Η δομή των αέριων, υγρών και στερεών σωμάτων. Δομή υγρού και αερίου Μοριακή δομή υγρού

Η μοριακή κινητική θεωρία καθιστά δυνατό να κατανοήσουμε γιατί μια ουσία μπορεί να βρίσκεται σε αέρια, υγρή και στερεή κατάσταση.

Αέριο.Στα αέρια, η απόσταση μεταξύ των ατόμων ή των μορίων είναι, κατά μέσο όρο, πολλές φορές μεγαλύτερη από το μέγεθος των ίδιων των μορίων (Εικ. 10). Για παράδειγμα, σε ατμοσφαιρική πίεση, ο όγκος ενός δοχείου είναι δεκάδες χιλιάδες φορές μεγαλύτερος από τον όγκο των μορίων αερίου στο δοχείο.

Τα αέρια συμπιέζονται εύκολα, αφού όταν ένα αέριο συμπιέζεται, μόνο η μέση απόσταση μεταξύ των μορίων μειώνεται, αλλά τα μόρια δεν «συμπιέζονται» μεταξύ τους (Εικ. 11).


Μόρια με τεράστιες ταχύτητες - εκατοντάδες μέτρα το δευτερόλεπτο - κινούνται στο διάστημα. Σε σύγκρουση, αναπηδούν ο ένας από τον άλλο προς διαφορετικές κατευθύνσεις σαν μπάλες μπιλιάρδου.
Οι ασθενείς δυνάμεις έλξης των μορίων αερίου δεν είναι σε θέση να τα κρατήσουν κοντά το ένα στο άλλο. Επομένως, τα αέρια μπορούν να διαστέλλονται επ' αόριστον. Δεν διατηρούν ούτε σχήμα ούτε όγκο.
Πολυάριθμες κρούσεις μορίων στα τοιχώματα του δοχείου δημιουργούν πίεση αερίου.

Υγρά. Στα υγρά, τα μόρια βρίσκονται σχεδόν κοντά το ένα στο άλλο (Εικ. 12). Επομένως, ένα μόριο σε ένα υγρό συμπεριφέρεται διαφορετικά από ότι σε ένα αέριο. Συσφιγμένο, όπως σε ένα κύτταρο, από άλλα μόρια, εκτελεί ένα «τρέξιμο στη θέση του» (ταλαντώνεται γύρω από τη θέση ισορροπίας, συγκρούοντας με γειτονικά μόρια). Μόνο από καιρό σε καιρό κάνει ένα «άλμα», σπάζοντας τα «κάγκελα του κλουβιού», αλλά μετά πέφτει σε ένα νέο «κλουβί» που σχηματίζουν νέοι γείτονες. Ο χρόνος «καθιστικής ζωής» ενός μορίου νερού, δηλαδή ο χρόνος των ταλαντώσεων γύρω από μια συγκεκριμένη θέση ισορροπίας, σε θερμοκρασία δωματίου είναι κατά μέσο όρο 10–11 δευτερόλεπτα. Ο χρόνος μιας ταλάντωσης είναι πολύ μικρότερος (10–12 – 10–13 s). Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η «καθιστική ζωή» των μορίων μειώνεται. Η φύση της μοριακής κίνησης στα υγρά, που καθιερώθηκε για πρώτη φορά από τον Σοβιετικό φυσικό Ya. I. Frenkel, καθιστά δυνατή την κατανόηση των βασικών ιδιοτήτων των υγρών.

Frenkel Yakov Ilyich (1894 - 1952) - ένας εξαιρετικός σοβιετικός θεωρητικός φυσικός που συνέβαλε σημαντικά σε διάφορους τομείς της φυσικής. Ο Ya. I. Frenkel είναι ο συγγραφέας της σύγχρονης θεωρίας της υγρής κατάστασης της ύλης. Έθεσε τα θεμέλια της θεωρίας του σιδηρομαγνητισμού. Τα έργα του Ya. I. Frenkel σχετικά με τον ατμοσφαιρικό ηλεκτρισμό και την προέλευση του μαγνητικού πεδίου της Γης είναι ευρέως γνωστά. Η πρώτη ποσοτική θεωρία σχάσης πυρήνων ουρανίου δημιουργήθηκε από τον Ya. I. Frenkel.

Τα υγρά μόρια βρίσκονται ακριβώς το ένα δίπλα στο άλλο. Επομένως, όταν προσπαθείτε να αλλάξετε τον όγκο του υγρού έστω και σε μικρή ποσότητα, αρχίζει η παραμόρφωση των ίδιων των μορίων (Εικ. 13). Και αυτό απαιτεί πολλή δύναμη. Αυτό εξηγεί τη χαμηλή συμπιεστότητα των υγρών.

Τα υγρά, όπως γνωρίζετε, είναι ρευστά, δηλαδή δεν διατηρούν το σχήμα τους. Αυτό εξηγείται ως εξής. Εάν το υγρό δεν ρέει, τότε τα άλματα των μορίων από τη μια «καθιστική» θέση στην άλλη συμβαίνουν με την ίδια συχνότητα αλλά προς όλες τις κατευθύνσεις (Εικ. 12). Η εξωτερική δύναμη δεν αλλάζει αισθητά τον αριθμό των μοριακών αλμάτων ανά δευτερόλεπτο, αλλά τα άλματα των μορίων από τη μια «καθιστική» θέση στην άλλη συμβαίνουν κυρίως προς την κατεύθυνση της εξωτερικής δύναμης (Εικ. 14). Γι' αυτό το υγρό ρέει και παίρνει τη μορφή αγγείου.
Στερεά.Τα άτομα ή τα μόρια των στερεών, σε αντίθεση με τα υγρά, ταλαντώνονται γύρω από ορισμένες θέσεις ισορροπίας. Είναι αλήθεια ότι μερικές φορές τα μόρια αλλάζουν τη θέση ισορροπίας τους, αλλά αυτό συμβαίνει εξαιρετικά σπάνια. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα στερεά διατηρούν όχι μόνο τον όγκο, αλλά και το σχήμα.


Υπάρχει μια άλλη σημαντική διαφορά μεταξύ υγρών και στερεών. Ένα υγρό μπορεί να συγκριθεί με ένα πλήθος, τα μεμονωμένα μέλη του οποίου σπρώχνουν ανήσυχα στη θέση τους, και ένα συμπαγές σώμα μοιάζει με μια λεπτή κοόρτη, τα μέλη της οποίας, αν και δεν στέκονται στην προσοχή (λόγω θερμικής κίνησης), διατηρούν ορισμένα διαστήματα κατά μέσο όρο μεταξύ τους. Αν συνδέσουμε τα κέντρα θέσεων ισορροπίας ατόμων ή ιόντων ενός στερεού σώματος, τότε παίρνουμε το σωστό χωρικό πλέγμα, που ονομάζεται κρυστάλλινος. Τα σχήματα 15 και 16 δείχνουν τα κρυσταλλικά πλέγματα από επιτραπέζιο αλάτι και διαμάντι. Η εσωτερική τάξη στη διάταξη των ατόμων των κρυστάλλων οδηγεί σε γεωμετρικά σωστές εξωτερικές μορφές. Το σχήμα 17 δείχνει τα διαμάντια Yakut.

Μια ποιοτική εξήγηση των βασικών ιδιοτήτων της ύλης με βάση τη μοριακή κινητική θεωρία, όπως είδατε, δεν είναι ιδιαίτερα δύσκολη. Ωστόσο, η θεωρία που καθιερώνει ποσοτικές σχέσεις μεταξύ πειραματικά μετρούμενων μεγεθών (πίεση, θερμοκρασία κ.λπ.) και τις ιδιότητες των ίδιων των μορίων, τον αριθμό και την ταχύτητα κίνησης τους, είναι πολύ περίπλοκη. Περιοριζόμαστε στην εξέταση της θεωρίας των αερίων.

1. Παρέχετε στοιχεία για την ύπαρξη θερμικής κίνησης μορίων. 2. Γιατί η κίνηση Brown είναι αισθητή μόνο για σωματίδια μικρής μάζας; 3. Ποια είναι η φύση των μοριακών δυνάμεων; 4. Πώς εξαρτώνται οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ των μορίων από την μεταξύ τους απόσταση; 5. Γιατί δύο ράβδοι μολύβδου με λείες, καθαρές τομές κολλάνε μεταξύ τους όταν πιέζονται μεταξύ τους; 6. Ποια είναι η διαφορά μεταξύ της θερμικής κίνησης των μορίων των αερίων, των υγρών και των στερεών;

Βασικά φυσικά χαρακτηριστικά υγρών και αερίων.

