Struktura gasovitih, tečnih i čvrstih tela. Struktura tečnosti i gasa Molekularna struktura tečnosti

Teorija molekularne kinetike omogućava razumijevanje zašto supstanca može biti u plinovitom, tekućem i čvrstom stanju.

Gas. U plinovima je udaljenost između atoma ili molekula u prosjeku mnogo puta veća od veličine samih molekula (slika 10). Na primjer, pri atmosferskom pritisku, zapremina posude je desetine hiljada puta veća od zapremine molekula gasa u posudi.

Gasovi se lako sabijaju, jer kada se gas kompresuje, smanjuje se samo prosečna udaljenost između molekula, ali se molekuli ne „stiskuju” jedni druge (slika 11).

Molekuli sa ogromnim brzinama - stotinama metara u sekundi - kreću se u svemiru. Sudarajući se, odbijaju se jedna od druge u različitim smjerovima poput bilijarskih loptica.
Slabe sile privlačenja molekula gasa nisu u stanju da ih drže jedna blizu druge. Stoga se plinovi mogu neograničeno širiti. Ne zadržavaju ni oblik ni volumen.
Brojni udari molekula na zidove posude stvaraju pritisak plina.

Tečnosti. U tečnostima, molekuli se nalaze skoro blizu jedan drugom (slika 12). Stoga se molekul u tečnosti ponaša drugačije nego u gasu. Stegnuta, kao u ćeliji, drugim molekulima, ona obavlja „trčanje na mestu“ (osciluje oko ravnotežnog položaja, sudarajući se sa susednim molekulima). Tek s vremena na vrijeme napravi "skok", probijajući "rešetke kaveza", ali onda upada u novi "kavez" formiran od novih komšija. Vrijeme “sjedećeg života” molekula vode, odnosno vrijeme oscilacija oko jedne određene ravnotežne pozicije, na sobnoj temperaturi je u prosjeku 10-11 s. Vrijeme jedne oscilacije je znatno kraće (10–12 – 10–13 s). Kako temperatura raste, "sjedeći život" molekula se smanjuje. Priroda molekularnog kretanja u tečnostima, koju je prvi ustanovio sovjetski fizičar Ya. I. Frenkel, omogućava razumevanje osnovnih svojstava tečnosti.

Frenkel Yakov Ilyich (1894 - 1952) - izvanredni sovjetski teorijski fizičar koji je dao značajan doprinos različitim poljima fizike. Ya. I. Frenkel je autor moderne teorije o tekućem stanju materije. Postavio je temelje teorije feromagnetizma. Radovi Ya. I. Frenkela o atmosferskom elektricitetu i poreklu Zemljinog magnetnog polja su nadaleko poznati. Prvu kvantitativnu teoriju fisije jezgri uranijuma stvorio je Ya. I. Frenkel.

Molekuli tečnosti nalaze se direktno jedan pored drugog. Stoga, kada pokušate promijeniti volumen tekućine makar i za malu količinu, počinje deformacija samih molekula (slika 13). A za to je potrebno mnogo snage. Ovo objašnjava nisku kompresibilnost tečnosti.

Tečnosti su, kao što znate, fluidne, odnosno ne zadržavaju svoj oblik. Ovo se objašnjava na sljedeći način. Ako tečnost ne teče, onda se skokovi molekula iz jednog "sjedećeg" položaja u drugi događaju istom frekvencijom, ali u svim smjerovima (slika 12). Vanjska sila ne mijenja primjetno broj molekularnih skokova u sekundi, ali se skokovi molekula iz jednog "sjedećeg" položaja u drugi dešavaju pretežno u smjeru vanjske sile (slika 14). Zbog toga tečnost teče i poprima oblik posude.
Čvrste materije. Atomi ili molekuli čvrstih tijela, za razliku od tekućina, osciliraju oko određenih ravnotežnih položaja. Istina, ponekad molekuli mijenjaju svoj ravnotežni položaj, ali to se događa izuzetno rijetko. Zbog toga čvrsta tijela zadržavaju ne samo volumen, već i oblik.

Postoji još jedna važna razlika između tečnosti i čvrstih materija. Tečnost se može uporediti sa gomilom čiji se pojedini članovi nemirno guraju na mestu, a čvrsto telo je kao vitka kohorta čiji članovi, iako ne stoje na pažnji (zbog toplotnog kretanja), održavaju u određenim intervalima u prosjeku među sobom. Ako povežemo centre ravnotežnih položaja atoma ili jona čvrstog tijela, onda ćemo dobiti ispravnu prostornu rešetku, tzv. kristalno. Slike 15 i 16 prikazuju kristalne rešetke kuhinjske soli i dijamanta. Unutrašnji poredak u rasporedu atoma kristala dovodi do geometrijski ispravnih spoljašnjih oblika. Slika 17 prikazuje dijamante Jakuta.

Kvalitativno objašnjenje osnovnih svojstava materije na osnovu molekularne kinetičke teorije, kao što ste vidjeli, nije posebno teško. Međutim, teorija koja uspostavlja kvantitativne odnose između eksperimentalno izmjerenih veličina (pritisak, temperatura itd.) i svojstava samih molekula, njihovog broja i brzine kretanja, vrlo je složena. Ograničavamo se na razmatranje teorije gasova.

1. Navedite dokaze za postojanje termičkog kretanja molekula. 2. Zašto je Brownovo kretanje uočljivo samo za čestice male mase? 3. Kakva je priroda molekularnih sila? 4. Kako sile interakcije između molekula zavise od udaljenosti između njih? 5. Zašto se dvije olovne šipke sa glatkim, čistim rezovima lijepe zajedno kada su pritisnute jedna na drugu? 6. Koja je razlika između toplotnog kretanja molekula gasova, tečnosti i čvrstih tela?

Osnovne fizičke karakteristike tečnosti i gasova.

