Какими свойствами обладает жидкое вещество
В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с тремя состояниями вещества — жидким, газообразным и твердым. О том, что представляют собой твердые тела и газы, мы имеем довольно ясное представление. Газ — совокупность молекул, которые движутся беспорядочно по всем направлениям. Все молекулы твердого тела сохраняют взаимное расположение. Они совершают только незначительные колебания.
Особенности жидкого вещества
А что же представляют собой жидкие вещества? Основной их особенностью является то, что, занимая промежуточное положение между кристаллами и газами, они сочетают в себе определенные свойства двух этих состояний. Например, для жидкостей, так же как и для твердых (кристаллических) тел, свойственно наличие объема. Однако в то же время жидкие вещества, так же как и газы, принимают форму сосуда, в котором находятся. Многие из нас полагают, что у них нет своей собственной формы. Однако это не так. Естественная форма любой жидкости — шар. Сила тяжести обычно мешает ей принять эту форму, поэтому жидкость либо принимает форму сосуда, либо растекается по поверхности тонким слоем.
По своим свойствам жидкое состояние вещества особенно сложно, что обусловлено промежуточным его положением. Оно начало изучаться еще со времен Архимеда (2200 лет назад). Однако анализ того, как ведут себя молекулы жидкого вещества, до сих пор является одной из наиболее трудных областей прикладной науки. Общепризнанной и вполне законченной теории жидкостей все еще нет. Однако кое-что об их поведении мы можем сказать вполне определенно.
Поведение молекул в жидкости
Жидкость — что-то такое, что может течь. Ближний порядок наблюдается в расположении ее частиц. Это означает, что расположение соседей, ближайших к ней, по отношению к любой частице является упорядоченным. Однако по мере того, как она удаляется от других, положение ее по отношению к ним делается все менее упорядоченным, а затем порядок и вовсе исчезает. Жидкие вещества состоят из молекул, которые движутся намного более свободно, чем в твердых телах (а в газах — еще свободнее). В течение определенного времени каждая из них устремляется то в одну сторону, то в другую, не удаляясь от своих соседей. Однако молекула жидкости время от времени вырывается из окружения. Она попадает в новое, переходя в другое место. Здесь снова в течение определенного времени она совершает подобные колебанию движения.
Вклад Я. И. Френкеля в изучение жидкостей
Я. И. Френкелю, советскому ученому, принадлежат большие заслуги в разработке целого ряда проблем, посвященных такой теме, как жидкие вещества. Химия сильно продвинулась вперед благодаря его открытиям. Он считал, что в жидкостях тепловое движение имеет следующий характер. В течение определенного времени каждая молекула колеблется около положения равновесия. Однако она меняет свое место время от времени, перемещаясь скачком на новое положение, которое от предыдущего отстоит на расстояние, составляющее примерно размеры самой этой молекулы. Другими словами, внутри жидкости молекулы перемещаются, но медленно. Часть времени они пребывают около определенных мест. Следовательно, движение их представляет собой что-то вроде смеси совершаемых в газе и в твердом теле движений. Колебания на одном месте через некоторое время сменяются свободным переходом с места на место.
Давление в жидкости
Некоторые свойства жидкого вещества нам известны благодаря постоянному взаимодействию с ними. Так, из опыта повседневности мы знаем о том, что оно действует на поверхность твердых тел, которые соприкасаются с ней, с известными силами. Они именуются силами давления жидкости.
Например, приоткрывая отверстие водопроводного крана пальцем и включая воду, мы ощущаем, как она давит на палец. А пловец, который нырнул на большую глубину, не случайно испытывает боль в ушах. Она объясняется тем, что на барабанную перепонку уха воздействуют силы давления. Вода — жидкое вещество, поэтому она обладает всеми его свойствами. Для того чтобы измерить температуру воды на глубине моря, следует использовать очень прочные термометры, чтобы их не могло раздавить давление жидкости.
Это давление обусловлено сжатием, то есть изменением объема жидкости. Она обладает по отношению к этому изменению упругостью. Силы давления — это и есть силы упругости. Следовательно, если жидкость действует на тела, соприкасающиеся с ней, значит, она сжата. Поскольку плотность вещества при сжатии растет, можно считать, что жидкости по отношению к изменению плотности обладают упругостью.
