите се дължи на факта, че течното състояние е особено сложно по своите свойства. Следователно неговата теория е много по-слабо развита от теорията за кристалните и газообразните състояния. Досега няма напълно пълна и общоприета теория за течностите. Значителен принос в развитието на редица проблеми на теорията на течното състояние принадлежи на съветския учен Я. И. Френкел.

Според. Френкел, топлинното движение в течности има следния характер. Всяка молекула осцилира около определено равновесно положение за известно време. От време на време молекулата променя мястото си на равновесие, прескачайки в нова позиция, отделена от предишната на разстояние от порядъка на размера на самите молекули. По този начин молекулите се движат бавно вътре в течността, като остават част от времето близо до определени места. Според образния израз на Я. И. Френкел, молекулите се скитат из целия обем на течността, водейки номадски начин на живот, при който краткосрочните пътувания се заменят с относително дълги периоди на уседнал живот. Продължителността на тези спирания е много различна и произволно се редува една с друга, но средната продължителност на колебанията около едно и също равновесно положение се оказва определена стойност за всяка течност, която рязко намалява с повишаване на температурата. В тази връзка, с повишаване на температурата, подвижността на молекулите се увеличава значително, което от своя страна води до намаляване на вискозитета на течностите.

Има твърди вещества, които в много отношения са по-близки до течности, отколкото до кристали. Такива тела, наречени аморфни, не проявяват анизотропия. В подреждането на техните частици, както и в течностите, има само близък ред. Преходът от аморфно твърдо вещество към течност при нагряване се извършва непрекъснато, докато преходът от кристал към течност става внезапно (повече за това ще бъде обсъдено в § 125). Всичко това дава основание аморфните твърди вещества да се разглеждат като преохладени течности, чиито частици, поради силно повишения вискозитет, имат ограничена подвижност.

Стъклото е типичен пример за аморфно твърдо вещество. Към аморфните тела спадат още смоли, битум и др.

Съдържанието на статията

ТЕОРИЯ ЗА ТЕЧНОСТТА.Всеки от нас може лесно да си спомни много вещества, които смята за течности. Не е толкова лесно обаче да се даде точна дефиниция на това състояние на материята, тъй като течностите имат такива физични свойства, че в някои отношения приличат на твърди вещества, а в други - на газове. Сходството между течности и твърди вещества е най-силно изразено при стъкловидните материали. Преходът им от твърдо към течно с повишаване на температурата става постепенно, те просто стават все по-меки и по-меки, така че е невъзможно да се уточни в кой температурен диапазон трябва да се наричат твърди вещества и в кой - течности. Можем само да кажем, че вискозитетът на стъкловидно вещество в течно състояние е по-малък, отколкото в твърдо състояние. Следователно твърдото стъкло често се нарича свръхохладена течност.

Очевидно най-характерното свойство на течностите, което ги отличава от твърдите вещества, е техният нисък вискозитет (висока течливост). Благодарение на нея те заемат формата на съда, в който се изсипват. На молекулярно ниво високата течливост означава относително голяма свобода на частиците течност. В това течностите приличат на газове, въпреки че силите на междумолекулно взаимодействие на течностите са по-големи, молекулите са по-близки и по-ограничени в движението си.