PREDAVANJE 3

Predmet proučavanja mehanike fluida i plina je fizičko tijelo u kojem se relativni položaj njegovih elemenata značajno mijenja kada se primjenjuju dovoljno male sile odgovarajućeg smjera. Dakle, glavno svojstvo tečnog tijela (ili jednostavno tečnosti) je fluidnost. Svojstvo fluidnosti posjeduju i kapljevine (zapravo tekućine, kao što su, na primjer, voda, benzin, industrijska ulja), i plinovi (vazduh, dušik, vodonik, ugljični dioksid). Značajna razlika u ponašanju tečnosti i gasova, objašnjena sa stanovišta molekularne strukture, biće određena prisustvom slobodne površine u tečnosti koja pada uz gas, prisustvom površinske napetosti, mogućnošću fazni prelaz itd.

Sva materijalna tijela, bez obzira na njihovo stanje agregacije: čvrsta, tečna ili plinovita, imaju unutrašnju molekularnu (atomsku) strukturu sa karakterističnom unutrašnjom toplinskom, mikroskopski kretanje molekula. U zavisnosti od kvantitativnog odnosa između kinetičke energije molekularnog kretanja i potencijalne energije interakcije međumolekulskih sila, nastaju različite molekularne strukture i varijeteti unutrašnjeg kretanja molekula.

AT čvrste materije je od primarnog značaja energija molekularne interakcije molekula, zbog čega se pod djelovanjem sila prianjanja molekuli raspoređuju u pravilne kristalne rešetke sa položajima stabilne ravnoteže u čvorovima ove rešetke. Toplotna kretanja u čvrstom tijelu su vibracije molekula u odnosu na čvorove rešetke sa frekvencijom od oko 10 12 Hz i amplitudom proporcionalnom udaljenosti između čvorova rešetke.

Za razliku od čvrstog tela, gasovi ne postoje kohezivne sile između molekula. Molekule plina prave nasumične pokrete, a njihova interakcija se svodi samo na sudare. U intervalima između sudara može se zanemariti interakcija između molekula, što odgovara maloj potencijalnoj energiji interakcije sila molekula u odnosu na kinetičku energiju njihovog haotičnog kretanja. Određuje prosječnu udaljenost između dva uzastopna sudara molekula dužina slobodnog puta. Prosječna brzina toplinskog kretanja molekula je uporediva sa brzinom širenja malih poremećaja (brzina zvuka) u datom stanju plina.

tečna tijela u smislu njihove molekularne strukture i toplotnog kretanja, molekuli zauzimaju međustanje između čvrstih i gasovitih tela. Prema postojećim stavovima oko nekih, centralno, molekuli su grupirani po susjednim molekulima koji vrše male vibracije s frekvencijom bliskom frekvenciji vibracija molekula u rešetki čvrstog tijela i amplitudom reda prosječne udaljenosti između molekula. Centralni molekul ili (kada tečnost miruje) ostaje nepokretan ili migrira brzinom koja se po vrednosti i smeru poklapa sa prosečnom brzinom makroskopskog kretanja tečnosti. U tekućini, potencijalna energija interakcije molekula uporedivi po redu sa kinetičkom energijom njihovog toplotnog kretanja. Dokaz prisustva vibracija molekula u tečnostima je "Brownovsko kretanje" najmanjih čvrstih čestica unesenih u tečnost. Oscilacije ovih čestica se lako uočavaju u polju mikroskopa i mogu se smatrati rezultatom sudara čvrstih čestica s tekućim molekulima. Prisustvo međumolekularne interakcije u tečnostima određuje postojanje površinske napetosti tečnosti na njenoj granici sa bilo kojim drugim medijumom, što je tera da poprimi oblik u kojem je njena površina minimalna. Male količine tečnosti su obično u obliku globularne kapljice. Zbog toga se tečnosti u hidraulici nazivaju drip.

Treba napomenuti da granica između čvrstih i tečnih tijela nije uvijek jasno definirana. Dakle, kada se velike sile primjenjuju na kapajuću tekućinu (na primjer, mlaz tekućine), uz kratko vrijeme interakcije, ova potonja poprima svojstva bliska osobinama krhke čvrste tvari. Mlaz tečnosti pod visokim pritiscima ispred rupe ima svojstva bliska osobinama čvrstog tela. Dakle, pri pritiscima većim od 10 8 Pa, vodeni mlaz reže čeličnu ploču; pri pritisku od oko 5 10 7 Pa - seče granit, pri pritiscima od 1,5 10 7 - 2 10 7 Pa - uništava ugalj. Pritisak (1,5 - 2)·10 6 Pa je dovoljan za uništavanje različitih tla.

Pod određenim uslovima, granica između tečnih i gasovitih tela takođe može izostati. Plinovi ispunjavaju cijeli volumen koji im se pruža, njihova gustina može varirati u širokom rasponu ovisno o primijenjenim silama. Tečnosti, ispunjavajući posudu veće zapremine od zapremine tečnosti, formiraju slobodnu površinu - međuprostor između tečnosti i gasa. U normalnim uslovima, zapremina tečnosti malo zavisi od sila koje se na nju primenjuju. U blizini kritičnog stanja, razlika između tečnosti i gasa postaje jedva primetna. Nedavno se pojavio koncept fluidnog stanja, kada su čestice tekućine veličine nekoliko nanometara dovoljno ravnomjerno pomiješane sa svojom parom. U ovom slučaju nema vizuelne razlike između tečnosti i pare.

Para se razlikuje od gasa po tome što je njeno stanje pri kretanju blizu zasićenja. Stoga, pod određenim uvjetima, može se djelomično kondenzirati i formirati dvofazni medij. Sa brzim širenjem, proces kondenzacije se odlaže, a zatim, kada se postigne određeno prehlađenje, odvija se poput lavine. U ovom slučaju, zakoni strujanja pare mogu se značajno razlikovati od zakona strujanja tečnosti i gasova.

