Svojstva i primjena tekućih tvari. Tekućine i tekuće stanje tvari. Ponašanje molekula u tekućini

Glavno svojstvo tekućine, koje je razlikuje od ostalih agregatnih stanja, je sposobnost da neograničeno mijenja svoj oblik pod djelovanjem tangencijalnih mehaničkih naprezanja, čak i proizvoljno malih, uz praktički održavanje volumena. Tvar u tekućem stanju postoji u određenom temperaturnom rasponu, ispod kojeg prelazi u čvrsto stanje (kristalizacija ili pretvorba u čvrsto amorfno stanje - staklo), iznad - u plinovito stanje (dolazi do isparavanja). Granice ovog intervala ovise o tlaku.

3.1 Fizička svojstva tekućina:

ü Fluidnost(Glavno svojstvo. Za razliku od plastičnih čvrstih tijela, tekućina nema granicu tečenja: dovoljno je primijeniti proizvoljno malu vanjsku silu da tekućina teče.

ü Očuvanje volumena. Jedno od karakterističnih svojstava tekućine je da ima određeni volumen (pod stalnim vanjskim uvjetima). Tekućinu je iznimno teško mehanički komprimirati jer, za razliku od plina, između molekula ima vrlo malo slobodnog prostora. Tekućine se obično povećavaju u volumenu (šire se) kada se zagrijavaju, a smanjuju volumen (smanjuju se) kada se hlade.

ü Viskoznost. Osim toga, tekućine (poput plinova) karakterizira viskoznost. Definira se kao sposobnost odupiranja kretanju jednog od dijelova u odnosu na drugi - odnosno kao unutarnje trenje. Kada se susjedni slojevi tekućine pomiču jedan u odnosu na drugi, neizbježno dolazi do sudara molekula pored onog zbog na toplinsko kretanje. Tekućina u posudi, pokrenuta i prepuštena samoj sebi, postupno će prestati, ali će njena temperatura rasti.

ü Slobodno formiranje površine i površinska napetost.Zbog očuvanja volumena tekućina može formirati slobodnu površinu. Takva površina je površina za razdvajanje faza dane tvari: s jedne strane je tekuća faza, s druge - plinovita (parna) faza. Ako tekuća i plinovita faza iste tvari dođu u dodir, nastaju sile koje nastoje smanjiti sile površinske napetosti površine sučelja. Sučelje se ponaša kao elastična membrana koja se skuplja.

ü Isparavanje i kondenzacija

ü Ključanje

ü vlaženje- površinski fenomen koji nastaje kada tekućina dođe u dodir s čvrstom površinom u prisutnosti pare, odnosno na granici triju faza.

ü Mišljivost- sposobnost tekućina da se otapaju jedna u drugoj. Primjer tekućina koje se miješaju: voda i etilni alkohol, primjer tekućina koje se ne miješaju: voda i tekuće ulje.

ü Difuzija. Kada se dvije tekućine koje se miješaju nađu u posudi, kao rezultat toplinskog gibanja, molekule počinju postupno prolaziti kroz sučelje i tako se tekućine postupno miješaju. Taj se fenomen naziva difuzija (javlja se i u tvarima u drugim agregacijskim stanjima).

ü Pregrijavanje i hipotermija. Tekućina se može zagrijati iznad vrelišta na način da ne dođe do vrenja. To zahtijeva ravnomjerno zagrijavanje, bez značajnih temperaturnih razlika unutar volumena i bez mehaničkih utjecaja poput vibracija. Ako se nešto baci u pregrijanu tekućinu, odmah proključa. Pregrijanu vodu lako je dobiti u mikrovalnoj pećnici.Pothlađenje je hlađenje tekućine ispod točke smrzavanja bez prelaska u kruto agregacijsko stanje.

Eulerova jednadžba Navier-Stokesova jednadžba Difuzijska jednadžba Hookeov zakon

U pravilu, tvar u tekućem stanju ima samo jednu modifikaciju. (Najvažnije iznimke su kvantne tekućine i tekući kristali.) Stoga u većini slučajeva tekućina nije samo agregacijsko stanje, već i termodinamička faza (tekuća faza).

Sve tekućine obično se dijele na čiste tekućine i smjese. Neke mješavine tekućina su od velike važnosti za život: krv, morska voda itd. Tekućine mogu djelovati kao otapala.

Fizička svojstva tekućina

• Fluidnost

Fluidnost je glavno svojstvo tekućina. Ako se na dio tekućine u ravnoteži primijeni vanjska sila, tada dolazi do strujanja čestica tekućine u smjeru u kojem se ta sila primjenjuje: tekućina teče. Dakle, pod djelovanjem neuravnoteženih vanjskih sila tekućina ne zadržava oblik i relativni raspored dijelova, te stoga poprima oblik posude u kojoj se nalazi.

Za razliku od plastičnih čvrstih tvari, tekućina nema granicu tečenja: dovoljno je primijeniti proizvoljno malu vanjsku silu kako bi tekućina mogla teći.

• Očuvanje volumena

Jedno od karakterističnih svojstava tekućine je da ima određeni volumen (pod stalnim vanjskim uvjetima). Tekućinu je izuzetno teško mehanički komprimirati jer, za razliku od plina, između molekula ima vrlo malo slobodnog prostora. Tlak koji djeluje na tekućinu zatvorenu u posudi prenosi se bez promjene na svaku točku volumena te tekućine (Pascalov zakon, vrijedi i za plinove). Ova značajka, uz vrlo nisku kompresibilnost, koristi se u hidrauličkim strojevima.

Tekućine se obično povećavaju u volumenu (šire se) kada se zagrijavaju, a smanjuju volumen (smanjuju se) kada se hlade. Međutim, postoje iznimke, na primjer, voda se komprimira kada se zagrijava, pri normalnom tlaku i temperaturama od 0°C do oko 4°C.

• Viskoznost

Osim toga, tekućine (poput plinova) karakterizira viskoznost. Definira se kao sposobnost otpora kretanju jednog od dijelova u odnosu na drugi – odnosno kao unutarnje trenje.

Kada se susjedni slojevi tekućine pomiču jedan u odnosu na drugi, neminovno dolazi i do sudara molekula zbog toplinskog gibanja. Postoje sile koje usporavaju uređeno kretanje. U tom slučaju kinetička energija uređenog gibanja pretvara se u toplinsku energiju – energiju kaotičnog gibanja molekula.

Tekućina u posudi, pokrenuta i prepuštena samoj sebi, postupno će prestati, ali će njena temperatura rasti.

• Slobodno formiranje površine i površinska napetost

Zbog očuvanja volumena, tekućina može formirati slobodnu površinu. Takva površina je fazno sučelje dane tvari: s jedne strane je tekuća faza, s druge - plinovita (para), a moguće i drugi plinovi, kao što je zrak.

Ako su tekuća i plinovita faza iste tvari u kontaktu, nastaju sile koje teže smanjenju površine međupovršine – sile površinske napetosti. Sučelje se ponaša kao elastična membrana koja se skuplja.

Površinska napetost može se objasniti privlačenjem između tekućih molekula. Svaka molekula privlači druge molekule, nastoji se "okružiti" njima i stoga napustiti površinu. U skladu s tim, površina ima tendenciju smanjivanja.