Към казаното може да се подходи и по друг начин – от гледна точка на идеята за далечен и близък ред. Далечният ред съществува в кристални твърди тела, чиито атоми са подредени по строго подреден начин, образувайки триизмерни структури, които могат да бъдат получени чрез многократно повторение на единичната клетка. Пример за двумерен ред на дълги разстояния е показан на фиг. едно, а. В течността и стъклото няма ред на дълги разстояния. Това обаче не означава, че те изобщо не са поръчани. Течността се характеризира с модел, подобен на този, показан на фиг. едно, b. Броят на най-близките съседи за всички атоми е почти еднакъв, но разположението на атомите, когато се отдалечават от всяка избрана позиция, става все по-хаотично. По този начин редът съществува само на малки разстояния, откъдето идва и името: ред на къси разстояния. Адекватно математическо описание на структурата на течност може да се даде само с помощта на статистическата физика. Например, ако една течност се състои от еднакви сферични молекули, тогава нейната структура може да бъде описана чрез функцията на радиално разпределение ж(r), което дава вероятността за откриване на всяка молекула от разстояние rот дадената избрана за референтна точка. Експериментално тази функция може да бъде открита чрез изследване на дифракцията на рентгенови лъчи или неутрони, а с появата на високоскоростни компютри тя започна да се изчислява чрез компютърна симулация, въз основа на наличните данни за природата на силите, действащи между молекули, или върху предположения за тези сили, както и върху законите на Нютоновата механика. Сравнявайки функциите на радиалното разпределение, получени теоретично и експериментално, може да се провери правилността на предположенията за природата на междумолекулните сили.

В органичните вещества, чиито молекули имат продълговата форма, в един или друг температурен диапазон понякога се срещат области на течната фаза с далечен ориентационен ред, което се изразява в тенденция към успоредно подреждане на дългите оси на молекулите. В този случай ориентационното подреждане може да бъде придружено от координационно подреждане на молекулните центрове. Течните фази от този тип обикновено се наричат течни кристали; компютърната симулация също е много полезна за разбиране на техните структурни свойства.

В газовете няма ред в подреждането на молекулите. По този начин течностите заемат междинно положение между кристалните твърди вещества и газовете, т.е. между напълно подредени и напълно неподредени молекулни системи. Ето защо теорията на течностите е толкова сложна. По-долу ще разгледаме връзката между твърди вещества, течности и газове, както и между различните свойства на течностите, използвайки прости молекулярни модели.

Течност, газ и междумолекулни сили.

1 cm 3 газ при температура 0 ° C и нормално налягане съдържа приблизително 2,7 × 10 19 молекули, така че средното разстояние между тях е около 30 × 10 -8 cm, или 30 Å. Тъй като диаметърът на самите молекули е само няколко ангстрьома, логично е да се предположи, че взаимодействието между газовите молекули винаги е пренебрежимо малко, с изключение на моментите на техните сблъсъци. Така стигаме до модел на газ, в който молекулите са представени като топки, движещи се независимо една от друга, сблъсквайки се една с друга и със стените на съда, в който е затворен газът. При температура от 0 ° C скоростта на молекулите е няколкостотин метра в секунда и техните сблъсъци със стените на съда създават забележимо налягане. По-подробно разглеждане на този модел дава връзката между налягането П, сила на звука Vи термодинамична температура T (T= °C + 273)

(1)PV/T= const (за дадено количество газ).

Тази връзка - така нареченото уравнение на състоянието на идеалния газ - е обобщен запис на законите на Бойл - Мариот, Гей-Лусак и Чарлз и поведението на повечето газове е описано от него с добра точност. Уравнение (1) винаги би било валидно, ако газът си оставаше газ, независимо от намаляването на температурата или повишаването на налягането. Въпреки това е добре известно, че всички газове могат да бъдат втечнени, ако се компресират или охладят достатъчно. За всеки газ има така наречената критична температура T c, под който винаги може да се втечни чрез повишаване на налягането; по-горе T cгазът не може да бъде втечнен при никакви обстоятелства. Това означава, че моделът на независимо движещи се молекули при условия, при които температурата е по-висока T c, е само приблизително и по-долу T cпри високи налягания и плътности, обикновено е неправилно. Съществуването на течно състояние отдолу T cпредполага, че между молекулите действат сили на привличане, тъй като в противен случай обикновено е невъзможно да се разбере защо те остават близо една до друга. Въпреки това, освен привличане, молекулите изпитват и взаимно отблъскване – в това се убеждаваме, когато се опитваме да намалим обема на течност (или твърдо вещество). Силите на привличане действат на по-големи разстояния от силите на отблъскване, но и двете са електростатични по природа.

