Svojstva i primjena tekućih tvari. Tečnosti i tečno stanje materije. Ponašanje molekula u tečnosti

Glavno svojstvo tečnosti, koje je razlikuje od drugih agregatnih stanja, je sposobnost da neograničeno mijenja svoj oblik pod utjecajem tangencijalnih mehaničkih naprezanja, čak i proizvoljno malih, uz praktično održavanje volumena. Tvar u tekućem stanju postoji u određenom temperaturnom rasponu ispod kojeg prelazi u čvrsto stanje (dolazi do kristalizacije ili transformacije u čvrsto amorfno stanje - staklo), iznad kojeg prelazi u plinovito stanje (dolazi do isparavanja). Granice ovog intervala zavise od pritiska.

3.1 Fizička svojstva tečnosti:

ü Fluidnost(Glavno svojstvo. Za razliku od plastičnih čvrstih materija, tečnost nema granicu izdašnosti: dovoljno je primeniti proizvoljno malu spoljna sila tako da tečnost teče.

ü Očuvanje zapremine. Jedan od karakteristična svojstva tečnost je da ima određenu zapreminu (pri konstantnoj spoljni uslovi). Tečnosti je izuzetno teško mehanički komprimirati jer, za razliku od plinova, postoji vrlo malo slobodnog prostora između molekula. Tečnosti generalno povećavaju zapreminu (šire se) kada se zagreju i smanjuju zapreminu (skupljaju) kada se ohlade.

ü Viskoznost. Pored toga, tečnosti (poput gasova) karakteriše viskoznost. Definiše se kao sposobnost da se odupre kretanju jednog dela u odnosu na drugi – odnosno unutrašnjem trenju.Kada se susedni slojevi tečnosti pomeraju jedan u odnosu na drugi, neizbežno dolazi do sudara molekula pored onih izazvanih termičkim kretanjem. Tečnost u posudi, pokrenuta i prepuštena sama sebi, postepeno će prestati, ali će se njena temperatura povećati.

ü Formiranje slobodne površine i površinski napon .Usled ​​očuvanja zapremine, tečnost može da formira slobodnu površinu. Takva površina je međufaza između faza date supstance: na jednoj strani je tečna faza, na drugoj - gasovita (parna) faza.Ako tečna i gasovita faza iste supstance dođu u kontakt, nastaju sile koje imaju tendenciju da smanje površinu interfejsa - sile površinskog napona. Interfejs se ponaša kao elastična membrana koja ima tendenciju kontrakcije.

ü Isparavanje i kondenzacija

ü Kipuće

ü Vlaženje- površinski fenomen koji nastaje kada tečnost dođe u dodir sa čvrstom površinom u prisustvu pare, odnosno na granici tri faze.

ü Mišljivost- sposobnost tečnosti da se otapaju jedna u drugoj. Primer tečnosti koje se mešaju: voda i etil alkohol, primer tečnosti koje se ne mešaju: voda i tečno ulje.

ü Difuzija. Kada se u posudi nalaze dvije pomiješane tekućine, nastaju molekuli termičko kretanje počinju postepeno da prolaze kroz međuprostor, i tako se tečnosti postepeno mešaju. Ova pojava se naziva difuzija (javlja se iu supstancama u drugim agregacijskim stanjima).

ü Pregrijavanje i hipotermija. Tečnost se može zagrejati iznad tačke ključanja tako da ne dođe do ključanja. To zahtijeva ravnomjerno zagrijavanje, bez značajnih promjena temperature unutar zapremine i bez mehaničkih utjecaja kao što su vibracije. Ako nešto bacite u pregrijanu tečnost, odmah će proključati. Pregrijana voda lako se dobija u mikrotalasnoj pećnici.Pothlađenje je hlađenje tečnosti ispod tačke smrzavanja bez prelaska u čvrsto stanje.

· Eulerova jednačina · Navier - Stokesova jednačina · Difuzijska jednačina · Hookeov zakon

Po pravilu, supstanca u tečnom stanju ima samo jednu modifikaciju. (Najvažniji izuzeci su kvantne tečnosti i tečni kristali.) Stoga, u većini slučajeva, tečnost nije samo agregatno stanje, već i termodinamička faza (tečna faza).

Sve tečnosti se obično dele na čiste tečnosti i smeše. Neke tečne mješavine imaju veliki značaj za život: krv, morska voda, itd. Tečnosti mogu delovati kao rastvarači.

Fizička svojstva tečnosti

• Fluidnost

Glavno svojstvo tečnosti je tečnost. Ako se vanjska sila primjenjuje na dio tekućine koji je u ravnoteži, tada nastaje tok čestica tekućine u smjeru u kojem se primjenjuje ova sila: tečnost teče. Dakle, pod utjecajem neuravnoteženih vanjskih sila, tekućina ne zadržava svoj oblik i relativni raspored dijelova, te stoga poprima oblik posude u kojoj se nalazi.

Za razliku od plastičnih čvrstih materija, tečnost nema tačku tečenja: dovoljno je primeniti proizvoljno malu spoljnu silu da bi tečnost mogla da teče.

• Očuvanje zapremine

Jedno od karakterističnih svojstava tečnosti je da ima određenu zapreminu (pod stalnim spoljnim uslovima). Tečnost je izuzetno teško mehanički komprimirati jer, za razliku od plina, između molekula ima vrlo malo slobodnog prostora. Pritisak koji se vrši na tečnost zatvorenu u posudi prenosi se bez promene na svaku tačku zapremine te tečnosti (Paskalov zakon važi i za gasove). Ova karakteristika, zajedno sa vrlo niskom kompresibilnošću, koristi se u hidrauličnim mašinama.

Tečnosti generalno povećavaju zapreminu (šire se) kada se zagreju i smanjuju zapreminu (skupljaju) kada se ohlade. Međutim, postoje izuzeci, na primjer, voda se smanjuje kada se grije, kada normalan pritisak i temperaturama od 0°C do približno 4°C.

• Viskoznost

Pored toga, tečnosti (poput gasova) karakteriše viskoznost. Definiše se kao sposobnost odupiranja kretanju jednog dijela u odnosu na drugi – odnosno unutrašnjem trenju.

Kada se susjedni slojevi tekućine pomiču jedan u odnosu na drugi, neizbježno dolazi do sudara molekula pored onih uzrokovanih toplinskim kretanjem. Pojavljuju se sile koje koče pravilno kretanje. Gde kinetička energija uređeno kretanje pretvara se u toplotnu energiju – energiju haotičnog kretanja molekula.

Tečnost u posudi, pokrenuta i prepuštena sama sebi, postepeno će prestati, ali će se njena temperatura povećati.

• Slobodno formiranje površine i površinski napon

Zbog očuvanja zapremine, tečnost može da formira slobodnu površinu. Takva površina je međufaza između faza date supstance: s jedne strane je tečna faza, s druge je plinovita faza (para) i, eventualno, drugi plinovi, na primjer, zrak.

Ako tekuća i gasovita faza iste supstance dođu u kontakt, nastaju sile koje teže smanjenju površine interfejsa – sile površinskog napona. Interfejs se ponaša kao elastična membrana koja ima tendenciju kontrakcije.

Površinska napetost se može objasniti privlačenjem između tekućih molekula. Svaki molekul privlači druge molekule i teži da se “okruži” njima, što znači da napusti površinu. Shodno tome, površina ima tendenciju smanjenja.

Zbog toga balon a kada ključaju, mjehurići imaju tendenciju da poprime sferni oblik: za dati volumen, sfera ima minimalnu površinu. Ako na tekućinu djeluju samo sile površinskog napona, ona će nužno poprimiti sferni oblik - na primjer, voda pada u nultu gravitaciju.

