Właściwości i zastosowania substancji płynnych. Ciecze i ciekły stan skupienia. Zachowanie cząsteczek w cieczy

Główną właściwością cieczy, odróżniającą ją od innych stanów skupienia, jest możliwość nieskończonej zmiany kształtu pod działaniem stycznych naprężeń mechanicznych, nawet dowolnie małych, przy praktycznie zachowaniu objętości. Substancja w stanie ciekłym istnieje w pewnym zakresie temperatur, poniżej którego przechodzi w stan stały (krystalizacja lub przemiana w stały stan amorficzny - szkło), powyżej - w stan gazowy (następuje parowanie). Granice tego przedziału zależą od ciśnienia.

3.1 Właściwości fizyczne cieczy:

ü Płynność(Główna właściwość. W przeciwieństwie do plastikowych ciał stałych, ciecz nie ma granicy plastyczności: wystarczy zastosować dowolnie małą siłę zewnętrzną, aby ciecz mogła płynąć.

ü Zachowanie objętości. Jedną z charakterystycznych właściwości cieczy jest to, że ma określoną objętość (w stałych warunkach zewnętrznych). Ciecz jest niezwykle trudna do mechanicznego sprężenia, ponieważ w przeciwieństwie do gazu między cząsteczkami jest bardzo mało wolnej przestrzeni. Ciecze zwykle zwiększają objętość (rozwijają się) po podgrzaniu i zmniejszają objętość (kurczą się) po schłodzeniu.

ü Lepkość. Ponadto ciecze (podobnie jak gazy) charakteryzują się lepkością. Definiuje się ją jako zdolność do przeciwstawiania się ruchowi jednej z części względem drugiej - czyli jako tarcie wewnętrzne.Gdy sąsiednie warstwy cieczy poruszają się względem siebie, nieuchronnie dochodzi do zderzenia molekuł. na ruch termiczny. Ciecz w naczyniu, wprawiona w ruch i pozostawiona sama sobie, stopniowo zatrzyma się, ale jej temperatura wzrośnie.

ü Swobodne tworzenie powierzchni i napięcie powierzchniowe.Dzięki zachowaniu objętości płyn może tworzyć wolną powierzchnię. Taka powierzchnia jest powierzchnią rozdziału faz danej substancji: z jednej strony znajduje się faza ciekła, z drugiej faza gazowa (parowa).W przypadku zetknięcia się fazy ciekłej i gazowej tej samej substancji powstają siły, mają tendencję do zmniejszania powierzchni styku - sił napięcia powierzchniowego. Interfejs zachowuje się jak elastyczna membrana, która ma tendencję do kurczenia się.

ü Parowanie i kondensacja

ü Wrzenie

ü zwilżanie- zjawisko powierzchniowe, które występuje, gdy ciecz styka się z powierzchnią ciała stałego w obecności pary, czyli na granicy faz trzech faz.

ü Mieszalność- zdolność płynów do wzajemnego rozpuszczania się. Przykład cieczy mieszających się: woda i alkohol etylowy, przykład cieczy niemieszających się: woda i płynny olej.

ü Dyfuzja. Gdy w naczyniu znajdują się dwie mieszające się ciecze, molekuły w wyniku ruchu termicznego zaczynają stopniowo przechodzić przez granicę faz, a tym samym ciecze stopniowo się mieszają. Zjawisko to nazywamy dyfuzją (występuje również w substancjach w innych stanach skupienia).

ü Przegrzanie i hipotermia. Ciecz można ogrzać powyżej temperatury wrzenia w taki sposób, aby nie doszło do wrzenia. Wymaga to równomiernego ogrzewania, bez znacznych różnic temperatur w obrębie objętości i bez wpływów mechanicznych, takich jak wibracje. Jeśli coś zostanie wrzucone do przegrzanego płynu, natychmiast się zagotuje. Przegrzaną wodę można łatwo uzyskać w kuchence mikrofalowej.Przechłodzenie to schłodzenie cieczy poniżej punktu zamarzania bez przechodzenia w stan skupienia w stanie stałym.

Równanie Eulera Równania Naviera-Stokesa Równanie dyfuzji Prawo Hooke'a

Z reguły substancja w stanie ciekłym ma tylko jedną modyfikację. (Najważniejszymi wyjątkami są ciecze kwantowe i ciekłe kryształy.) Dlatego w większości przypadków ciecz to nie tylko stan skupienia, ale także faza termodynamiczna (faza ciekła).

Wszystkie ciecze są zwykle podzielone na czyste ciecze i mieszaniny. Niektóre mieszaniny płynów mają ogromne znaczenie dla życia: krew, woda morska itp. Ciecze mogą działać jak rozpuszczalniki.

Właściwości fizyczne cieczy

• Płynność

Płynność jest główną właściwością płynów. Jeżeli do sekcji płynu w równowadze zostanie przyłożona siła zewnętrzna, wówczas przepływ cząstek płynu następuje w kierunku, w którym przyłożona jest ta siła: płyn płynie. W ten sposób pod działaniem niezrównoważonych sił zewnętrznych ciecz nie zachowuje kształtu i względnego rozmieszczenia części i dlatego przyjmuje postać naczynia, w którym się znajduje.

W przeciwieństwie do plastikowych ciał stałych ciecz nie ma granicy plastyczności: wystarczy przyłożyć dowolnie małą siłę zewnętrzną, aby ciecz płynęła.

• Oszczędzanie objętości

Jedną z charakterystycznych właściwości cieczy jest to, że ma określoną objętość (w stałych warunkach zewnętrznych). Ciecz jest niezwykle trudna do mechanicznego skompresowania, ponieważ, w przeciwieństwie do gazu, między cząsteczkami jest bardzo mało wolnej przestrzeni. Ciśnienie wywierane na ciecz zamkniętą w naczyniu jest przenoszone bez zmiany na każdy punkt objętości tej cieczy (prawo Pascala, ważne również dla gazów). Ta cecha, wraz z bardzo niską ściśliwością, jest wykorzystywana w maszynach hydraulicznych.

Ciecze zwykle zwiększają objętość (rozwijają się) po podgrzaniu i zmniejszają objętość (kurczą się) po schłodzeniu. Są jednak wyjątki, np. woda kompresuje się po podgrzaniu, przy normalnym ciśnieniu i temperaturach od 0°C do około 4°C.

• Lepkość

Ponadto ciecze (podobnie jak gazy) charakteryzują się lepkością. Definiuje się ją jako zdolność do przeciwstawiania się ruchowi jednej z części względem drugiej - czyli jako tarcie wewnętrzne.

Gdy sąsiednie warstwy cieczy poruszają się względem siebie, nieuchronnie dochodzi do zderzenia molekuł, oprócz zderzenia spowodowanego ruchem termicznym. Istnieją siły, które spowalniają uporządkowany ruch. W tym przypadku energia kinetyczna ruchu uporządkowanego zamieniana jest na energię cieplną - energię chaotycznego ruchu cząsteczek.

Ciecz w naczyniu, wprawiona w ruch i pozostawiona sama sobie, stopniowo zatrzyma się, ale jej temperatura wzrośnie.