Stoga mjehurići sapuna i mjehurići tijekom vrenja imaju tendenciju da poprime sferni oblik: za dati volumen lopta ima minimalnu površinu. Ako na tekućinu djeluju samo sile površinske napetosti, ona će nužno poprimiti sferni oblik – na primjer, voda pada u bestežinskom stanju.

Mali objekti s gustoćom većom od gustoće tekućine u stanju su "plutati" na površini tekućine, budući da je sila gravitacije manja od sile koja sprječava povećanje površine. (Vidi površinska napetost.)

• Isparavanje i kondenzacija

• Difuzija

Kada se dvije tekućine koje se miješaju nađu u posudi, kao rezultat toplinskog gibanja, molekule počinju postupno prolaziti kroz sučelje i tako se tekućine postupno miješaju. Taj se fenomen naziva difuzija (javlja se i u tvarima u drugim agregacijskim stanjima).

• Pregrijavanje i hipotermija

Tekućina se može zagrijati iznad vrelišta na način da ne dođe do vrenja. To zahtijeva ravnomjerno zagrijavanje, bez značajnih temperaturnih razlika unutar volumena i bez mehaničkih utjecaja poput vibracija. Ako se nešto baci u pregrijanu tekućinu, odmah proključa. Pregrijanu vodu lako je dobiti u mikrovalnoj pećnici.

Pothlađivanje - hlađenje tekućine ispod točke smrzavanja bez prelaska u čvrsto agregatno stanje. Kao i kod pregrijavanja, pothlađivanje zahtijeva odsutnost vibracija i značajnih temperaturnih fluktuacija.

• valovi gustoće

Iako je tekućinu iznimno teško komprimirati, njezin se volumen i gustoća mijenjaju kako se tlak mijenja. To se ne događa odmah; dakle, ako je jedan dio komprimiran, onda se takav kompresija prenosi na druge sekcije sa zakašnjenjem. To znači da se elastični valovi, točnije valovi gustoće, mogu širiti unutar tekućine. Zajedno s gustoćom mijenjaju se i druge fizikalne veličine, na primjer temperatura.

Ako se tijekom širenja vala gustoća prilično slabo mijenja, takav se val naziva zvučni val ili zvuk.

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

Valovi gustoće u tekućini su longitudinalni, odnosno gustoća se mijenja duž smjera širenja vala. U tekućini nema poprečnih elastičnih valova zbog neočuvanja oblika.

Elastični valovi u tekućini s vremenom opadaju, njihova energija se postupno pretvara u toplinsku energiju. Razlozi za prigušivanje su viskoznost, "klasična apsorpcija", molekularna relaksacija i drugi. U ovom slučaju djeluje takozvana druga, ili bulk viskoznost - unutarnje trenje s promjenom gustoće. Kao rezultat slabljenja, udarni val se nakon nekog vremena pretvara u zvučni val.

Elastični valovi u tekućini također su podložni raspršenju nehomogenostima koje su posljedica nasumičnog toplinskog gibanja molekula.

• Valovi na površini

Ako se površina tekućine pomakne iz ravnotežnog položaja, tada se pod djelovanjem povratnih sila površina počinje vraćati u ravnotežni položaj. To kretanje, međutim, ne prestaje, već prelazi u oscilatorno kretanje u blizini ravnotežnog položaja i širi se na druga područja. Ovako se pojavljuju valovi na površini tekućine.

Ako je obnavljajuća sila pretežno gravitacija, tada se takvi valovi nazivaju gravitacijskim valovima (ne treba ih brkati s gravitacijskim valovima). Gravitacijski valovi na vodi mogu se vidjeti posvuda.

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

Ako su te sile usporedive, takvi se valovi nazivaju kapilarno-gravitacijskim valovima.

Valovi na površini tekućine prigušeni su viskoznošću i drugim čimbenicima.

• Suživot s drugim fazama

Formalno gledano, za ravnotežnu koegzistenciju tekuće faze s drugim fazama iste tvari – plinovitom ili kristalnom – potrebni su strogo definirani uvjeti. Dakle, pri danom tlaku potrebna je strogo definirana temperatura. Ipak, u prirodi i tehnologiji, svugdje tekućina koegzistira s parom, ili također s čvrstim agregatnim stanjem - na primjer, voda s vodenom parom i često s ledom (ako paru promatramo kao zasebnu fazu koja je prisutna uz zrak). To je zbog sljedećih razloga.

Neuravnoteženo 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. Tekućina u zatvorenoj posudi počinje isparavati, ali budući da je volumen ograničen, tlak pare raste, postaje zasićen i prije nego što je tekućina potpuno isparila, ako je njezina količina bila dovoljno velika. Kada se postigne stanje zasićenja, količina isparene tekućine jednaka je količini kondenzirane tekućine, sustav dolazi u ravnotežu. Tako se u ograničenom volumenu mogu uspostaviti uvjeti potrebni za ravnotežni suživot tekućine i pare.

Prisutnost atmosfere u uvjetima zemaljske gravitacije. Atmosferski tlak djeluje na tekućinu (zrak i para), dok se za paru praktički mora uzeti u obzir samo parcijalni tlak. Prema tome, tekućina i para iznad njezine površine odgovaraju različitim točkama na faznom dijagramu, u području postojanja tekuće faze, odnosno u području postojanja plinovitog. To ne poništava isparavanje, ali za isparavanje je potrebno vrijeme tijekom kojeg obje faze koegzistiraju. Bez ovog uvjeta, tekućine bi vrlo brzo ključale i isparile.

Teorija

Mehanika

Proučavanje gibanja i mehaničke ravnoteže tekućina i plinova te njihove međusobne interakcije i s čvrstim tijelima predmet je dijela mehanike - hidroaeromehanike (koje se često naziva i hidrodinamika). Mehanika fluida dio je općenitije grane mehanike, mehanike kontinuuma.

Mehanika fluida je grana mehanike fluida koja se bavi nestlačivim tekućinama. Budući da je kompresibilnost tekućina vrlo mala, u mnogim slučajevima se može zanemariti. Plinska dinamika je posvećena proučavanju stišljivih tekućina i plinova.

Hidromehanika se dijeli na hidrostatiku, koja proučava ravnotežu nestlačivih tekućina, i hidrodinamiku (u užem smislu), koja proučava njihovo gibanje.

Gibanje električno vodljivih i magnetskih tekućina proučava se u magnetohidrodinamici. Hidraulika se koristi za rješavanje primijenjenih problema.

Osnovni zakon hidrostatike je Pascalov zakon.

2. Tekućine iz dvoatomskih molekula koje se sastoje od identičnih atoma (tekući vodik, tekući dušik). Takve molekule imaju kvadrupolni moment.

4. Tekućine koje se sastoje od polarnih molekula povezanih dipol-dipol interakcijom (tekući bromovodik).

5. Povezane tekućine, ili tekućine s vodikovim vezom (voda, glicerin).

6. Tekućine koje se sastoje od velikih molekula, za koje su bitni unutarnji stupnjevi slobode.

Tekućine prve dvije skupine (ponekad tri) obično se nazivaju jednostavnima. Jednostavne tekućine proučavane su bolje od drugih; od složenih tekućina, voda je najbolje proučavana. Ova klasifikacija ne uključuje kvantne tekućine i tekuće kristale, koji su posebni slučajevi i moraju se razmatrati zasebno.

Statistička teorija

Struktura i termodinamička svojstva tekućina najuspješnije se proučavaju pomoću Percus-Yevickove jednadžbe.