ΔΙΑΛΕΞΗ 3

Αντικείμενο της μελέτης της μηχανικής ρευστών και αερίων είναι ένα φυσικό σώμα, στο οποίο η σχετική θέση των στοιχείων του αλλάζει κατά σημαντικό ποσοστό όταν εφαρμόζονται αρκετά μικρές δυνάμεις της αντίστοιχης κατεύθυνσης. Έτσι, η κύρια ιδιότητα ενός υγρού σώματος (ή απλά υγρού) είναι ρευστότητα.Την ιδιότητα της ρευστότητας κατέχουν τόσο τα υγρά σταγόνας (στην πραγματικότητα τα υγρά, όπως, για παράδειγμα, το νερό, η βενζίνη, τα βιομηχανικά λάδια), όσο και τα αέρια (αέρας, άζωτο, υδρογόνο, διοξείδιο του άνθρακα). Μια σημαντική διαφορά στη συμπεριφορά των υγρών και των αερίων, που εξηγείται από την άποψη της μοριακής δομής, θα καθοριστεί από την παρουσία μιας ελεύθερης επιφάνειας σε ένα υγρό σταγόνας που γειτνιάζει με το αέριο, την παρουσία επιφανειακής τάσης, την πιθανότητα μετάβαση φάσης κ.λπ.

Όλα τα υλικά σώματα, ανεξάρτητα από την κατάσταση συσσώρευσής τους: στερεά, υγρά ή αέρια, έχουν εσωτερική μοριακή (ατομική) δομή με χαρακτηριστική εσωτερική θερμική, μικροσκοπικόςη κίνηση των μορίων. Ανάλογα με την ποσοτική σχέση μεταξύ της κινητικής ενέργειας της μοριακής κίνησης και της δυναμικής ενέργειας της αλληλεπίδρασης διαμοριακής δύναμης, προκύπτουν διάφορες μοριακές δομές και ποικιλίες εσωτερικής κίνησης μορίων.

ΣΤΟ στερεάείναι πρωταρχικής σημασίας ενέργεια μοριακής αλληλεπίδρασηςμόρια, ως αποτέλεσμα των οποίων, υπό τη δράση των δυνάμεων πρόσφυσης, τα μόρια είναι διατεταγμένα σε κανονικά κρυσταλλικά πλέγματα με θέσεις σταθερής ισορροπίας στους κόμβους αυτού του πλέγματος. Οι θερμικές κινήσεις σε ένα στερεό είναι δονήσεις μορίων σε σχέση με κόμβους πλέγματος με συχνότητα περίπου 10 12 Hz και πλάτος ανάλογο με την απόσταση μεταξύ των κόμβων του πλέγματος.

Σε αντίθεση με ένα συμπαγές σώμα, αέριαδεν υπάρχουν συνεκτικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων. Τα μόρια αερίου κάνουν τυχαίες κινήσεις και η αλληλεπίδρασή τους περιορίζεται μόνο σε συγκρούσεις. Στα διαστήματα μεταξύ των συγκρούσεων, η αλληλεπίδραση μεταξύ των μορίων μπορεί να παραμεληθεί, η οποία αντιστοιχεί στη μικρότητα της δυναμικής ενέργειας της αλληλεπίδρασης δύναμης των μορίων σε σύγκριση με την κινητική ενέργεια της χαοτικής τους κίνησης. Η μέση απόσταση μεταξύ δύο διαδοχικών συγκρούσεων μορίων καθορίζει ελεύθερο μήκος διαδρομής.Η μέση ταχύτητα της θερμικής κίνησης των μορίων είναι συγκρίσιμη με την ταχύτητα διάδοσης των μικρών διαταραχών (η ταχύτητα του ήχου) σε μια δεδομένη κατάσταση του αερίου.

υγρά σώματαΌσον αφορά τη μοριακή τους δομή και τη θερμική τους κίνηση, τα μόρια καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση κατάσταση μεταξύ στερεών και αέριων σωμάτων. Σύμφωνα με τις υπάρχουσες απόψεις γύρω από ορισμένους, κεντρικός, τα μόρια ομαδοποιούνται κατά γειτονικά μόρια που εκτελούν μικρές δονήσεις με συχνότητα κοντά στη συχνότητα δονήσεων των μορίων στο πλέγμα ενός στερεού σώματος και πλάτος της τάξης της μέσης απόστασης μεταξύ των μορίων. Το κεντρικό μόριο είτε (όταν το υγρό είναι σε ηρεμία) παραμένει ακίνητο είτε μεταναστεύει με ταχύτητα που συμπίπτει σε τιμή και κατεύθυνση με τη μέση ταχύτητα της μακροσκοπικής κίνησης του υγρού. Σε ένα υγρό, η δυναμική ενέργεια της αλληλεπίδρασης των μορίων συγκρίσιμο κατά σειράμε την κινητική ενέργεια της θερμικής τους κίνησης. Η απόδειξη της παρουσίας δονήσεων των μορίων στα υγρά είναι η «κίνηση Μπράουν» των μικρότερων στερεών σωματιδίων που εισάγονται στο υγρό. Οι ταλαντώσεις αυτών των σωματιδίων παρατηρούνται εύκολα στο πεδίο ενός μικροσκοπίου και μπορούν να θεωρηθούν ως αποτέλεσμα της σύγκρουσης στερεών σωματιδίων με μόρια υγρού. Η παρουσία διαμοριακής αλληλεπίδρασης στα υγρά καθορίζει την ύπαρξη της επιφανειακής τάσης του υγρού στα όριά του με οποιοδήποτε άλλο μέσο, ​​η οποία το αναγκάζει να πάρει μια μορφή στην οποία η επιφάνειά του είναι ελάχιστη. Μικροί όγκοι υγρού έχουν συνήθως τη μορφή σφαιρικού σταγονιδίου. Εξαιτίας αυτού, τα υγρά στα υδραυλικά ονομάζονται σταγόνα.

Πρέπει να σημειωθεί ότι το όριο μεταξύ στερεών και υγρών σωμάτων δεν είναι πάντα σαφώς καθορισμένο. Έτσι, όταν ασκούνται μεγάλες δυνάμεις σε ένα υγρό που πέφτει (για παράδειγμα, ένας πίδακας υγρού), με σύντομο χρόνο αλληλεπίδρασης, το τελευταίο αποκτά ιδιότητες παρόμοιες με αυτές ενός εύθραυστου στερεού. Ένας πίδακας υγρού σε υψηλές πιέσεις μπροστά από την τρύπα έχει ιδιότητες παρόμοιες με αυτές ενός στερεού σώματος. Έτσι, σε πιέσεις μεγαλύτερες από 10 8 Pa, ένας πίδακας νερού κόβει μια χαλύβδινη πλάκα. σε πίεση περίπου 5 10 7 Pa - κόβει γρανίτη, σε πιέσεις 1,5 10 7 - 2 10 7 Pa - καταστρέφει τον άνθρακα. Η πίεση (1,5 - 2)·10 6 Pa είναι επαρκής για την καταστροφή διαφόρων εδαφών.

Υπό ορισμένες συνθήκες, το όριο μεταξύ υγρών και αερίων σωμάτων μπορεί επίσης να απουσιάζει. Τα αέρια γεμίζουν ολόκληρο τον όγκο που τους παρέχεται, η πυκνότητά τους μπορεί να ποικίλλει σε μεγάλο εύρος ανάλογα με τις ασκούμενες δυνάμεις. Τα υγρά, γεμίζοντας ένα δοχείο με όγκο μεγαλύτερο από τον όγκο του υγρού, σχηματίζουν μια ελεύθερη επιφάνεια - τη διεπαφή μεταξύ υγρού και αερίου. Υπό κανονικές συνθήκες, ο όγκος ενός υγρού εξαρτάται ελάχιστα από τις δυνάμεις που ασκούνται σε αυτό. Κοντά στην κρίσιμη κατάσταση, η διαφορά μεταξύ υγρού και αερίου γίνεται ελάχιστα αισθητή. Πρόσφατα, εμφανίστηκε η έννοια της ρευστής κατάστασης, όταν υγρά σωματίδια με μεγέθη αρκετών νανομέτρων αναμειγνύονται επαρκώς ομοιόμορφα με τον ατμό τους. Σε αυτή την περίπτωση, δεν υπάρχει οπτική διαφορά μεταξύ υγρού και ατμού.

Ο ατμός διαφέρει από το αέριο στο ότι η κατάστασή του όταν κινείται είναι κοντά στον κορεσμό. Επομένως, υπό ορισμένες συνθήκες, μπορεί να συμπυκνωθεί μερικώς και να σχηματίσει ένα διφασικό μέσο. Με την ταχεία διαστολή, η διαδικασία συμπύκνωσης καθυστερεί και στη συνέχεια, όταν επιτευχθεί μια ορισμένη υπερψύξη, προχωρά σαν χιονοστιβάδα. Σε αυτή την περίπτωση, οι νόμοι της ροής ατμών μπορεί να διαφέρουν σημαντικά από τους νόμους της ροής υγρών και αερίων.

Οι ιδιότητες των στερεών, των υγρών και των αερίων οφείλονται στη διαφορετική μοριακή τους δομή . Ωστόσο, η κύρια υπόθεση της μηχανικής ρευστών και αερίων είναι η υπόθεση του συνεχούς, σύμφωνα με την οποία το ρευστό αναπαρίσταται ως μια συνεχώς κατανεμημένη ουσία (συνέχεια) που γεμίζει χώρο χωρίς κενά.