• Swobodne tworzenie powierzchni i napięcie powierzchniowe

Ze względu na zachowanie objętości ciecz może tworzyć wolną powierzchnię. Taka powierzchnia jest interfejsem fazowym danej substancji: z jednej strony znajduje się faza ciekła, z drugiej - gazowa (para) i ewentualnie inne gazy, np. powietrze.

Jeżeli faza ciekła i gazowa tej samej substancji stykają się, powstają siły, które mają tendencję do zmniejszania powierzchni rozdziału - siły napięcia powierzchniowego. Interfejs zachowuje się jak elastyczna membrana, która ma tendencję do kurczenia się.

Napięcie powierzchniowe można wytłumaczyć przyciąganiem między cząsteczkami cieczy. Każda cząsteczka przyciąga inne cząsteczki, ma tendencję do „otoczenia się” nimi, a tym samym do opuszczania powierzchni. W związku z tym powierzchnia ma tendencję do zmniejszania się.

Dlatego bańki mydlane i bańki mydlane podczas gotowania mają tendencję do przybierania kulistego kształtu: dla danej objętości kulka ma minimalną powierzchnię. Jeśli na ciecz działają tylko siły napięcia powierzchniowego, to z konieczności przybierze ona kulisty kształt - na przykład krople wody w stanie nieważkości.

Małe przedmioty o gęstości większej niż gęstość cieczy są w stanie „unosić się” na powierzchni cieczy, ponieważ siła grawitacji jest mniejsza niż siła, która zapobiega zwiększeniu pola powierzchni. (Patrz napięcie powierzchniowe.)

• Parowanie i kondensacja

• Dyfuzja

Gdy w naczyniu znajdują się dwie mieszające się ciecze, molekuły w wyniku ruchu termicznego zaczynają stopniowo przechodzić przez granicę faz, a tym samym ciecze stopniowo się mieszają. Zjawisko to nazywamy dyfuzją (występuje również w substancjach w innych stanach skupienia).

• Przegrzanie i hipotermia

Ciecz można ogrzać powyżej temperatury wrzenia w taki sposób, aby nie doszło do wrzenia. Wymaga to równomiernego ogrzewania, bez znacznych różnic temperatur w obrębie objętości i bez wpływów mechanicznych, takich jak wibracje. Jeśli coś zostanie wrzucone do przegrzanego płynu, natychmiast się zagotuje. Przegrzaną wodę łatwo dostać w kuchence mikrofalowej.

Dochładzanie - schłodzenie cieczy poniżej punktu zamarzania bez przechodzenia w stan skupienia w stanie stałym. Podobnie jak w przypadku przegrzania, dochłodzenie wymaga braku wibracji i znacznych wahań temperatury.

• fale gęstości

Chociaż ciecz jest niezwykle trudna do skompresowania, jej objętość i gęstość zmieniają się wraz ze zmianą ciśnienia. Nie dzieje się to natychmiast; więc jeśli jedna sekcja jest skompresowana, to taka kompresja jest przekazywana do innych sekcji z opóźnieniem. Oznacza to, że wewnątrz cieczy mogą rozchodzić się fale sprężyste, a dokładniej fale gęstości. Wraz z gęstością zmieniają się również inne wielkości fizyczne, na przykład temperatura.

Jeśli podczas propagacji fali gęstość zmienia się raczej słabo, taka fala nazywana jest falą dźwiękową lub dźwiękiem.

Jeśli gęstość zmienia się wystarczająco mocno, taka fala nazywana jest falą uderzeniową. Fala uderzeniowa opisana jest innymi równaniami.

Fale gęstości w cieczy są podłużne, to znaczy gęstość zmienia się wzdłuż kierunku propagacji fali. W cieczy nie występują poprzeczne fale sprężyste ze względu na niezachowanie kształtu.

Fale sprężyste w cieczy zanikają z czasem, ich energia stopniowo przekształca się w energię cieplną. Przyczynami tłumienia są lepkość, „klasyczna absorpcja”, relaksacja molekularna i inne. W tym przypadku działa tak zwana druga, czyli lepkość objętościowa - tarcie wewnętrzne ze zmianą gęstości. W wyniku tłumienia fala uderzeniowa po pewnym czasie przechodzi w falę dźwiękową.

Fale sprężyste w cieczy ulegają również rozproszeniu przez niejednorodności wynikające z losowego ruchu termicznego cząsteczek.

• Fale na powierzchni

Jeżeli powierzchnia cieczy zostanie przemieszczona z położenia równowagi, to pod działaniem sił przywracających powierzchnia zaczyna powracać do położenia równowagi. Ruch ten jednak nie zatrzymuje się, ale zamienia się w ruch oscylacyjny wokół pozycji równowagi i rozprzestrzenia się na inne obszary. W ten sposób pojawiają się fale na powierzchni cieczy.

Jeśli siłą przywracającą jest głównie grawitacja, takie fale nazywamy falami grawitacyjnymi (nie mylić z falami grawitacyjnymi). Fale grawitacyjne na wodzie widać wszędzie.

Jeżeli siła przywracająca jest głównie siłą napięcia powierzchniowego, wtedy takie fale nazywamy kapilarami.

Jeśli siły te są porównywalne, takie fale nazywamy falami kapilarno-grawitacyjnymi.

Fale na powierzchni cieczy są tłumione przez lepkość i inne czynniki.

• Współistnienie z innymi fazami

Formalnie rzecz biorąc, do równowagowego współistnienia fazy ciekłej z innymi fazami tej samej substancji - gazowymi lub krystalicznymi - potrzebne są ściśle określone warunki. Tak więc przy danym ciśnieniu potrzebna jest ściśle określona temperatura. Niemniej jednak w przyrodzie i technice wszędzie ciecz współistnieje z parą, czy też ze stałym stanem skupienia - np. woda z parą wodną i często z lodem (jeśli weźmiemy pod uwagę parę jako odrębną fazę obecną wraz z powietrzem). Wynika to z następujących powodów.

Stan niezrównoważony. Odparowanie cieczy wymaga czasu, dopóki ciecz całkowicie nie wyparuje, współistnieje z parą. W naturze woda nieustannie paruje, a także proces odwrotny - kondensacja.

zamknięta objętość. Ciecz w zamkniętym naczyniu zaczyna parować, ale ponieważ objętość jest ograniczona, ciśnienie pary wzrasta, staje się nasycone jeszcze przed całkowitym odparowaniem cieczy, jeśli jej ilość była wystarczająco duża. Po osiągnięciu stanu nasycenia ilość odparowanej cieczy jest równa ilości cieczy skondensowanej, układ dochodzi do równowagi. W ten sposób w ograniczonej objętości można ustalić warunki niezbędne do równowagowego współistnienia cieczy i pary.

Obecność atmosfery w warunkach grawitacji ziemskiej. Na ciecz (powietrze i parę) oddziałuje ciśnienie atmosferyczne, podczas gdy w przypadku pary należy brać pod uwagę praktycznie tylko jej ciśnienie cząstkowe. Dlatego ciecz i para nad jej powierzchnią odpowiadają różnym punktom na wykresie fazowym, odpowiednio w obszarze występowania fazy ciekłej iw obszarze występowania fazy gazowej. Nie anuluje to parowania, ale parowanie wymaga czasu, podczas którego obie fazy współistnieją. Bez tego warunku płyny bardzo szybko by się zagotowały i odparowały.