Ако въведем корекции за кохезията на молекулите и техния обем в модела на идеалния газ, тогава получаваме уравнение, най-общо казано, различно от (1). Едно от тези уравнения, получено от J. van der Waals, има формата

(2)(П + а/V 2) (V - b)/T= конст.

Тук аи bса константи, характерни за дадения газ. Това уравнение също предвижда съществуването на критична температура T cи качествено описва наблюдавания преход между газообразната и течната фаза.

Нека разгледаме някои практически последствия от уравнение (2). На фиг. 2 е графика на налягането на газа спрямо обема. Нека известно количество газ заема обема V 1 при температура T 1 и налягане Педин . С намаляването на обема налягането се увеличава и състоянието на газа се променя: от точката Атой преминава към точката б. Тук газът започва да се кондензира и по-нататъшното намаляване на обема вече не води до промяна в налягането. При движение по права линия пр.н.еколичеството течност се увеличава до точката ° Сгазът няма да бъде напълно втечнен. Постоянното налягане, съответстващо на този процес, се нарича налягане на наситените пари при дадена температура. Tедин . Във всички точки на сегмента пр.н.еима равновесие (термодинамично) между течност и газ. Това означава, че броят на молекулите, които се изпаряват от повърхността на течност за 1 s, е точно равен на броя на молекулите, кондензиращи от пара в течност. За допълнително намаляване на обема е необходимо да се създаде много високо налягане, за да се преодолеят силите на взаимно отблъскване на молекулите на течността. Тази ситуация съответства на вертикалната линия CD. Извивка ABCDсе нарича изотерма, защото всички нейни точки имат еднаква температура. Ако същият експеримент се проведе при по-висока температура, тогава, в съответствие с уравнението на Ван дер Ваалс, ще получим изотерма със същия ход, само сегмента пр.н.еще стане по-кратък. Накрая при критичната температура T cтози сегмент обикновено се свива до точка с координати T cи Настолен компютър. В този момент течността и газът са неразличими. При температури над T c, уравнението на Ван дер Ваалс (2) се трансформира в уравнение (1) (кривата, съответстваща на температурата T 2 на фиг. 2). Стойностите на критичните температури и съответните им налягания са дадени в следната таблица:

Повърхностно напрежение.

Както видяхме, отчитането на междумолекулните сили прави възможно правилното обяснение на процеса на газова кондензация. Нека сега се опитаме да опишем някои от физичните свойства на течностите, като вземем предвид тези сили.

Представете си капка живак. Можем леко да го сплескаме с пръст, но щом махнем пръста, капката отново ще се събере на топка. Държи се така, сякаш е обвита в еластичен филм. Това е проявлението на ефекта на повърхностното напрежение. Същността му ще стане ясна, ако се обърнем към фиг. 3. Тук Аи б- две молекули течност, първата в обема, втората на повърхността. И в двата случая те са засегнати от сили на привличане от други молекули, но само тези, които са вътре в сфера с диаметър няколко ангстрьома, тъй като тези сили бързо намаляват с разстоянието. За една молекула Атакава сфера лежи изцяло вътре във течността, така че резултатът от всички сили е нула. Молекула б, разположен на повърхността, ще бъде изтеглен в течността, тъй като върху него действат само привличащи сили от молекулите, разположени в долното полукълбо. Същите сили, перпендикулярни на повърхността и насочени вътре в течността, действат върху всички молекули в близост до повърхността; създават повърхностно напрежение.

Повърхностно напрежение Сколичествено определена като силата, действаща на единица дължина на линия върху повърхността на течност. Помислете за сапунен филм, опънат върху вертикална рамка от две тънки жици TUVи PQ(фиг. 4). тел PQне е фиксиран и може да се движи свободно. Тя ще се движи надолу под действието на гравитацията, докато последната се балансира от силата, дължаща се на повърхностното напрежение. Тъй като филмът има две повърхности, силата, действаща върху жицата, е 2 SL, където Л- дължината на сечението на проводника PQв контакт с филма.