Испарение
Продолжая рассматривать свойства жидкого вещества, переходим к испарению. Вблизи поверхности его, а также непосредственно в поверхностном слое действуют силы, обеспечивающие само существование этого слоя. Они не позволяют покидать объем жидкости молекулам, находящимся в нем. Однако некоторая их часть благодаря тепловому движению развивает довольно большие скорости, с помощью которых становится возможно преодолеть эти силы и покинуть жидкость. Мы называем это явление испарением. Его можно наблюдать при любой температуре воздуха, однако с ее увеличением интенсивность испарения возрастает.
Конденсация
Если молекулы, покинувшие жидкость, удаляются из пространства, находящегося вблизи ее поверхности, то вся она, в конце концов, испаряется. Если же покинувшие ее молекулы не удаляются, они формируют пар. Попавшие в область, находящуюся вблизи поверхности жидкости, молекулы пара втягиваются в нее силами притяжения. Этот процесс получил название конденсации.
Следовательно, если молекулы не удаляются, со временем уменьшается скорость испарения. Если плотность пара в дальнейшем увеличивается, достигается ситуация, при которой количество молекул, покидающих за определенное время жидкость, будет равняться количеству молекул, которые возвращаются за это же время в нее. Так возникает состояние динамического равновесия. Пар, находящийся в нем, называется насыщенным. Давление и плотность его увеличиваются с повышением температуры. Чем она выше, тем большее количество молекул жидкости имеет достаточную для испарения энергию и тем большей плотностью должен обладать пар для того, чтобы с испарением могла сравняться конденсация.
Кипение
Когда в процессе нагревания жидких веществ достигается такая температура, при которой насыщенные пары имеют такое же давление, как и внешняя среда, устанавливается равновесие между насыщенным паром и жидкостью. Если жидкость сообщает дополнительное количество теплоты, сразу же происходит превращение в пар соответствующей массы жидкости. Этот процесс именуют кипением.
Кипение представляет собой интенсивное испарение жидкости. Оно происходит не только с поверхности, а касается всего ее объема. Внутри жидкости появляются пузырьки пара. Для того чтобы перейти в пар из жидкости, молекулам необходимо приобрести энергию. Она нужна для преодоления сил притяжения, благодаря которым они удерживаются в жидкости.
Температура кипения
Температура кипения — это та, при которой наблюдается равенство двух давлений — внешнего и насыщенных паров. Она увеличивается при увеличении давления и уменьшается при его уменьшении. Из-за того, что с высотой столба давление в жидкости меняется, кипение в ней происходит на различных уровнях при разной температуре. Только насыщенный пар, находящийся над поверхностью жидкости в процессе кипения, имеет определенную температуру. Она определяется лишь внешним давлением. Именно ее мы и имеем в виду, когда говорим о температуре кипения. Она отличается у разных жидкостей, что широко применяется в технике, в частности, при разгонке нефтепродуктов.
Скрытая теплота парообразования — это количество тепла, необходимое для того, чтобы превратить в пар изотермически определенное количество жидкости, если внешнее давление то же, что и давление насыщенных паров.
Свойства жидкостных пленок
Все мы знаем о том, как можно получить пену, растворив в воде мыло. Это не что иное, как множество пузырьков, которые ограничены состоящей из жидкости тончайшей пленкой. Однако из образующей пену жидкости можно получить также и отдельную пленку. Свойства ее очень интересны. Пленки эти могут быть очень тонкими: их толщина в самых тонких частях не превышает стотысячной доли миллиметра. Однако они порой очень устойчивы, несмотря на это. Мыльную пленку можно подвергать деформации и растяжению, сквозь нее может проходить струя воды, при этом не разрушая ее. Как же объяснить такую устойчивость? Для того чтобы появилась пленка, необходимо к чистой жидкости прибавить вещества, растворяющиеся в ней. Но не любые, а такие, которые значительно понижают поверхностное натяжение.
Жидкостные пленки в природе и технике
В технике и природе мы встречаемся главным образом не с отдельными пленками, а с пеной, которая представляет собой их совокупность. Ее нередко можно наблюдать в ручьях, где в спокойную воду падают небольшие струйки. Способность воды пениться в данном случае связана с наличием в ней органического вещества, которое выделяют корни растений. Это пример того, как пенятся природные жидкие вещества. А как же обстоит дело с техникой? При строительстве, например, используют специальные материалы, которые обладают ячеистой структурой, напоминающей пену. Они легки, дешевы, достаточно прочны, плохо проводят звуки и теплоту. Для получения их в специальные растворы добавляют способствующие пенообразованию вещества.