Mali objekti gustoće veće od gustoće tečnosti mogu da „lebde” na površini tečnosti, jer je sila gravitacije manja od sile koja sprečava povećanje površine. (Pogledajte Površinski napon.)

• Isparavanje i kondenzacija

• Difuzija

Kada se u posudi nalaze dvije pomiješane tekućine, molekuli, kao rezultat termičkog kretanja, počinju postupno prolaziti kroz međupovršinu, te se tako tečnosti postepeno miješaju. Ova pojava se naziva difuzija (javlja se iu supstancama u drugim agregacijskim stanjima).

• Pregrijavanje i hipotermija

Tečnost se može zagrejati iznad tačke ključanja tako da ne dođe do ključanja. To zahtijeva ravnomjerno zagrijavanje, bez značajnih promjena temperature unutar zapremine i bez mehaničkih utjecaja kao što su vibracije. Ako nešto bacite u pregrijanu tečnost, odmah će proključati. Pregrijana voda se lako dobija u mikrotalasnoj pećnici.

Superhlađenje je hlađenje tečnosti ispod tačke smrzavanja bez prelaska u čvrsto agregatno stanje. Kao i kod pregrijavanja, superhlađenje zahtijeva odsustvo vibracija i značajne promjene temperature.

• Talasi gustine

Iako je tečnost izuzetno teško sabiti, njen volumen i gustina se i dalje mijenjaju kada se pritisak promijeni. Ovo se ne dešava odmah; Dakle, ako je jedno područje komprimirano, onda se takva kompresija prenosi na druga područja sa zakašnjenjem. To znači da su elastični talasi, tačnije talasi gustine, sposobni da se šire unutar tečnosti. Zajedno sa gustinom, mijenjaju se i druge fizičke veličine, poput temperature.

Ako se gustoća prilično slabo mijenja kako se val širi, takav se val naziva zvučni talas, ili zvuk.

Ako se gustoća promijeni dovoljno snažno, tada se takav val naziva udarni val. Udarni val je opisan drugim jednadžbama.

Valovi gustoće u tekućini su uzdužni, odnosno gustoća se mijenja duž smjera prostiranja vala. U tečnosti nema poprečnih elastičnih talasa zbog neočuvanja oblika.

Elastični talasi u tečnosti vremenom blede, njihova energija se postepeno pretvara u toplotnu energiju. Razlozi slabljenja su viskoznost, „klasična apsorpcija“, molekularna relaksacija i drugi. U ovom slučaju radi takozvani drugi, odnosno volumetrijski viskozitet - unutrašnje trenje kada se gustoća mijenja. Udarni val, kao rezultat slabljenja, nakon nekog vremena prelazi u zvučni val.

Elastični talasi u tečnosti takođe su podložni rasejanju nehomogenostima koje su rezultat haotičnog toplotnog kretanja molekula.

• Talasi na površini

Ako pomjerite dio površine tekućine iz ravnotežnog položaja, tada se pod djelovanjem sila vraćanja površina počinje vraćati u ravnotežni položaj. Ovo kretanje, međutim, ne prestaje, već prelazi u oscilatorno kretanje blizu ravnotežnog položaja i širi se na druga područja. Ovako se pojavljuju valovi na površini tekućine.

Ako je obnavljajuća sila prvenstveno gravitacija, onda se takvi valovi nazivaju gravitacijskim valovima (ne brkati ih sa gravitacijskim valovima). Gravitacioni talasi na vodi mogu se videti svuda.

Ako je povratna sila pretežno sila površinske napetosti, tada se takvi valovi nazivaju kapilarni.

Ako su ove sile uporedive, takvi valovi se nazivaju kapilarno-gravitacijskim valovima.

Talasi na površini tečnosti opadaju pod uticajem viskoznosti i drugih faktora.

• Suživot sa drugim fazama

Formalno gledano, za ravnotežnu koegzistenciju tečne faze sa drugim fazama iste supstance - gasovitim ili kristalnim - potrebni su strogo definisani uslovi. Dakle, pri datom pritisku potrebna je strogo određena temperatura. Međutim, u prirodi i tehnologiji svuda, tečnost koegzistira sa parom, ili i sa čvrstim agregatnim stanjem - na primer, voda sa parom i često sa ledom (ako paru posmatramo kao zasebnu fazu koja je prisutna zajedno sa vazduhom). To je zbog sljedećih razloga.

Neravnotežno stanje. Potrebno je vrijeme da tekućina ispari; dok tekućina potpuno ne ispari, ona koegzistira s parom. U prirodi voda neprestano isparava, kao i obrnuti proces - kondenzacija.

Zatvoreni volumen. Tečnost u zatvorenoj posudi počinje da isparava, ali pošto je zapremina ograničena, pritisak pare raste, postaje zasićen i pre nego što je tečnost potpuno isparila, ako je njena količina bila dovoljno velika. Kada se dostigne stanje zasićenja, količina isparene tečnosti jednaka je količini kondenzovane tečnosti, sistem dolazi u ravnotežu. Tako se u ograničenoj zapremini mogu uspostaviti uslovi neophodni za ravnotežnu koegzistenciju tečnosti i pare.

Prisustvo atmosfere u uslovima Zemljine gravitacije. Na tečnost utiče atmosferski pritisak (vazduh i para), dok se kod pare mora uzeti u obzir skoro samo njen parcijalni pritisak. Dakle, tečnost i para iznad njene površine odgovaraju različitim tačkama na faznom dijagramu, u oblasti postojanja tečne faze, odnosno u oblasti postojanja gasovite faze. Ovo ne poništava isparavanje, ali isparavanje zahtijeva vrijeme tokom kojeg obje faze koegzistiraju. Bez ovog uslova, tečnosti bi ključale i isparile vrlo brzo.

Teorija

Mehanika

Odjeljak mehanike posvećen je proučavanju kretanja i mehaničke ravnoteže tekućina i plinova i njihove međusobne interakcije i čvrstih tijela - hidroaeromehanika (koja se često naziva i hidrodinamika). Hidroaeromehanika - dio više opšta industrija mehanika, mehanika kontinuuma.

Mehanika fluida je grana hidroaeromehanike koja se bavi nestišljivim fluidima. Budući da je kompresibilnost tekućina vrlo mala, u mnogim slučajevima se može zanemariti. Dinamika plina je posvećena proučavanju kompresibilnih tekućina i plinova.

Mehanika fluida se deli na hidrostatiku, koja proučava ravnotežu nestišljivih fluida, i hidrodinamiku (u užem smislu), koja proučava njihovo kretanje.

U magnetohidrodinamici se proučava kretanje elektroprovodljivih i magnetnih fluida. Hidraulika se koristi za rješavanje primijenjenih problema.

Osnovni zakon hidrostatike je Pascalov zakon.

2. Tečnosti iz dvoatomskih molekula koje se sastoje od identičnih atoma (tečni vodonik, tečni azot). Takvi molekuli imaju kvadrupolni moment.

4. Tečnosti koje se sastoje od polarnih molekula povezanih dipol-dipol interakcijom (tečni vodonik bromid).

5. Povezane tečnosti, ili tečnosti sa vodoničnim vezom (voda, glicerin).

6. Tečnosti koje se sastoje od velikih molekula za koje su važni unutrašnji stepeni slobode.

Tečnosti prve dve grupe (ponekad tri) obično se nazivaju jednostavnim. Jednostavne tečnosti su proučavane bolje od drugih; voda je najbolje proučavana od složenih tečnosti. Ova klasifikacija ne uključuje kvantne tečnosti i tečne kristale, koji su posebni slučajevi i moraju se razmatrati odvojeno.

Statistička teorija

Struktura i termodinamička svojstva tekućina najuspješnije se proučavaju pomoću Percus-Yevikove jednačine.