Svojstva čvrstih materija, tečnosti i gasova su posledica njihove različite molekularne strukture . Međutim, glavna hipoteza mehanike fluida i plina je hipoteza kontinuuma, prema kojoj je fluid predstavljen kao kontinuirano raspoređena supstanca (kontinuum) koja ispunjava prostor bez praznina.

Zbog slabih veza između molekula tekućina i plinova (zbog čega su fluidni), na njihove površine ne može se primijeniti koncentrirana sila, već samo raspoređeno opterećenje. Usmjereno kretanje tekućine sastoji se od kretanja ogromnog broja molekula koji se nasumično kreću u svim smjerovima jedan prema drugom. U mehanici fluida i plina, koja proučava njihovo usmjereno kretanje, pretpostavlja se da je raspodjela svih karakteristika fluida u prostoru koji se razmatra kontinuirana. Molekularna struktura se uzima u obzir samo u matematičkom opisu fizičkih karakteristika tečnosti ili gasa, što je urađeno prilikom razmatranja procesa transporta u gasovima.

Model kontinuiranog medija je vrlo koristan u proučavanju njegovog kretanja, jer omogućava korištenje dobro razvijenog matematičkog aparata kontinuiranih funkcija.

Kvantitativno, granice primenljivosti matematičkog aparata mehanike kontinuuma za gas su postavljene vrednošću Knudsenovog kriterijuma - odnosom srednjeg slobodnog puta molekula gasa. l do karakteristične veličine toka L

Ako a Kn< 0,01, onda se protok gasa može smatrati kontinuiranim protokom medija. Kada kontinuirani medij teče oko čvrste površine, njegovi molekuli se lijepe za nju (Prandtlova hipoteza o lijepljenju), pa je stoga brzina tekućine na površini čvrstih tijela uvijek jednaka brzini ove površine, a temperatura tekućine na zidu jednaka je temperaturi zida.

Ako a Kn> 0,01, onda se kretanje razrijeđenog plina razmatra korištenjem matematičkog aparata molekularne kinetičke teorije.

U mašinstvu, hipoteza kontinuuma možda neće biti istinita kada se izračunava protok tečnosti ili gasa u uskim prazninama. Molekuli imaju dimenzije reda 10 -10 m; na prazninama reda veličine 10 -9 m, tipičnom za nanotehnologiju, mogu se uočiti značajna odstupanja proračunskih podataka dobijenih korištenjem uobičajenih jednadžbi dinamike fluida

Tečno stanje, koje zauzima srednji položaj između gasova i kristala, kombinuje neke od karakteristika oba ova stanja. Konkretno, za tekućine, kao i za kristalna tijela, karakteristično je prisustvo određenog volumena, a istovremeno tekućina, poput plina, poprima oblik posude u kojoj se nalazi. Nadalje, kristalno stanje karakterizira uređen raspored čestica (atoma ili molekula); u plinovima, u tom smislu, vlada potpuni haos. Prema radiografskim studijama, u odnosu na prirodu rasporeda čestica tečnosti, oni takođe zauzimaju srednji položaj. U rasporedu tečnih čestica primećuje se takozvani poredak kratkog dometa. To znači da je u odnosu na bilo koju česticu uređena lokacija njenih najbližih susjeda. Međutim, kako se neko udaljava od date čestice, raspored ostalih čestica u odnosu na nju postaje sve manje uređen i prilično brzo red u rasporedu čestica potpuno nestaje. U kristalima postoji redosled dugog dometa: uređeni raspored čestica u odnosu na bilo koju česticu posmatra se unutar značajnog volumena.

Prisustvo reda kratkog dometa u tečnostima razlog je zašto se struktura tečnosti naziva kvazikristalna (slična kristalu).

Zbog nedostatka reda dugog dometa, tečnosti, uz nekoliko izuzetaka, ne pokazuju anizotropiju koja je karakteristična za kristale sa svojim pravilnim rasporedom čestica. U tečnostima sa izduženim molekulima uočava se ista orijentacija molekula unutar značajnog volumena, što određuje anizotropiju optičkih i nekih drugih svojstava. Takve tečnosti se nazivaju tečnim kristalima. Oni su uredili samo orijentaciju molekula, dok međusobni raspored molekula, kao u običnim tečnostima, ne pokazuje dalekosežni poredak.

Srednji položaj tečnosti je zbog činjenice da je tečno stanje posebno složeno po svojim svojstvima. Stoga je njegova teorija mnogo manje razvijena od teorije kristalnih i plinovitih stanja. Do sada ne postoji potpuno potpuna i opšteprihvaćena teorija tečnosti. Značajan doprinos razvoju niza problema u teoriji tečnog stanja pripada sovjetskom naučniku Ya. I. Frenkelu.

Prema. Frenkel, toplotno kretanje u tečnostima ima sledeći karakter. Svaki molekul neko vrijeme oscilira oko određene ravnotežne pozicije. S vremena na vrijeme, molekul mijenja svoje mjesto ravnoteže, skačući na novu poziciju, odvojenu od prethodne udaljenosti reda veličine samih molekula. Stoga se molekuli samo polako kreću unutar tečnosti, ostajući dio vremena u blizini određenih mjesta. Prema figurativnom izrazu Ya. I. Frenkela, molekuli lutaju po cijeloj zapremini tečnosti, vodeći nomadski način života, u kojem se kratkoročna putovanja zamjenjuju relativno dugim periodima naseljenog života. Trajanje ovih zaustavljanja je vrlo različito i nasumično se izmjenjuju jedno s drugim, ali se prosječno trajanje oscilacija oko istog ravnotežnog položaja pokazuje kao određena vrijednost za svaku tekućinu, koja naglo opada s povećanjem temperature. U tom smislu, s povećanjem temperature, pokretljivost molekula se uvelike povećava, što zauzvrat povlači smanjenje viskoznosti tekućina.