Λόγω των ασθενών δεσμών μεταξύ των μορίων των υγρών και των αερίων (γι' αυτό είναι ρευστά), δεν μπορεί να εφαρμοστεί συγκεντρωμένη δύναμη στις επιφάνειές τους, αλλά μόνο ένα κατανεμημένο φορτίο. Η κατευθυνόμενη κίνηση ενός υγρού αποτελείται από την κίνηση ενός τεράστιου αριθμού μορίων που κινούνται τυχαία προς όλες τις κατευθύνσεις μεταξύ τους. Στη μηχανική ρευστών και αερίων, η οποία μελετά την κατευθυντική τους κίνηση, η κατανομή όλων των χαρακτηριστικών του ρευστού στον υπό εξέταση χώρο θεωρείται συνεχής. Η μοριακή δομή λαμβάνεται υπόψη μόνο στη μαθηματική περιγραφή των φυσικών χαρακτηριστικών ενός υγρού ή αερίου, η οποία έγινε κατά την εξέταση των διαδικασιών μεταφοράς σε αέρια.

Το μοντέλο ενός συνεχούς μέσου είναι πολύ χρήσιμο στη μελέτη της κίνησής του, καθώς επιτρέπει τη χρήση μιας καλά ανεπτυγμένης μαθηματικής συσκευής συνεχών συναρτήσεων.

Ποσοτικά, τα όρια εφαρμογής της μαθηματικής συσκευής της συνεχούς μηχανικής για το αέριο καθορίζονται από την τιμή του κριτηρίου Knudsen - ο λόγος της μέσης ελεύθερης διαδρομής των μορίων αερίου μεγάλοστο χαρακτηριστικό μέγεθος της ροής μεγάλο

Αν ένα Κν< 0,01, τότε η ροή αερίου μπορεί να θεωρηθεί ως συνεχής ροή μέσου. Όταν ένα συνεχές μέσο ρέει γύρω από μια στερεά επιφάνεια, τα μόριά του προσκολλώνται σε αυτήν (υπόθεση του Prandtl περί κολλήματος) και επομένως η ταχύτητα του υγρού στην επιφάνεια των στερεών είναι πάντα ίση με την ταχύτητα αυτής της επιφάνειας και τη θερμοκρασία του υγρού στον τοίχο είναι ίση με τη θερμοκρασία του τοίχου.

Αν ένα Κν> 0,01, τότε η κίνηση ενός αραιωμένου αερίου εξετάζεται χρησιμοποιώντας τη μαθηματική συσκευή της μοριακής κινητικής θεωρίας.

Στη μηχανολογία, η υπόθεση του συνεχούς μπορεί να μην ισχύει κατά τον υπολογισμό της ροής ενός υγρού ή αερίου σε στενά κενά. Τα μόρια έχουν διαστάσεις της τάξης των 10 -10 m. σε κενά της τάξεως των 10 -9 m, τυπικά για τη νανοτεχνολογία, μπορούν να παρατηρηθούν σημαντικές αποκλίσεις των υπολογισμένων δεδομένων που λαμβάνονται χρησιμοποιώντας τις συνήθεις εξισώσεις δυναμικής ρευστών

Η υγρή κατάσταση, που καταλαμβάνει μια ενδιάμεση θέση μεταξύ αερίων και κρυστάλλων, συνδυάζει μερικά από τα χαρακτηριστικά και των δύο αυτών καταστάσεων. Ειδικότερα, για τα υγρά, καθώς και για τα κρυσταλλικά σώματα, είναι χαρακτηριστική η παρουσία ορισμένου όγκου και ταυτόχρονα ένα υγρό, όπως ένα αέριο, παίρνει τη μορφή του δοχείου στο οποίο βρίσκεται. Περαιτέρω, η κρυσταλλική κατάσταση χαρακτηρίζεται από μια διατεταγμένη διάταξη σωματιδίων (άτομα ή μόρια)· στα αέρια, με αυτή την έννοια, βασιλεύει το πλήρες χάος. Σύμφωνα με ακτινογραφικές μελέτες, σε σχέση με τη φύση της διάταξης των σωματιδίων του υγρού, καταλαμβάνουν και αυτά μια ενδιάμεση θέση. Η λεγόμενη σειρά μικρής εμβέλειας παρατηρείται στη διάταξη των υγρών σωματιδίων. Αυτό σημαίνει ότι σε σχέση με οποιοδήποτε σωματίδιο, διατάσσεται η θέση των πλησιέστερων γειτόνων του. Ωστόσο, καθώς απομακρύνεται κανείς από ένα δεδομένο σωματίδιο, η διάταξη των άλλων σωματιδίων σε σχέση με αυτό γίνεται όλο και λιγότερο διατεταγμένη και μάλλον γρήγορα η τάξη στη διάταξη των σωματιδίων εξαφανίζεται εντελώς. Στους κρυστάλλους, υπάρχει μια σειρά μεγάλης εμβέλειας: η διατεταγμένη διάταξη των σωματιδίων σε σχέση με οποιοδήποτε σωματίδιο παρατηρείται σε σημαντικό όγκο.

Η παρουσία της τάξης μικρής εμβέλειας στα υγρά είναι ο λόγος που η δομή των υγρών ονομάζεται οιονεί κρυσταλλική (κρυσταλλική).

Λόγω της έλλειψης σειράς μεγάλης εμβέλειας, τα υγρά, με ελάχιστες εξαιρέσεις, δεν παρουσιάζουν την ανισοτροπία που είναι χαρακτηριστική των κρυστάλλων με την κανονική τους διάταξη των σωματιδίων. Σε υγρά με επιμήκη μόρια, παρατηρείται ο ίδιος προσανατολισμός των μορίων εντός ενός σημαντικού όγκου, ο οποίος καθορίζει την ανισοτροπία των οπτικών και ορισμένων άλλων ιδιοτήτων. Τέτοια υγρά ονομάζονται υγροί κρύσταλλοι. Έχουν διατάξει μόνο τον προσανατολισμό των μορίων, ενώ η αμοιβαία διάταξη των μορίων, όπως στα συνηθισμένα υγρά, δεν δείχνει τάξη μεγάλης εμβέλειας.

Η ενδιάμεση θέση των υγρών οφείλεται στο γεγονός ότι η υγρή κατάσταση είναι ιδιαίτερα πολύπλοκη στις ιδιότητές της. Επομένως, η θεωρία του είναι πολύ λιγότερο ανεπτυγμένη από τη θεωρία των κρυσταλλικών και των αέριων καταστάσεων. Μέχρι τώρα δεν υπάρχει απολύτως πλήρης και γενικά αποδεκτή θεωρία για τα υγρά. Σημαντική συμβολή στην ανάπτυξη μιας σειράς προβλημάτων στη θεωρία της υγρής κατάστασης ανήκει στον Σοβιετικό επιστήμονα Ya. I. Frenkel.

Σύμφωνα με. Frenkel, η θερμική κίνηση στα υγρά έχει τον ακόλουθο χαρακτήρα. Κάθε μόριο ταλαντώνεται γύρω από μια συγκεκριμένη θέση ισορροπίας για κάποιο χρονικό διάστημα. Από καιρό σε καιρό, το μόριο αλλάζει τη θέση ισορροπίας του, πηδώντας σε μια νέα θέση, που χωρίζεται από την προηγούμενη με μια απόσταση της τάξης του μεγέθους των ίδιων των μορίων. Έτσι, τα μόρια κινούνται μόνο αργά μέσα στο υγρό, παραμένοντας μέρος του χρόνου κοντά σε ορισμένα μέρη. Σύμφωνα με τη μεταφορική έκφραση του Ya. I. Frenkel, τα μόρια περιπλανώνται σε όλο τον όγκο του υγρού, οδηγώντας έναν νομαδικό τρόπο ζωής, στον οποίο τα βραχυπρόθεσμα ταξίδια αντικαθίστανται από σχετικά μεγάλες περιόδους εγκατεστημένης ζωής. Οι διάρκειες αυτών των στάσεων είναι πολύ διαφορετικές και εναλλάσσονται τυχαία μεταξύ τους, αλλά η μέση διάρκεια των ταλαντώσεων γύρω από την ίδια θέση ισορροπίας αποδεικνύεται ότι είναι μια ορισμένη τιμή για κάθε υγρό, η οποία μειώνεται απότομα με την αύξηση της θερμοκρασίας. Από αυτή την άποψη, με την αύξηση της θερμοκρασίας, η κινητικότητα των μορίων αυξάνεται πολύ, γεγονός που με τη σειρά του συνεπάγεται μείωση του ιξώδους των υγρών.

Υπάρχουν στερεά που από πολλές απόψεις είναι πιο κοντά στα υγρά παρά στους κρυστάλλους. Τέτοια σώματα, που ονομάζονται άμορφα, δεν παρουσιάζουν ανισοτροπία. Στη διάταξη των σωματιδίων τους, όπως και στα υγρά, υπάρχει μόνο σειρά μικρής εμβέλειας. Η μετάβαση από ένα άμορφο στερεό σε ένα υγρό κατά τη θέρμανση συμβαίνει συνεχώς, ενώ η μετάβαση από ένα κρύσταλλο σε ένα υγρό συμβαίνει απότομα (περισσότερα για αυτό θα συζητηθεί στην § 125). Όλα αυτά δίνουν τη βάση να θεωρηθούν τα άμορφα στερεά ως υπερψυγμένα υγρά, τα σωματίδια των οποίων, λόγω του πολύ αυξημένου ιξώδους, έχουν περιορισμένη κινητικότητα.