Ako koristimo model tvrde kugle, odnosno smatramo da su tečni molekuli kuglice prečnika d, onda se Percus-Yevick jednačina može analitički riješiti i dobiti jednačina stanja tekućine:

Gdje n- broj čestica po jedinici zapremine, - bezdimenzionalna gustina. Pri malim gustoćama, ova jednačina se pretvara u jednadžbu stanja idealnog plina: . Za ekstremno velike gustine, , dobija se jednadžba stanja nestišljivog fluida: .

Model čvrste kugle ne uzima u obzir privlačnost između molekula, tako da nema oštrog prijelaza između tekućine i plina kada se vanjski uvjeti promijene.

Ako trebate dobiti preciznije rezultate, onda najbolji opis struktura i svojstva fluida se postižu upotrebom teorije perturbacije. U ovom slučaju, model tvrde lopte se smatra nultom aproksimacijom, a privlačne sile između molekula smatraju se poremećajem i daju korekcije.

Teorija klastera

Jedan od moderne teorije služi "teorija klastera". Zasniva se na ideji da se tečnost predstavlja kao kombinacija čvrste supstance i gasa. U ovom slučaju, čestice čvrste faze (kristali koji se kreću na kratkim udaljenostima) nalaze se u oblaku gasa, formirajući struktura klastera. Energija čestice odgovara Boltzmannovoj raspodjeli, dok prosječna energija sistema ostaje konstantna (pod uvjetom da je izoliran). Spore čestice sudaraju se s klasterima i postaju dio njih. Dakle, konfiguracija klastera se kontinuirano mijenja, sistem je u stanju dinamičke ravnoteže. Kada se stvori vanjski utjecaj, sistem će se ponašati prema Le Chatelierovom principu. Dakle, lako je objasniti faznu transformaciju:

• Kada se zagrije, sistem će se postepeno pretvarati u plin (ključanje)
• Kada se ohladi, sistem će se postepeno pretvoriti u čvrst (zamrznuti).

Eksperimentalne metode istraživanja

Struktura tekućina proučava se metodama rendgenske strukturne analize, difrakcije elektrona i neutronske difrakcije.

vidi takođe

• Karakteristike površinskog sloja tečnosti

Linkovi

Tečnosti su supstance koje se nalaze u tečnosti stanje agregacije pod normalnim uslovima. By spoljni znaci Ovo stanje karakteriše prisustvo konstantne zapremine za dati deo tečnosti, fluidnost i sposobnost postepenog isparavanja. Vlastiti obrazac tečnost je lopta (kap), koja pod dejstvom površinske napetosti formira tečnost. Ovo je moguće u odsustvu gravitacije. Kapljice se formiraju kada slobodan pad tečnosti iu svemiru svemirski brod, u uslovima bestežinskog stanja, značajna zapremina tečnosti može poprimiti oblik lopte. U mirnom stanju, tečnost se širi po površini ili ispunjava zapreminu bilo koje posude. Među neorganskim supstancama, tečnosti su voda, brom, živa i nekoliko stabilnih bezvodnih kiselina (sumporna, fluorovodonična itd.). Među organskim jedinjenjima ima dosta tečnosti: ugljovodonika, alkohola, kiselina itd. Gotovo svi homologni nizovi organskih jedinjenja sadrže tečnosti. Kada se ohlade, gasovi prelaze u tečno stanje, a kada se zagreju, metali, stabilne soli i metalni oksidi.

Tečnosti se prema prirodi sastavnih čestica mogu klasifikovati na atomske (ukapljeni plemeniti gasovi), molekularne (najobičnije tečnosti), metalne (rastopljeni metali), jonske (otopljene soli, metalni oksidi). Pored pojedinačnih supstanci, u tečnom su stanju i mešavine tečnosti i rastvori najrazličitijih supstanci u tečnostima. Među tečnostima najveći praktični značaj ima voda, što je određeno njenom jedinstvenom ulogom biološkog rastvarača. U hemiji i primenjenim oblastima tečnosti su, uz gasove, najvažnije kao medij za izvođenje različitih procesa transformacije supstanci. Tečnosti se takođe koriste za prenos toplote kroz cevi, u hidrauličkim uređajima - kao radni fluid, i kao mazivo za pokretne delove mašina.

U tekućem stanju tvari, čestice se nalaze na udaljenostima blizu zbira njihovih van der Waalsovih radijusa. Potencijalna energija molekula postaje negativna u odnosu na njihovu energiju u plinu. Da bi ga savladali tokom prelaska u gasovito stanje, molekulima je potrebna kinetička energija približno jednaka potencijalna energija. Dakle, tvar je u tekućem stanju u temperaturnom rasponu u kojem je prosječna kinetička energija približno jednaka ili niža od potencijalne energije interakcije, ali ne pada na nulu.

Među molekulima i plina i tekućine postoje i brži i sporiji molekuli u odnosu na prosječnu brzinu njihovog kretanja. Brzi molekuli prevazilaze privlačenje i ulaze u gasnu fazu u prisustvu slobodnog volumena. Tokom isparavanja, tečnost se hladi zbog gubitka bržih molekula. Iznad površine tečnosti u zatvorenoj zapremini uspostavlja se određeni pritisak pare, u zavisnosti od prirode tečnosti i temperature. Zavisnost je izražena eksponencijalnom jednadžbom

Gdje e - baza prirodnih logaritama; R- univerzalna plinska konstanta; DA ISP - molarna toplota isparavanja tečnosti; L - konstantan u zavisnosti od svojstava tečnosti.

Analiza jednadžbe pokazuje da tlak pare tekućine brzo raste s porastom temperature, budući da je temperatura u nazivniku negativnog eksponenta. Jednačina (7.13) je prilično precizno zadovoljena pod uslovom da je temperatura znatno niža kritična temperatura pare ove supstance.

Kada se dostigne temperatura na kojoj pritisak pare tečnosti postane jednak atmosferskom pritisku, tečnost ključa. Ovo pretpostavlja da postoji vazduh iznad površine tečnosti. Ako tečnost zatvorite u zatvorenu posudu, na primer u cilindar, sa klipom koji proizvodi pritisak jednak atmosferskom (101,3 kPa), onda kada se tečnost zagreje do tačke ključanja, para iznad tečnosti još se ne formira . Kada se prekorači tačka ključanja pojaviće se para, tj. gasna faza, a klip će početi da raste kako se dodaje toplota i povećava zapremina pare (slika 7.4).

Rice. 7.4.

Obično se nazivaju tečnosti koje ključaju na temperaturi ispod tačke ključanja vode volatile. Iz otvorene posude vrlo brzo isparavaju. Na tački ključanja od 20-22 °C, čini se da je supstanca granična između isparljive tekućine i lako ukapljenog plina. Primeri takvih supstanci su acetaldehid CH 3 CHO (? bp = 21°C) i fluorovodonik HF (? bp = 19,4°C).

Praktično važno fizičke karakteristike tečnosti, pored tačke ključanja, su tačka smrzavanja, boja, gustina, koeficijent viskoznosti, indeks prelamanja. Za homogene medije, kao što su tečnosti, indeks loma se lako meri i služi za identifikaciju tečnosti. Neke konstante tečnosti date su u tabeli. 7.3.