Postoje čvrste materije koje su u mnogim aspektima bliže tečnostima nego kristalima. Takva tijela, nazvana amorfna, ne pokazuju anizotropiju. U rasporedu njihovih čestica, kao iu tečnostima, postoji samo poredak kratkog dometa. Prelazak iz amorfne čvrste supstance u tečnost pri zagrevanju se dešava kontinuirano, dok se prelazak iz kristala u tečnost dešava naglo (više o tome će biti reči u § 125). Sve ovo daje osnov da se amorfne čvrste materije posmatraju kao prehlađene tečnosti, čije čestice, zbog znatno povećane viskoznosti, imaju ograničenu pokretljivost.

Staklo je tipičan primjer amorfne čvrste tvari. Amorfna tijela također uključuju smole, bitumen itd.

Sadržaj članka

TEORIJA TEČNOSTI. Svako od nas se lako može sjetiti mnogih tvari koje smatra tekućinama. Međutim, nije tako lako dati tačnu definiciju ovog stanja materije, budući da tekućine imaju takva fizička svojstva da u nekim aspektima podsjećaju na čvrsta tijela, au drugima na plinove. Sličnost između tečnosti i čvrstih materija je najizraženija kod staklastih materijala. Njihov prijelaz iz čvrstog u tekuće s povećanjem temperature odvija se postepeno, samo postaju sve mekši i mekši, pa je nemoguće odrediti u kojem temperaturnom rasponu ih treba zvati čvrstim, a u kom tekućinama. Možemo samo reći da je viskoznost staklaste tvari u tekućem stanju manja nego u čvrstom stanju. Čvrsto staklo se stoga često naziva prehlađenom tekućinom.

Očigledno, najkarakterističnije svojstvo tečnosti, koje ih razlikuje od čvrstih materija, jeste njihov nizak viskozitet (visoka fluidnost). Zahvaljujući njoj poprimaju oblik posude u koju se sipaju. Na molekularnom nivou, visoka fluidnost znači relativno veliku slobodu čestica fluida. Po tome tečnosti liče na gasove, iako su sile međumolekularne interakcije tečnosti veće, molekuli su bliže i ograničenije u svom kretanju.

Ovom što je rečeno može se pristupiti i na drugi način - sa stanovišta ideje dalekog i kratkog dometa. Daleki poredak postoji u kristalnim čvrstim materijama, čiji su atomi raspoređeni na striktno uređen način, formirajući trodimenzionalne strukture koje se mogu dobiti višestrukim ponavljanjem jedinične ćelije. Primjer dvodimenzionalnog reda dugog dometa prikazan je na sl. jedan, a. U tečnosti i staklu ne postoji daljinski poredak. To, međutim, ne znači da oni uopšte nisu naređeni. Tečnost karakteriše uzorak sličan onom prikazanom na Sl. jedan, b. Broj najbližih susjeda za sve atome je gotovo isti, ali raspored atoma kako se udaljavaju od bilo koje odabrane pozicije postaje sve haotičniji. Dakle, red postoji samo na malim udaljenostima, otuda i naziv: poredak kratkog dometa. Adekvatan matematički opis strukture tečnosti može se dati samo uz pomoć statističke fizike. Na primjer, ako se tekućina sastoji od identičnih sfernih molekula, tada se njena struktura može opisati funkcijom radijalne distribucije g(r), što daje vjerovatnoću detekcije bilo kojeg molekula na udaljenosti r od date odabrane kao referentne tačke. Eksperimentalno se ova funkcija može pronaći proučavanjem difrakcije rendgenskih zraka ili neutrona, a pojavom brzih kompjutera počela se računati kompjuterskom simulacijom, na osnovu dostupnih podataka o prirodi sila koje djeluju između molekula, ili na pretpostavkama o tim silama, kao i na zakonima Njutnove mehanike. Uspoređujući teoretski i eksperimentalno dobivene funkcije radijalne raspodjele, može se provjeriti ispravnost pretpostavki o prirodi međumolekularnih sila.

U organskim supstancama čije molekule imaju izduženi oblik, u jednom ili drugom temperaturnom rasponu, ponekad se nalaze područja tekuće faze sa dalekosežnim orijentacijskim redoslijedom, što se manifestira u tendenciji paralelnog poravnanja dugih osa molekule. U ovom slučaju, orijentacijsko sređivanje može biti praćeno koordinacijskim uređenjem molekularnih centara. Tečne faze ovog tipa se obično nazivaju tečnim kristalima; kompjuterska simulacija je također vrlo korisna za razumijevanje njihovih strukturnih svojstava.

U plinovima nema reda u rasporedu molekula. Dakle, tečnosti zauzimaju međupoložaj između kristalnih čvrstih materija i gasova, tj. između potpuno uređenih i potpuno neuređenih molekularnih sistema. Zato je teorija tečnosti tako komplikovana. U nastavku ćemo razmotriti odnos između čvrstih tijela, tekućina i plinova, kao i između različitih svojstava tekućina, koristeći jednostavne molekularne modele.

Tečnost, gas i intermolekularne sile.

1 cm 3 gasa na temperaturi od 0°C i normalnom pritisku sadrži približno 2,7 × 10 19 molekula, tako da je prosečna udaljenost između njih oko 30 × 10 -8 cm, odnosno 30 Å. Budući da je promjer samih molekula samo nekoliko angstroma, logično je pretpostaviti da je interakcija između molekula plina uvijek zanemarivo mala, osim trenutaka njihovog sudara. Tako dolazimo do modela gasa, u kojem su molekule predstavljene kao lopte koje se kreću nezavisno jedna od druge, sudaraju se jedna sa drugom i sa zidovima posude u kojoj je gas zatvoren. Na temperaturi od 0°C, brzina molekula je nekoliko stotina metara u sekundi, a njihovi sudari sa zidovima posude stvaraju primjetan pritisak. Detaljnije razmatranje ovog modela daje odnos između pritiska P, volumen V i termodinamičke temperature T (T= °C + 273)

(1)PV/T= const (za datu količinu gasa).