Το γυαλί είναι χαρακτηριστικό παράδειγμα άμορφου στερεού. Στα άμορφα σώματα περιλαμβάνονται επίσης οι ρητίνες, η άσφαλτος κ.λπ.

Το περιεχόμενο του άρθρου

ΘΕΩΡΙΑ ΥΓΡΩΝ.Ο καθένας μας μπορεί εύκολα να ανακαλέσει πολλές ουσίες που θεωρεί υγρές. Ωστόσο, δεν είναι τόσο εύκολο να δώσουμε έναν ακριβή ορισμό αυτής της κατάστασης της ύλης, αφού τα υγρά έχουν τέτοιες φυσικές ιδιότητες που από ορισμένες απόψεις μοιάζουν με στερεά και σε άλλες με αέρια. Η ομοιότητα μεταξύ υγρών και στερεών είναι πιο έντονη στα υαλώδη υλικά. Η μετάβασή τους από στερεό σε υγρό με την αύξηση της θερμοκρασίας συμβαίνει σταδιακά, γίνονται απλώς πιο μαλακά και μαλακότερα, επομένως είναι αδύνατο να προσδιοριστεί σε ποια περιοχή θερμοκρασίας θα πρέπει να ονομάζονται στερεά και σε ποια - υγρά. Μπορούμε μόνο να πούμε ότι το ιξώδες μιας υαλώδους ουσίας στην υγρή κατάσταση είναι μικρότερο από ότι στη στερεή κατάσταση. Ως εκ τούτου, το συμπαγές γυαλί αναφέρεται συχνά ως υπερψυγμένο υγρό.

Προφανώς, η πιο χαρακτηριστική ιδιότητα των υγρών, που τα διακρίνει από τα στερεά, είναι το χαμηλό τους ιξώδες (υψηλή ρευστότητα). Χάρη σε αυτήν παίρνουν το σχήμα του δοχείου στο οποίο χύνονται. Σε μοριακό επίπεδο, υψηλή ρευστότητα σημαίνει σχετικά μεγάλη ελευθερία σωματιδίων ρευστού. Σε αυτό, τα υγρά μοιάζουν με αέρια, αν και οι δυνάμεις της διαμοριακής αλληλεπίδρασης των υγρών είναι μεγαλύτερες, τα μόρια είναι πιο κοντά και πιο περιορισμένα στην κίνησή τους.

Αυτό που ειπώθηκε μπορεί να προσεγγιστεί με άλλο τρόπο - από την άποψη της ιδέας της τάξης μεγάλης και μικρής εμβέλειας. Τάξη μεγάλης εμβέλειας υπάρχει στα κρυσταλλικά στερεά, τα άτομα των οποίων είναι διατεταγμένα με αυστηρά ταξινομημένο τρόπο, σχηματίζοντας τρισδιάστατες δομές που μπορούν να ληφθούν με πολλαπλή επανάληψη της μονάδας κυψέλης. Ένα παράδειγμα δισδιάστατης σειράς μεγάλης εμβέλειας φαίνεται στο σχήμα. ένας, ένα. Δεν υπάρχει παραγγελία μεγάλης εμβέλειας σε υγρό και γυαλί. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι δεν παραγγέλνονται καθόλου. Το υγρό χαρακτηρίζεται από ένα σχέδιο παρόμοιο με αυτό που φαίνεται στο Σχ. ένας, σι. Ο αριθμός των πλησιέστερων γειτόνων για όλα τα άτομα είναι σχεδόν ο ίδιος, αλλά η διάταξη των ατόμων καθώς απομακρύνονται από οποιαδήποτε επιλεγμένη θέση γίνεται όλο και πιο χαοτική. Έτσι, η τάξη υπάρχει μόνο σε μικρές αποστάσεις, εξ ου και η ονομασία: τάξη μικρής εμβέλειας. Μια επαρκής μαθηματική περιγραφή της δομής ενός υγρού μπορεί να δοθεί μόνο με τη βοήθεια της στατιστικής φυσικής. Για παράδειγμα, εάν ένα υγρό αποτελείται από πανομοιότυπα σφαιρικά μόρια, τότε η δομή του μπορεί να περιγραφεί από τη συνάρτηση ακτινικής κατανομής σολ(r), το οποίο δίνει την πιθανότητα ανίχνευσης οποιουδήποτε μορίου σε απόσταση rαπό το δεδομένο που επιλέχθηκε ως σημείο αναφοράς. Πειραματικά, αυτή η συνάρτηση μπορεί να βρεθεί μελετώντας τη διάθλαση ακτίνων Χ ή νετρονίων και με την εμφάνιση των υπολογιστών υψηλής ταχύτητας, άρχισε να υπολογίζεται με προσομοίωση υπολογιστή, με βάση τα διαθέσιμα δεδομένα για τη φύση των δυνάμεων που δρουν μεταξύ μόρια, ή σε υποθέσεις σχετικά με αυτές τις δυνάμεις, καθώς και στους νόμους της Νευτώνειας μηχανικής. Συγκρίνοντας τις συναρτήσεις ακτινικής κατανομής που λαμβάνονται θεωρητικά και πειραματικά, μπορεί κανείς να επαληθεύσει την ορθότητα των υποθέσεων σχετικά με τη φύση των διαμοριακών δυνάμεων.

Σε οργανικές ουσίες, τα μόρια των οποίων έχουν επίμηκες σχήμα, σε ένα ή άλλο εύρος θερμοκρασιών, εντοπίζονται μερικές φορές περιοχές της υγρής φάσης με προσανατολισμό μεγάλης εμβέλειας, η οποία εκδηλώνεται με την τάση για παράλληλη ευθυγράμμιση των μακρών αξόνων τα μόρια. Σε αυτή την περίπτωση, η προσανατολιστική διάταξη μπορεί να συνοδεύεται από συντονιστική διάταξη των μοριακών κέντρων. Οι υγρές φάσεις αυτού του τύπου αναφέρονται συνήθως ως υγροί κρύσταλλοι. Η προσομοίωση υπολογιστή είναι επίσης πολύ χρήσιμη για την κατανόηση των δομικών ιδιοτήτων τους.

Στα αέρια, δεν υπάρχει τάξη στη διάταξη των μορίων. Έτσι, τα υγρά καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση μεταξύ κρυσταλλικών στερεών και αερίων, δηλ. μεταξύ πλήρως διατεταγμένων και τελείως διαταραγμένων μοριακών συστημάτων. Γι' αυτό η θεωρία των υγρών είναι τόσο περίπλοκη. Παρακάτω, θα εξετάσουμε τη σχέση μεταξύ στερεών, υγρών και αερίων, καθώς και μεταξύ των διαφόρων ιδιοτήτων των υγρών, χρησιμοποιώντας απλά μοριακά μοντέλα.

Υγρό, αέριο και διαμοριακές δυνάμεις.

1 cm 3 αερίου σε θερμοκρασία 0 ° C και κανονική πίεση περιέχει περίπου 2,7 × 10 19 μόρια, έτσι ώστε η μέση απόσταση μεταξύ τους να είναι περίπου 30 × 10 -8 cm, ή 30 Å. Δεδομένου ότι η διάμετρος των ίδιων των μορίων είναι μόνο μερικά angstroms, είναι λογικό να υποθέσουμε ότι η αλληλεπίδραση μεταξύ των μορίων αερίου είναι πάντα αμελητέα μικρή, εκτός από τις στιγμές της σύγκρουσής τους. Έτσι, φτάνουμε σε ένα μοντέλο αερίου, στο οποίο τα μόρια αναπαρίστανται ως μπάλες που κινούνται ανεξάρτητα το ένα από το άλλο, που συγκρούονται μεταξύ τους και με τα τοιχώματα του δοχείου στο οποίο περικλείεται το αέριο. Σε θερμοκρασία 0 ° C, η ταχύτητα των μορίων είναι αρκετές εκατοντάδες μέτρα ανά δευτερόλεπτο και οι συγκρούσεις τους με τα τοιχώματα του σκάφους δημιουργούν μια αισθητή πίεση. Μια πιο λεπτομερής εξέταση αυτού του μοντέλου δίνει τη σχέση μεταξύ της πίεσης Π, Ενταση ΗΧΟΥ Vκαι θερμοδυναμική θερμοκρασία Τ (Τ= °C + 273)

(1)Φ/Β/Τ= const (για δεδομένη ποσότητα αερίου).