Ravnoteža između tečne, čvrste i gasovite faze date supstance je prikazana kao dijagrami stanja. Na sl. Slika 7.5 prikazuje dijagram stanja vode. Fazni dijagram je graf koji prikazuje zavisnost pritiska zasićene pare od temperature za tekuću vodu i led (krive OA I OV) i zavisnost temperature topljenja vode o pritisku (kriva OS). Dostupnost blagi pritisak par na ledu (kriva OV) znači da led može da ispari (sublimira) ako je pritisak vodene pare u vazduhu manji od ravnotežnog pritiska iznad leda. Isprekidana linija nastavlja krivulju OA lijevo od tačke O, odgovara pritisku pare iznad prehlađene vode. Ovaj pritisak premašuje pritisak pare iznad leda na istoj temperaturi. Stoga je prehlađena voda nestabilna i može se spontano pretvoriti u led. Ponekad se po hladnom vremenu javlja pojava kiše, čije se kapi pretvaraju u led kada udare o tvrdu podlogu. Na površini se pojavljuje ledena kora. Treba napomenuti da druge tekućine mogu biti u nestabilnom prehlađenom stanju.

Neke praktično važne tečnosti

Rice. 75.

Krivulje dijele dijagram na tri polja - voda, led i para. Svaka tačka na dijagramu predstavlja specifično stanje sistema. Tačke unutar polja odgovaraju postojanju vode samo u jednoj od tri faze. Na primjer, na 60 °C i pritisku od 50 k11a, voda postoji samo u tečnom stanju. Tačke koje leže na krivinama OA, OV I OS, odgovaraju ravnoteži između dvije faze. Na primjer, pri temperaturama i pritiscima duž krivulje OA Voda i para su u ravnoteži. Tačka preseka O tri krive sa koordinatama 0,61 kPa i 0,01 °C odgovara ravnoteži između tri faze vode - leda, vode u tečnom stanju i njene pare. Ovo je tzv trostruka tačka vode. Prikazana temperatura je 0,01 °C viša od normalna temperatura smrzavanje vode 0 °C, što se odnosi na pritisak od 101,3 kPa. Iz ovoga slijedi da se povećanjem vanjskog tlaka temperatura ledišta vode smanjuje. Dajemo još jednu točku: pri pritisku od 615 atm (6,23-10 4 kPa), tačka smrzavanja vode pada na -5 ° C.

Tečnosti se oštro razlikuju od gasova po svojoj sposobnosti da se međusobno mešaju. U tečnostima, za razliku od gasova, međumolekularne interakcije igraju važnu ulogu. Stoga se samo one tekućine koje su dovoljno bliske po energiji međumolekularne interakcije miješaju jedna s drugom u bilo kojem omjeru. Na primjer, ne samo da Waiderwaalsove sile djeluju između molekula vode, već se formiraju i vodikove veze. Zbog toga se s vodom miješaju različite tekućine čiji molekuli također mogu stvarati vodikove veze s vodom: fluorovodonik, mnoge kiseline koje sadrže kisik, niži članovi homolognog niza alkohola, aceton itd. Tečnosti koje ne stvaraju vodonične veze ili sprečavaju stvaranje takvih veza između molekula vode, Ne mešaju se sa vodom, ali mogu u ovom ili onom stepenu, tj. ograničeno, rastvoriti. Dakle, alkoholi s radikalima koji se sastoje od četiri ili više atoma ugljika su ograničeno topljivi u vodi, jer radikali, nalazeći se između molekula vode, ometaju stvaranje vodikovih veza i potiskuju se iz zapremine vode.

Unutrašnju strukturu tečnosti karakteriše kako relativno slobodno međusobno kretanje molekula, tako i pojava strukture koja tečnost približava čvrstom stanju. Gore je rečeno da se u kristalima X-zrake raspršuju na uređenim atomima. Maksimalni intenzitet raspršenja javlja se pri određenim uglovima upada početnog snopa na ravan koju formiraju atomi unutar kristala. Rasipanje rendgenskih zraka se takođe dešava u tečnostima. At mali ugao smanjenje, koje odgovara raspršenju na blisko raspoređenim atomima, pojavljuje se maksimum, što ukazuje na prisustvo reda u neposrednom okruženju atoma. Ali kako se upadni ugao povećava, maksimumi brzo blede, što ukazuje na odsustvo pravilnog rasporeda za udaljene atome. Dakle, možemo reći o tečnostima koje oni sadrže zatvori red, Bez narudžba na daljinu.

Strukturiranje tekućina se otkriva proučavanjem različitih fizičkih svojstava. Poznato je, na primjer, da voda postaje gušća kada se ohladi na 4°C, a daljnjim hlađenjem ponovo počinje da se širi. To se objašnjava formiranjem otvorenije strukture, koja odgovara smjeru vodikovih veza između molekula. Nakon smrzavanja, ove veze se konačno stabiliziraju, što proizlazi iz smanjenja gustine leda.

Tečnosti se upijaju srednja pozicija između gasovitih i čvrstih materija. Na temperaturama blizu tačkama ključanja, svojstva tečnosti se približavaju svojstvima gasova; na temperaturama blizu tačke topljenja, svojstva tečnosti se približavaju svojstvima čvrstih materija. Ako čvrste tvari karakterizira strogi poredak čestica, koji se proteže na udaljenosti do stotina tisuća interatomskih ili intermolekularnih radijusa, tada u tekućoj tvari obično nema više od nekoliko desetina uređenih čestica - to se objašnjava činjenicom da redosled između čestica u različitim mjestima tečne supstance nastaje onoliko brzo koliko je ponovo „erodira“ toplotnom vibracijom čestica. Istovremeno, ukupna gustoća pakiranja čestica tekuće tvari se malo razlikuje od čvrste tvari - stoga je njihova gustoća bliska gustoći čvrstih tvari, a njihova kompresibilnost je vrlo niska. Na primjer, za smanjenje zapremine vode u tekućem stanju za 1%, potreban je pritisak od ~200 atm, dok je za isto smanjenje zapremine gasova potreban pritisak od oko 0,01 atm. Posljedično, kompresibilnost tekućina je približno 200:0,01 = 20.000 puta manja od kompresibilnosti plinova.

Gore je navedeno da tečnosti imaju određenu zapreminu i poprimaju oblik posude u kojoj se nalaze; ova svojstva su mnogo bliža svojstvima čvrste nego gasovite supstance. Neposrednu blizinu tekućeg i čvrstog stanja potvrđuju i podaci o standardnim entalpijama isparavanja ∆H° eva i standardnim entalpijama topljenja ∆H° pl. Standardna entalpija isparavanja je količina topline potrebna da se 1 mol tekućine pretvori u paru na 1 atm (101,3 kPa). Ista količina toplote se oslobađa kada se 1 mol pare kondenzuje u tečnost na 1 atm. Količina topline koja se troši da se 1 mol čvrste tvari pretvori u tekućinu pri 1 atm naziva se standardna entalpija fuzije(ista količina toplote se oslobađa kada se 1 mol tečnosti „zamrzne“ („stvrdne“) na 1 atm). Poznato je da je ∆N° pl mnogo manji od odgovarajućih vrijednosti ∆N° isp, što je lako razumjeti, budući da je prijelaz iz čvrstog u tekuće stanje praćen manjim poremećajem međumolekularne privlačnosti nego prijelaz iz tečnog u gasovito stanje.

Brojna druga važna svojstva tekućina sličnija su svojstvima plinova. Dakle, kao i gasovi, tečnosti mogu teći - ovo svojstvo se naziva fluidnost. Otpor protoku određuje viskozitet. Na fluidnost i viskoznost utiču sile privlačenja između molekula tečnosti, njihova relativna molekulska težina i cela linija drugi faktori. Viskoznost tečnosti je ~100 puta veća od viskoznosti gasova. Baš kao i gasovi, tečnosti mogu da difunduju, iako mnogo sporije, jer su čestice tečnosti upakovane mnogo gušće od čestica gasa.