Teoria

Mechanika

Badanie ruchu i równowagi mechanicznej cieczy i gazów oraz ich wzajemnego oddziaływania oraz z ciałami stałymi jest przedmiotem działu mechaniki - hydroaeromechaniki (często nazywanej również hydrodynamiką). Mechanika płynów jest częścią bardziej ogólnej gałęzi mechaniki, mechaniki kontinuum.

Mechanika płynów to dział mechaniki płynów zajmujący się płynami nieściśliwymi. Ponieważ ściśliwość cieczy jest bardzo mała, w wielu przypadkach można ją pominąć. Dynamika gazów poświęcona jest badaniu ściśliwych cieczy i gazów.

Hydromechanika dzieli się na hydrostatykę, która bada równowagę płynów nieściśliwych, oraz hydrodynamikę (w wąskim sensie), która bada ich ruch.

Ruch płynów przewodzących prąd elektryczny i magnetycznych jest badany w magnetohydrodynamice. Hydraulika służy do rozwiązywania występujących problemów.

Podstawowym prawem hydrostatyki jest prawo Pascala.

2. Ciecze z cząsteczek dwuatomowych składających się z identycznych atomów (ciekły wodór, ciekły azot). Takie cząsteczki mają moment kwadrupolowy.

4. Ciecze składające się z cząsteczek polarnych związanych oddziaływaniem dipol-dipol (ciekły bromowodór).

5. Ciecze towarzyszące, czyli płyny z wiązaniami wodorowymi (woda, gliceryna).

6. Ciecze składające się z dużych cząsteczek, dla których niezbędne są wewnętrzne stopnie swobody.

Płyny z pierwszych dwóch grup (czasem trzech) są zwykle nazywane prostymi. Proste ciecze zostały zbadane lepiej niż inne, a spośród cieczy złożonych najlepiej zbadano wodę. Ta klasyfikacja nie obejmuje cieczy kwantowych i ciekłych kryształów, które są szczególnymi przypadkami i należy je rozpatrywać oddzielnie.

Teoria statystyczna

Strukturę i właściwości termodynamiczne cieczy najskuteczniej bada się za pomocą równania Percusa-Yevicka.

Jeśli użyjemy modelu kulek stałych, to znaczy rozważmy cząsteczki cieczy jako kulki o średnicy d, to równanie Percusa-Yevicka można rozwiązać analitycznie i otrzymać równanie stanu cieczy:

gdzie n- liczba cząstek na jednostkę objętości, jest bezwymiarową gęstością. Przy niskich gęstościach równanie to staje się równaniem stanu gazu doskonałego: . Dla skrajnie dużych gęstości , otrzymuje się równanie stanu płynu nieściśliwego: .

Model twardej kuli nie uwzględnia przyciągania między cząsteczkami, więc nie ma ostrego przejścia między cieczą a gazem, gdy zmieniają się warunki zewnętrzne.

Aby uzyskać dokładniejsze wyniki, najlepszy opis struktury i właściwości płynu uzyskuje się, stosując teorię perturbacji. W tym przypadku model twardej kuli jest uważany za przybliżenie zerowe, a siły przyciągania między cząsteczkami są uważane za perturbacje i dają poprawki.

teoria klastrów

Jedną z nowoczesnych teorii jest: „Teoria klastrów”. Opiera się na założeniu, że ciecz jest reprezentowana jako połączenie ciała stałego i gazu. W tym przypadku cząstki fazy stałej (kryształy przemieszczające się na niewielkie odległości) znajdują się w chmurze gazowej, tworząc struktura klastra. Energia cząstek odpowiada rozkładowi Boltzmanna, natomiast średnia energia układu pozostaje stała (pod warunkiem jego izolacji). Powolne cząstki zderzają się z klastrami i stają się ich częścią. Tym samym konfiguracja klastrów ciągle się zmienia, system jest w stanie dynamicznej równowagi. Tworząc wpływ zewnętrzny, system będzie zachowywał się zgodnie z zasadą Le Chatelier. W ten sposób łatwo wytłumaczyć przemianę fazową:

• Po podgrzaniu system stopniowo zamienia się w gaz (wrzący)
• Po schłodzeniu system stopniowo zamienia się w ciało stałe (zamrażanie).

Eksperymentalne metody badawcze

Strukturę cieczy bada się metodami rentgenowskiej analizy strukturalnej, dyfrakcji elektronów i dyfrakcji neutronów.

Zobacz też

• Cechy powierzchniowej warstwy cieczy

Spinki do mankietów

Płyny nazywane są substancje, które w normalnych warunkach znajdują się w ciekłym stanie skupienia. Według znaków zewnętrznych stan ten charakteryzuje się obecnością stałej objętości dla danej porcji cieczy, płynnością i zdolnością do stopniowego parowania. Właściwą formą cieczy jest kula (kropla), która pod wpływem napięcia powierzchniowego tworzy ciecz. Jest to możliwe przy braku grawitacji. Krople powstają podczas swobodnego spadania cieczy, aw przestrzeni statku kosmicznego, w warunkach nieważkości, znaczna objętość cieczy może przybrać postać kuli. W stanie spokoju płyn rozpływa się po powierzchni lub wypełnia objętość dowolnego naczynia. Wśród substancji nieorganicznych ciecze obejmują wodę, brom, rtęć i kilka stabilnych kwasów bezwodnych (siarkowy, fluorowodorowy itp.). Wśród związków organicznych jest dużo płynów: węglowodory, alkohole, kwasy itp. Prawie wszystkie serie homologiczne związków organicznych zawierają ciecze. Po schłodzeniu gazy przechodzą w stan ciekły, a po podgrzaniu metale, stabilne sole, tlenki metali.

Ciecze można podzielić zgodnie z charakterem ich cząstek składowych na atomowe (skroplone gazy szlachetne), molekularne (większość zwykłych cieczy), metaliczne (stopione metale), jonowe (stopione sole, tlenki metali). Oprócz pojedynczych substancji w stanie ciekłym występują mieszaniny cieczy i roztwory wielu różnych substancji w cieczach. Wśród cieczy największe znaczenie praktyczne ma woda, o czym decyduje jej wyjątkowa rola jako rozpuszczalnika biologicznego. W chemii i dziedzinach stosowanych ciecze wraz z gazami są najważniejsze jako medium do przeprowadzania wszelkiego rodzaju procesów przemian substancji. Ciecze są również wykorzystywane do przenoszenia ciepła przez rury, w urządzeniach hydraulicznych - jako płyn roboczy, jako smar do ruchomych części maszyn.

W stanie ciekłym materii cząstki znajdują się w odległościach zbliżonych do sumy ich promieni van der Waalsa. Energia potencjalna cząsteczek staje się ujemna w stosunku do ich energii w gazie. Aby go przezwyciężyć podczas przejścia w stan gazowy, cząsteczki potrzebują energii kinetycznej w przybliżeniu równej energii potencjalnej. Zatem substancja znajduje się w stanie ciekłym w takim zakresie temperatur, w którym średnia energia kinetyczna jest w przybliżeniu równa energii potencjalnej oddziaływania lub od niej mniejsza, ale nie spada do zera.