Αυτή η σχέση - η λεγόμενη εξίσωση κατάστασης ιδανικού αερίου - είναι μια γενικευμένη καταγραφή των νόμων του Boyle - Mariotte, Gay-Lussac και Charles, και η συμπεριφορά των περισσότερων αερίων περιγράφεται από αυτόν με καλή ακρίβεια. Η εξίσωση (1) θα ίσχυε πάντα εάν το αέριο παρέμενε αέριο, ανεξάρτητα από μείωση της θερμοκρασίας ή αύξηση της πίεσης. Ωστόσο, είναι ευρέως γνωστό ότι όλα τα αέρια μπορούν να υγροποιηθούν εάν συμπιεστούν ή ψυχθούν επαρκώς. Για κάθε αέριο υπάρχει μια λεγόμενη κρίσιμη θερμοκρασία Τ γ, κάτω από το οποίο μπορεί πάντα να υγροποιηθεί αυξάνοντας την πίεση. πάνω από Τ γτο αέριο δεν μπορεί να υγροποιηθεί σε καμία περίπτωση. Αυτό σημαίνει ότι το μοντέλο των ανεξάρτητα κινούμενων μορίων υπό συνθήκες όπου η θερμοκρασία είναι υψηλότερη Τ γ, είναι μόνο κατά προσέγγιση, και παρακάτω Τ γσε υψηλές πιέσεις και πυκνότητες, είναι γενικά λανθασμένο. Η ύπαρξη υγρής κατάστασης παρακάτω Τ γυποδηλώνει ότι οι ελκτικές δυνάμεις δρουν μεταξύ των μορίων, αφού διαφορετικά είναι γενικά αδύνατο να καταλάβουμε γιατί παραμένουν κοντά το ένα στο άλλο. Ωστόσο, εκτός από την έλξη, τα μόρια βιώνουν και αμοιβαία απώθηση - είμαστε πεπεισμένοι για αυτό όταν προσπαθούμε να μειώσουμε τον όγκο ενός υγρού (ή στερεού). Οι ελκτικές δυνάμεις δρουν σε μεγαλύτερες αποστάσεις από τις δυνάμεις απώθησης, αλλά και οι δύο είναι ηλεκτροστατικής φύσης.

Εάν εισάγουμε διορθώσεις για τη συνοχή των μορίων και τον όγκο τους στο μοντέλο ιδανικού αερίου, τότε προκύπτει μια εξίσωση, γενικά, διαφορετική από την (1). Μία από αυτές τις εξισώσεις, που προέρχεται από τον J. van der Waals, έχει τη μορφή

(2)(Π + ένα/V 2) (V - σι)/Τ= συνθ.

Εδώ ένακαι σιείναι σταθερές χαρακτηριστικές του δεδομένου αερίου. Αυτή η εξίσωση προβλέπει επίσης την ύπαρξη μιας κρίσιμης θερμοκρασίας Τ γκαι περιγράφει ποιοτικά την παρατηρούμενη μετάβαση μεταξύ της αέριας και της υγρής φάσης.

Ας εξετάσουμε μερικές πρακτικές συνέπειες της εξίσωσης (2). Στο σχ. Το 2 είναι ένα διάγραμμα της πίεσης του αερίου ως προς τον όγκο. Αφήστε κάποια ποσότητα αερίου να καταλάβει τον όγκο V 1 σε θερμοκρασία Τ 1 και πίεση Πένας . Καθώς ο όγκος μειώνεται, η πίεση αυξάνεται και η κατάσταση του αερίου αλλάζει: από το σημείο ΕΝΑπηγαίνει στο σημείο σι. Εδώ, το αέριο αρχίζει να συμπυκνώνεται και μια περαιτέρω μείωση του όγκου δεν οδηγεί πλέον σε αλλαγή της πίεσης. Όταν κινείστε σε ευθεία γραμμή προ ΧΡΙΣΤΟΥη ποσότητα του υγρού αυξάνεται μέχρι στο σημείο ντοτο αέριο δεν θα υγροποιηθεί πλήρως. Η σταθερή πίεση που αντιστοιχεί σε αυτή τη διαδικασία ονομάζεται πίεση ατμών κορεσμού σε μια δεδομένη θερμοκρασία. Τένας . Σε όλα τα σημεία του τμήματος προ ΧΡΙΣΤΟΥυπάρχει μια ισορροπία (θερμοδυναμική) μεταξύ υγρού και αερίου. Αυτό σημαίνει ότι ο αριθμός των μορίων που εξατμίζονται από την επιφάνεια ενός υγρού σε 1 s είναι ακριβώς ίσος με τον αριθμό των μορίων που συμπυκνώνονται από ατμό σε υγρό. Για να μειωθεί περαιτέρω ο όγκος, είναι απαραίτητο να δημιουργηθεί πολύ υψηλή πίεση για να ξεπεραστούν οι δυνάμεις αμοιβαίας απώθησης των μορίων του υγρού. Αυτή η κατάσταση αντιστοιχεί στην κατακόρυφη γραμμή CD. Καμπύλη Α Β Γ Δονομάζεται ισόθερμος γιατί όλα τα σημεία του έχουν την ίδια θερμοκρασία. Εάν το ίδιο πείραμα πραγματοποιηθεί σε υψηλότερη θερμοκρασία, τότε, σύμφωνα με την εξίσωση van der Waals, θα λάβουμε μια ισόθερμη με την ίδια πορεία, μόνο το τμήμα προ ΧΡΙΣΤΟΥθα γίνει πιο σύντομη. Τέλος, στην κρίσιμη θερμοκρασία Τ γαυτό το τμήμα γενικά συστέλλεται σε ένα σημείο με συντεταγμένες Τ γκαι Π γ. Σε αυτό το σημείο, το υγρό και το αέριο δεν διακρίνονται. Σε θερμοκρασίες πάνω Τ γ, η εξίσωση van der Waals (2) μετατρέπεται σε εξίσωση (1) (η καμπύλη που αντιστοιχεί στη θερμοκρασία Τ 2 στο σχ. 2). Οι τιμές των κρίσιμων θερμοκρασιών και οι αντίστοιχες πιέσεις τους δίνονται στον παρακάτω πίνακα:

Επιφανειακή τάση.

Όπως είδαμε, η λήψη υπόψη των διαμοριακών δυνάμεων καθιστά δυνατή την ορθή εξήγηση της διαδικασίας συμπύκνωσης αερίου. Ας προσπαθήσουμε τώρα να περιγράψουμε μερικές από τις φυσικές ιδιότητες των υγρών, λαμβάνοντας υπόψη αυτές τις δυνάμεις.

Φανταστείτε μια σταγόνα υδραργύρου. Μπορούμε να το ισιώσουμε ελαφρώς με το δάχτυλό μας, αλλά μόλις αφαιρέσουμε το δάχτυλο, η σταγόνα θα μαζευτεί ξανά σε μπάλα. Συμπεριφέρεται σαν να είναι τυλιγμένη σε ελαστική μεμβράνη. Αυτή είναι η εκδήλωση του φαινομένου επιφανειακής τάσης. Η φύση του θα γίνει ξεκάθαρη αν στραφούμε στο Σχ. 3. Εδώ ΕΝΑκαι σι- δύο μόρια υγρού, το πρώτο στον όγκο, το δεύτερο στην επιφάνεια. Και στις δύο περιπτώσεις, επηρεάζονται από ελκτικές δυνάμεις από άλλα μόρια, αλλά μόνο εκείνα που βρίσκονται μέσα σε μια σφαίρα με διάμετρο πολλών angstroms, καθώς αυτές οι δυνάμεις μειώνονται γρήγορα με την απόσταση. Για ένα μόριο ΕΝΑμια τέτοια σφαίρα βρίσκεται εντελώς μέσα στο ρευστό, επομένως το αποτέλεσμα όλων των δυνάμεων είναι μηδέν. Μόριο σι, που βρίσκεται στην επιφάνεια, θα τραβηχτεί μέσα στο υγρό, αφού σε αυτό δρουν μόνο ελκτικές δυνάμεις από τα μόρια που βρίσκονται στο κάτω ημισφαίριο. Οι ίδιες δυνάμεις, κάθετες στην επιφάνεια και κατευθυνόμενες μέσα στο υγρό, δρουν σε όλα τα μόρια κοντά στην επιφάνεια. δημιουργούν επιφανειακή τάση.

Επιφανειακή τάση μικρόορίζεται ποσοτικά ως η δύναμη που ασκεί ανά μονάδα μήκους μιας γραμμής στην επιφάνεια ενός υγρού. Σκεφτείτε μια μεμβράνη σαπουνιού τεντωμένη πάνω σε ένα κατακόρυφο πλαίσιο δύο λεπτών συρμάτων TUVκαι PQ(Εικ. 4). σύρμα PQδεν είναι σταθερό και μπορεί να κινείται ελεύθερα. Θα κινηθεί προς τα κάτω υπό τη δράση της βαρύτητας έως ότου η τελευταία εξισορροπηθεί από τη δύναμη που οφείλεται στην επιφανειακή τάση. Δεδομένου ότι η μεμβράνη έχει δύο επιφάνειες, η δύναμη που ασκείται στο σύρμα είναι 2 SL, όπου μεγάλο- το μήκος του τμήματος του σύρματος PQσε επαφή με την ταινία.

Λόγω της παρουσίας επιφανειακής τάσης, οποιαδήποτε αύξηση της επιφάνειας ενός υγρού σχετίζεται με ενεργειακό κόστος. Γι' αυτό οι μικρές σταγόνες υγρού παίρνουν σφαιρικό σχήμα: η αναλογία του εμβαδού της επιφάνειάς τους προς τον όγκο γίνεται ελάχιστη και μετά από αυτό ελαχιστοποιείται και η δυναμική ενέργεια. Μεγάλες σταγόνες παραμορφώνονται υπό την επίδραση της βαρύτητας.