Поради наличието на повърхностно напрежение, всяко увеличение на повърхността на течността е свързано с разходи за енергия. Ето защо малките течни капки придобиват сферична форма: съотношението на тяхната повърхност към обема става минимално и след това потенциалната енергия също се минимизира. Големите капки се деформират под въздействието на гравитацията.

капилярни явления.

Капка вода върху чиста стъклена чиния губи сферичната си форма и се разпространява, образувайки тънък филм. Това се случва, защото кохезионните сили между водата и стъклените молекули надвишават подобни сили между водните молекули - водата намокря стъклото. Капка живак върху същата плоча остава сферична: кохезионните сили между живачните молекули са по-големи от кохезионните сили между живака и стъклените молекули - живакът не намокря стъклото. Това обяснява така наречените капилярни явления, наблюдавани в тънка стъклена капилярна тръба (фиг. 5). Ако спуснете капиляра в съд с вода, тогава водата ще се издигне през него над нивото в съда, а повърхността му (менискус) ще има вдлъбната форма. Нивото на живак в същия капиляр, напротив, ще бъде по-ниско от нивото в самия съд, а менискусът ще бъде изпъкнал. Тъй като адхезията между водата и стъклените молекули е по-силна, отколкото между самите водни молекули, водата се "изкачва" по стените на капиляра, докато налягането на нейния стълб в капиляра се балансира от налягането, дължащо се на междумолекулните сили. Вдлъбнат менискус се образува, защото водните молекули близо до стените на капиляра са засегнати от ненулева сила, насочена към стената. За живака картината е обратна.

Кипящи течности.

Когато течност кипи в отворен съд, налягането вътре в мехурчетата пара, образувани в течността, трябва да бъде поне равно на атмосферното налягане - в противен случай мехурчетата просто ще се срутят. Следователно при точката на кипене налягането на парите на течността е равно на атмосферното налягане. На достатъчно голяма надморска височина точката на кипене на течността е по-ниска, отколкото на морското равнище, тъй като барометричното налягане намалява с надморската височина. По този начин точката на кипене на водата на надморска височина от 4000 m е само около 85 ° C, докато на морското равнище е 100 ° C.

Кипенето е интензивно изпарение на течност, което се случва не само от повърхността, но и в целия й обем, вътре в образувалите се мехурчета пара. За да преминат от течност към пара, молекулите трябва да придобият енергията, необходима за преодоляване на привличащите сили, които ги държат в течността. Например, за да се изпари 1 g вода при температура 100 ° C и налягане, съответстващо на атмосферното налягане на морското равнище, е необходимо да се изразходват 2258 J, от които 1880 отиват за отделяне на молекули от течността, а останалите отиват да работи за увеличаване на обема, зает от системата, срещу силите на атмосферното налягане (1 g водна пара при 100 ° C и нормално налягане заема обем от 1,673 cm 3, докато 1 g вода при същите условия е само 1,04 cm 3 ).

Точката на кипене на разтвор на нелетливо вещество обикновено е по-висока от тази на чист разтворител. Тъй като течността кипи, когато нейното налягане на парите стане равно на атмосферното налягане, този модел означава, че налягането на парите на разтвор на нелетливо вещество при дадена температура е по-ниско от това на чист разтворител.

Втвърдяване на течности.