Wśród cząsteczek gazu i cieczy znajdują się zarówno cząsteczki szybsze, jak i wolniejsze w stosunku do średniej prędkości ich ruchu. Szybkie cząsteczki przezwyciężają przyciąganie i przechodzą do fazy gazowej w obecności wolnej objętości. Podczas parowania ciecz ochładza się z powodu utraty szybszych cząsteczek. Nad powierzchnią cieczy w zamkniętej objętości powstaje pewne ciśnienie jej pary, zależne od charakteru cieczy i temperatury. Zależność wyraża równanie wykładnicze

gdzie e- podstawa logarytmów naturalnych; R- uniwersalna stała gazowa; DYa ISP - molowe ciepło parowania cieczy; L - stała, w zależności od właściwości cieczy.

Analiza równania pokazuje, że prężność pary cieczy gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, ponieważ temperatura jest mianownikiem ujemnego wykładnika. Równanie (7.13) jest dość dokładne pod warunkiem, że temperatura jest znacznie niższa niż temperatura krytyczna pary danej substancji.

Gdy zostanie osiągnięta temperatura, w której ciśnienie pary cieczy staje się równe ciśnieniu atmosferycznemu, ciecz wrze. Zakłada się, że nad powierzchnią cieczy znajduje się powietrze. Jeżeli jednak ciecz jest zamknięta w zamkniętym naczyniu, na przykład w cylindrze, z tłokiem wytwarzającym ciśnienie równe ciśnieniu atmosferycznemu (101,3 kPa), to po podgrzaniu cieczy do temperatury wrzenia para nie jest jeszcze utworzone nad cieczą. Po przekroczeniu temperatury wrzenia pojawi się para, tj. w fazie gazowej, a tłok zacznie się unosić w miarę dostarczania ciepła i wzrostu objętości pary (rys. 7.4).

Ryż. 7.4.

Ciecze wrzące w temperaturach poniżej temperatury wrzenia wody są powszechnie określane jako lotny. Z otwartego naczynia szybko znikają. W temperaturze wrzenia 20-22 ° C substancja faktycznie okazuje się być granicą między lotną cieczą a łatwo skroplonym gazem. Przykładami takich substancji są aldehyd octowy CH3CHO (a bp = 21°C) i fluorowodór HF (a bp = 19,4°C).

Praktycznie ważnymi właściwościami fizycznymi cieczy, oprócz temperatury wrzenia, są temperatura zamarzania, kolor, gęstość, współczynnik lepkości i współczynnik załamania światła. W przypadku mediów jednorodnych, takich jak ciecze, współczynnik załamania światła można łatwo zmierzyć i służy do identyfikacji cieczy. Niektóre stałe płynne podano w tabeli. 7.3.

Równowagę pomiędzy fazą ciekłą, stałą i gazową danej substancji przedstawiono jako diagramy stanu. Na ryc. 7.5 przedstawia schemat stanu wody. Diagram stanu to wykres przedstawiający ciśnienie pary nasyconej w funkcji temperatury dla ciekłej wody i lodu (krzywe OA oraz OB) oraz zależność temperatury topnienia wody od ciśnienia (krzywa system operacyjny). Obecność małej prężności pary nad lodem (krzywa OB) oznacza, że ​​lód może odparować (sublimować), jeśli ciśnienie pary wodnej w powietrzu jest mniejsze niż ciśnienie równowagi nad lodem. Linia przerywana kontynuująca krzywą OA na lewo od punktu O odpowiada ciśnieniu pary nad przechłodzoną wodą. To ciśnienie jest większe niż ciśnienie pary nad lodem w tej samej temperaturze. Dlatego przechłodzona woda jest niestabilna i może samoistnie zamienić się w lód. Czasami w chłodne dni występuje zjawisko opadów deszczu, których krople zamieniają się w lód, gdy uderzają o twardą powierzchnię. Na powierzchni tworzy się skorupa lodowa. Należy zauważyć, że inne ciecze również mogą znajdować się w niestabilnym stanie przechłodzonym.

Niektóre praktycznie ważne płyny

Ryż. 75.

Krzywe dzielą wykres na trzy pola - woda, lód i para. Każdy punkt na diagramie oznacza pewien stan systemu. Punkty wewnątrz pól odpowiadają istnieniu wody tylko w jednej z trzech faz. Na przykład w temperaturze 60°C i ciśnieniu 50 k11a woda istnieje tylko w stanie ciekłym. Punkty na krzywych OA, OV oraz system operacyjny, odpowiadają równowadze między dwiema fazami. Na przykład w temperaturach i ciśnieniach wzdłuż krzywej OA woda i para są w równowadze. Punkt przecięcia O trzech krzywych o współrzędnych 0,61 kPa i 0,01°C odpowiada równowadze między trzema fazami wody - lód, woda w stanie ciekłym i jej para. To tak zwane potrójny punkt wody. Podana temperatura jest o 0,01°C wyższa niż normalna temperatura zamarzania wody 0°C, w odniesieniu do ciśnienia 101,3 kPa. Z tego wynika, że ​​wraz ze wzrostem ciśnienia zewnętrznego spada temperatura zamarzania wody. Podajmy jeszcze jeden punkt: przy ciśnieniu 615 atm (6,23-10 4 kPa) temperatura zamarzania wody spada do -5 ° C.

Dzięki zdolności do mieszania się ze sobą ciecze znacznie różnią się od gazów. W cieczach, w przeciwieństwie do gazów, ważną rolę odgrywa oddziaływanie międzycząsteczkowe. Dlatego tylko takie ciecze mieszają się ze sobą w dowolnych proporcjach, które są wystarczająco bliskie pod względem energii oddziaływania międzycząsteczkowego. Na przykład między cząsteczkami wody działają nie tylko siły Waidera Waalsa, ale także powstają wiązania wodorowe. Dlatego z wodą miesza się różne ciecze, których cząsteczki mogą również tworzyć wiązania wodorowe z wodą: fluorowodór, wiele kwasów zawierających tlen, niższe człony homologicznego szeregu alkoholi, aceton itp. Ciecze, które nie tworzą wiązań wodorowych lub zapobiegać tworzeniu się takich wiązań między cząsteczkami wody, nie mieszają się z wodą, ale mogą w takim czy innym stopniu, tj. ograniczony rozpuścić. Tak więc alkohole z rodnikami składającymi się z czterech lub więcej atomów węgla są słabo rozpuszczalne w wodzie, ponieważ rodniki znajdujące się pomiędzy cząsteczkami wody zakłócają tworzenie wiązań wodorowych i są wypychane z objętości wody.

Wewnętrzna struktura cieczy charakteryzuje się zarówno stosunkowo swobodnym wzajemnym ruchem cząsteczek, jak i pojawieniem się struktury zbliżającej ciecz do stanu stałego. Powiedziano powyżej, że promienie rentgenowskie są rozproszone na uporządkowanych atomach w kryształach. Maksima intensywności rozpraszania występują pod pewnymi kątami padania wiązki początkowej na płaszczyzny utworzone przez atomy wewnątrz kryształu. Promienie rentgenowskie również rozpraszają się w cieczach. Przy małym kącie padania, odpowiadającym rozpraszaniu przez blisko rozmieszczone atomy, pojawia się maksimum, wskazujące na obecność porządku w najbliższym otoczeniu atomu. Jednak wraz ze wzrostem kąta padania maksima gwałtownie zanikają, co wskazuje na brak regularnego ułożenia odległych atomów. Można więc powiedzieć o płynach, które zawierają zamknij zamówienie, z nieobecnością daleki porządek.