τριχοειδή φαινόμενα.

Μια σταγόνα νερού σε μια καθαρή γυάλινη πλάκα χάνει το σφαιρικό της σχήμα και απλώνεται σχηματίζοντας μια λεπτή μεμβράνη. Αυτό συμβαίνει επειδή οι δυνάμεις συνοχής μεταξύ των μορίων του νερού και του γυαλιού υπερβαίνουν παρόμοιες δυνάμεις μεταξύ των μορίων του νερού - το νερό βρέχει το γυαλί. Μια σταγόνα υδραργύρου στην ίδια πλάκα παραμένει σφαιρική: οι δυνάμεις συνοχής μεταξύ των μορίων υδραργύρου είναι μεγαλύτερες από τις δυνάμεις συνοχής μεταξύ υδραργύρου και μορίων γυαλιού - ο υδράργυρος δεν βρέχει το γυαλί. Αυτό εξηγεί τα λεγόμενα τριχοειδή φαινόμενα που παρατηρούνται σε ένα λεπτό γυάλινο τριχοειδές σωλήνα (Εικ. 5). Εάν χαμηλώσετε το τριχοειδές σε ένα δοχείο με νερό, τότε το νερό θα ανέβει μέσω αυτού πάνω από το επίπεδο στο δοχείο και η επιφάνειά του (μηνίσκος) θα έχει κοίλο σχήμα. Το επίπεδο υδραργύρου στο ίδιο τριχοειδές, αντίθετα, θα είναι χαμηλότερο από το επίπεδο στο ίδιο το αγγείο και ο μηνίσκος θα είναι κυρτός. Δεδομένου ότι η πρόσφυση μεταξύ των μορίων του νερού και του γυαλιού είναι ισχυρότερη από ότι μεταξύ των ίδιων των μορίων του νερού, το νερό «σκαρφαλώνει» κατά μήκος των τοιχωμάτων του τριχοειδούς έως ότου η πίεση της στήλης του στο τριχοειδές εξισορροπηθεί από την πίεση που οφείλεται στις διαμοριακές δυνάμεις. Ένας κοίλος μηνίσκος σχηματίζεται επειδή τα μόρια του νερού κοντά στα τοιχώματα του τριχοειδούς επηρεάζονται από μια μη μηδενική δύναμη που κατευθύνεται προς το τοίχωμα. Για τον υδράργυρο, η εικόνα είναι αντίστροφη.

Βράζοντας υγρά.

Όταν ένα υγρό βράζει σε ένα ανοιχτό δοχείο, η πίεση μέσα στις φυσαλίδες ατμού που σχηματίζονται στο υγρό πρέπει να είναι τουλάχιστον ίση με την ατμοσφαιρική πίεση - διαφορετικά οι φυσαλίδες απλά θα καταρρεύσουν. Επομένως, στο σημείο βρασμού, η τάση ατμών ενός υγρού είναι ίση με την ατμοσφαιρική πίεση. Σε αρκετά μεγάλο υψόμετρο, το σημείο βρασμού ενός υγρού είναι χαμηλότερο από το επίπεδο της θάλασσας, καθώς η βαρομετρική πίεση μειώνεται με το υψόμετρο. Έτσι, το σημείο βρασμού του νερού σε υψόμετρο 4000 m είναι μόνο περίπου 85 ° C, ενώ στο επίπεδο της θάλασσας είναι 100 ° C.

Ο βρασμός είναι η έντονη εξάτμιση ενός υγρού, που συμβαίνει όχι μόνο από την επιφάνεια, αλλά σε όλο τον όγκο του, μέσα στις προκύπτουσες φυσαλίδες ατμού. Για να μεταβούν από υγρό σε ατμό, τα μόρια πρέπει να αποκτήσουν την ενέργεια που απαιτείται για να ξεπεράσουν τις ελκτικές δυνάμεις που τα συγκρατούν στο υγρό. Για παράδειγμα, για να εξατμιστεί 1 g νερού σε θερμοκρασία 100 ° C και πίεση που αντιστοιχεί στην ατμοσφαιρική πίεση στο επίπεδο της θάλασσας, απαιτείται να δαπανηθούν 2258 J, από τα οποία τα 1880 πηγαίνουν για να διαχωριστούν τα μόρια από το υγρό και τα υπόλοιπα πηγαίνουν να εργαστεί για την αύξηση του όγκου που καταλαμβάνει το σύστημα, έναντι των δυνάμεων ατμοσφαιρικής πίεσης (1 g υδρατμού στους 100 ° C και η κανονική πίεση καταλαμβάνει όγκο 1,673 cm 3, ενώ 1 g νερού υπό τις ίδιες συνθήκες είναι μόνο 1,04 cm 3 ).

Το σημείο βρασμού ενός διαλύματος μιας μη πτητικής ουσίας είναι συνήθως υψηλότερο από αυτό ενός καθαρού διαλύτη. Δεδομένου ότι ένα υγρό βράζει όταν η τάση ατμών του γίνεται ίση με την ατμοσφαιρική πίεση, αυτό το σχέδιο σημαίνει ότι η τάση ατμών ενός διαλύματος μιας μη πτητικής ουσίας σε μια δεδομένη θερμοκρασία είναι χαμηλότερη από αυτή ενός καθαρού διαλύτη.

Στερεοποίηση υγρών.

Συνήθως, όταν τα υγρά στερεοποιούνται, ο όγκος τους μειώνεται κάπως (κατά περίπου 10%), αν και υπάρχουν εξαιρέσεις σε αυτόν τον κανόνα. Για παράδειγμα, νερό γάλλιο και το βισμούθιο διαστέλλεται όταν στερεοποιείται, έτσι ώστε η στερεοποιημένη ουσία να επιπλέει στην επιφάνεια του υγρού. Η συμπεριφορά των υγρών κοντά στη θερμοκρασία στερεοποίησης μπορεί να δείξει άλλες ανωμαλίες, για παράδειγμα, όταν η θερμοκρασία αυξάνεται στην περιοχή από 0 έως 4 ° C, το νερό συστέλλεται. Για να εξηγήσουμε αυτά τα πειραματικά δεδομένα, ας εξετάσουμε πρώτα τη μετάβαση από την υγρή σε στερεή κατάσταση για «κανονικές» ουσίες, όπως το αλουμίνιο. Όπως δείχνει η ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ, το αλουμίνιο κρυσταλλώνεται με το σχηματισμό ενός κεντροκεντρικού κυβικού πλέγματος (Εικ. 6), στο οποίο κάθε άτομο περιβάλλεται από δώδεκα πλησιέστερους γείτονες που βρίσκονται σε απόσταση 2,86 Å (2,86 × 10-8 cm ) από αυτό. Εάν τα άτομα θεωρούνται σφαίρες, τότε αυτή η διάταξη αντιστοιχεί στην πιο πυκνή συσκευασία τους (δομή "στενής συσκευασίας"). Στο υγρό αλουμίνιο, δεν υπάρχει παραγγελία μεγάλης εμβέλειας, αλλά παραμένει κάποια παραγγελία μικρής εμβέλειας. Σύμφωνα με τα δεδομένα περίθλασης ακτίνων Χ, κάθε άτομο σε αυτό περιβάλλεται από 10–11 πλησιέστερους γείτονες που βρίσκονται σε απόσταση 2,96 Å από αυτό, δηλ. η δομή του υγρού αλουμινίου κοντά στη θερμοκρασία στερεοποίησης είναι παρόμοια με τη δομή του στερεού αλουμινίου, αλλά κάπως πιο «χαλαρή». Για το νερό, το γάλλιο και το βισμούθιο, παρατηρείται η αντίθετη εικόνα: κοντά στη θερμοκρασία στερεοποίησης, η δομή τους είναι πιο «χαλαρή» όχι σε υγρή, αλλά σε στερεή κατάσταση. Η απάντηση στο ερώτημα σχετικά με τα αίτια μιας τέτοιας ανωμαλίας θα πρέπει να αναζητηθεί στα δομικά χαρακτηριστικά των μορίων τους και στους δεσμούς μεταξύ τους σε διαφορετικές αθροιστικές καταστάσεις. Σκεφτείτε, για παράδειγμα, το νερό και τον πάγο. Και τα δύο είναι κατασκευασμένα από τα ίδια μόρια, τα οποία αποτελούνται από διπλά ιονισμένα αρνητικά ιόντα οξυγόνου (O 2–) και δύο μεμονωμένα ιονισμένα θετικά ιόντα υδρογόνου (H +). Σε ένα μόριο νερού, αυτά τα τρία ιόντα σχηματίζουν ένα τρίγωνο με δύο πρωτόνια στη βάση και οξυγόνο στην κορυφή (αντίστοιχα, δύο μικροί κύκλοι και ένας μεγάλος κύκλος στο Σχ. 7). η γωνία μεταξύ των δεσμών Ο-Η είναι 104°. Στη δομή του πάγου, τα μόρια H 2 O είναι διατεταγμένα με τέτοιο τρόπο ώστε κάθε άτομο οξυγόνου να περιβάλλεται από τέσσερα άτομα υδρογόνου που βρίσκονται στις κορυφές του τετραέδρου. Αυτό παρέχει το μέγιστο ενεργειακό κέρδος λόγω της έλξης μεταξύ των θετικών και αρνητικών ιόντων, αλλά η δομή γίνεται πολύ πιο χαλαρή. Όταν λιώνει ο πάγος, αυτή η μάλλον αντιοικονομική συσκευασία των μορίων H 2 O αντικαθίσταται σταδιακά από ένα πιο πυκνό και στην περιοχή από 0 έως 4 ° C, ο όγκος της ουσίας μειώνεται σταδιακά. Η χαλαρή δομή του στερεού γαλλίου και του βισμούθιου οφείλεται επίσης στις ιδιαιτερότητες των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ατόμων, αλλά η φύση αυτών των δεσμών είναι πολύ πιο περίπλοκη από αυτή του πάγου.