Jedan od najvažnija svojstva naime tečnosti - svoje površinski napon(ovo svojstvo nije svojstveno ni gasovima ni čvrstim materijama). Na molekul u tekućini jednoliko djeluju intermolekularne sile sa svih strana. Međutim, na površini tečnosti ravnoteža ovih sila je poremećena, pa se kao rezultat toga „površinski“ molekuli nađu pod uticajem određene rezultantne sile usmerene u tečnost. Iz tog razloga, površina tečnosti je u stanju napetosti. Površinski napon- ovo je minimalna sila koja sputava kretanje čestica tečnosti u dubinu tečnosti i na taj način sprečava da se površina tečnosti skuplja. Površinska napetost objašnjava „kapljasti” oblik čestica tečnosti koje slobodno padaju.

Za razliku od plinova, između tekućih molekula djeluju prilično velike sile međusobnog privlačenja, što određuje jedinstvenu prirodu molekularnog kretanja. Toplotno kretanje molekula tekućine uključuje vibracijsko i translacijsko kretanje. Svaki molekul neko vrijeme oscilira oko određene točke ravnoteže, zatim se kreće i ponovo zauzima novi ravnotežni položaj. Ovo određuje njegovu fluidnost. Sile međumolekularne privlačnosti sprečavaju molekule da se udaljavaju jedna od druge kada se kreću. Ukupni efekat privlačenja molekula može se predstaviti kao unutrašnji pritisak tečnosti, koji dostiže veoma visoke vrednosti. To objašnjava konstantnost volumena i praktičnu nestišljivost tekućina, iako lako poprimaju bilo koji oblik.

Uz pomoć snažnog mikroskopa možemo razlikovati nekoliko velikih elemenata u tragovima u kosi. Sada mikron još uvijek može sadržavati deset hiljada atoma raspoređenih u nizu: njihova prosječna veličina je, u stvari, deseti dio nanometra. Za proučavanje strukture materije to nije dovoljno za optički mikroskop, već su potrebni drugačiji i moćniji alati.

Među njima su senzacionalni tunelski mikroskopi, izumljeni osamdesetih godina dvadesetog veka. Sa besprijekornim vrhom koji ispituje površinu metala, oni mjere slabije električne struje povezane s površinskim atomima, a zatim rekonstruiraju njihovu sliku. Modifikacijom mikroskopa atomske sile, slike atoma se mogu dobiti čak i ako je površina izolirana i stoga nije presijecana strujama.

Svojstva tečnosti takođe zavise od zapremine molekula, njihovog oblika i polariteta. Ako su molekuli tekućine polarni, tada dolazi do udruživanja (asocijacije) dva ili više molekula u složeni kompleks. Takve tečnosti se nazivaju povezane tečnosti. Povezane tečnosti (voda, aceton, alkoholi) imaju više tačke ključanja, manje su isparljive i imaju veću dielektričnu konstantu. Na primjer, etil alkohol i dimetil etar imaju istu molekularnu formulu (C 2 H 6 O). Alkohol je povezana tečnost i ključa na više od visoke temperature nego dimetil eter, koji je nevezana tečnost.

Ako želite znati kako se atomi uklapaju u uzorak ili kako se kreću, trebali biste koristiti jedan od različitih tipova spektrometara koji su izumljeni u posljednja dva stoljeća. Ovi instrumenti se koriste za snimanje promjena u svjetlosti, rendgenskim zracima ili svjetlosnim česticama kao što su elektroni ili neutroni dok prolaze kroz materijal. Iz promjena koje su ove brze "sonde" pretrpjele, može se pratiti do toga kako kompjuteri obrađuju način na koji je uzorak "napravljen".

Fizičari, kemičari i biolozi najčešće koriste sinhrotronsko svjetlo kao sondu za proučavanje strukture materije. Ovo je vrlo intenzivno bijelo zračenje koje stvaraju elektroni koji se kreću po kružnim orbitama brzinama bliskim brzini svjetlosti. Sinhrotroni, koji se sada pravilnije nazivaju klasteri, izvrsni su strojevi koje su sve industrijalizirane zemlje upravo napravile da bi dobile ovu dragocjenu svjetlost: najmoderniji talijanski prsten zove se Elettra i izgrađen je u blizini Trsta.

Tečno stanje okarakterisati takve fizička svojstva, Kako gustina, viskoznost, površinski napon.

Površinski napon.

Stanje molekula u površinski sloj, značajno se razlikuje od stanja molekula duboko u tečnosti. Razmotrimo jednostavan slučaj - tečnost - para (slika 2).

Rice. 2. Djelovanje međumolekulskih sila na granicu i unutar tekućine

Proučavanje strukture materije nije motivisano isključivo naučnom radoznalošću. Na osnovu svakodnevnog iskustva, čovjek je davno naučio da sva tijela svrstava u tri kategorije ili stanja materije: ista kao mač koji je držao, tekućine poput vode koju je pio i plinove poput udisanje vazduha. Takođe je znao da se ta stanja mogu transformisati jedno u drugo: na primer, video je da voda postaje zimski led, a pre više od tri hiljade godina već je znao da će istopiti gvožđe u loncu.

Ali kako su stvari tako različite među njima? Prve naučne studije o prirodi materije odnose se na mere koje su preduzeli gasovi Evangeliste Toričelija - učenika Galilea Galileja i francuskog modernog Blaisa Paskala. Takođe je otkriveno da kada se gas sadržan u datoj zapremini zagreje, njegov pritisak raste. Međutim, trebalo je još dva stoljeća da se shvati mikroskopsko porijeklo pritiska.

Na sl. 2 molekula (a) je unutar tečnosti, molekula (b) je u površinskom sloju. Sfere oko njih su udaljenosti na kojima se protežu sile međumolekularne privlačnosti okolnih molekula.

Na molekul (a) ravnomjerno djeluju intermolekularne sile iz okolnih molekula, stoga su sile međumolekulske interakcije kompenzirane, rezultanta ovih sila je nula (f = 0).

Za razliku od plina, međutim, tekućine zauzimaju određeni volumen: kap kiše može dospjeti do tla sa velike visine bez raspršivanja, jer plin jednostavno otvara slavinu cilindra u kojem se nalazi. To znači da se u tekućini atomi drže zajedno jakim privlačnim silama, za koje danas znamo da su elektromagnetne prirode. Samo nekoliko molekula se slučajno ukloni s površine, odnosno ispari, dok se drugi ponovo hvataju i prisiljavaju na kondenzaciju. Tako se u zatvorenom okruženju uvijek uspostavlja ravnoteža između tečnosti i njene pare.

Gustoća pare je mnogo manja od gustine tečnosti, jer se molekuli nalaze na velikim udaljenostima jedan od drugog. Stoga, molekuli koji se nalaze u površinskom sloju ne doživljavaju gotovo nikakvu silu privlačenja od ovih molekula. Rezultanta svih ovih sila bit će usmjerena u tekućinu okomito na njenu površinu. Dakle, površinski molekuli tekućine uvijek su pod utjecajem sile koja teži da ih povuče prema unutra i na taj način smanji površinu tekućine.

Tečnosti također mogu nositi električnu energiju kada postoje slobodne tvari koje se nazivaju elektroliti: njihovi atomi gube elektron, postaju pozitivni ioni ili ih dobijaju, postajući negativni ioni. Ovako radi akumulator automobila.

Skoro sve tečnosti se smanjuju kada se stvrdnu: voda je izuzetak, a kada postane led, širi se. Međutim, između tijela u tekućem i čvrstom stanju, volumna razlika nije velika, što znači da su u oba stanja atomi vrlo blizu jedan drugom. Međutim, ako promatramo površinu čvrste tvari mikroskopom atomske sile, primjećujemo pravilnu izmjenu praznina i vrlo se razlikuje od haotičnog poremećaja za koji znamo da postoji u tekućini zbog Brownovog kretanja.