Strukturyzacja cieczy ujawnia się w badaniu różnych właściwości fizycznych. Wiadomo na przykład, że woda schłodzona do 4°C staje się gęstsza, a po dalszym ochłodzeniu zaczyna ponownie się rozszerzać. Tłumaczy się to powstawaniem bardziej ażurowej struktury odpowiadającej kierunkowi wiązań wodorowych między cząsteczkami. Po zamrożeniu wiązania te są ostatecznie ustabilizowane, co wynika ze spadku gęstości lodu.

Ciecze zajmują pozycję pośrednią między substancjami gazowymi i stałymi. W temperaturach zbliżonych do punktów wrzenia właściwości cieczy zbliżają się do właściwości gazów; w temperaturach zbliżonych do temperatur topnienia właściwości cieczy zbliżają się do właściwości ciał stałych. Jeśli substancje stałe charakteryzują się ścisłym uporządkowaniem cząstek, rozciągającym się na odległości dochodzące do setek tysięcy promieni międzyatomowych lub międzycząsteczkowych, to w substancji płynnej zwykle nie ma więcej niż kilkadziesiąt uporządkowanych cząstek - tłumaczy się to m.in. fakt, że szybko powstaje również uporządkowanie między cząstkami w różnych miejscach płynnej substancji, a także ponownie „rozmazane” przez drgania termiczne cząstek. Jednocześnie całkowita gęstość upakowania cząstek substancji płynnej niewiele różni się od gęstości substancji stałej - dlatego ich gęstość jest zbliżona do gęstości ciał stałych, a ściśliwość jest bardzo niska. Na przykład, aby zmniejszyć objętość zajmowaną przez ciekłą wodę o 1%, wymagane jest przyłożenie ciśnienia ~ 200 atm, podczas gdy ten sam spadek objętości gazów wymaga ciśnienia rzędu 0,01 atm. Dlatego ściśliwość cieczy jest w przybliżeniu 200: 0,01 = 20 000 razy mniejsza niż ściśliwość gazów.

Zauważono powyżej, że ciecze mają określoną objętość i przyjmują kształt naczynia, w którym się znajdują; właściwości te są znacznie bliższe właściwościom ciała stałego niż substancji gazowej. Bliskie sąsiedztwo stanu ciekłego i stałego potwierdzają również dane dotyczące standardowych entalpii parowania ∆Н exp i standardowych entalpii topnienia ∆Н pl. Standardowa entalpia waporyzacji określ ilość ciepła wymaganą do przekształcenia 1 mola cieczy w parę przy 1 atm (101,3 kPa). Ta sama ilość ciepła jest uwalniana, gdy 1 mol pary skrapla się w ciecz pod ciśnieniem 1 atm. Nazywa się ilość ciepła zużytego na przekształcenie 1 mola ciała stałego w ciecz pod ciśnieniem 1 atm standardowa entalpia topnienia(taka sama ilość ciepła jest uwalniana podczas „zamrażania” („zestalania”) 1 mola cieczy przy 1 atm). Wiadomo, że ∆Н° pl jest znacznie mniejsze niż odpowiadające im wartości ∆Н° exp, co jest łatwe do zrozumienia, ponieważ przejściu ze stanu stałego do ciekłego towarzyszy mniejsze naruszenie przyciągania międzycząsteczkowego niż przejście ze stanu ciekłego w stan gazowy.

Szereg innych ważnych właściwości cieczy bardziej przypomina właściwości gazów. Tak więc, podobnie jak gazy, ciecze mogą płynąć - ich właściwość nazywa się płynnością. Opór przepływu zależy od lepkości. Na płynność i lepkość wpływają siły przyciągania między cząsteczkami cieczy, ich względna masa cząsteczkowa oraz szereg innych czynników. Lepkość cieczy jest ~100 razy większa niż gazów. Podobnie jak gazy, ciecze mogą dyfundować, choć znacznie wolniej, ponieważ cząstki cieczy są upakowane znacznie gęściej niż cząstki gazu.

Jedną z najważniejszych właściwości cieczy jest jej napięcie powierzchniowe(Właściwość ta nie jest nieodłączna ani w przypadku gazów, ani ciał stałych). Cząsteczka w cieczy poddawana jest ze wszystkich stron jednakowym siłom międzycząsteczkowym. Jednak na powierzchni cieczy równowaga tych sił jest zaburzona, w wyniku czego na cząsteczki „powierzchniowe” działa pewna siła wypadkowa skierowana do wnętrza cieczy. Z tego powodu powierzchnia cieczy znajduje się w stanie naprężenia. Napięcie powierzchniowe- jest to minimalna siła, która powstrzymuje ruch cząstek płynu w głąb płynu, a tym samym zapobiega kurczeniu się powierzchni płynu. To napięcie powierzchniowe wyjaśnia „łezkowy” kształt swobodnie opadających cząstek płynu.

W przeciwieństwie do gazów między cząsteczkami cieczy działają dość duże siły wzajemnego przyciągania, co decyduje o szczególnej naturze ruchu molekularnego. Ruch termiczny cząsteczki cieczy obejmuje ruchy oscylacyjne i translacyjne. Każda cząsteczka oscyluje przez pewien czas wokół pewnego punktu równowagi, następnie porusza się i ponownie zajmuje nową pozycję równowagi. To decyduje o jego płynności. Siły przyciągania międzycząsteczkowego nie pozwalają cząsteczkom oddalać się od siebie podczas ruchu. Całkowity efekt przyciągania cząsteczek można przedstawić jako ciśnienie wewnętrzne cieczy, które osiąga bardzo wysokie wartości. Wyjaśnia to stałość objętości i praktyczną nieściśliwość płynów, chociaż łatwo przybierają one dowolną formę.

Za pomocą potężnego mikroskopu jesteśmy w stanie rozróżnić kilka dużych pierwiastków śladowych na włosach. Teraz, w mikronie, wciąż można znaleźć miejsce składające się z dziesięciu tysięcy atomów ułożonych w rzędzie: ich średnia wielkość to w rzeczywistości jedna dziesiąta nanometra. Do badania struktury materii nie wystarczy mikroskop optyczny, ale potrzebne są inne i mocniejsze narzędzia.

Wśród nich są rewelacyjne mikroskopy tunelowe wynalezione w latach 80. XX wieku. Dzięki nieskazitelnej końcówce, która bada powierzchnię metalu, mierzą słabsze prądy elektryczne związane z atomami na powierzchni, a następnie rekonstruują ich obraz. Zmieniając mikroskop sił atomowych, można uzyskać obraz atomów, nawet jeśli powierzchnia jest izolowana, a zatem nie przepływa przez nią prąd.