Διάλυση υγρών.

Είναι γνωστό ότι το νερό διαλύει το αλκοόλ σε οποιαδήποτε ποσότητα, ενώ δεν αναμειγνύεται καθόλου με υδράργυρο και λάδι. Ομοίως, το βενζόλιο διαλύει τους υδρογονάνθρακες αλλά δεν διαλύει το νερό. Ποιος είναι ο λόγος για αυτό το φαινόμενο; Εδώ, μπορεί να δοθεί μια γενική απάντηση: τα υγρά αναμειγνύονται εάν οι ηλεκτρονικές δομές τους είναι παρόμοιες και οι διαφορές στην ηλεκτρονική δομή καθιστούν δύσκολη την ανάμειξη. Για να διευκρινίσουμε τι εννοούμε με τον όρο «ηλεκτρονική δομή», ας δούμε ξανά το νερό. Όταν σχηματίζεται ένα μόριο νερού, το φορτίο ανακατανέμεται μεταξύ των συστατικών του ατόμων: τα άτομα υδρογόνου δίνουν τα ηλεκτρόνια σθένους τους και το άτομο οξυγόνου τα δέχεται. Έτσι, το μόριο του νερού έχει μη μηδενική ηλεκτρική διπολική ροπή, δηλ. είναι πολικό. Αυτό εξηγεί, ειδικότερα, το γεγονός ότι το νερό έχει πολύ υψηλή διηλεκτρική σταθερά και τα άλατα διαλύονται καλά σε αυτό, διασπώνται σε ιόντα. Η αλληλεπίδραση διπόλου-διπόλου συγκρατεί τα μόρια του νερού ενωμένα, με αποτέλεσμα να αυξάνεται το σημείο βρασμού του. Ένα άλλο παράδειγμα πολικού υγρού είναι η αλκοόλη C 2 H 5 OH. αναμιγνύεται εύκολα με το νερό, αφού η διπολική ροπή των μορίων του είναι παρόμοια με τη διπολική ροπή των μορίων του νερού.

Μαζί με τα πολικά υγρά, τα μόρια των οποίων είναι σε μεγάλο βαθμό διασυνδεδεμένα, υπάρχουν και μη πολικά υγρά με ασθενέστερους διαμοριακούς δεσμούς. Ένα παράδειγμα τέτοιων υγρών είναι οι υδρογονάνθρακες - βενζόλιο, ναφθαλίνη κ.λπ. Τα μόρια αυτών των υγρών είναι κατασκευασμένα από άτομα άνθρακα και υδρογόνου, τα οποία κοινωνικοποιούν τα ηλεκτρόνια σθένους τους αντί να τα δίνουν ή να τα προσθέτουν. Η σχετική αδυναμία των δεσμών μεταξύ των μορίων υδρογονάνθρακα αποδεικνύεται από το χαμηλό σημείο βρασμού τους. Ανάμεσα σε υγρά με σαφώς καθορισμένες πολικές ιδιότητες (νερό) και απολύτως μη πολικά (υδρογονάνθρακες), υπάρχει μια ολόκληρη σειρά από κατηγορίες υγρών, επομένως δεν είναι πάντα δυνατό να πούμε εκ των προτέρων εάν δύο δεδομένα υγρά θα αναμειχθούν ή όχι. Αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις, ακολουθείται ο κανόνας που διατυπώθηκε στην αρχή της ενότητας.

Εκτός από την ηλεκτρονική δομή, η αναμειξιμότητα των υγρών μπορεί να εξαρτάται σημαντικά από το μέγεθος των μορίων, καθώς και από τη θερμοκρασία. Για παράδειγμα, η νικοτίνη αναμιγνύεται με νερό σε οποιαδήποτε αναλογία κάτω από 60°C και πάνω από 208°C. σε ενδιάμεσες θερμοκρασίες, η αμοιβαία διαλυτότητα νικοτίνης και νερού είναι πολύ περιορισμένη.

Ωσμωση.

Το 1748, ο J. Nollet ανακάλυψε ότι ορισμένα φυτικά κύτταρα συρρικνώνονται σε ένα συμπυκνωμένο αλατούχο διάλυμα - το νερό τα φεύγει μέσω της κυτταρικής μεμβράνης. Αν στη συνέχεια μεταφερθούν τα ίδια κύτταρα στο νερό, διογκώνονται και αποκαθιστούν το μέγεθός τους. Μια τέτοια κίνηση μιας ουσίας (διάχυση) μέσα από ένα ημιπερατό διαμέρισμα που χωρίζει ένα διάλυμα από έναν καθαρό διαλύτη ή δύο διαλύματα διαφορετικών συγκεντρώσεων ονομάζεται όσμωση. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να εξηγηθεί από το γεγονός ότι τα μόρια του διαλύτη, κατά κανόνα, είναι μικρότερα από τα μόρια της διαλυμένης ουσίας και ως εκ τούτου περνούν πιο εύκολα μέσα από τους πόρους στο διαμέρισμα. Δεδομένου ότι ο αριθμός των μορίων του διαλύτη σε ένα αραιό διάλυμα (ή καθαρό διαλύτη) είναι μεγαλύτερος από ό,τι σε ένα συμπυκνωμένο, πραγματοποιείται μεταφορά διάχυσης αυτών των μορίων προς το τελευταίο.

Υγρά και στερεά.

Προηγουμένως μιλήσαμε για τη σχέση των υγρών και των ατμών τους κοντά στην κρίσιμη θερμοκρασία Τ γ. Παρόμοιες σχέσεις υπάρχουν μεταξύ υγρών και στερεών - τουλάχιστον κοντά στο σημείο τήξης Tm.

Συνήθως, όταν ένα στερεό τήκεται, ο όγκος του αυξάνεται κατά 10% περίπου, δηλ. η μέση απόσταση μεταξύ γειτονικών μορίων σε στερεά και υγρή κατάσταση είναι σχεδόν η ίδια. Η συνοχή μεταξύ ατόμων ή μορίων σε στερεά και υγρή κατάσταση δεν διαφέρει πολύ και η πλαστικότητα των στερεών μπορεί να θεωρηθεί ανάλογη με τη ρευστότητα των υγρών. Έτσι, ως προς τις φυσικές τους ιδιότητες, τα στερεά και τα υγρά δεν διαφέρουν τόσο ριζικά όσο φαίνεται. Κατά συνέπεια, υπάρχουν δύο τύποι θεωριών για την υγρή κατάσταση: ορισμένες βασίζονται στις ιδέες της σύγχρονης θεωρίας στερεάς κατάστασης και άλλες βασίζονται σε ιδέες δανεισμένες από τη θεωρία των αερίων. Οι θεωρίες του πρώτου τύπου είναι πιο επαρκείς κοντά στο σημείο τήξης Tm, και το δεύτερο - κοντά στο κρίσιμο σημείο Τ γ.

υγρά μέταλλα.

Πολλές φυσικές ιδιότητες των στερεών μετάλλων αλλάζουν ελάχιστα κατά την τήξη. Από αυτή την άποψη, αναπτύσσονται πιο γενικές θεωρίες στις οποίες οι ιδιότητες των υγρών και στερεών μετάλλων εξετάζονται από μια ενιαία σκοπιά. Σε αυτές τις θεωρίες, σημαντικό ρόλο παίζει ο δομικός παράγοντας που καθορίζεται από την αμοιβαία διάταξη των ατόμων. Αποδεικνύεται ότι λόγω των μάλλον ισχυρών δονήσεων των ατόμων ενός στερεού σε υψηλές θερμοκρασίες, ο συντελεστής δομής ενός στερεού κοντά στο σημείο τήξης δεν διαφέρει πολύ από αυτόν ενός υγρού. Μέταλλα με χαμηλό σημείο τήξης, όπως το νάτριο, χρησιμοποιούνται ως ψυκτικά σε πυρηνικούς αντιδραστήρες σε πυρηνικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής.