Za povećanje sučelja tekućine potrebno je utrošiti rad A (J). Rad potreban za povećanje interfejsa S za 1 m 2 je mjera površinske energije ili površinski napon.

dakle, površinski napon d (J/m 2 = Nm/m 2 = N/m) – rezultat nekompenziranih međumolekulskih sila u površinskom sloju:

Ovaj obrazac atoma se nalazi, iako u različite forme, u strukturi svih kristala koji postoje u prirodi. Ovo ispravan oblik- kubni, piramidalni, heksagonalni, itd. - se ponavlja milijarde puta milijarde puta: a obrazac može biti toliko savršen da ga nalazimo u istom spoljašnja forma kristal. Samo nekoliko čvrstih tijela ima nasumične atome: to su amorfne čvrste tvari, a najčešće je staklo.

Čak su i atomi čvrstog kretanja u pokretu: vibriraju kao da su međusobno povezani nevidljivim oprugama. Ove "opruge" su zapravo elektromagnetske sile između atoma i atoma, posebno intenzivne u čvrstim materijama. Vibracije povećavaju amplitudu sa temperaturom i nestalne su, poput pokreta ljudi natrpanih poput sardina koji čekaju rok koncert; ali atomi takođe mogu da vibriraju unisono, baš kao što gledaoci vibriraju kada muzika počne. Zbog ovih vibracija, naređujete da se zvuk, na primjer, kreće s jednog kraja na drugi iz čvrstog tijela mnogo bolje nego u zraku.

d = F/S (F – površinska energija) (2.3)

Postoji veliki broj metoda za određivanje površinske napetosti. Najčešći su stalagmometrijska metoda (metoda brojanja kapi) i metoda maksimalnog pritiska plinskih mjehurića.

Metodom analize difrakcije rendgenskih zraka ustanovljeno je da u tekućinama postoji određeni red u prostornom rasporedu molekula u pojedinačnim mikrovolumenima. U blizini svakog molekula se opaža takozvani poredak kratkog dometa. Kada se udaljite od njega na određenoj udaljenosti, ovaj obrazac se krši. I u cijeloj zapremini tečnosti nema reda u rasporedu čestica.

Kao što možete vidjeti u nekim zapadnim filmovima, kada prislonite uvo na šine, zahvaljujući nevidljivim vibracijama atoma željeza, možete osjetiti buku voza kada je još daleko. Kako su ljudi naučili da iskoriste izvanredna svojstva čvrstih tijela, ovo stanje materije promijenilo je njihovo postojanje i njihovu povijest. Zbog tvrdoće metala proizvodili su oruđe i oružje do bronze, a potom i gvožđa. Prozirnost stakla omogućila je život u toplim, svijetlim okruženjima, a kasnije i proizvodnju sočiva, mikroskopa i teleskopa.

Dragocjeni sjaj i nepromjenjivost zlata, srebra i bakra nagovijestili su izum kovanog novca iz kojeg su nastali moderna ekonomija. Vidimo odvijač: duša je metalna, ali drška je od drveta ili plastike. Znamo da nas ova zaštita ne drhti, odnosno izoluje od struje. U stvari, postoje čvrste materije koje se nazivaju provodnici koji prenose struju, metali i čvrste materije koje joj ne dozvoljavaju da prođe, kao što su drvo i plastika, koji su izolacioni.

Rice. 3. Stalagmometar Sl. 4. Viskozimetar

Viskoznost z (Pa s) – svojstvo otpora kretanju jednog dijela tečnosti u odnosu na drugi. IN praktičan život osoba se suočava sa velikim brojem tečnih sistema, čiji je viskozitet različit - voda, mlijeko, biljna ulja, pavlaka, med, sokovi, melasa itd.

Slobodni elektroni i elektroni. Kako objašnjavamo razlike između izolatora i provodnika u mikroskopskom svijetu atoma? U izolatoru su atomi neutralni, tj. svi negativni elektroni, koji savršeno kompenzuju pozitivan naboj jezgara, ostaju gusti. Ako je ovaj izolator spojen na dva pola strujnog generatora, on ne može osigurati besplatno punjenje i stoga struja ne teče. Umjesto toga, metal je napravljen od pozitivnih jona koji su izgubili svoje elektrone dalje od jezgre: ove čestice se mogu kretati u kristalu, kao što je slučaj s negativnim jonima u vodljivoj tekućini, i stoga, budući da svaki od njih nosi naboj, zajedno putuju prema struji.

Viskoznost tekućina je posljedica međumolekularnih sila koje ograničavaju pokretljivost molekula. Zavisi od prirode tečnosti, temperature, pritiska.

Za mjerenje viskoziteta koriste se instrumenti koji se nazivaju viskozimetri. Izbor viskozimetra i metode za određivanje viskoznosti zavisi od stanja sistema koji se proučava i njegove koncentracije.

Nit sijalice od 60 vati teži 4 milijarde milijardi elektrona u sekundi! Filament se zagrijava jer su pozitivni ioni metala blokirani da se kreću elektroni. Da je kristalna rešetka savršeno glatka i ioni čvrsti, ne bi postojao otpor i filament ne bi postao blistav; ali, kao što smo već rekli, joni vibriraju, a osim toga, u kristalu uvijek postoje defekti i nečistoće koje usporavaju elektrone.

Budući da nema otpora i stoga ne troši energiju, struja može nesmetano teći u supravodljivi krug bez potrebe za baterijom ili drugim generatorom: ovo je superstruja. Zapravo, viđeni su u laboratoriji superstruje koja je kružila godinama i godinama sve dok eksperiment nije prekinut slučajnim razlozima!

Za tekućine niske viskoznosti ili niske koncentracije široko se koriste kapilarni viskozimetri.

Pregled predavanja:

1 Karakteristike tečnog stanja

2 Površinska napetost tečnosti i metode za njeno određivanje

3 Viskoznost tečnosti

4 Karakteristike čvrstog stanja materije

Nažalost, supravodljivost se uočava samo pri vrlo niske temperature. Stoga dobro rade u blizini temperatura ukapljivanja zraka. Budući da je tečni zrak ekonomično i lako za proizvodnju rashladno sredstvo, ovo otkriće je otvorilo nove primjene za supravodljivost. Ovo će omogućiti čovječanstvu da uštedi ogromne količine energije ili proizvede plitke kompjutere. Superstruje su također sposobne stvoriti jaka magnetna polja, koja su zauzvrat konstantna.

Zato što se dva magnetna polja okrenuta prema polovima istog imena odbijaju ako se supravodnik spusti na magnetizirani čelični disk, može se podići i početi levitirati. Naučnici su zapravo mogli da urade ono što čarobnjaci i iluzionisti pokazuju javnosti koristeći svoje trikove. Poluprovodnici su jaki sa tendencijom da budu izolacione prirode, ali mogu poprimiti više ili manje izražena metalna svojstva kada su dopirani, odnosno "kontaminirani" atomima drugih supstanci.

1. Tečnosti po svojim svojstvima zauzimaju međupoložaj između gasova i čvrstih materija. Kao i gasovi, tečnosti su fluidne i imaju ujednačena svojstva u svim pravcima, odnosno izotropne su. Kretanje molekula tečnosti je nasumično, kao u gasovima, ali prosečna putanja molekula usled velike sile Među njima je malo interakcije. Sile međumolekularne privlačnosti sprečavaju da se molekuli udaljavaju jedan od drugog na velike udaljenosti, stoga je svaki molekul tekućine unutar sfere djelovanja susjednih molekula. Stoga tečnosti imaju konstantan volumen. Iako su sile međumolekularne kohezije velike, one su još uvijek nedovoljne da zadrže molekule u određenim točkama u prostoru. Dakle, tečnost nema stalan oblik, već poprima oblik posude u kojoj se nalazi.