Обикновено, когато течностите се втвърдят, обемът им намалява донякъде (с около 10%), въпреки че има изключения от това правило. Например вода галий а бисмутът се разширява, когато се втвърди, така че втвърденото вещество плува на повърхността на течността. Поведението на течности близо до температурата на втвърдяване може да покаже други аномалии, например, когато температурата се повиши в диапазона от 0 до 4 ° C, водата се свива. За да обясним тези експериментални факти, нека първо разгледаме прехода от течно състояние към твърдо състояние за "нормални" вещества, като алуминий. Както показва рентгеновият дифракционен анализ, алуминият кристализира с образуването на лицево центрирана кубична решетка (фиг. 6), в която всеки атом е заобиколен от дванадесет най-близки съседи, разположени на разстояние 2,86 Å (2,86 × 10–8 cm ) от него. Ако атомите се считат за сфери, тогава това разположение съответства на тяхното най-плътно опаковане („плътно опакована“ структура). В течния алуминий няма ред на далечни разстояния, но все още остава известен ред на къси разстояния. Според данните от рентгеновата дифракция всеки атом в него е заобиколен от 10–11 най-близки съседи, разположени на разстояние 2,96 Å от него, т.е. структурата на течния алуминий близо до температурата на втвърдяване е подобна на структурата на твърдия алуминий, но малко по-"свободна". За водата, галия и бисмута се наблюдава обратната картина: близо до температурата на втвърдяване тяхната структура е по-„разхлабена“ не в течно, а в твърдо състояние. Отговорът на въпроса за причините за подобна аномалия трябва да се търси в структурните особености на техните молекули и връзките между тях в различни агрегатни състояния. Помислете например за вода и лед. И двете са изградени от едни и същи молекули, които се състоят от двойно йонизирани отрицателни кислородни йони (O 2–) и два единично йонизирани положителни водородни йони (H +). Във водната молекула тези три йона образуват триъгълник с два протона в основата и кислород на върха (съответно два малки кръга и един голям кръг на фиг. 7); ъгълът между O–H връзките е 104°. В структурата на леда молекулите на H 2 O са подредени по такъв начин, че всеки кислороден атом е заобиколен от четири водородни атома, разположени във върховете на тетраедъра. Това осигурява максимална енергийна печалба поради привличането между положителните и отрицателните йони, но структурата става много по-свободна. Когато ледът се топи, тази доста неикономична опаковка от молекули H 2 O постепенно се заменя с по-плътна и в диапазона от 0 до 4 ° C обемът на веществото постепенно намалява. Разхлабената структура на твърдия галий и бисмут също се дължи на особеностите на взаимодействието между атомите, но природата на тези връзки е много по-сложна от тази на леда.

Разтваряне на течности.

Добре известно е, че водата разтваря алкохола във всякакви количества, докато с живака и маслото изобщо не се смесва. По същия начин бензенът разтваря въглеводороди, но не разтваря вода. Каква е причината за това явление? Тук може да се даде общ отговор: течностите се смесват, ако техните електронни структури са подобни, а разликите в електронната структура затрудняват смесването. За да изясним какво имаме предвид под „електронна структура“, нека отново да разгледаме водата. Когато се образува водна молекула, зарядът се преразпределя между нейните съставни атоми: водородните атоми даряват своите валентни електрони, а кислородният атом ги приема. Така водната молекула има ненулев електрически диполен момент, т.е. е полярен. Това обяснява по-специално факта, че водата има много висока диелектрична константа и солите се разтварят добре в нея, дисоциирайки се на йони. Дипол-диполното взаимодействие държи водните молекули заедно, в резултат на което нейната точка на кипене се повишава. Друг пример за полярна течност е алкохолът C 2 H 5 OH; лесно се смесва с вода, тъй като диполният момент на неговите молекули е подобен на диполния момент на водните молекули.

Наред с полярните течности, чиито молекули са до голяма степен свързани помежду си, има и неполярни течности с по-слаби междумолекулни връзки. Пример за такива течности са въглеводородите - бензен, нафталин и др. Молекулите на тези течности са изградени от въглеродни и водородни атоми, които социализират своите валентни електрони, вместо да ги отдават или добавят. Относителната слабост на връзките между въглеводородните молекули се доказва от тяхната ниска точка на кипене. Между течности с ясно дефинирани полярни свойства (вода) и абсолютно неполярни (въглеводороди) има цял набор от класове течности, така че не винаги е възможно да се каже предварително дали две дадени течности ще се смесят или не. Но в повечето случаи се спазва правилото, формулирано в началото на раздела.