Ako koristimo model čvrstih kuglica, odnosno molekule tekućine smatramo kuglicama promjera d, tada se Percus-Yevickova jednadžba može analitički riješiti i dobiti jednadžba stanja tekućine:

gdje n- broj čestica po jedinici volumena, je bezdimenzionalna gustoća. Pri malim gustoćama ova jednadžba postaje idealna plinska jednadžba stanja: . Za ekstremno velike gustoće, , dobiva se jednadžba stanja za nestlačivu tekućinu: .

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

Ako se žele dobiti točniji rezultati, onda se najbolji opis strukture i svojstava tekućine postiže korištenjem teorije perturbacija. U ovom slučaju model tvrde kugle smatra se nultom aproksimacijom, a privlačne sile između molekula smatraju se perturbacijama i daju korekcije.

teorija klastera

Jedna od modernih teorija je "teorija klastera". Temelji se na ideji da se tekućina predstavlja kao kombinacija krute tvari i plina. U tom slučaju čestice čvrste faze (kristali koji se kreću na kratkim udaljenostima) nalaze se u oblaku plina, tvoreći struktura klastera. Energija čestice odgovara Boltzmannovoj raspodjeli, dok prosječna energija sustava ostaje konstantna (pod uvjetom njegove izolacije). Spore čestice sudaraju se s grozdovima i postaju dio njih. Dakle, konfiguracija klastera se kontinuirano mijenja, sustav je u stanju dinamičke ravnoteže. Prilikom stvaranja vanjskog utjecaja sustav će se ponašati prema Le Chatelierovom principu. Dakle, lako je objasniti faznu transformaciju:

• Kada se zagrije, sustav će se postupno pretvoriti u plin (kipi)
• Kada se ohladi, sustav će se postupno pretvoriti u čvrsto tijelo (zamrzavanje).

Eksperimentalne metode proučavanja

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

vidi također

• Značajke površinskog sloja tekućine

Linkovi

Tekućine tvari koje se u normalnim uvjetima nalaze u tekućem agregatnom stanju nazivaju se. Prema vanjskim znakovima, ovo stanje karakterizira prisutnost konstantnog volumena za određeni dio tekućine, fluidnost i sposobnost postupnog isparavanja. Pravi oblik tekućine je lopta (kap), koja pod djelovanjem površinske napetosti tvori tekućinu. To je moguće u nedostatku gravitacije. Kapljice nastaju prilikom slobodnog pada tekućine, a u prostoru letjelice, u uvjetima bestežinskog stanja, značajan volumen tekućine može poprimiti oblik lopte. U mirnom stanju, tekućina se širi po površini ili ispunjava volumen bilo koje posude. Među anorganskim tvarima tekućine su voda, brom, živa i nekoliko stabilnih bezvodnih kiselina (sumporna, fluorovodična itd.). Među organskim spojevima ima puno tekućina: ugljikovodici, alkoholi, kiseline itd. Gotovo svi homologni nizovi organskih spojeva sadrže tekućine. Pri hlađenju plinovi prelaze u tekuće stanje, a zagrijavanjem metali, stabilne soli, metalni oksidi.

Tekućine se prema prirodi sastavnih čestica mogu podijeliti na atomske (ukapljeni plemeniti plinovi), molekularne (najobičnije tekućine), metalne (otopljeni metali), ionske (otopljene soli, metalni oksidi). Osim pojedinih tvari, u tekućem stanju postoje mješavine tekućina i otopine najrazličitijih tvari u tekućinama. Voda ima najveću praktičnu važnost među tekućinama, što je određeno njenom jedinstvenom ulogom biološkog otapala. U kemiji i primijenjenim područjima tekućine su, uz plinove, najvažnije kao medij za provođenje svih vrsta procesa pretvorbe tvari. Tekućine se također koriste za prijenos topline kroz cijevi, u hidrauličkim uređajima - kao radni fluid, kao mazivo za pokretne dijelove strojeva.

U tekućem stanju tvari čestice su smještene na udaljenosti blizu zbroja njihovih van der Waalsovih radijusa. Potencijalna energija molekula postaje negativna u odnosu na njihovu energiju u plinu. Da bi ga prevladale tijekom prijelaza u plinovito stanje, molekulama je potrebna kinetička energija približno jednaka potencijalnoj energiji. Stoga je tvar u tekućem stanju u takvom temperaturnom rasponu u kojem je prosječna kinetička energija približno jednaka potencijalnoj energiji interakcije ili niža od nje, ali ne pada na nulu.

Među molekulama plina i tekućine postoje i brže i sporije molekule u odnosu na prosječnu brzinu njihova kretanja. Brze molekule prevladavaju privlačenje i prelaze u plinovitu fazu u prisutnosti slobodnog volumena. Tijekom isparavanja tekućina se hladi zbog gubitka bržih molekula. Iznad površine tekućine u zatvorenom volumenu uspostavlja se određeni tlak njezine pare, ovisno o prirodi tekućine i o temperaturi. Ovisnost je izražena eksponencijalnom jednadžbom

gdje e - baza prirodnih logaritama; R- univerzalna plinska konstanta; DYa ISP - molarna toplina isparavanja tekućine; L - konstantan, ovisno o svojstvima tekućine.

Analiza jednadžbe pokazuje da tlak pare tekućine brzo raste s porastom temperature, budući da je temperatura u nazivniku negativnog eksponenta. Jednadžba (7.13) je prilično točna pod uvjetom da je temperatura znatno niža od kritične temperature pare dane tvari.

Kada se postigne temperatura pri kojoj tlak pare tekućine postane jednak atmosferskom tlaku, tekućina zavrije. To pretpostavlja da se iznad površine tekućine nalazi zrak. Međutim, ako je tekućina zatvorena u zatvorenoj posudi, na primjer, u cilindru, s klipom koji proizvodi tlak jednak atmosferskom (101,3 kPa), tada kada se tekućina zagrije do točke vrelišta, para još nije nastala iznad tekućine. Kada se prekorači vrelište, pojavit će se para, t.j. plinskoj fazi, a klip će se početi dizati kako se dovodi toplina i povećava volumen pare (slika 7.4).

Riža. 7.4.

Tekućine koje ključaju na temperaturama ispod vrelišta vode obično se nazivaju nestalan. Iz otvorene posude brzo nestaju. Pri vrelištu od 20-22 ° C, tvar se zapravo pokazuje kao granica između hlapljive tekućine i lako ukapljenog plina. Primjeri takvih tvari su acetaldehid CH 3 CHO (? bp = 21°C) i fluorovodik HF (? bp = 19,4° C).

Praktično važne fizikalne karakteristike tekućina, osim točke vrelišta, su ledište, boja, gustoća, koeficijent viskoznosti i indeks loma. Za homogene medije, kao što su tekućine, indeks loma se lako mjeri i služi za identifikaciju tekućine. Neke tekućine konstante dane su u tablici. 7.3.