Ovaj odnos - takozvana jednačina stanja idealnog gasa - je generalizovani zapis Boyle-ovih zakona - Mariotte, Gay-Lussac i Charles, a ponašanje većine gasova opisuje on sa dobrom tačnošću. Jednačina (1) bi uvijek vrijedila ako bi plin ostao plin, bez obzira na smanjenje temperature ili povećanje tlaka. Međutim, dobro je poznato da se svi plinovi mogu pretvoriti u tekućinu ako se dovoljno komprimiraju ili ohlade. Za svaki gas postoji takozvana kritična temperatura Tc, ispod koje se uvek može ukapljivati povećanjem pritiska; gore Tc gas se ni pod kojim uslovima ne može pretvarati u tečnost. To znači da je model nezavisnog kretanja molekula u uslovima gde je temperatura viša Tc, je samo približno, i ispod Tc pri visokim pritiscima i gustinama, generalno je netačno. Postojanje tečnog stanja ispod Tc sugerira da privlačne sile djeluju između molekula, jer je inače nemoguće razumjeti zašto one ostaju blizu jedna drugoj. Međutim, osim privlačnosti, molekuli doživljavaju i međusobno odbijanje – u to se uvjerimo kada pokušamo smanjiti volumen tekućine (ili čvrste tvari). Privlačne sile djeluju na većim udaljenostima od odbojnih sila, ali obje su po prirodi elektrostatičke.

Ako u model idealnog gasa uvedemo korekcije kohezije molekula i njihovog volumena, onda se dobija jednačina, uopšteno govoreći, drugačija od (1). Jedna od ovih jednačina, koju je izveo J. van der Waals, ima oblik

(2)(P + a/V 2) (V - b)/T= konst.

Evo a i b su konstante karakteristične za dati gas. Ova jednačina takođe predviđa postojanje kritične temperature Tc i kvalitativno opisuje uočeni prelaz između gasovite i tečne faze.

Razmotrimo neke praktične posljedice jednačine (2). Na sl. 2 je dijagram pritiska gasa u odnosu na zapreminu. Neka neka količina gasa zauzme zapreminu V 1 na temperaturi T 1 i pritisak P jedan . Kako se zapremina smanjuje, pritisak raste i stanje gasa se menja: od tačke A on prelazi na stvar B. Ovdje se plin počinje kondenzirati, a daljnje smanjenje volumena više ne dovodi do promjene tlaka. Pri kretanju po pravoj liniji BC količina tečnosti se povećava do tačke C gas neće biti potpuno ukapljen. Konstantni pritisak koji odgovara ovom procesu naziva se pritisak pare zasićenja na datoj temperaturi. T jedan . Na svim tačkama segmenta BC postoji ravnoteža (termodinamička) između tečnosti i gasa. To znači da je broj molekula koji ispare s površine tekućine za 1 s tačno jednak broju molekula koji se kondenziraju iz pare u tekućinu. Za dodatno smanjenje volumena potrebno je stvoriti vrlo visok pritisak kako bi se savladale sile međusobnog odbijanja molekula tekućine. Ova situacija odgovara vertikalnoj liniji CD. Curve A B C D naziva se izoterma jer sve njene tačke imaju istu temperaturu. Ako se isti eksperiment izvede na višoj temperaturi, tada ćemo, u skladu sa van der Waalsovom jednačinom, dobiti izotermu sa istim tokom, samo segment BC postaće kraći. Konačno, na kritičnoj temperaturi Tc ovaj segment je generalno skupljen na tačku sa koordinatama Tc i Pc. U ovom trenutku tečnost i gas se ne razlikuju. Na temperaturama iznad Tc, van der Waalsova jednadžba (2) pretvara se u jednačinu (1) (kriva koja odgovara temperaturi T 2 na sl. 2). Vrijednosti kritičnih temperatura i njihovih odgovarajućih pritisaka date su u sljedećoj tabeli:

Površinski napon.

Kao što smo vidjeli, uzimanje u obzir međumolekularnih sila omogućava ispravno objašnjenje procesa kondenzacije plina. Pokušajmo sada opisati neka fizička svojstva tekućina, uzimajući ove sile u obzir.

Zamislite kap žive. Možemo ga lagano spljoštiti prstom, ali čim prst izvadimo, kap će se opet skupiti u lopticu. Ponaša se kao da je umotana u elastičnu foliju. Ovo je manifestacija efekta površinske napetosti. Njegova priroda će postati jasna ako se okrenemo Sl. 3. Evo A i B- dva molekula tečnosti, prvi u zapremini, drugi na površini. U oba slučaja na njih djeluju privlačne sile drugih molekula, ali samo onih koje se nalaze unutar sfere promjera nekoliko angstroma, jer se te sile brzo smanjuju s udaljenosti. Za molekul A takva sfera leži u potpunosti unutar fluida, tako da je rezultanta svih sila nula. Molekula B, koji se nalazi na površini, bit će uvučen u tekućinu, jer na nju djeluju samo privlačne sile iz molekula smještenih u donjoj hemisferi. Iste sile, okomite na površinu i usmjerene unutar tekućine, djeluju na sve molekule blizu površine; stvaraju površinsku napetost.

Površinski napon S kvantitativno definirana kao sila koja djeluje po jedinici dužine linije na površini tekućine. Zamislite film sapuna nategnut preko vertikalnog okvira od dvije tanke žice TUV i PQ(Sl. 4). žica PQ nije fiksiran i može se slobodno kretati. Pod djelovanjem gravitacije će se kretati prema dolje sve dok se potonja ne izbalansira silom zbog površinske napetosti. Budući da film ima dvije površine, sila koja djeluje na žicu je 2 SL, gdje L- dužina preseka žice PQ u kontaktu sa filmom.