В допълнение към електронната структура, смесимостта на течностите може значително да зависи от размера на молекулите, както и от температурата. Например, никотинът се смесва с вода във всяко съотношение под 60°C и над 208°C; при междинни температури взаимната разтворимост на никотина и водата е много ограничена.

Осмоза.

През 1748 г. J. Nollet открива, че някои растителни клетки се свиват в концентриран солен разтвор - водата ги напуска през клетъчната мембрана. Ако след това същите клетки се прехвърлят във вода, те набъбват и възстановяват размера си. Такова движение на вещество (дифузия) през полупропусклива преграда, разделяща разтвор и чист разтворител или два разтвора с различни концентрации, се нарича осмоза. Това явление може да се обясни с факта, че молекулите на разтворителя като правило са по-малки от молекулите на разтвореното вещество и следователно по-лесно преминават през порите в преградата. Тъй като броят на молекулите на разтворителя в разреден разтвор (или чист разтворител) е по-голям, отколкото в концентриран, дифузионният трансфер на тези молекули се извършва към последния.

Течности и твърди вещества.

По-рано говорихме за връзката между течностите и техните пари в близост до критичната температура T c. Подобни връзки съществуват между течности и твърди вещества - поне близо до точката на топене Tm.

Обикновено, когато твърдо вещество се разтопи, обемът му се увеличава с около 10%, т.е. средното разстояние между съседните молекули в твърдо и течно състояние е почти еднакво. Кохезията между атомите или молекулите в твърдо и течно състояние не се различава много и пластичността на твърдите тела може да се счита за аналогична на течливостта на течностите. По този начин, по отношение на техните физични свойства, твърдите вещества и течностите не се различават толкова радикално, колкото изглежда. Съответно има два типа теории за течното състояние: някои се основават на идеите на съвременната теория на твърдото състояние, а други се основават на идеи, заимствани от теорията на газовете. Теориите от първия тип са по-адекватни в близост до точката на топене Tm, а вторият - близо до критичната точка T c.

течни метали.

Много физични свойства на твърдите метали се променят малко при топене. В тази връзка се развиват по-общи теории, в които свойствата на течните и твърдите метали се разглеждат от единна гледна точка. В тези теории важна роля играе структурният фактор, който се определя от взаимното разположение на атомите. Оказва се, че поради доста силни вибрации на атомите на твърдото тяло при повишени температури, структурният фактор на твърдото тяло близо до точката на топене не се различава много от този на течността. Метали с ниска точка на топене, като натрий, се използват като охладители в ядрени реактори на атомни електроцентрали.

Привличането и отблъскването на частиците определят тяхното взаимно разположение в материята. И свойствата на веществата значително зависят от местоположението на частиците. Така че, гледайки прозрачен много твърд диамант (брилянт) (фиг. 111, а) и мек черен графит (фиг. 111, б) (от него са направени пръчки за моливи), ние не предполагаме, че и двете вещества се състоят точно от същите атоми въглерод. Просто тези атоми са подредени по различен начин в графита, отколкото в диаманта.

Ориз. 111

Обърнете внимание, че фигурите не показват самите атоми, а техните модели - топки, а в действителност между тях няма свързващи пръти или жици. Това е конвенционално представяне на подреждането на атомите в дадено вещество.

Взаимодействието на частиците на дадено вещество води до факта, че то може да бъде в три състояния: твърдо, течно и газообразно. Например лед, вода, пара (фиг. 112). Всяко вещество може да бъде в три състояния, но за това са необходими определени условия: налягане, температура. Например кислородът във въздуха е газ, но при охлаждане под -193°C се превръща в течност, а при температура от -219°C кислородът е твърдо вещество. Желязото при нормално налягане и стайна температура е в твърдо състояние. При температури над 1539°C желязото става течно, а при температури над 3050°C става газообразно. Течният живак, използван в медицинските термометри, става твърд, когато се охлади до температури под -39°C. При температури над 357 ° C живакът се превръща в пари (газ).