Ravnoteža između tekuće, čvrste i plinovite faze dane tvari prikazana je kao dijagrami stanja. Na sl. 7.5 prikazuje dijagram stanja vode. Dijagram stanja je graf koji prikazuje tlak zasićene pare u odnosu na temperaturu za tekuću vodu i led (krivulje OA i OB) i ovisnost točke taljenja vode o tlaku (krivulja OS). Prisutnost malog tlaka pare nad ledom (krivulja OB) znači da led može ispariti (sublimirati) ako je tlak vodene pare u zraku manji od ravnotežnog tlaka iznad leda. Isprekidana linija koja nastavlja krivulju OA lijevo od točke O, odgovara tlaku pare nad prehlađenom vodom. Taj je tlak veći od tlaka pare nad ledom na istoj temperaturi. Stoga je prehlađena voda nestabilna i može se spontano pretvoriti u led. Ponekad se po hladnom vremenu javlja pojava oborina čije se kapi pretvaraju u led kada udare o tvrdu podlogu. Na površini se stvara ledena kora. Treba napomenuti da i druge tekućine mogu biti u nestabilnom prehlađenom stanju.

Neke praktički važne tekućine

Riža. 75.

Krivulje dijele dijagram na tri polja - voda, led i para. Svaka točka na dijagramu znači određeno stanje sustava. Točke unutar polja odgovaraju postojanju vode samo u jednoj od tri faze. Na primjer, pri 60 °C i tlaku od 50 k11a voda postoji samo u tekućem stanju. Točke na krivuljama OA, OV i OS, odgovaraju ravnoteži između dvije faze. Na primjer, pri temperaturama i pritiscima duž krivulje OA voda i para su u ravnoteži. Točka presjeka O triju krivulja s koordinatama 0,61 kPa i 0,01 °C odgovara ravnoteži između tri faze vode - leda, tekuće vode i njezine pare. Ovaj tzv trostruka točka vode. Navedena temperatura je 0,01 °C viša od normalne točke smrzavanja vode 0 °C, što se odnosi na tlak od 101,3 kPa. Iz ovoga slijedi da se povećanjem vanjskog tlaka temperatura ledišta vode smanjuje. Navedimo još jednu točku: pri tlaku od 615 atm (6,23-10 4 kPa), točka smrzavanja vode pada na -5 ° C.

Po sposobnosti međusobnog miješanja, tekućine se oštro razlikuju od plinova. U tekućinama, za razliku od plinova, međumolekularna interakcija igra važnu ulogu. Stoga se samo takve tekućine miješaju jedna s drugom u bilo kojim omjerima koji su dovoljno bliski u smislu energije međumolekularne interakcije. Na primjer, između molekula vode ne djeluju samo Waider Waalsove sile, već se stvaraju i vodikove veze. Stoga se s vodom miješaju razne tekućine čije molekule također mogu stvarati vodikove veze s vodom: fluorovodik, mnoge kiseline koje sadrže kisik, niži članovi homolognog niza alkohola, aceton itd. Tekućine koje ne stvaraju vodikove veze ili spriječiti stvaranje takvih veza između molekula vode, ne miješaju se s vodom, ali mogu, u ovom ili onom stupnju, t.j. ograničeno otopiti. Dakle, alkoholi s radikalima koji se sastoje od četiri ili više atoma ugljika su ograničeno topljivi u vodi, budući da radikali, nalazeći se između molekula vode, ometaju stvaranje vodikovih veza i potiskuju se iz volumena vode.

Unutarnju građu tekućina karakterizira kako relativno slobodno međusobno kretanje molekula tako i pojava strukture koja tekućinu približava čvrstom stanju. Gore je rečeno da se X-zrake raspršuju na uređenim atomima u kristalima. Maksimumi intenziteta raspršenja javljaju se pod određenim kutovima upada početne zrake na ravnine koje formiraju atomi unutar kristala. X-zrake se također raspršuju u tekućinama. Pri malom kutu upada, koji odgovara raspršenju blisko raspoređenih atoma, pojavljuje se maksimum, što ukazuje na prisutnost reda u najbližem okruženju atoma. Međutim, kako se kut upada povećava, maksimumi brzo opadaju, što ukazuje na nepostojanje pravilnog rasporeda za udaljene atome. Dakle, može se reći za tekućine koje sadrže zatvori red, s odsutnošću daleki red.

Strukturiranje tekućina otkriva se proučavanjem različitih fizikalnih svojstava. Poznato je, primjerice, da kada se voda ohladi na 4°C postaje gušća, a kada se dodatno ohladi, ponovno se počinje širiti. To se objašnjava stvaranjem više otvorene strukture koja odgovara smjeru vodikovih veza između molekula. Nakon smrzavanja te se veze konačno stabiliziraju, što proizlazi iz smanjenja gustoće leda.

Tekućine zauzimaju međupoložaj između plinovitih i čvrstih tvari. Na temperaturama blizu vrelišta, svojstva tekućina približavaju se svojstvima plinova; na temperaturama blizu tališta, svojstva tekućina približavaju se osobinama krutih tvari. Ako čvrste tvari karakterizira strogi poredak čestica koje se protežu na udaljenosti do stotina tisuća interatomskih ili međumolekularnih polumjera, tada u tekućoj tvari obično nema više od nekoliko desetaka uređenih čestica - to se objašnjava činjenica da brzo nastaje i poredak između čestica na različitim mjestima tekuće tvari. , kao i opet "razmazan" toplinskom vibracijom čestica. Istodobno, ukupna gustoća pakiranja čestica tekuće tvari malo se razlikuje od čvrste tvari - stoga je njihova gustoća bliska gustoći krutih tvari, a kompresibilnost je vrlo niska. Na primjer, da bi se volumen koji zauzima tekuća voda smanjio za 1%, potrebno je primijeniti tlak od ~ 200 atm, dok je za isto smanjenje volumena plinova potreban tlak reda veličine 0,01 atm. Stoga je kompresibilnost tekućina približno i 200:0,01 = 20 000 puta manja od stlačivosti plinova.

Gore je navedeno da tekućine imaju određeni vlastiti volumen i poprimaju oblik posude u kojoj se nalaze; ta su svojstva mnogo bliža osobinama čvrste nego plinovite tvari. Neposrednu blizinu tekućeg stanja čvrstom stanju potvrđuju i podaci o standardnim entalpijama isparavanja ∆N° exp i standardnim entalpijama taljenja ∆N° pl. Standardna entalpija isparavanja nazovite količinu topline koja je potrebna da se 1 mol tekućine pretvori u paru pri 1 atm (101,3 kPa). Ista se količina topline oslobađa kada se 1 mol pare kondenzira u tekućinu pri 1 atm. Količina topline utrošena na pretvorbu 1 mola krutine u tekućinu pri 1 atm naziva se standardna entalpija fuzije(ista količina topline oslobađa se pri "zamrzovanju" ("stvrdnjavanju") 1 mola tekućine na 1 atm). Poznato je da je ∆N° pl mnogo manji od odgovarajućih vrijednosti ∆N° exp, što je lako razumjeti, budući da je prijelaz iz čvrstog u tekuće stanje popraćen manjim kršenjem međumolekularnog privlačenja od prijelaz iz tekućeg u plinovito stanje.

Brojna druga važna svojstva tekućina više podsjećaju na svojstva plinova. Dakle, poput plinova, tekućine mogu teći – njihovo svojstvo naziva se fluidnost. Otpor protoku određuje viskozitet. Na fluidnost i viskoznost utječu privlačne sile između molekula tekućine, njihova relativna molekularna težina i niz drugih čimbenika. Viskoznost tekućina je ~100 puta veća od viskoznosti plinova. Baš kao i plinovi, tekućine se mogu difundirati, iako mnogo sporije, jer su čestice tekućine pakirane mnogo gušće od čestica plina.