Međutim, najvažnije je da u poluprovodniku struju stvaraju ne samo elektroni, već i nosioci pozitivnog naboja, tzv. Poluprovodnik koji se najčešće koristi je silicijum, jedan od najzastupljenijih elemenata u zemljinoj kori.

Dakle, veliki elektronske komponente može se postići samo nekoliko desetina nanometara: desetine miliona tranzistora, dioda i drugih komponenti nalaze se u komadu silicijuma veličine eksera. Ova integrisana kola su srce svakog elektronskog uređaja danas: od kompjutera ili mobilnog čipa do kontrolne jedinice automobila. Pretpostavimo da imamo gumenu lopticu zapremine oko litar napunjenu gasom i vežbamo da u njoj napravimo rupu iz koje se oslobađa gas. Pretpostavimo da postoji ogroman broj atoma u sekundi, recimo milijarda, koji postoje iz rupe.

Proučavanje tečnosti je to pokazalo unutrašnja struktura još su bliže čvrstim materijama. Molekuli tečnosti teže nekom uređenom rasporedu u prostoru; Tečnosti imaju volumetrijsku elastičnost, poput čvrstih materija, jer se elastično odupiru ne samo svestranoj kompresiji, već i svestranom istezanju.

Koliko vremena je potrebno da se potroši sav gas? Razlog je taj što se u litri gasa nalazi nevjerovatan broj atoma, a njihovo izbacivanje nije mali posao! Kakav beli dim vidimo na loncu za testeninu? Parna voda, koji se formira u izobilju, dok su mjehurići tekuće vode prozirni sunčeva svetlost ili sijalicu, pa je ne možemo vidjeti. Međutim, kada se para podigne, dolazi u kontakt sa najhladnijim vazduhom u kuhinji i formira sferne kapljice. Oni su poput onih koji formiraju bijele oblake na nebu: previše lagani i premali da bi se razlikovali.

Svojstva tečnosti takođe zavise od zapremine molekula, njihovog oblika i polariteta. Tečnosti formirane od polarnih molekula razlikuju se po svojstvima od nepolarnih. Susedni polarni molekuli su orijentisani sa suprotnim krajevima dipola jedan prema drugom; u ovom slučaju između njih nastaju sile elektrostatičke privlačnosti. Kombinacija (asocijacija) dva ili više molekula nastaje u složeni kompleks. Povezanost može biti uzrokovana, posebno, stvaranjem vodikove veze između tekućih molekula. Osobine tečnosti zavise od stepena povezanosti, jer je potrebna značajna energija za prekid međumolekulskih veza. Stoga povezane tečnosti (voda, alkoholi, tečni amonijak) imaju više tačke ključanja, manje su isparljive, itd. Na primer, etil alkohol i dimetil etar imaju istu formulu (C 2 H 6 O) i istu formulu molekularna težina. Alkohol je polarna supstanca, pridružena tečnost, i ključa na višoj temperaturi od dimetil etera (nepolarna supstanca), koji je nevezana tečnost.

2. Razmotrimo neka karakteristična fizičko-hemijska svojstva tečnosti i, posebno, površinsku napetost.

Površinski sloj tečnosti razlikuje se po fizičkim i hemijskim svojstvima od unutrašnjih slojeva. Svaki molekul unutar tekućine privlači k sebi sve molekule koji ga okružuju i istovremeno, istom silom, privlače ga molekuli koji ga okružuju ravnomjerno u svim smjerovima. Posljedično, polje sila svakog molekula unutar tekućine je simetrično zasićeno. Rezultanta privlačnih sila je nula.

Molekuli koji se nalaze u površinskom sloju nalaze se u drugačijem položaju. Oni su podložni privlačnim silama samo iz molekula donje hemisfere. Utjecaj molekula plina ili pare smještenih iznad površine tekućine može se zanemariti, jer je njihova koncentracija neuporedivo manja nego u tekućini. Rezultanta molekularnih sila u ovom slučaju nije nula i usmjerena je prema dolje. Dakle, površinski molekuli tečnosti su uvek pod uticajem sile koja teži da ih povuče unutra. To uzrokuje da se površina tekućine skuplja.

Za molekule površinskog sloja, neiskorištene adhezivne sile su izvor viška energije, koja se naziva slobodna površinska energija. Slobodna energija po jedinici površine naziva se površinska napetost i označava se sa σ. Površinska napetost σ može se izmjeriti radom potrebnim da se savladaju kohezivne sile između molekula kako bi se stvorila nova jedinica površine.

Površinska napetost se također može smatrati silom koja djeluje po jedinici dužine linije koja ograničava površinu tekućine, te smjerom i smjerom kontrakcije površine.

Može se odrediti površinska napetost empirijski. Uzmite žičani okvir čija se jedna strana (CD) može slobodno kretati. Na pokretnoj strani okvira CD-a pričvršćen je uteg P. Pomaknite žičani CD na stranu AB, navlažite okvir vodom sa sapunom i ugradite ga u vertikalni položaj. Pokretna strana, pod dejstvom opterećenja P, počeće da se pomera prema dole. U tom slučaju se između njega i okvira formira film. Nakon prelaska određene udaljenosti h, pokretna žica će se zaustaviti, jer težina tereta P postaje jednaka sili površinske napetosti. U ovom slučaju, opterećenje P vrši rad A = P*h. Rad koji izvrši opterećenje P u trenutku ravnoteže jednak je površinskom naponu filma sapuna čija je površina S jednaka 2lh (pošto površinu čine dvije strane filma).

Vrijednost površinske napetosti izračunava se pomoću jednačine A = σS, iz koje

gdje je A rad stvaranja površine S; σ - površinski napon.

Površinski napon za čiste tečnosti zavisi od prirode tečnosti i temperature, a za rastvore od prirode rastvarača, kao i prirode i koncentracije otopljene supstance.

Tečni i rastopljeni metali imaju vrlo visoku površinsku napetost. Alkohol, etar, aceton, benzen su tečnosti sa niskim σ vrednostima. Površinski napon tečnosti opada sa porastom temperature.

Površinski napon vode pri različite temperature

Temperatura 0 +20 +40 +60 +80

σ∙ 103 75,95 72,75 69,55 66,18 62,75

Površinska napetost tekućina može se dramatično promijeniti kada se u njima otapaju različite tvari. Rastvori mogu smanjiti ili povećati površinsku napetost! Supstance koje značajno smanjuju površinski napon date tečnosti nazivaju se surfaktanti. U odnosu na vodu, tenzidi su alkoholi, sapuni, proteini itd. Dodavanje ovakvih supstanci vodi olakšava pjenjenje, tj. velika količina novih površinskih filmova tečnosti, što se objašnjava smanjenjem površinskog napona vode.

Supstance koje povećavaju površinski napon tečnosti nazivaju se površinski neaktivnim. Površinski napon vode, na primjer, raste kada se rastvore mineralne kiseline, lužine i neke neorganske soli.

Mjeri se površinski napon razne metode. Najjednostavniji je metod “brojanja kapi” pomoću uređaja koji se zove stalagmometar, a to je pipeta s dvije oznake; Donji dio Stalagmometar prelazi u kapilaru, čiji je kraj zadebljan i poliran kako bi se dobile identične kapljice. Metoda se temelji na činjenici da se kap koja se formira na kraju kapilarne cijevi stalagmometra drži silom površinske napetosti. Kap se odlijepi u trenutku kada njena težina postane jednaka ili za beskonačno mali iznos premašuje silu površinske napetosti koja drži kap. Za tečnosti sa visokim površinskim naponom, odvajanje kapljica je otežano i nastale kapi će biti veće nego za tečnosti sa nižom površinskom napetošću, pa će stoga njihov broj biti manji.