Zbog prisutnosti površinske napetosti, svako povećanje površine tekućine povezano je s troškovima energije. Zbog toga male kaplje tekućine poprimaju sferni oblik: omjer njihove površine i zapremine postaje minimalan, a nakon toga se i potencijalna energija minimizira. Velike kapi se deformišu pod uticajem gravitacije.

kapilarne pojave.

Kap vode na čistoj staklenoj ploči gubi svoj sferni oblik i širi se stvarajući tanak film. To se događa zato što kohezivne sile između vode i molekula stakla premašuju slične sile između molekula vode - voda vlaži staklo. Kap žive na istoj ploči ostaje sferična: sile kohezije između molekula žive veće su od kohezivnih sila između žive i staklenih molekula - živa ne vlaži staklo. Ovo objašnjava takozvane kapilarne pojave uočene u tankoj staklenoj kapilarnoj cijevi (slika 5). Ako kapilaru spustite u posudu s vodom, voda će se kroz nju uzdići iznad nivoa u posudi, a njena površina (meniskus) će imati konkavni oblik. Nivo žive u istoj kapilari će, naprotiv, biti niži od nivoa u samoj posudi, a meniskus će biti konveksan. Kako je prianjanje između molekula vode i stakla jača nego između samih molekula vode, voda se „penje“ uz zidove kapilare sve dok se pritisak njenog stupca u kapilari ne izbalansira pritiskom zbog međumolekularnih sila. Konkavni meniskus nastaje jer na molekule vode u blizini zidova kapilare djeluje sila različita od nule usmjerena prema zidu. Za živu, slika je obrnuta.

Kipuće tečnosti.

Kada tečnost ključa u otvorenoj posudi, pritisak unutar mjehurića pare koji se formiraju u tekućini mora biti najmanje jednak atmosferskom pritisku - inače će se mjehurići jednostavno srušiti. Dakle, na tački ključanja, pritisak pare tečnosti je jednak atmosferskom pritisku. Na dovoljno velikoj nadmorskoj visini, tačka ključanja tečnosti je niža nego na nivou mora, jer barometarski pritisak opada sa visinom. Tako je tačka ključanja vode na visini od 4000 m samo oko 85°C, dok je na nivou mora 100°C.

Vrenje je intenzivno isparavanje tečnosti, koje se dešava ne samo sa površine, već u celom njenom volumenu, unutar nastalih mjehurića pare. Da bi prešli iz tečnosti u paru, molekuli moraju steći energiju potrebnu da savladaju privlačne sile koje ih drže u tečnosti. Na primjer, da bi se ispario 1 g vode na temperaturi od 100 ° C i tlaku koji odgovara atmosferskom tlaku na nivou mora, potrebno je potrošiti 2258 J, od čega 1880 odlazi na odvajanje molekula od tekućine, a ostatak odlazi da radi na povećanju zapremine koju zauzima sistem, protiv sila atmosferskog pritiska (1 g vodene pare na 100°C i normalnom pritisku zauzima zapreminu od 1,673 cm 3, dok je 1 g vode pod istim uslovima samo 1,04 cm 3 ).

Tačka ključanja otopine nehlapljive tvari obično je viša od ključanja čistog rastvarača. Budući da tekućina ključa kada tlak njezine pare postane jednak atmosferskom, ovaj obrazac znači da je tlak pare otopine nehlapljive tvari na datoj temperaturi niži od tlaka pare čistog otapala.

Stvrdnjavanje tečnosti.

Obično, kada se tekućine stvrdnu, njihov volumen se donekle smanjuje (za oko 10%), iako postoje izuzeci od ovog pravila. Na primjer, voda galijum a bizmut se širi kada se stvrdne, tako da očvrsnuta tvar pluta na površini tekućine. Ponašanje tekućina blizu temperature skrućivanja može pokazati i druge anomalije, na primjer, kada temperatura poraste u rasponu od 0 do 4 ° C, voda se skuplja. Da bismo objasnili ove eksperimentalne činjenice, prvo razmotrimo prijelaz iz tekućeg u čvrsto stanje za "normalne" tvari, kao što je aluminij. Kao što pokazuje analiza difrakcije rendgenskih zraka, aluminij kristalizira formiranjem kubične rešetke usmjerene na lice (slika 6), u kojoj je svaki atom okružen sa dvanaest najbližih susjeda smještenih na udaljenosti od 2,86 Å (2,86 × 10–8 cm). ) od njega. Ako se atomi smatraju sferama, onda ovaj raspored odgovara njihovom najgušćem pakovanju (“blisko zbijena” struktura). U tekućem aluminijumu ne postoji poredak na daljinu, ali neki poredak kratkog dometa i dalje ostaje. Prema podacima rendgenske difrakcije, svaki atom u njemu je okružen sa 10-11 najbližih susjeda koji se nalaze na udaljenosti od 2,96 Å od njega, tj. struktura tekućeg aluminijuma blizu temperature skrućivanja slična je strukturi čvrstog aluminijuma, ali nešto „labavija“. Za vodu, galijum i bizmut, uočava se suprotna slika: blizu temperature skrućivanja, njihova struktura je „labavija“ ne u tekućem, već u čvrstom stanju. Odgovor na pitanje o uzrocima takve anomalije treba tražiti u strukturnim karakteristikama njihovih molekula i vezama među njima u različitim agregatnim stanjima. Uzmimo, na primjer, vodu i led. Oba su izgrađena od istih molekula, koji se sastoje od dvostruko jonizovanih negativnih jona kiseonika (O 2–) i dva jednostruko jonizovana pozitivna jona vodonika (H+). U molekuli vode, ova tri jona formiraju trougao sa dva protona u bazi i kiseonikom na vrhu (odnosno, dva mala kruga i jedan veliki krug na slici 7); ugao između O–H veza je 104°. U strukturi leda, molekuli H 2 O su raspoređeni na način da je svaki atom kiseonika okružen sa četiri atoma vodika koji se nalaze na vrhovima tetraedra. Time se postiže maksimalni dobitak energije zbog privlačenja između pozitivnih i negativnih iona, ali struktura postaje mnogo labavija. Kada se led topi, ovo prilično neekonomično pakiranje molekula H 2 O postupno se zamjenjuje gušćim, a u rasponu od 0 do 4 ° C, volumen tvari postupno se smanjuje. Labava struktura čvrstog galija i bizmuta također je posljedica posebnosti interakcija između atoma, ali priroda ovih veza je mnogo složenija od one kod leda.