Właściwości cieczy zależą również od objętości cząsteczek, ich kształtu i polarności. Jeśli cząsteczki cieczy są polarne, wówczas dwie lub więcej cząsteczek łączy się (łączy) w złożony kompleks. Takie płyny nazywają się powiązany płyny. Towarzyszące ciecze (woda, aceton, alkohole) mają wyższą temperaturę wrzenia, niższą lotność i wyższą stałą dielektryczną. Na przykład alkohol etylowy i eter dimetylowy mają ten sam wzór cząsteczkowy (C 2 H 6 O). Alkohol jest cieczą związaną i wrze w wyższej temperaturze niż eter dimetylowy, który jest cieczą niezwiązaną.

Jeśli chcesz wiedzieć, jak atomy mieszczą się w próbce lub jak się poruszają, powinieneś użyć jednego z różnych typów spektrometrów, które zostały wynalezione w ciągu ostatnich dwóch stuleci. Instrumenty te służą do rejestrowania zmian światła, promieni rentgenowskich lub cząstek światła, takich jak elektrony lub neutrony, podczas przechodzenia przez materiał. Ze zmian, jakie przeszły te szybkie „sondy”, można prześledzić sposób, w jaki komputery są traktowane, tak jak „robiona” jest próbka.

Fizycy, chemicy i biolodzy najczęściej wykorzystują światło synchrotronowe jako sondę do badania struktury materii. Jest to bardzo intensywne białe promieniowanie, które jest generowane przez elektrony poruszające się po kołowych orbitach z prędkością bliską prędkości światła. Synchrotrony, teraz bardziej poprawnie nazywane klastrami, to doskonałe maszyny, które wszystkie kraje uprzemysłowione właśnie zbudowały, aby otrzymać to cenne światło: najnowocześniejszy włoski pierścień o nazwie Elettra został zbudowany w pobliżu Triestu.

Stan ciekły charakteryzuje się takimi właściwościami fizycznymi jak gęstość, lepkość, napięcie powierzchniowe.

Napięcie powierzchniowe.

Stan cząsteczek w warstwie powierzchniowej różni się znacznie od stanu cząsteczek w głębi cieczy. Rozważ prosty przypadek - ciecz - para (ryc. 2).

Ryż. 2. Działanie sił międzycząsteczkowych na granicy faz i wewnątrz cieczy

Badanie struktury materii nie jest motywowane wyłącznie ciekawością naukową. Na podstawie codziennych doświadczeń człowiek dawno temu nauczył się klasyfikować wszystkie ciała na trzy kategorie lub stany skupienia: takie jak miecz, który trzymał, płyny, takie jak woda, którą wypił, i gazy, takie jak oddychanie powietrzem. Wiedział też, że te stany można przekształcić w siebie nawzajem: na przykład widział, że woda staje się zimowym lodem, a ponad trzy tysiące lat temu wiedział już, że stopi żelazo w tyglu.

Ale jak to się między nimi różni? Pierwsze naukowe opracowania natury materii odnoszą się do środków stosowanych przez gazy Evangelisty Torricelli – ucznia Galileo Galilei i współczesnego Francuza Blaisa Pascala. Stwierdzono również, że gdy gaz zawarty w danej objętości jest podgrzewany, wzrasta jego ciśnienie. Jednak zajęło mi kolejne dwa stulecia, aby zrozumieć mikroskopijne pochodzenie ciśnienia.

Na ryc. 2, cząsteczka (a) znajduje się w cieczy, cząsteczka (b) znajduje się w warstwie powierzchniowej. Kule wokół nich to odległości, na jakie rozciągają się siły przyciągania międzycząsteczkowego otaczających je cząsteczek.

Na cząsteczkę (a) oddziałują równomiernie siły międzycząsteczkowe od otaczających ją cząsteczek, dzięki czemu siły oddziaływania międzycząsteczkowego są kompensowane, wypadkowa tych sił wynosi zero (f=0).

Jednak w przeciwieństwie do gazów ciecze zajmują pewną objętość: kropla deszczu może dotrzeć do ziemi z dużych wysokości bez rozpraszania, ponieważ gaz po prostu otwiera zawór butli, w której się znajduje. Oznacza to, że w cieczy atomy są utrzymywane razem przez silne siły przyciągania, które, jak wiemy dzisiaj, mają charakter elektromagnetyczny. Tylko kilka cząsteczek jest przypadkowo usuwanych z powierzchni, czyli odparowywanych, podczas gdy inne są ponownie wychwytywane i zmuszane do kondensacji. Tak więc w zamkniętym środowisku zawsze ustalana jest równowaga między cieczą a jej parą.

Gęstość pary jest znacznie mniejsza niż gęstość cieczy, ponieważ cząsteczki są daleko od siebie. Dlatego cząsteczki w warstwie powierzchniowej prawie nie doświadczają siły przyciągania z tych cząsteczek. Wypadkowa wszystkich tych sił zostanie skierowana do wnętrza cieczy prostopadle do jej powierzchni. W ten sposób cząsteczki powierzchniowe cieczy są zawsze pod wpływem siły, która ma tendencję do ich wciągania i tym samym zmniejszania powierzchni cieczy.

Ciecze mogą również przenosić elektryczność, gdy istnieją wolne substancje zwane elektrolitami: ich atomy tracą elektron, zamieniają się w jony dodatnie lub zyskują je, zamieniając się w jony ujemne. Tak działa akumulator samochodowy.

Prawie wszystkie ciecze zmniejszają swoją objętość, gdy krzepną: woda jest wyjątkiem, a gdy staje się lodem, rozszerza się. Jednak pomiędzy ciałem w stanie ciekłym a stałym różnica objętości nie jest bardzo duża, co oznacza, że ​​w obu stanach atomy są bardzo blisko siebie. Jeśli jednak obserwujemy powierzchnię ciała stałego za pomocą mikroskopu sił atomowych, zauważamy regularne naprzemienne puste przestrzenie i bardzo różnią się one od chaotycznego zaburzenia, o którym wiemy, że istnieje w cieczy w wyniku ruchów Browna.

Aby zwiększyć granicę faz cieczy, należy wydać pracę A (J). Praca wymagana do zwiększenia powierzchni rozdziału S o 1 m 2 jest miarą energii powierzchniowej lub napięcie powierzchniowe.

Zatem, napięcie powierzchniowe d (J / m 2 \u003d Nm / m 2 \u003d N / m) - wynik nieskompensowanych sił międzycząsteczkowych w warstwie powierzchniowej:

Ten wzór atomów znajduje się, choć w różnych formach, w strukturze wszystkich kryształów występujących w przyrodzie. Ten regularny kształt jest sześcienny, piramidalny, sześciokątny itp. - powtarza się miliardy razy w miliardach razy: a wzór może być tak doskonały, że znajdujemy go w tej samej zewnętrznej formie kryształu. Tylko w nielicznych ciałach stałych atomy są przypadkowe: są to ciała amorficzne, a najpowszechniejszym z nich jest szkło.

Nawet atomy w ruchu stałym poruszają się: wibrują, jakby były połączone ze sobą niewidzialnymi sprężynami. Te „sprężyny” są w rzeczywistości siłami elektromagnetycznymi między atomem a atomem, szczególnie silnymi w ciałach stałych. Wibracje zwiększają swoją amplitudę wraz z temperaturą i są nieregularne, jak ruchy ludzi stłoczonych jak sardynki w oczekiwaniu na koncert rockowy; ale atomy mogą również wibrować zgodnie, tak jak publiczność wibruje, gdy zaczyna się muzyka. Z powodu tych wibracji każesz dźwiękowi np. przemieszczać się z jednego końca na drugi z ciała stałego znacznie lepiej niż w powietrzu.

e = F/S (F to energia powierzchniowa) (2.3)

Istnieje wiele metod określania napięcia powierzchniowego. Najczęściej spotykana jest metoda stalagmometryczna (metoda liczenia kropel) oraz metoda najwyższego ciśnienia pęcherzyków gazu.