Ориз. 112

Превръщайки металното сребро в газ, то се напръсква върху стъкло и се получават "огледални" стъкла.

Какви са свойствата на веществата в различни състояния?

Да започнем с газовете, в които поведението на молекулите (фиг. 113) наподобява движението на пчелите в рояк. Но пчелите в рояка независимо променят посоката на движение и практически не се сблъскват една с друга. В същото време за молекулите в газа подобни сблъсъци са не само неизбежни, но се случват почти непрекъснато. В резултат на сблъсъци посоките и стойностите на скоростите на молекулите се променят.

Ориз. 113

Резултатът от това движение и липсата на взаимодействие на частиците в движение е това газът не запазва обем или форма, но заема целия предоставен му обем. Всеки от вас ще сметне твърденията „Въздухът заема половината от обема на стаята“ и „Напомпах въздух в две трети от обема на гумена топка“ за чист абсурд. Въздухът, като всеки газ, заема целия обем на помещението и целия обем на топката.

Какви са свойствата на течностите? Нека направим експеримент.

Ориз. 114

Изсипете водата от чаша 1 в чаша 2. Формата на течността се е променила, но сила на звукавода остана същото(фиг. 114). Молекулите не се разпръснаха в целия обем, както би било в случая с газ. Това означава, че взаимното привличане на течните молекули съществува, но то не задържа твърдо съседните молекули. Те трептят и прескачат от едно място на друго (фиг. 115), което обяснява течливостта на течностите.

Фиг.115

Най-силно е взаимодействието на частиците в твърдото тяло. Не позволява на частиците да се разпръснат. Частиците извършват само хаотични колебателни движения около определени позиции (фиг. 116). Ето защо твърдите вещества запазват както обема, така и формата. Гумената топка ще запази формата и обема си на топката, където и да бъде поставена: в буркан, на маса и т.н.

Ориз. 116

Помислете и отговорете

Какви са основните свойства на газа?
Защо течността не запазва формата си?
Каква е разликата между твърдо състояние на материята и течно и газообразно?
Молекулите на водата различни ли са от молекулите на леда?
Кои от следните вещества при нормални условия (при стайна температура и нормално налягане) са в газообразно състояние и кои са в течно или твърдо състояние: калай, бензин, кислород, желязо, живак, въздух, стъкло, пластмаса?
Може ли живакът да бъде в твърдо състояние, а въздухът - в течно? При какви условия?

Домашна работа

Напълнете пластмасова бутилка (0,5 л) до горе с вода и затворете плътно капака. Опитайте да изстискате вода в бутилка. След това излейте водата и затворете отново бутилката. Сега изстискайте въздуха в него. Въз основа на резултатите от експеримента изразете хипотеза за структурата на газовете и течностите.
Задача-състезание: направете таблица, в която сравнете характера на движението, взаимодействието на частиците, както и свойствата на материята в газообразно, твърдо и течно състояние. Победител в състезанието ще бъде този, чиято таблица съдържа най-пълна и точна информация.

Нека повторим основното от изученото

Всички вещества се състоят от отделни частици (атоми, молекули), между които има разстояния.
Частиците материя се движат постоянно и хаотично.
Колкото по-висока е температурата на тялото, толкова по-голяма е скоростта на движение на частиците.
Дифузията е явлението на взаимно проникване на вещества едно в друго. Дифузията протича особено бързо в газове, по-бавно в течности и много бавно в твърди вещества. С повишаване на температурата дифузията протича по-бързо.
На разстояния, по-големи от размера на самите частици, преобладава привличането на частиците. При разстояния, по-малки от размера на самите частици, има отблъскване. Привличането на частиците много бързо отслабва, когато се отдалечават една от друга.
Промяната в размера на тялото при нагряване се нарича топлинно разширение.
Топлинното разширение на различните твърди и течни вещества е различно и всички газове са еднакви.