Вывод
Итак, мы узнали, какие вещества относятся к жидким, выяснили, что жидкость является промежуточным состоянием вещества между газообразным и твердым. Поэтому у нее есть свойства, характерные для того и другого. Жидкие кристаллы, которые сегодня широко используются в технике и промышленности (например, жидкокристаллические дисплеи) являются ярким примером этого состояния вещества. В них объединены свойства твердых тел и жидкостей. Сложно представить, какие вещества жидкие изобретет в будущем наука. Однако ясно, что в этом состоянии вещества есть большой потенциал, который можно использовать во благо человечества.
Особый интерес к рассмотрению физико-химических процессов, протекающих в жидком состоянии, обусловлен тем, что сам человек состоит на 90% из воды, которая является самой распространенной на Земле жидкостью. Именно в ней происходят все жизненно важные процессы как в растительном, так и в животном мире. Поэтому для всех нас актуально изучать жидкое состояние вещества.
Жидкостью называют вещество, которое находится в агрегатном состоянии, являющимся промежуточным между твердым и газообразным. При этом ее состояние, как и в случае с твердыми телами, является конденсируемым, то есть предполагает связь между частицами (атомами, молекулами, ионами). Жидкость обладает свойствами, кардинально отличающими ее от веществ, которые находятся в других агрегатных состояниях. Главное из них – способность к многократному изменению формы под воздействием механических напряжений без потери объема. Сегодня мы с вами выясним, какими свойствами обладают жидкости, и что они вообще собой представляют.
Общая характеристика
Газ не сохраняет объем и форму, твердое тело сохраняет и то, и другое, а жидкость – только объем. Именно поэтому жидкое агрегатное состояние считается промежуточным. Поверхность жидкости представляет подобие упругой мембраны и определяет ее форму. Молекулы таких тел, с одной стороны, не имеют определенного положения, а с другой – не могут получить полную свободу перемещения. Они могут собираться в капли и течь под собственной поверхностью. Между молекулами жидкости существует притяжение, которого достаточно, чтобы удерживать их на близком расстоянии.
Вещество пребывает в жидком состоянии в определенном температурном интервале. Если температура опускается ниже него, происходит переход в твердую форму (кристаллизация), а если поднимается выше – в газообразную (испарение). Границы данного интервала для одной и той же жидкости могут колебаться в зависимости от давления. К примеру, в горах, где давление существенно ниже, чем на равнинах, вода закипает при более низкой температуре.
Обычно жидкость имеет только одну модификацию, поэтому является одновременно и агрегатным состоянием, и термодинамической фазой. Все жидкости делятся на чистые вещества и смеси. Некоторые из таких смесей имеют определяющее значение в жизни человека: кровь, морская вода и прочие.
Рассмотрим основные свойства жидкостей.
Текучесть
От других веществ жидкость отличается, в первую очередь, текучестью. Если к ней приложить внешнюю силу, в направлении ее приложения возникает поток частиц. Таким образом, при воздействии внешних неуравновешенных сил, жидкость не способна к сохранению формы и относительного расположения частиц. По этой же причине, она принимает форму сосуда, в который попадает. В отличие от твердых пластичных тел, жидкости не имеют предела текучести, то есть текут при малейшем выходе из равновесного состояния.
Сохранение объема
Одним из характерных физических свойств жидкостей является способность к сохранению объема при механическом воздействии. Их чрезвычайно трудно сжать из-за высокой плотности молекул. Согласно закону Паскаля, давление, которое производится на жидкость, заключенную в сосуд, без изменения передается в каждую точку ее объема. Наряду с минимальной сжимаемостью, эта особенность широко используется в гидравлике. Большинство жидкостей при нагревании увеличивается в объеме, а при охлаждении – уменьшается.
Вязкость
Среди главных свойств жидкостей, как и в случае с газами, стоит отметить вязкость. Вязкостью называют способность частиц сопротивляться движению друг относительно друга, то есть внутреннее трение. При движении соседних слоев жидкости относительно друг друга, происходит неизбежное столкновение молекул, и возникают силы, которые затормаживают упорядоченное перемещение. Кинетическая энергия упорядоченного движения преобразуется в тепловую энергию хаотического движения. Если жидкость, помещенную в сосуд, переместить, а затем оставить в покое, то она постепенно остановится, но ее температура возрастет.
