Свойства жидкостей

Область существования вещества в жидком состоянии ограничена со стороны высоких температур переходом его в газообразное состояние (испарением), а со стороны низких температур – переходом в твердое состояние (кристаллизацией). Являясь промежуточным состоянием вещества между газообразным и твердым, жидкость обладает свойствами как газообразных, так и твердых веществ. Жидкости, подобно твердым телам, способны сохранять свой объем, и у них существует свободная поверхность. В то же время жидкости, подобно газам, принимают в поле силы тяжести форму того сосуда, в который они налиты. Как и газы, жидкости обладают текучестью, а подобно твердым телам, они имеют очень малую сжимаемость и способны сопротивляться растяжению.

Малая сжимаемость жидкостей обусловлена тем, что им присуще существенное межмолекулярное взаимодействие (параграф 11.1). Поэтому в жидкости даже небольшое уменьшение взаимных расстояний между молекулами приводит к появлению больших сил отталкивания. Коэффициент сжимаемости жидкостей, равный относительному изменению объема жидкости при увеличении внешнего давления на 1Па, составляет порядка 10^-1–10^-2 (например, для воды он равен 0,453). С увеличением давления коэффициент сжимаемости жидкости уменьшается, так как по мере того, как жидкость сжимается, уменьшается расстояние между ее молекулами и увеличиваются силы отталкивания между ними. Наоборот, с повышением температуры коэффициент сжимаемости возрастает, так как при нагревании объем жидкости, а следовательно, и расстояние между ее молекулами увеличивается. При этом силы отталкивания между молекулами уменьшаются (рис. 11.1.2) и сжатие облегчается.

Теория жидкости до настоящего времени полностью не развита. Большой вклад в исследование свойств жидкости внес Я.Н. Френкель (1894–1952). В частности, тепловое движение в жидкости он объяснил тем, что каждая молекула в течение некоторого времени колеблется около положения равновесия, а затем скачком переходит в новое положение, отстоящее от исходного на расстояние порядка межатомного. Таким образом, молекулы медленно перемещаются по всей массе жидкости и диффузия происходит гораздо медленнее, чем в газах.

Средний период колебания молекул имеет порядок 10^-12 с, а среднее время нахождения молекулы в стационарном (равновесном) положении, называемое временем релаксации, оценивается примерно в 10^-11 с. Время релаксации зависит от природы жидкости и ее температуры, но всегда больше среднего периода колебаний.

Если время действия внешней силы больше времени релаксации, то молекулы жидкости совершают скачки преимущественно в направлении действия силы, т.е. возникает поток молекул в этом направлении, обуславливающий ее текучесть. Если время действия внешней силы меньше времени релаксации, то молекулы жидкости не успевают изменить свои положения равновесия и текучесть жидкости не успевает проявится. Жидкость в этом случае, подобно упругой среде, оказывает сопротивление изменению объема и формы.

При перескоке из одного равновесного положения в другое молекула должна преодолеть потенциальный барьер, обусловленный взаимодействием ее со старыми соседями. Минимальная энергия, которой должна обладать молекула для перемещения в новое положение равновесия, называется энергией активации Е_А. Поскольку для жидкости П_min≈kT, то в некоторые моменты времени энергия теплового движения оказывается достаточной, чтобы молекула могла перескочить в новое временное положение равновесия.

С повышением температуры жидкости частота колебательного движения резко увеличивается, возрастает подвижность молекул, что, в свою очередь, является причиной уменьшения вязкости жидкости.

В соответствии с описанным выше механизмом теплового движения в жидкости зависимость вязкости жидкости от температуры определяется формулой:

,

где множитель А зависит от природы жидкости и температуры. Величину принимают за меру текучести и называют текучестью жидкости.

При понижении температуры вязкость некоторых жидкостей возрастает настолько, что они перестают течь и превращаются в аморфные тела.

Рентгеноструктурный анализ жидкостей показал, что характер расположения частиц жидкости промежуточен между газом и твердым телом. В газах молекулы движутся хаотично, поэтому никакой закономерности в их взаимном расположении нет. В твердых телах наблюдается дальний порядок в расположении частиц (строго упорядоченное расположение, повторяющееся по всему объему тела). В жидкостях имеет место ближний порядок (упорядоченное расположение частиц в пределах расстояний, сравнимых с межатомными).

Дата добавления: 2014-01-20