Wykorzystując metody rentgenowskiej analizy dyfrakcyjnej stwierdzono, że w cieczach występuje pewne uporządkowanie przestrzennego rozmieszczenia cząsteczek w poszczególnych mikroobjętościach. W pobliżu każdej cząsteczki obserwuje się tak zwany porządek krótkiego zasięgu. W pewnej odległości od niego ta prawidłowość zostaje naruszona. A w całej objętości cieczy nie ma porządku w rozmieszczeniu cząstek.

Jak widać na niektórych westernach, kiedy przykładasz ucho do szyn, dzięki niewidzialnym wibracjom atomów żelaza, możesz poczuć hałas pociągu, gdy jest jeszcze daleko. Gdy ludzie nauczyli się wykorzystywać niezwykłe właściwości ciał stałych, ten stan materii zmienił ich istnienie i historię. Ze względu na twardość metali wytwarzali narzędzia i broń aż do brązu, a następnie do żelaza. Przezroczystość szkła umożliwiła życie w ciepłym i jasnym otoczeniu, a później produkcję soczewek, mikroskopów i teleskopów.

Cenny blask i niezmienność złota, srebra i miedzi sugerował wynalezienie monety, z której zrodziła się nowoczesna gospodarka. Widzimy śrubokręt: dusza jest metalowa, ale uchwyt wykonany jest z drewna lub tworzywa sztucznego. Wiemy, że ta ochrona nie budzi w nas drżenia, to znaczy izoluje nas od prądu. W rzeczywistości istnieją ciała stałe zwane przewodnikami, które przenoszą prąd, metale i ciała stałe, które tego nie robią, takie jak drewno i plastik, które są izolujące.

Ryż. 3. Stalagmometr 4. Wiskozymetr

Lepkość h (Pa s) - właściwość przeciwstawiania się ruchowi jednej części cieczy względem drugiej. W życiu praktycznym osoba ma do czynienia z dużą różnorodnością systemów płynnych, których lepkość jest różna - woda, mleko, oleje roślinne, śmietana, miód, soki, melasa itp.

Swobodne elektrony i elektrony. Jak wyjaśnić różnice między izolatorami a przewodnikami w mikroskopijnym świecie atomów? W izolatorze atomy są obojętne, tj. wszystkie ujemne elektrony, które doskonale kompensują dodatni ładunek jąder, pozostają gęste. Jeśli ten izolator jest podłączony do dwóch biegunów generatora prądu, nie może zapewnić darmowego ładowania, a zatem nie płynie prąd. Zamiast tego metal składa się z jonów dodatnich, które straciły swoje elektrony dalej od jądra: cząstki te mogą poruszać się w krysztale, jak to ma miejsce w przypadku jonów ujemnych w przewodzącej cieczy, a zatem ponieważ każdy z nich ma ładunek razem jeżdżą na prąd.

Lepkość cieczy wynika z efektów międzycząsteczkowych, które ograniczają ruchliwość cząsteczek. Zależy to od rodzaju cieczy, temperatury, ciśnienia.

Lepkość mierzy się za pomocą urządzeń zwanych wiskozymetrami. Wybór lepkościomierza i metody wyznaczania lepkości zależy od stanu badanego układu i jego stężenia.

Żarówka 60W waży 4 miliardy elektronów na sekundę przez żarnik! Włókno nagrzewa się, ponieważ ruch elektronów jest blokowany przez dodatnie jony metali. Gdyby sieć krystaliczna była idealnie gładka, a jony stałe, opór byłby zerowy, a włókno nie stałoby się jasne; ale, jak już powiedzieliśmy, jony wibrują, a ponadto w krysztale zawsze są defekty i zanieczyszczenia, które spowalniają elektrony.

Ponieważ nie napotyka oporu, a zatem nie pobiera energii, prąd może bez przeszkód płynąć do obwodu nadprzewodzącego bez potrzeby stosowania akumulatora lub innego generatora: jest to nadprąd. W rzeczywistości widziano je w laboratorium nadprądowym, które krążyło przez lata, aż eksperyment został przerwany z przyczyn losowych!

W przypadku cieczy o niskiej lepkości lub niskim stężeniu szeroko stosowane są wiskozymetry kapilarne.

Plan wykładu:

1 Cechy stanu ciekłego

2 Napięcie powierzchniowe cieczy i metody jego wyznaczania

3 Lepkość cieczy

4 Cechy stałego stanu materii

Niestety nadprzewodnictwo obserwuje się tylko w bardzo niskich temperaturach. Dlatego dobrze sprawdzają się w pobliżu temperatury skraplania powietrza. Ponieważ ciekłe powietrze jest ekonomicznym i łatwym w produkcji czynnikiem chłodniczym, odkrycie to otworzyło nowe zastosowania dla nadprzewodnictwa. To pozwoli ludzkości zaoszczędzić ogromne ilości energii lub wyprodukować komputery powierzchniowe. Superprądy są również zdolne do tworzenia silnych pól magnetycznych, które z kolei są trwałe.

Ponieważ dwa pola magnetyczne skierowane w stronę biegunów o tej samej nazwie są odrzucane, jeśli nadprzewodnik zostanie opuszczony na namagnesowany stalowy dysk, może wznieść się i zacząć lewitować. Naukowcy byli w stanie faktycznie zrobić to, co magicy i iluzjoniści pokazują opinii publicznej swoimi sztuczkami. Półprzewodniki są mocne i mają tendencję do izolowania, ale gdy są domieszkowane, czyli „zanieczyszczone” atomami innych substancji, mogą nabierać mniej lub bardziej wyraźnych właściwości metali.

1. Ciecze w swoich właściwościach zajmują pozycję pośrednią między gazami a ciałami stałymi. Podobnie jak gazy, ciecze są płynne i mają jednolite właściwości we wszystkich kierunkach, to znaczy są izotropowe. Ruch cząsteczek cieczy jest losowy, podobnie jak w przypadku gazów, ale średni zasięg cząsteczek ze względu na duże siły oddziaływania między nimi jest niewielki. Siły przyciągania międzycząsteczkowego nie pozwalają cząsteczkom oddalać się od siebie na duże odległości, dlatego każda cząsteczka cieczy znajduje się w sferze działania sąsiednich cząsteczek. Dlatego ciecze charakteryzują się stałą objętością. Chociaż siły kohezji międzycząsteczkowej są duże, nadal są niewystarczające, aby utrzymać cząsteczki w określonych punktach przestrzeni. W związku z tym ciecz nie ma trwałego kształtu, lecz przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje.

Najważniejsze jest jednak to, że w półprzewodniku prąd tworzą nie tylko elektrony, ale także dodatnie nośniki ładunku, tzw. przerwy. Najczęściej używanym półprzewodnikiem jest krzem, jeden z najczęstszych pierwiastków w skorupie ziemskiej.