Otapanje tečnosti.

Poznato je da voda rastvara alkohol u bilo kojoj količini, a da se uopšte ne meša sa živom i uljem. Slično, benzen otapa ugljovodonike, ali ne otapa vodu. Šta je razlog za ovaj fenomen? Ovdje se može dati opći odgovor: tekućine se miješaju ako su njihove elektronske strukture slične, a razlike u elektronskoj strukturi otežavaju miješanje. Da razjasnimo šta mislimo pod "elektronskom strukturom", pogledajmo ponovo vodu. Kada se formira molekul vode, naboj se redistribuira između njegovih sastavnih atoma: atomi vodika daju svoje valentne elektrone, a atom kisika ih prihvata. Dakle, molekula vode ima električni dipolni moment različit od nule, tj. je polarna. Ovo posebno objašnjava činjenicu da voda ima vrlo visoku dielektričnu konstantu i soli se u njoj dobro otapaju, disocirajući na ione. Dipol-dipol interakcija drži molekule vode zajedno, zbog čega se njena tačka ključanja povećava. Drugi primjer polarne tečnosti je alkohol C 2 H 5 OH; lako se miješa s vodom, budući da je dipolni moment njegovih molekula sličan dipolnom momentu molekula vode.

Uz polarne tečnosti, čiji su molekuli u velikoj meri međusobno povezani, postoje i nepolarne tečnosti sa slabijim međumolekularnim vezama. Primjer takvih tekućina su ugljovodonici - benzen, naftalen itd. Molekuli ovih tekućina su građeni od atoma ugljika i vodika, koji socijaliziraju svoje valentne elektrone umjesto da ih daju ili dodaju. Relativna slabost veza između molekula ugljikovodika dokazuje njihova niska tačka ključanja. Između tečnosti sa jasno definisanim polarnim svojstvima (voda) i apsolutno nepolarnih (ugljovodonici), postoji čitav niz klasa tečnosti, tako da nije uvek moguće unapred reći da li će se dve date tečnosti mešati ili ne. Ali u većini slučajeva slijedi pravilo formulirano na početku odjeljka.

Pored elektronske strukture, mešljivost tečnosti može značajno zavisiti i od veličine molekula, kao i od temperature. Na primjer, nikotin se miješa sa vodom u bilo kojem omjeru ispod 60°C i iznad 208°C; na srednjim temperaturama, međusobna rastvorljivost nikotina i vode je veoma ograničena.

Osmoza.

Godine 1748. J. Nollet je otkrio da se neke biljne stanice skupljaju u koncentriranom fiziološkom rastvoru - voda ih napušta kroz ćelijsku membranu. Ako se iste ćelije zatim prenesu u vodu, one nabubre i vraćaju svoju veličinu. Takvo kretanje tvari (difuzija) kroz polupropusnu pregradu koja razdvaja otopinu i čisto otapalo ili dvije otopine različitih koncentracija naziva se osmoza. Ovaj fenomen se može objasniti činjenicom da su molekuli rastvarača, u pravilu, manji od molekula otopljene tvari, pa stoga lakše prolaze kroz pore u pregradi. Budući da je broj molekula rastvarača u razrijeđenoj otopini (ili čistom otapalu) veći nego u koncentriranom, dolazi do difuzijskog prijenosa ovih molekula prema potonjem.

Tečnosti i čvrste materije.

Ranije smo govorili o odnosu tečnosti i njihovih para u blizini kritične temperature Tc. Slični odnosi postoje između tečnosti i čvrstih materija - barem blizu tačke topljenja Tm.

Obično, kada se čvrsta materija topi, njen volumen se povećava za oko 10%, tj. prosječna udaljenost između susjednih molekula u čvrstom i tekućem stanju je skoro ista. Kohezija između atoma ili molekula u čvrstom i tekućem stanju ne razlikuje se mnogo, a plastičnost čvrstih tela može se smatrati analognom fluidnosti tečnosti. Dakle, u pogledu svojih fizičkih svojstava, čvrste materije i tečnosti se ne razlikuju tako radikalno kao što se čini. U skladu s tim, postoje dvije vrste teorija tečnog stanja: neke su zasnovane na idejama moderne teorije čvrstog stanja, a druge su zasnovane na idejama pozajmljenim iz teorije gasova. Teorije prvog tipa su adekvatnije u blizini tačke topljenja Tm, a drugi - blizu kritične tačke Tc.

tečni metali.

Mnoga fizička svojstva čvrstih metala se malo mijenjaju topljenjem. U tom smislu se razvijaju opštije teorije u kojima se svojstva tečnih i čvrstih metala razmatraju sa jedinstvenog stanovišta. U ovim teorijama važnu ulogu igra strukturni faktor određen međusobnim rasporedom atoma. Pokazalo se da se zbog prilično jakih vibracija atoma čvrste tvari na povišenim temperaturama, strukturni faktor čvrste tvari u blizini tačke topljenja ne razlikuje mnogo od faktora tečnosti. Metali s niskom tačkom topljenja, kao što je natrij, koriste se kao rashladna sredstva u nuklearnim reaktorima u nuklearnim elektranama.