Jedno od najvažnijih svojstava tekućine je njezino površinska napetost(Ovo svojstvo nije svojstveno ni plinovima ni krutim tvarima). Molekula u tekućini podvrgnuta je jednolikim međumolekularnim silama sa svih strana. Međutim, na površini tekućine ravnoteža tih sila je poremećena, a kao rezultat toga, "površinske" molekule su pod djelovanjem određene rezultantne sile usmjerene unutar tekućine. Zbog toga je površina tekućine u stanju napetosti. Površinska napetost- to je minimalna sila koja sputava kretanje čestica tekućine u dubinu tekućine i na taj način sprječava kontrakciju površine tekućine. Upravo površinska napetost objašnjava "kapljičasti" oblik čestica tekućine koje slobodno padaju.

Za razliku od plinova, između tekućih molekula djeluju prilično velike sile međusobnog privlačenja, što određuje osebujnu prirodu molekularnog gibanja. Toplinsko gibanje molekule tekućine uključuje oscilatorna i translacijska gibanja. Svaka molekula neko vrijeme oscilira oko određene ravnotežne točke, zatim se pomiče i opet zauzima novi ravnotežni položaj. To određuje njegovu fluidnost. Sile međumolekularne privlačnosti ne dopuštaju molekulama da se udaljavaju jedna od druge tijekom svog kretanja. Ukupni učinak privlačenja molekula može se predstaviti kao unutarnji tlak tekućina, koji doseže vrlo visoke vrijednosti. To objašnjava postojanost volumena i praktičnu nestišljivost tekućina, iako lako poprimaju bilo koji oblik.

Uz pomoć snažnog mikroskopa možemo razlikovati nekoliko velikih elemenata u tragovima na kosi. Sada, u mikronu, još uvijek možete pronaći mjesto od deset tisuća atoma naslaganih u nizu: njihova je prosječna veličina, zapravo, desetinka 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 1980-ih. S besprijekornim vrhom koji ispituje metalnu površinu, oni mjere slabije električne struje povezane s površinskim atomima, a zatim rekonstruiraju njihovu sliku. Promjenom mikroskopa atomske sile može se dobiti slika atoma čak i ako je površina izolirana i stoga je ne prelaze struje.

Svojstva tekućina također ovise o volumenu molekula, njihovom obliku i polaritetu. Ako su molekule tekućine polarne, tada se dvije ili više molekula spajaju (povezuju) u složeni kompleks. Takve tekućine nazivaju se povezane tekućine. Pridružene tekućine (voda, aceton, alkoholi) imaju više točke vrelišta, manju hlapljivost i veću dielektričnu konstantu. Na primjer, etilni alkohol i dimetil eter imaju istu molekularnu formulu (C 2 H 6 O). Alkohol je pridružena tekućina i vrije na višoj temperaturi od dimetil etera, koji nije pridružena tekućina.

Ako želite znati kako se atomi uklapaju unutar uzorka ili kako se kreću, trebali biste koristiti jedan od različitih tipova spektrometara koji su izumljeni u posljednja dva stoljeća. Ovi instrumenti se koriste za bilježenje promjene svjetlosti, X-zraka ili svjetlosnih čestica kao što su elektroni ili neutroni dok prolaze kroz materijal. Iz promjena koje su ove brze "sonde" pretrpjele, to se može pratiti unatrag do načina na koji se računala tretiraju na način na koji se uzorak "izrađuje".

Fizičari, kemičari i biolozi najčešće koriste sinkrotronsko svjetlo kao sondu za proučavanje strukture materije. Ovo je vrlo intenzivno bijelo zračenje koje stvaraju elektroni koji se kreću u kružnim orbitama brzinom bliskom brzini svjetlosti. Sinkrotroni, koji se sada ispravnije nazivaju klasteri, izvrsni su strojevi koje su sve industrijalizirane zemlje upravo izgradile za primanje ove dragocjene svjetlosti: najmoderniji talijanski prsten nazvan Elettra izgrađen je u blizini Trsta.

Tekuće stanje karakteriziraju fizička svojstva kao što su gustoća, viskoznost, površinska napetost.

Površinska napetost.

Stanje molekula u površinskom sloju značajno se razlikuje od stanja molekula u dubini tekućine. Razmotrimo jednostavan slučaj - tekućina - para (slika 2).

Riža. 2. Djelovanje međumolekularnih sila na granicu i unutar tekućine

Proučavanje strukture materije nije motivirano isključivo znanstvenom znatiželjom. Na temelju svakodnevnog iskustva, čovjek je davno naučio klasificirati sva tijela u tri kategorije ili stanja materije: ona poput mača koji je držao, tekućine poput vode koju je pio i plinove poput zraka za disanje. Također je znao da se ta stanja mogu preobraziti jedno u drugo: na primjer, vidio je da je voda postala zimski led, a prije više od tri tisuće godina već je znao da će otopiti željezo u lončiću.

Ali kako su stvari među njima toliko različite? Prve znanstvene studije o prirodi materije odnose se na mjere koje su plinovi poduzeli od Evangeliste Torricellija - učenika Galilea Galileija i francuskog suvremenika Blaisa Pascala. Također je utvrđeno da kada se plin sadržan u određenom volumenu zagrijava, njegov tlak raste. Međutim, trebalo je još dva stoljeća da se shvati mikroskopsko podrijetlo pritiska.

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

Na molekulu (a) jednoliko utječu međumolekularne sile iz okolnih molekula, pa se sile međumolekularne interakcije kompenziraju, rezultanta tih sila jednaka je nuli (f=0).

Za razliku od plina, međutim, tekućine zauzimaju određeni volumen: kišna kap može dospjeti do tla s velike visine, a da se ne rasprši, budući da plin jednostavno otvara ventil cilindra u kojem se nalazi. To znači da u tekućini atome zajedno drže jake privlačne sile, koje su, kao što danas znamo, elektromagnetske prirode. Samo se nekoliko molekula slučajno ukloni s površine, tj. ispari, dok se druge ponovno uhvate i prisile na kondenzaciju. Tako se u zatvorenom okruženju uvijek uspostavlja ravnoteža između tekućine i njezine pare.

Gustoća pare je mnogo manja od gustoće tekućine, budući da su molekule daleko jedna od druge. Stoga molekule u površinskom sloju gotovo ne doživljavaju silu privlačenja tih molekula. Rezultanta svih ovih sila bit će usmjerena unutar tekućine okomito na njezinu površinu. Dakle, površinske molekule tekućine uvijek su pod utjecajem sile koja ih nastoji uvući i time smanjiti površinu tekućine.

Tekućine također mogu nositi električnu energiju kada postoje slobodne tvari koje se nazivaju elektroliti: njihovi atomi gube elektron, pretvaraju se u pozitivne ione ili ih dobivaju, pretvarajući se u negativne ione. Ovako radi akumulator automobila.

Gotovo sve tekućine smanjuju se u volumenu kada se skruću: voda je iznimka, a kada postane led, širi se. Međutim, između tijela u tekućem i čvrstom stanju, razlika u volumenu nije jako velika, što znači da su u oba stanja atomi vrlo blizu jedan drugome. Međutim, ako promatramo površinu krute tvari mikroskopom atomske sile, uočavamo redovitu izmjenu praznina i vrlo se razlikuju od kaotičnog poremećaja za koji znamo da postoji u tekućini zbog Brownovog gibanja.

Za povećanje sučelja tekućine potrebno je potrošiti rad A (J). Rad potreban za povećanje sučelja S za 1 m 2 je mjera površinske energije odn površinska napetost.