Свободная поверхность и поверхностное натяжение
Если взглянуть на каплю воды, которая лежит на ровной поверхности, то можно увидеть, что она закруглена. Обусловлено это такими свойствами жидкостей, как образование свободной поверхности и поверхностное натяжение. Способность жидкостей к сохранению объема обуславливает образование свободной поверхности, которая является не иначе как поверхностью раздела фаз: жидкой и газообразной. При соприкосновении этих фаз одного и того же вещества возникают силы, направленные на уменьшение площади плоскости раздела. Их называют поверхностным натяжением. Граница раздела фаз представляет собой упругую мембрану, стремящуюся к стягиванию.
Поверхностное натяжение объясняется также притяжением молекул жидкости друг к другу. Каждая молекула стремится «окружить» себя другими молекулами и уйти с границы раздела. Из-за этого поверхность стремительно уменьшается. Этим объясняется тот факт, что мыльные пузыри и пузыри, образующиеся при кипении, стремятся принять сферическую форму. Если на жидкость будет действовать только сила поверхностного натяжения, она непременно примет такую форму.
Небольшие объекты, плотность которых превышает плотность жидкости, способны оставаться на ее поверхности за счет того, что сила, препятствующая увеличению площади поверхности, больше силы тяготения.
Испарение и конденсация
Испарением называют постепенный переход вещества из жидкого состояния в газообразное. В процессе теплового движения часть молекул покидают жидкость, проходя через ее поверхность, и преобразуются в пар. Параллельно с этим другая часть молекул, наоборот, переходит из пара в жидкость. Когда количество соединений, покинувшее жидкость, превышает количество соединений, пришедших в нее, имеет место процесс испарения.
Конденсацией называют процесс, обратный испарению. Во время конденсации жидкость получает из пара больше молекул, чем отдает.
Оба описанных процесса являются неравновесными и могут продолжаться до тех пор, пока не установится локальное равновесие. При этом жидкость может полностью испариться или же вступить со своим паром в равновесие.
Кипение
Кипением называют процесс внутренних преобразований жидкости. При повышении температуры до определенного показателя, давление пара превышает давление внутри вещества, и в нем начинают образовываться пузырьки. В условиях земного притяжения они всплывают вверх.
Смачивание
Смачиванием называют явление, которое возникает при контакте жидкости с твердым веществом в присутствии пара. Таким образом, оно происходит на границе раздела трех фаз. Это явление характеризует «прилипание» жидкого вещества к твердому, и его растекание по поверхности твердого вещества. Бывает три вида смачивания: ограниченное, полное и несмачивание.
Смешиваемость
Характеризует способность жидкостей растворяться друг в друге. Примером смешиваемых жидкостей могут выступить вода и спирт, а несмешиваемых – вода и масло.
Диффузия
Когда две смешиваемых жидкости пребывают в одном сосуде, благодаря тепловому движению молекулы начинают преодолевать границу раздела, и жидкости постепенно смешиваются. Данный процесс называется диффузией. Он может происходить и в веществах, которые находятся в иных агрегатных состояниях.
Перегрев и переохлаждение
Среди увлекательных свойств жидкостей стоит отметить перегрев и переохлаждение. Эти процессы нередко ложатся в основу химических фокусов. При равномерном нагреве, без сильных перепадов температур и механических воздействий, жидкость может нагреться выше точки кипения, не вскипев при этом. Этот процесс получил название перегрев. Если в перегретую жидкость бросить какой-либо предмет, она мгновенно вскипит.
Аналогичным образом происходит и переохлаждение жидкости, то есть ее охлаждение до температуры ниже точки замерзания, минуя само замерзание. При легком ударе переохлажденная жидкость мгновенно кристаллизуется и превращается в лед.
Волны на поверхности
Если нарушить равновесие участка поверхности жидкости, то тогда она, под действием возвращающих сил, будет двигаться обратно к равновесию. Это движение не ограничивается одним циклом, а превращается в колебания и распространяется на другие участки. Так получаются волны, которые можно наблюдать на поверхности любой жидкости.