Privlačenje i odbijanje čestica određuju njihov međusobni raspored u materiji. A svojstva tvari značajno ovise o lokaciji čestica. Dakle, gledajući prozirni vrlo tvrdi dijamant (sjajni) (Sl. 111, a) i meki crni grafit (Sl. 111, b) (od njega se prave štapići za olovke), ne pretpostavljamo da se obje supstance sastoje upravo od isti atomi ugljenika. Samo što su ti atomi drugačije raspoređeni u grafitu nego u dijamantu.

Rice. 111

Imajte na umu da figure ne prikazuju same atome, već njihove modele - kuglice, a u stvarnosti između njih nema klipnjača ili žica. Ovo je konvencionalni prikaz rasporeda atoma u supstanciji.

Interakcija čestica tvari dovodi do činjenice da ona može biti u tri stanja: čvrstom, tekućem i plinovitom. Na primjer, led, voda, para (Sl. 112). Svaka tvar može biti u tri stanja, ali za to su potrebni određeni uvjeti: tlak, temperatura. Na primjer, kiseonik u vazduhu je gas, ali kada se ohladi ispod -193°C prelazi u tečnost, a na temperaturi od -219°C kiseonik je čvrsta supstanca. Gvožđe pri normalnom pritisku i sobnoj temperaturi je u čvrstom stanju. Na temperaturama iznad 1539°C, gvožđe postaje tečno, a na temperaturama iznad 3050°C postaje gasovito. Tečna živa koja se koristi u medicinskim termometrima postaje čvrsta kada se ohladi na temperature ispod -39°C. Na temperaturama iznad 357°C, živa se pretvara u paru (gas).

Rice. 112

Pretvarajući metalno srebro u gas, raspršuje se na staklo i dobija se "ogledala" stakla.

Koja su svojstva tvari u različitim agregatnim stanjima?

Počnimo sa gasovima, kod kojih ponašanje molekula (slika 113) podseća na kretanje pčela u roju. Međutim, pčele u roju samostalno mijenjaju smjer kretanja i praktički se ne sudaraju jedna s drugom. Istovremeno, za molekule u gasu takvi sudari ne samo da su neizbježni, već se događaju gotovo kontinuirano. Kao rezultat sudara, mijenjaju se smjerovi i vrijednosti brzina molekula.

Rice. 113

Rezultat ovog kretanja i nedostatka interakcije čestica u kretanju je to gas ne zadržava zapreminu ni oblik, ali zauzima cijeli volumen koji mu je dostavljen. Svako od vas će izjave „Vazduh zauzima polovinu zapremine prostorije” i „Upumpao sam vazduh u dve trećine zapremine gumene lopte” smatrati čistim apsurdom. Vazduh, kao i svaki gas, zauzima celu zapreminu prostorije i celokupnu zapreminu lopte.

Koja su svojstva tečnosti? Hajde da napravimo eksperiment.

Rice. 114

Sipajte vodu iz čaše 1 u čašu 2. Oblik tečnosti se promenio, ali volumen vode ostao isti(Sl. 114). Molekuli se nisu raspršili po volumenu, kao što bi bio slučaj sa gasom. To znači da međusobna privlačnost tekućih molekula postoji, ali ona ne drži kruto susjedne molekule. Oni osciliraju i skaču s jednog mjesta na drugo (Sl. 115), što objašnjava fluidnost tečnosti.

Fig.115

Najjača je interakcija čestica u čvrstom stanju. Ne dozvoljava česticama da se rasprše. Čestice vrše samo haotična oscilatorna kretanja oko određenih pozicija (Sl. 116). Zbog toga čvrste materije zadržavaju i volumen i oblik. Gumena lopta će zadržati svoj loptasti oblik i zapreminu gde god da je postavljena: u tegli, na stolu, itd.

Rice. 116

Razmisli i odgovori

Koja su glavna svojstva gasa?
Zašto tečnost ne zadržava svoj oblik?
Koja je razlika između čvrstog stanja materije i tečnog i gasovitog?
Da li se molekuli vode razlikuju od molekula leda?
Koje su od sljedećih tvari u normalnim uvjetima (na sobnoj temperaturi i normalnom tlaku) u plinovitom, a koje u tekućem ili čvrstom stanju: kalaj, benzin, kisik, željezo, živa, zrak, staklo, plastika?
Može li živa biti u čvrstom, a zrak u tečnom stanju? pod kojim uslovima?

Zadaća

Napunite plastičnu flašu (0,5 l) do vrha vodom i dobro zatvorite poklopac. Pokušajte iscijediti vodu u bocu. Zatim izlijte vodu i ponovo zatvorite bocu. Sada stisnite zrak u njega. Na osnovu rezultata eksperimenta izraziti hipotezu o strukturi gasova i tečnosti.
Zadatak-takmičenje: napravite tabelu u kojoj uporedite prirodu kretanja, interakciju čestica, kao i svojstva materije u gasovitom, čvrstom i tekućem stanju. Pobjednik konkursa će biti onaj čija tabela sadrži najpotpunije i najtačnije podatke.

Ponovimo glavnu stvar u proučavanom

Sve tvari se sastoje od pojedinačnih čestica (atoma, molekula), između kojih postoje udaljenosti.
Čestice materije se neprestano i nasumično kreću.
Brzina kretanja čestica je veća što je temperatura tijela viša.
Difuzija je fenomen međusobnog prodiranja tvari jedne u drugu. Difuzija se posebno brzo odvija u gasovima, sporije u tečnostima i veoma sporo u čvrstim materijama. Kako temperatura raste, difuzija se odvija brže.
Na udaljenostima većim od veličine samih čestica prevladava privlačenje čestica. Na udaljenostima manjim od veličine samih čestica dolazi do odbijanja. Privlačenje čestica vrlo brzo slabi kako se udaljavaju jedna od druge.
Promjena veličine tijela kada se zagrije naziva se toplinsko širenje.
Toplotno širenje različitih čvrstih i tečnih materija je različito, a svi gasovi su isti.