Stalagmometar se napuni ispitnom tekućinom i broji se broj kapi n koje istječu iz zapremine V. Zatim se puni destilovanom vodom i broji se broj kapi vode koje ne istječu iz istog volumena V. I na u trenutku kada se kap sruši, njena težina je jednaka sili površinske napetosti. Ako n kapi tečnosti gustoće p isteče iz zapremine V, onda je težina kapi određena jednačinom P = V*ρ*g/n, gde je g ubrzanje gravitacije.

Sila površinskog napona koja drži kap je 2πrσ; gdje je 2πr obim kapilarnog otvora iz kojeg kap izlazi. Za tečnost koja se testira

V*ρ*g/n = 2πrσ (II)

za vodu V*ρ o *g/n o = 2πrσ o (III)

gdje je σ o površinski napon vode; ρ o - njegova gustina; n o - broj kapi vode.

Dijeljenjem jednačine (II) sa (III) dobijamo

ρ*n o /ρ o *n = σ / σ o , odakle

σ = σ o * ρ*n o /ρ o *n (IV)

Gustoća ispitivane tekućine, jod i površinski napon vode σ o nalaze se iz tabela za odgovarajuću temperaturu na kojoj se vrši mjerenje.

3. Viskozitet ili unutrašnje trenje je otpor koji nastaje kada se jedan sloj tečnosti pomera u odnosu na drugi. Ako štapom miješate vodu, a posebno šećerni sirup, suncokretovo ulje, med, glicerin, tada ćete osjetiti otpor kretanju štapića. Kada se jedan sloj tečnosti kreće, susjedni slojevi su uključeni u ovo kretanje, ali mu pružaju otpor. Veličina ovog otpora je različita za različite tečnosti i zavisi od hemijske prirode tečnosti, odnosno od sila međumolekulske interakcije. Tečnosti kao što su med i šećerni sirup imaju visok viskozitet, dok voda i etil alkohol imaju nisku viskoznost.

Viskoznost tečnosti zavisi od temperature; kako temperatura raste, ona se smanjuje, tečnost postaje pokretljivija, odnosno povećava se njena tečnost. Tipično, sa povećanjem temperature za 1°C, viskoznost se smanjuje za oko 2%. Tečnosti kao što su vinski alkohol, voda, dietil etar su slobodno teče, dok su med, glicerin, melasa i puter viskozni. Ponekad se viskozitet toliko povećava da tečnost prestaje da bude tečna i dobija svojstva čvrstih materija.

Viskoznost otopina u velikoj mjeri ovisi o njihovoj koncentraciji; što je veća koncentracija, veći je i viskozitet.

U tekućinama, kada se neki slojevi pomiču u odnosu na druge, između slojeva se pojavljuje sila trenja, usmjerena suprotno od smjera kretanja. Kvantitativna karakteristika ove sile je izražena Newtonovim zakonom:

F = η*S*Δυ/l (V)

gdje je F sila trenja; S je kontaktna površina dva sloja; Δυ je razlika u brzinama υ 2 i υ 1 ovih slojeva koji se nalaze na udaljenosti l jedan od drugog; η - koeficijent proporcionalnosti.

Ako je S=1 cm 2 i Δυ/l=1, tada je F=η. Dakle, viskoznost se kvalitativno karakteriše koeficijentom viskoznosti, odnosno unutrašnjim koeficijentom η (eta), koji zavisi od prirode tečnosti i temperature.

Viskoznost se mjeri u poisima. Viskozitet 1 P (0,1 N*s/m2) je vrlo velika vrijednost: na primjer, viskozitet vode na 20°C je samo 0,01 P, maslinovo ulje 0,98 P, a glicerol 10,63 P. U praksi se obično određuje relativni viskozitet, odnosno odnos viskoznosti ispitivane tečnosti i viskoziteta vode, uzimajući viskozitet vode jednak jednom centipoazu (1 cP).

Jedna metoda za mjerenje viskoznosti zasniva se na određivanju vremena protoka tekućine iz kapilarne cijevi viskozimetra. Vrijeme protoka jednakih volumena (ova zapremina je ograničena oznakama A i B) vode i ispitne tekućine određuje se u sekundama. Na osnovu eksperimentalnih podataka, relativna viskoznost se izračunava pomoću formule

η rel = η o *ρ f *τ f /ρ o * τ o (III.22)

gdje je η rel relativni viskozitet ispitne tekućine u odnosu na vodu; η o - koeficijent viskoznosti vode jednak I cP; p l i ρ o - gustina ispitivane tečnosti i vode; τ l i τ o - vrijeme strujanja ispitivane tekućine i vode. Vrijednosti τ l i τ o određuju se eksperimentalno na konstantnoj temperaturi; r x i ρ o za datu temperaturu uzeti su iz tabela.

Određivanje viskoznosti je od velike važnosti kada se proučavaju svojstva rastvora proteina, ugljenih hidrata i masti. Brzina difuzije tvari u tekućim medijima, a time i brzina kemijskih reakcija u otopinama, ovisi o viskoznosti.

Otopine su gotovo uvijek viskoznije od čistih rastvarača. Razlika je posebno izražena u rastvorima visokomolekularnih supstanci. Stoga se tekućine koje se povinuju jednačini (III.22) nazivaju Njutnovskim, za razliku od polimernih rastvora koji se ne povinuju ovoj jednačini.

4. Čvrsto stanje materije

Čvrste materije Za razliku od tekućina i plinova, oni zadržavaju svoj oblik. Čestice čvrstih tela su tako čvrsto povezane jedna s drugom kohezionim silama da kretanje naprijed nemaju i moguće je samo oscilatorno kretanje oko određenih tačaka. Čvrste materije može biti kristalna ili amorfna.

Kristalna tijela imaju jasnu unutrašnju strukturu, uzrokovanu ispravnim rasporedom čestica u strogo definiranom redoslijedu koji se periodično ponavlja. Veličine kristala mogu varirati: od vrlo malih do divovskih. Kristalna tijela imaju striktno definiranu tačku topljenja. Također ih karakterizira i fenomen anizotropije, koji se sastoji u tome da svojstva kristalnih tijela u različitim smjerovima nisu ista. To se objašnjava činjenicom da se u kristalima toplotna provodljivost, mehanička čvrstoća, brzina rasta kristala, brzina rastvaranja i druga svojstva razlikuju u različitim smjerovima. Na primjer, liskun se lako odvaja na trombocite samo u jednom smjeru (paralelno s njegovom površinom); u drugim smjerovima je potreban mnogo veći napor da se uništi liskun. Amorfna tijela nemaju striktno definiranu tačku topljenja, ona omekšaju u određenom temperaturnom rasponu i postepeno prelaze u tekuće stanje. Kada se ohlade, ove taline prelaze u čvrsto stanje bez formiranja kristalne strukture. Tipičan predstavnik amorfnih tijela je uobičajen silikatno staklo Stoga se amorfno stanje često naziva staklastim.

Za razliku od kristalnih, amorfna tela, kao i gasovi i tečnosti, karakteriše svojstvo izotropije, odnosno konstantnost svojstava (toplotna provodljivost, električna provodljivost, mehanička svojstva itd.) u svim pravcima. Treba napomenuti da se polikristalna tijela, koja se sastoje od velikog broja nasumično orijentiranih malih kristala, općenito ispostavljaju i izotropna tijela, na primjer metali.

Međutim, nemoguće je povući jasnu granicu između amorfnog i kristalna tela. Na primjer, šećer može biti ili kristalan (šećer u prahu, šećer u komadima) ili amorfan (karamelizirani šećer). Osim toga, neke tvari dobivene u amorfnom stanju mogu s vremenom kristalizirati: karamela kristalizira na ovaj način, što je nepoželjno u proizvodnji konditorskih proizvoda, čaše s vremenom kristaliziraju i gube prozirnost. Ovaj fenomen se tehnički naziva devitrifikacija.