Когда в качестве возвращающей силы выступает преимущественно сила тяжести, волны называют гравитационными. Их можно видеть на воде повсеместно. Если же возвращающая сила формируется преимущественно из силы поверхностного натяжения, то волны называют капиллярными. Теперь вы знаете, какое свойство жидкостей обуславливает знакомое всем волнение воды.
Волны плотности
Жидкость чрезвычайно тяжело сжимается, тем не менее, с изменением температуры, ее объем и плотность все-таки меняются. Происходит это не мгновенно: при сжатии одного участка, другие сжимаются с запаздыванием. Таким образом, внутри жидкости распространяются упругие волны, которые получили название волны плотности. Если по мере распространения волны плотность меняется слабо, то ее называю звуковой, а если достаточно сильно – ударной.
Мы с вами познакомились с общими свойствами жидкостей. Все основные характеристики зависят уже от типа и состава жидкостей.
Классификация
Рассмотрев основные физические свойства жидкостей, давайте узнаем, как они классифицируются. Структура и свойства жидких веществ зависят от индивидуальности частиц, входящих в их состав, а также характера и глубины взаимодействия между ними. Исходя из этого, выделяют:
- Атомарные жидкости. Состоят из атомов или сферических молекул, которые связаны между собой центральными ван-дер-ваальсовыми силами. Ярким примером являются жидкий аргон и жидкий метан.
- Жидкости, состоящие из двухатомных молекул с одинаковыми атомами, ионы которых связаны кулоновскими силами. В качестве примера можно назвать: жидкий водород, жидкий натрий и жидкую ртуть.
- Жидкости, которые состоят из полярных молекул, связанных путем диполь-дипольного взаимодействия, например, жидкий бромоводород.
- Ассоциированные жидкости. Имеют водородные связи (вода, глицерин).
- Жидкости, которые состоят из больших молекул. Для последних, важную роль играют внутренние степени свободы.
Вещества первых двух (реже трех) групп называют простыми. Они изучены лучше, чем все остальные. Среди непростых жидкостей, больше всего изучена вода. В данную классификацию не входят жидкие кристаллы и квантовые жидкости, так как они представляют собой особые случаи и рассматриваются отдельно.
С точки зрения гидродинамических свойств, жидкости подразделяют на ньютоновские и неньютоновские. Течение первых подчиняется закону Ньютона. Это значит, что их касательное напряжение линейно зависит от градиента скорости. Коэффициент пропорциональности между указанными величинами называется вязкостью. У неньютоновских жидкостей, вязкость колеблется в зависимости от градиента скорости.
Изучение
Изучением движения и механического равновесия жидкостей и газов, а также их взаимодействия, в том числе с твердыми телами, занимается такой раздел механики как гидроаэромеханика. Его также называют гидродинамикой.
Несжимаемые жидкости изучают в подразделе гидроаэромеханики, который называется просто гидромеханикой. Так как сжимаемость жидкостей очень мала, во многих случаях ею попросту пренебрегают. Сжимаемые жидкости изучает газовая динамика.
Гидромеханику дополнительно подразделяют на гидростатику и гидродинамику (в узком смысле). В первом случае изучается равновесие несжимаемых жидкостей, а во втором – их движение.
Магнитная гидродинамика занимается изучением магнитных и электропроводных жидкостей, а прикладными задачами занимается гидравлика.
Основным законом гидростатики является закон Паскаля. Движение идеальных несжимаемых жидкостей описывается уравнением Эйлера. Для их стационарного потока выполняется закон Бернулли. А формула Торричелли описывает вытекание жидких веществ из отверстий. Движение вязких жидкостей подчиняется уравнению Навье-Стокса, которое, кроме всего прочего, может учитывать и сжимаемость.
Упругие волны и колебания в жидкости (как, впрочем, и в других средах) изучается такая наука как акустика. Гидроакустика – подраздел, который посвящен изучению звука в водной среде для решения задач подводной связи, локации и прочего.
В заключение
Сегодня мы с вами познакомились с общими физическими свойствами жидкостей. Также мы узнали, что вообще представляют собой такие вещества, и как они классифицируются. Что касается химических свойств жидкости, то они напрямую зависят от ее состава. Поэтому рассматривать их стоит отдельно для каждого вещества. Какое свойство жидкости важно, а какое нет — ответить сложно. Здесь все зависит от задачи, в контексте которой эта жидкость рассматривается.