Η έλξη και η απώθηση των σωματιδίων καθορίζουν την αμοιβαία διάταξη τους στην ύλη. Και οι ιδιότητες των ουσιών εξαρτώνται σημαντικά από τη θέση των σωματιδίων. Έτσι, κοιτάζοντας ένα διαφανές πολύ σκληρό διαμάντι (μπριγιάν) (Εικ. 111, α) και τον μαλακό μαύρο γραφίτη (Εικ. 111, β) (από αυτό κατασκευάζονται ράβδοι μολυβιού), δεν μαντεύουμε ότι και οι δύο ουσίες αποτελούνται ακριβώς από ίδια άτομα άνθρακα. Απλώς αυτά τα άτομα είναι διαφορετικά διατεταγμένα στον γραφίτη από ότι στο διαμάντι.

Ρύζι. 111

Σημειώστε ότι τα σχήματα δεν δείχνουν τα ίδια τα άτομα, αλλά τα μοντέλα τους - μπάλες, και στην πραγματικότητα δεν υπάρχουν μπιέλες ή καλώδια μεταξύ τους. Αυτή είναι μια συμβατική αναπαράσταση της διάταξης των ατόμων σε μια ουσία.

Η αλληλεπίδραση των σωματιδίων μιας ουσίας οδηγεί στο γεγονός ότι μπορεί να είναι σε τρεις καταστάσεις: στερεή, υγρή και αέρια. Για παράδειγμα, πάγος, νερό, ατμός (Εικ. 112). Οποιαδήποτε ουσία μπορεί να βρίσκεται σε τρεις καταστάσεις, αλλά απαιτούνται ορισμένες προϋποθέσεις για αυτό: πίεση, θερμοκρασία. Για παράδειγμα, το οξυγόνο στον αέρα είναι αέριο, αλλά όταν ψυχθεί κάτω από τους -193°C μετατρέπεται σε υγρό και σε θερμοκρασία -219°C το οξυγόνο είναι στερεό. Ο σίδηρος σε κανονική πίεση και θερμοκρασία δωματίου είναι σε στερεή κατάσταση. Σε θερμοκρασίες άνω των 1539°C ο σίδηρος γίνεται υγρός και σε θερμοκρασίες άνω των 3050°C γίνεται αέριος. Ο υγρός υδράργυρος που χρησιμοποιείται στα ιατρικά θερμόμετρα γίνεται στερεός όταν ψύχεται σε θερμοκρασίες κάτω των -39°C. Σε θερμοκρασίες άνω των 357 ° C, ο υδράργυρος μετατρέπεται σε ατμό (αέριο).

Ρύζι. 112

Μετατρέποντας το μεταλλικό ασήμι σε αέριο, ψεκάζεται πάνω σε γυαλί και παίρνει γυαλιά «καθρέφτη».

Ποιες είναι οι ιδιότητες των ουσιών σε διαφορετικές καταστάσεις;

Ας ξεκινήσουμε με τα αέρια, στα οποία η συμπεριφορά των μορίων (Εικ. 113) μοιάζει με την κίνηση των μελισσών σε ένα σμήνος. Ωστόσο, οι μέλισσες στο σμήνος αλλάζουν ανεξάρτητα την κατεύθυνση κίνησης και πρακτικά δεν συγκρούονται μεταξύ τους. Ταυτόχρονα, για τα μόρια ενός αερίου, τέτοιες συγκρούσεις όχι μόνο είναι αναπόφευκτες, αλλά συμβαίνουν σχεδόν συνεχώς. Ως αποτέλεσμα των συγκρούσεων, οι κατευθύνσεις και οι τιμές των ταχυτήτων των μορίων αλλάζουν.

Ρύζι. 113

Το αποτέλεσμα αυτής της κίνησης και της έλλειψης αλληλεπίδρασης σωματιδίων σε κίνηση είναι αυτό Το αέριο δεν διατηρεί όγκο ή σχήμα, αλλά καταλαμβάνει ολόκληρο τον τόμο που του παρέχεται. Καθένας από εσάς θα θεωρήσει τις δηλώσεις «Ο αέρας καταλαμβάνει τον μισό όγκο του δωματίου» και «Έβαλα αέρα στα δύο τρίτα του όγκου μιας λαστιχένιας μπάλας» ως καθαρό παράλογο. Ο αέρας, όπως κάθε αέριο, καταλαμβάνει ολόκληρο τον όγκο του δωματίου και ολόκληρο τον όγκο της μπάλας.

Ποιες είναι οι ιδιότητες των υγρών; Ας κάνουμε ένα πείραμα.

Ρύζι. 114

Ρίξτε το νερό από το ποτήρι 1 στο ποτήρι 2. Το σχήμα του υγρού έχει αλλάξει, αλλά Ενταση ΗΧΟΥνερό έμεινε το ίδιο(Εικ. 114). Τα μόρια δεν διασκορπίστηκαν σε όλο τον όγκο, όπως θα συνέβαινε με ένα αέριο. Αυτό σημαίνει ότι η αμοιβαία έλξη των υγρών μορίων υπάρχει, αλλά δεν συγκρατεί άκαμπτα τα γειτονικά μόρια. Ταλαντώνονται και πηδούν από το ένα μέρος στο άλλο (Εικ. 115), γεγονός που εξηγεί τη ρευστότητα των υγρών.

Εικ.115

Η ισχυρότερη είναι η αλληλεπίδραση των σωματιδίων σε ένα στερεό. Δεν επιτρέπει στα σωματίδια να διασκορπιστούν. Τα σωματίδια εκτελούν μόνο χαοτικές ταλαντωτικές κινήσεις γύρω από ορισμένες θέσεις (Εικ. 116). Να γιατί Τα στερεά διατηρούν και τον όγκο και το σχήμα. Μια λαστιχένια μπάλα θα διατηρήσει το σχήμα και τον όγκο της μπάλας όπου κι αν τοποθετηθεί: σε ένα βάζο, σε ένα τραπέζι κ.λπ.

Ρύζι. 116

Σκεφτείτε και απαντήστε

1. Ποιες είναι οι κύριες ιδιότητες ενός αερίου;
2. Γιατί ένα υγρό δεν διατηρεί το σχήμα του;
3. Ποια είναι η διαφορά μεταξύ στερεάς κατάστασης ύλης και υγρού και αερίου;
4. Διαφέρουν τα μόρια του νερού από τα μόρια του πάγου;
5. Ποιες από τις παρακάτω ουσίες υπό κανονικές συνθήκες (σε θερμοκρασία δωματίου και κανονική πίεση) βρίσκονται σε αέρια κατάσταση και ποιες σε υγρή ή στερεή κατάσταση: κασσίτερος, βενζίνη, οξυγόνο, σίδηρος, υδράργυρος, αέρας, γυαλί, πλαστικό;
6. Μπορεί ο υδράργυρος να είναι σε στερεή κατάσταση και ο αέρας σε υγρή; Υπό ποιες προϋποθέσεις;

Εργασία για το σπίτι

1. Γεμίστε ένα πλαστικό μπουκάλι (0,5 l) μέχρι πάνω με νερό και κλείστε καλά το καπάκι. Δοκιμάστε να στύψετε νερό σε ένα μπουκάλι. Στη συνέχεια, ρίξτε το νερό και κλείστε ξανά το μπουκάλι. Τώρα πιέστε τον αέρα σε αυτό. Με βάση τα αποτελέσματα του πειράματος, να εκφράσετε μια υπόθεση για τη δομή των αερίων και των υγρών.
2. Εργασία-ανταγωνισμός: φτιάξτε έναν πίνακα στον οποίο συγκρίνετε τη φύση της κίνησης, την αλληλεπίδραση των σωματιδίων, καθώς και τις ιδιότητες της ύλης σε αέρια, στερεά και υγρή κατάσταση. Νικητής του διαγωνισμού θα είναι αυτός του οποίου ο πίνακας περιέχει τις πληρέστερες και σωστές πληροφορίες.

Ας επαναλάβουμε το κύριο πράγμα στο μελετημένο

• Όλες οι ουσίες αποτελούνται από μεμονωμένα σωματίδια (άτομα, μόρια), μεταξύ των οποίων υπάρχουν αποστάσεις.
• Τα σωματίδια της ύλης κινούνται συνεχώς και τυχαία.
• Η ταχύτητα κίνησης των σωματιδίων είναι μεγαλύτερη, όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του σώματος.
• Διάχυση είναι το φαινόμενο της αμοιβαίας διείσδυσης ουσιών μεταξύ τους. Η διάχυση εξελίσσεται ιδιαίτερα γρήγορα στα αέρια, πιο αργά στα υγρά και πολύ αργά στα στερεά. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η διάχυση προχωρά πιο γρήγορα.
• Σε αποστάσεις μεγαλύτερες από το μέγεθος των ίδιων των σωματιδίων, κυριαρχεί η έλξη των σωματιδίων. Σε αποστάσεις μικρότερες από το μέγεθος των ίδιων των σωματιδίων, υπάρχει απώθηση. Η έλξη των σωματιδίων εξασθενεί πολύ γρήγορα καθώς απομακρύνονται το ένα από το άλλο.
• Η αλλαγή του μεγέθους ενός σώματος όταν θερμαίνεται ονομάζεται θερμική διαστολή.
• Η θερμική διαστολή διαφορετικών στερεών και υγρών ουσιών είναι διαφορετική και όλα τα αέρια είναι ίδια.