Tako, površinska napetost d (J / m 2 \u003d Nm / m 2 \u003d N / m) - rezultat nekompenziranih međumolekulskih sila u površinskom sloju:

Ovaj uzorak atoma nalazi se, iako u različitim oblicima, u strukturi svih kristala koji postoje u prirodi. Ovaj pravilni oblik je kubičan, piramidalan, šesterokutni, itd. - ponavlja se milijarde puta u milijardama puta: a uzorak može biti toliko savršen da ga nalazimo u istom vanjskom obliku kristala. Samo u nekoliko čvrstih tijela atomi su nasumični: to su amorfne krutine, a najčešće je staklo.

Čak se i atomi čvrstog kretanja kreću: vibriraju kao da su međusobno pričvršćeni nevidljivim oprugama. Ove "opruge" su zapravo elektromagnetske sile između atoma i atoma, posebno intenzivne u čvrstim tvarima. Vibracije povećavaju amplitudu s temperaturom i nestalne su, poput pokreta ljudi natrpanih poput sardina koji čekaju na rock koncert; ali atomi također mogu vibrirati unisono, baš kao što publika vibrira kada počne glazba. Zbog tih vibracija naređujete da zvuk, primjerice, putuje s jednog kraja na drugi od čvrstog tijela puno bolje nego u zraku.

e = F/S (F je površinska energija) (2.3)

Postoji mnogo metoda za određivanje površinske napetosti. Najčešći su stalagmometrijska metoda (metoda brojanja kapi) i metoda najvećeg tlaka plinskih mjehurića.

Metodama rendgenske difrakcijske analize utvrđeno je da u tekućinama postoji određena urednost u prostornom rasporedu molekula u pojedinačnim mikrovolumenima. U blizini svake molekule opaža se takozvani poredak kratkog dometa. Na određenoj udaljenosti od nje ova je pravilnost narušena. I u cijelom volumenu tekućine nema reda u rasporedu čestica.

Kao što možete vidjeti u nekim western filmovima, kada prislonite uho na tračnice, zbog nevidljivih vibracija atoma željeza, možete osjetiti buku vlaka dok je još daleko. Kako su ljudi naučili iskorištavati izvanredna svojstva čvrstih tijela, ovo stanje materije promijenilo je njihovo postojanje i njihovu povijest. Zbog tvrdoće metala izrađivali su oruđe i oružje do bronce, a potom i željeza. Prozirnost stakla omogućila je život u toplim i svijetlim okruženjima, a kasnije i proizvodnju leća, mikroskopa i teleskopa.

Dragocjeni sjaj i nepromjenjivost zlata, srebra i bakra sugerirali su izum kovanog novca, iz kojeg je nastala moderna ekonomija. Vidimo odvijač: duša je metalna, ali ručka je od drveta ili plastike. Znamo da nas ta zaštita ne drhti, odnosno izolira od struje. Zapravo, postoje čvrste tvari koje se nazivaju vodiči koji prenose struju, metali i čvrste tvari koje nemaju, kao što su drvo i plastika, koje su izolacijske.

Riža. 3. Stalagmometar 4. Viskozimetar

Viskoznost h (Pa s) - svojstvo otpora kretanju jednog dijela tekućine u odnosu na drugi. U praktičnom životu osoba se suočava s velikim brojem tekućih sustava čija je viskoznost različita - voda, mlijeko, biljna ulja, kiselo vrhnje, med, sokovi, melasa itd.

Slobodni elektroni i elektroni. Kako objasniti razlike između izolatora i vodiča u mikroskopskom svijetu atoma? U izolatoru su atomi neutralni, t.j. svi negativni elektroni, koji savršeno kompenziraju pozitivan naboj jezgri, ostaju gusti. Ako je ovaj izolator spojen na dva pola strujnog generatora, ne može osigurati besplatno punjenje i stoga struja ne teče. Umjesto toga, metal se sastoji od pozitivnih iona koji su izgubili svoje elektrone dalje od jezgre: te se čestice mogu kretati u kristalu, kao što je slučaj s negativnim ionima u vodljivoj tekućini, i stoga, budući da svaki od njih nosi naboj zajedno voze struju.

Viskoznost tekućina posljedica je međumolekularnih učinaka koji ograničavaju mobilnost molekula. Ovisi o prirodi tekućine, temperaturi, tlaku.

Viskoznost se mjeri uređajima koji se nazivaju viskozimetri. Izbor viskozimetra i metode za određivanje viskoznosti ovisi o stanju ispitivanog sustava i njegovoj koncentraciji.

Žarulja od 60 W kroz nit je teška 4 milijarde milijardi elektrona u sekundi! Filament se zagrijava jer su pozitivni ioni metala blokirani u kretanju elektrona. Da je kristalna rešetka savršeno glatka, a ioni čvrsti, otpor ne bi bio nikakav i niti ne bi postalo svjetleće; ali, kao što smo već rekli, ioni vibriraju, a uz to u kristalu uvijek postoje nedostaci i nečistoće, koje usporavaju elektrone.

Budući da ne nailazi na otpor, pa stoga ne crpi struju, struja može neometano teći u supravodljivi krug bez potrebe za baterijom ili drugim generatorom: to je superstruja. Zapravo, viđeni su u prenaponom laboratoriju koji je kružio godinama i godinama sve dok eksperiment nije prekinut slučajnim uzrocima!

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

Plan predavanja:

1 Značajke tekućeg stanja

2 Površinska napetost tekućine i metode za njezino određivanje

3 Viskoznost tekućina

4 Značajke čvrstog stanja tvari

Nažalost, supravodljivost se opaža samo pri vrlo niskim temperaturama. Stoga dobro djeluju u blizini temperature ukapljivanja zraka. Budući da je tekući zrak ekonomično i lako za proizvodnju rashladno sredstvo, ovo otkriće otvorilo je nove primjene za supravodljivost. To će omogućiti čovječanstvu da uštedi ogromne količine energije ili proizvede površinska računala. Superstruje su također sposobne stvoriti jaka magnetska polja, koja su zauzvrat trajna.

Budući da se dva magnetska polja okrenuta prema polovima istog imena odbacuju, ako se supravodič spusti na magnetizirani čelični disk, može se podići i početi levitirati. Znanstvenici su zapravo uspjeli učiniti ono što mađioničari i iluzionisti svojim trikovima pokazuju javnosti. Poluvodiči su jaki sa tendencijom prema izolacijskoj prirodi, ali mogu poprimiti više ili manje izražena metalna svojstva kada su dopirani, tj. "kontaminirani" atomima drugih tvari.

1. Tekućine po svojim svojstvima zauzimaju međupoložaj između plinova i krutih tvari. Poput plinova, tekućine su fluidne i ujednačene po svojstvima u svim smjerovima, odnosno izotropne. Kretanje molekula tekućine je nasumično, kao u plinovima, ali je prosječni raspon molekula zbog velikih sila međudjelovanja među njima mali. Sile međumolekularne privlačnosti ne dopuštaju da se molekule udaljavaju jedna od druge na velike udaljenosti, stoga je svaka molekula tekućine u sferi djelovanja susjednih molekula. Prema tome, tekućine karakterizira konstantan volumen. Iako su sile međumolekularne kohezije velike, one su još uvijek nedovoljne da zadrže molekule na određenim točkama u prostoru. Stoga tekućina nema trajni oblik, već poprima oblik posude u kojoj se nalazi.

No, najvažnije je da u poluvodiču struju stvaraju ne samo elektroni, već i nositelji pozitivnog naboja, tzv. Najviše korišteni poluvodič je silicij, jedan od najčešćih elemenata u zemljinoj kori.

Tako se velikim elektroničkim komponentama može postići samo nekoliko desetaka nanometara: deseci milijuna tranzistora, dioda i drugih komponenti pronađeni su u komadu silicija veličine čavala. Ovi integrirani krugovi danas su srce svakog elektroničkog uređaja: od računala ili mobilnog čipa do upravljačke jedinice automobila. Pretpostavimo da imamo gumenu kuglicu volumena od oko litru napunjenu plinom i uvježbajte u njoj rupu iz koje ćemo ispustiti plin. Pretpostavimo da iz rupe izlazi ogroman broj atoma u sekundi, recimo milijarda.

Proučavanje tekućina pokazalo je da su po svojoj unutarnjoj građi još bliže krutim tvarima. Molekule tekućine teže nekom uređenom rasporedu u prostoru; tekućine imaju elastičnost u rasutom stanju, poput krutih tvari, budući da su elastično otporne ne samo na svestrano kompresiju, već i na svestrano istezanje.

Koliko je vremena potrebno da se iscrpi sav plin? Razlog je taj što se u litri plina nalazi izvanredan broj atoma, a njihovo izvlačenje nije mali posao! Kakav bijeli dim vidimo na loncu za tjesteninu? Parna voda, koja se stvara u izobilju, dok tekuća voda mjehuri, je prozirna na sunčevoj svjetlosti ili žarulji, pa je ne možemo vidjeti. Međutim, kako se para diže, dolazi u dodir s najhladnijim zrakom u kuhinji i pamti se u obliku sfernih kapljica. Oni su poput onih koji tvore bijele oblake neba: previše lagani i premali da bi ih razlikovali.

Svojstva tekućina također ovise o volumenu molekula, njihovom obliku i polaritetu. Tekućine koje formiraju polarne molekule razlikuju se po svojstvima od nepolarnih. Susjedne polarne molekule međusobno su orijentirane suprotnim krajevima dipola; u tom slučaju između njih nastaju sile elektrostatičkog privlačenja. Postoji asocijacija (asocijacija) dviju ili više molekula u složeni kompleks. Povezanost može biti uzrokovana, posebice, stvaranjem vodikove veze između tekućih molekula. Svojstva tekućina ovise o stupnju povezanosti, budući da je za prekid međumolekularnih veza potrebna značajna energija. Stoga pridružene tekućine (voda, alkoholi, tekući amonijak) imaju veće vrelište, manje su hlapljive itd. Na primjer, etilni alkohol i dimetil eter imaju istu formulu (C 2 H 6 O) i istu molekulsku masu. Alkohol je polarna tvar, pripada pridruženim tekućinama i vrije na višoj temperaturi od dimetil etera (nepolarna tvar), koji spada u nepovezane tekućine.

2. Razmotrite neka od karakterističnih fizikalno-kemijskih svojstava tekućina i, posebno, površinsku napetost.

Površinski sloj tekućine razlikuje se po fizikalno-kemijskim svojstvima od unutarnjih slojeva. Svaka molekula unutar tekućine privlači k sebi sve molekule koje je okružuju i istovremeno je jednakom silom privlače molekule koje je okružuju u svim smjerovima. Stoga je polje sile svake molekule unutar tekućine simetrično zasićeno. Rezultirajuća sila privlačenja je nula.

U drugom položaju nalaze se molekule smještene u površinskom sloju. Privlačne sile na njih djeluju samo iz molekula donje hemisfere. Djelovanje molekula plina ili pare smještenih iznad površine tekućine može se zanemariti, jer je njihova koncentracija neusporedivo manja nego u tekućini. Rezultanta molekularnih sila u ovom slučaju nije jednaka nuli i usmjerena je prema dolje. Dakle, površinske molekule tekućine uvijek su pod djelovanjem sile koja ih nastoji povući prema unutra. To dovodi do činjenice da se površina tekućine smanjuje.

Za molekule površinskog sloja, neiskorištene kohezivne sile su izvor viška energije, koja se naziva slobodna površinska energija. Slobodna energija jedinične površine naziva se površinska napetost i označava se sa σ. Površinska napetost σ može se mjeriti radom koji se mora obaviti kako bi se prevladale kohezivne sile između molekula kako bi se stvorila nova jedinica površine.

Površinska napetost se također može zamisliti kao sila koja djeluje po jedinici duljine linije koja omeđuje površinu tekućine, te smjer i strana kontrakcije površine.

Površinska napetost se može odrediti empirijski. Uzmite žičani okvir čija se jedna strana (CD) može slobodno kretati. Na pomičnu stranu okvira CD-a pričvršćen je teret P. Žičani CD pomaknemo na stranu AB, navlažimo okvir sapunicom i postavimo ga u okomit položaj. Pokretna strana pod djelovanjem tereta P počet će padati. U tom slučaju između njega i okvira nastaje film. Nakon što prijeđe određenu udaljenost h, pomična žica će se zaustaviti, budući da težina tereta P postaje jednaka sili površinske napetosti. U ovom slučaju, opterećenje P radi A \u003d P * h. Rad koji izvrši opterećenje P u trenutku ravnoteže jednak je površinskoj napetosti filma sapuna s površinom S jednakom 2lh (budući da površinu čine dvije strane filma).

Vrijednost površinske napetosti izračunava se prema jednadžbi A = σS, odakle

gdje je A rad stvaranja površine S; σ - površinska napetost.

Površinska napetost za čiste tekućine ovisi o prirodi tekućine i temperaturi, a za otopine o prirodi otapala, kao i o prirodi i koncentraciji otopljene tvari.

Tekući i rastaljeni metali imaju vrlo visoku površinsku napetost. Alkohol, eter, aceton, benzen su tekućine s malim vrijednostima σ. Površinska napetost tekućina opada s porastom temperature.

Površinska napetost vode pri različitim temperaturama

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. Otopine mogu smanjiti ili povećati površinsku napetost! Tvari koje značajno smanjuju površinsku napetost određene tekućine nazivaju se tenzidi. U odnosu na vodu, tenzidi su alkoholi, sapuni, proteini itd. Dodavanje takvih tvari vodi olakšava pjenjenje, tj. stvaranje velikog broja novih površinskih filmova tekućine, što se objašnjava smanjenjem površine tekućine. napetost vode.

Tvari koje povećavaju površinsku napetost tekućine nazivaju se površinski neaktivnim. Površinska napetost vode, na primjer, raste s otapanjem mineralnih kiselina, lužina i nekih anorganskih soli.

Površinska napetost se mjeri raznim metodama. Najjednostavnija je metoda "brojanja kapi" pomoću instrumenta koji se zove stalagmometar, a to je pipeta s dvije oznake; donji dio stalagmometra prelazi u kapilaru čiji je kraj zadebljan i poliran da bi se dobile identične kapi. Metoda se temelji na činjenici da se kapljica nastala na kraju kapilarne cijevi stalagmometra drži silom površinske napetosti. Kap se odlomi u trenutku kada njezina težina postane jednaka ili premaši za beskonačno malu vrijednost silu površinske napetosti koja drži kap. Za tekućine s visokom površinskom napetošću odvajanje kapljica je otežano i nastale će kapljice biti veće nego za tekućine s nižom površinskom napetošću, pa će stoga njihov broj biti manji.

Stalagmometar se napuni ispitivanom tekućinom i broji se broj kapi n koje istječu iz volumena V. Zatim se puni destiliranom vodom i broji se broj kapi vode koje ne istječu iz istog volumena V. I na u trenutku kada se kap odlomi, njena težina je jednaka sili površinske napetosti. Ako n kapi tekućine istječe iz volumena V, gustoće p, tada je težina kapi određena jednadžbom P = V * ρ * g / n, gdje je g ubrzanje slobodnog pada.

Sila površinske napetosti koja drži kap je 2πrσ; gdje je 2πr opseg kapilarnog otvora iz kojeg se kap odlomi. Za ispitivanu tekućinu

V*ρ*g/n = 2πrσ (II)

za vodu V*ρ o *g/n o = 2πrσ o (III)

gdje je σ o - površinska napetost vode; ρ o - njegova gustoća; n o - broj kapi vode.

Dijeljenjem jednadžbe (II) s (III), dobivamo

ρ*n o /ρ o *n = σ / σ o , odakle

σ \u003d σ o * ρ * n o / ρ o * n (IV)

Gustoća ispitivane tekućine, jod i površinska napetost vode σ o nalaze se iz tablica za odgovarajuću temperaturu na kojoj se vrši mjerenje.

3. Viskoznost ili unutarnje trenje je otpor koji nastaje kada se neki slojevi tekućine pomiču u odnosu na druge. Ako štapom pomiješate vodu, a još više šećerni sirup, suncokretovo ulje, med, glicerin, tada će se osjetiti otpor kretanju štapića. Kada se jedan sloj tekućine pomiče, susjedni slojevi su uključeni u to kretanje, ali mu se opiru. Vrijednost tog otpora za različite tekućine je različita i ovisi o kemijskoj prirodi tekućina, odnosno o silama međumolekularne interakcije. Za tekućine kao što su med, šećerni sirup, viskoznost je visoka, dok je za vodu, etilni alkohol niska.

Viskoznost tekućine ovisi o temperaturi; kako temperatura raste, ona se smanjuje, tekućina postaje pokretljivija, tj. povećava se njezina fluidnost. Tipično, s porastom temperature za 1°C, viskoznost se smanjuje za oko 2%. Tekućine kao što su vinski alkohol, voda, dietil eter su lagane, a med, glicerin, melasa, ulje su viskozne. Ponekad se viskoznost toliko povećava da tekućina prestaje biti tekućina i dobiva svojstva krutih tvari.

Viskoznost otopina uvelike ovisi o njihovoj koncentraciji; što je veća koncentracija, to je veća viskoznost.

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

F = η*S*Δυ/l (V)

gdje je F sila trenja; S je kontaktna površina dva sloja; Δυ - razlika brzine 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. Stoga se viskoznost kvalitativno karakterizira koeficijentom viskoznosti, odnosno koeficijentom unutarnjeg η (eta), koji ovisi o prirodi tekućine i temperaturi.

Viskoznost se mjeri u poise. Viskoznost 1 P (0,1 N * s / m 2) je vrlo velika vrijednost: na primjer, viskoznost vode na 20 °C je samo 0,01 P, maslinovog ulja 0,98 P, a glicerina 10,63 P. U praksi se obično određuje relativna viskoznost, tj. omjer viskoznosti ispitivane tekućine i viskoznosti vode, uzimajući viskoznost vode jednaku jednom centipoise (1 centipoise).

Jedna od metoda za mjerenje viskoznosti temelji se na određivanju vremena istjecanja tekućine iz kapilarne cijevi viskozimetra. Vrijeme istjecanja jednakih volumena (ovaj volumen je ograničen oznakama A i B) vode i ispitne tekućine određuje se u sekundama. Na temelju eksperimentalnih podataka, relativna viskoznost se izračunava pomoću formule

η rel \u003d η o *ρ f *τ f / ρ o * τ o (III.22)

gdje je η rel - relativna viskoznost ispitivane tekućine u vodi; η o - koeficijent viskoznosti vode, jednak I cP; p w i ρ o - gustoća ispitivane tekućine i vode; τ w i τ o - vrijeme isteka ispitivane tekućine i vode. Vrijednosti τ W i τ o određuju se empirijski pri konstantnoj temperaturi; p w i ρ o za zadanu temperaturu uzeti su iz tablica.

Određivanje viskoznosti je od velike važnosti pri proučavanju svojstava otopina proteina, ugljikohidrata i masti. Brzina difuzije tvari u tekućim medijima ovisi o viskoznosti, a time i o brzini kemijskih reakcija u otopinama.

Otopine su gotovo uvijek viskoznije od čistih otapala. Razlika je posebno izražena u otopinama makromolekularnih tvari. Stoga se tekućine koje se povinuju jednadžbi (III.22) nazivaju Newtonovskim, za razliku od polimernih otopina koje se ne povinuju ovoj jednadžbi.

4. Čvrsto stanje tvari

Čvrste tvari, za razliku od tekućina i plinova, zadržavaju svoj oblik. Čestice čvrstih tijela toliko su čvrsto vezane jedna za drugu kohezivnim silama da nemaju translacijsko gibanje i moguće je samo oscilatorno gibanje oko određenih točaka. Čvrste tvari mogu biti kristalne ili amorfne.

Kristalna tijela imaju jasnu unutarnju strukturu zbog pravilnog rasporeda čestica u strogo definiranom redoslijedu koji se periodično ponavlja. Veličine kristala mogu biti različite: od vrlo malih do divovskih. Kristalna tijela imaju strogo definiranu točku taljenja. 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 toplinska vodljivost, mehanička čvrstoća, brzina rasta kristala, brzina otapanja i druga svojstva razlikuju u različitim smjerovima. Na primjer, liskun se lako dijeli na ploče samo u jednom smjeru (paralelno s njegovom površinom), u drugim smjerovima potrebni su mnogo veći napori da se liskun uništi. Amorfna tijela nemaju strogo definiranu točku taljenja, omekšaju u određenom temperaturnom rasponu i postupno prelaze u tekuće stanje. Kada se ohlade, te taline prelaze u čvrsto stanje bez stvaranja kristalne strukture. Tipični predstavnik amorfnih tijela je obično silikatno staklo, stoga se amorfno stanje često naziva staklastim.

Za razliku od kristalnih tijela, amorfna tijela, kao i plinovi i tekućine, karakteriziraju svojstvo izotropije, tj. postojanost svojstava (toplinska vodljivost, električna vodljivost, mehanička svojstva itd.) u svim smjerovima. Valja napomenuti da se polikristalna tijela, koja se sastoje od velikog broja nasumično orijentiranih malih kristala, općenito ispadaju izotropna tijela, na primjer metali.

Međutim, nemoguće je povući jasnu granicu između amorfnih i kristalnih tijela. Na primjer, šećer može biti ili kristalan (šećer u granulama, šećer u komadima) ili amorfan (karamelizirani šećer). Osim toga, neke tvari dobivene u amorfnom stanju mogu s vremenom kristalizirati: tako kristalizira karamela, što je nepoželjno u konditorskoj industriji, staklo s vremenom kristalizira, gubi prozirnost. Taj se fenomen tehnički naziva devitrifikacija.