Tak więc przy użyciu dużych elementów elektronicznych można osiągnąć zaledwie kilkadziesiąt nanometrów: dziesiątki milionów tranzystorów, diod i innych elementów znaleziono w kawałku krzemu wielkości gwoździa. Te układy scalone są dziś sercem każdego urządzenia elektronicznego: od komputera lub mobilnego chipa po jednostkę sterującą samochodu. Załóżmy, że mamy gumową kulkę o objętości około litra wypełnioną gazem i ćwiczymy w niej otwór, z którego wypuszczamy gaz. Załóżmy, że z dziury wydostaje się ogromna liczba atomów na sekundę, powiedzmy miliard.

Badania cieczy wykazały, że pod względem struktury wewnętrznej są one jeszcze bliższe ciałom stałym. Cząsteczki cieczy dążą do uporządkowanego rozmieszczenia w przestrzeni; ciecze mają elastyczność w masie, podobnie jak ciała stałe, ponieważ są odporne nie tylko na ściskanie na całym obwodzie, ale także na rozciąganie na całym obwodzie.

Jak długo trwa wyczerpywanie całego gazu? Powodem jest to, że w litrze gazu znajduje się niesamowita liczba atomów, a wyciągnięcie ich to nie lada praca! Jaki biały dym widzimy na garnku do makaronu? Woda parowa, która tworzy się w obfitości, podczas gdy płynna woda w postaci bąbelków jest przezroczysta w świetle słonecznym lub żarówce, więc nie możemy jej zobaczyć. Jednak gdy para się unosi, styka się z najzimniejszym powietrzem w kuchni i zapamiętuje w postaci kulistych kropel. Są jak te, które tworzą białe obłoki nieba: zbyt lekkie i zbyt małe, aby je odróżnić.

Właściwości cieczy zależą również od objętości cząsteczek, ich kształtu i polarności. Ciecze utworzone przez cząsteczki polarne różnią się właściwościami od niepolarnych. Sąsiadujące cząsteczki polarne są zorientowane przeciwległymi końcami dipoli do siebie; w tym przypadku między nimi powstają siły przyciągania elektrostatycznego. Istnieje asocjacja (asocjacja) dwóch lub więcej cząsteczek w złożony kompleks. Asocjacja może być spowodowana w szczególności tworzeniem się wiązania wodorowego między cząsteczkami cieczy. Właściwości cieczy zależą od stopnia asocjacji, ponieważ do zerwania wiązań międzycząsteczkowych potrzebna jest znaczna energia. Dlatego powiązane ciecze (woda, alkohole, ciekły amoniak) mają wyższe temperatury wrzenia, są mniej lotne itp. Na przykład alkohol etylowy i eter dimetylowy mają ten sam wzór (C 2 H 6 O) i taką samą masę cząsteczkową. Alkohol jest substancją polarną, należy do cieczy towarzyszących i wrze w wyższej temperaturze niż eter dimetylowy (substancja niepolarna), który należy do cieczy nieskojarzonych.

2. Rozważ niektóre charakterystyczne właściwości fizykochemiczne cieczy, aw szczególności napięcie powierzchniowe.

Warstwa powierzchniowa cieczy różni się właściwościami fizykochemicznymi od warstw wewnętrznych. Każda cząsteczka wewnątrz cieczy przyciąga do siebie wszystkie otaczające ją cząsteczki i jednocześnie z taką samą siłą jest przyciągana równomiernie we wszystkich kierunkach przez otaczające ją cząsteczki. Dlatego pole siłowe każdej cząsteczki wewnątrz cieczy jest symetrycznie nasycone. Wynikowa siła przyciągania wynosi zero.

W innej pozycji znajdują się cząsteczki znajdujące się w warstwie powierzchniowej. Siły przyciągające działają na nie tylko z cząsteczek dolnej półkuli. Działanie cząsteczek gazu lub pary nad powierzchnią cieczy można pominąć, ponieważ ich stężenie jest nieporównywalnie mniejsze niż w cieczy. Wypadkowa sił molekularnych w tym przypadku nie jest równa zeru i jest skierowana w dół. Tak więc na cząsteczki powierzchni cieczy zawsze działa siła, która ma tendencję do wciągania ich do wewnątrz. Prowadzi to do tego, że powierzchnia cieczy ma tendencję do kurczenia się.

Dla cząsteczek warstwy powierzchniowej niewykorzystane siły kohezyjne są źródłem nadmiaru energii, zwanej swobodną energią powierzchniową. Energia swobodna powierzchni jednostkowej nazywana jest napięciem powierzchniowym i oznaczana jest przez σ. Napięcie powierzchniowe σ można zmierzyć za pomocą pracy, którą należy wykonać, aby przezwyciężyć siły kohezyjne między cząsteczkami, aby stworzyć nową jednostkę powierzchni.

Napięcie powierzchniowe można również traktować jako siłę działającą na jednostkę długości linii, która ogranicza powierzchnię cieczy oraz kierunek i stronę kurczenia się powierzchni.

Napięcie powierzchniowe można określić empirycznie. Weź drucianą ramę, której jedna strona (CD) może się swobodnie poruszać. Do ruchomej strony ramy CD przymocowany jest ładunek P. Przesuwamy drut CD na stronę AB, zwilżamy ramę wodą z mydłem i ustawiamy w pozycji pionowej. Ruchoma strona pod działaniem obciążenia P zacznie opadać. W takim przypadku między nim a ramą powstaje film. Po przejściu pewnej odległości h ruchomy drut zatrzyma się, ponieważ ciężar ładunku P staje się równy sile napięcia powierzchniowego. W takim przypadku obciążenie P działa A \u003d P * h. Praca wykonana przez obciążenie P w momencie równowagi jest równa napięciu powierzchniowemu filmu mydlanego o powierzchni S równej 2lh (ponieważ powierzchnię tworzą dwie strony filmu).

Wartość napięcia powierzchniowego oblicza się według równania A = σS, skąd

gdzie A jest pracą tworzenia powierzchni S; σ - napięcie powierzchniowe.

Napięcie powierzchniowe dla czystych cieczy zależy od natury cieczy i temperatury, a dla roztworów od natury rozpuszczalnika, a także od natury i stężenia substancji rozpuszczonej.

Metale płynne i stopione mają bardzo wysokie napięcie powierzchniowe. Alkohol, eter, aceton, benzen to ciecze o małych wartościach σ. Napięcie powierzchniowe cieczy spada wraz ze wzrostem temperatury.

Napięcie powierzchniowe wody w różnych temperaturach

Temperatura 0 +20 +40 +60 +80

σ∙ 103 75,95 72,75 69,55 66,18 62,75

Napięcie powierzchniowe cieczy może się radykalnie zmienić, gdy rozpuszczą się w nich różne substancje. Substancje rozpuszczone mogą obniżać lub zwiększać napięcie powierzchniowe! Substancje, które znacznie obniżają napięcie powierzchniowe danej cieczy, nazywane są surfaktantami. W stosunku do wody surfaktantami są alkohole, mydła, proteiny itp. Dodanie takich substancji do wody ułatwia spienianie, czyli tworzenie się dużej ilości nowych warstw powierzchniowych cieczy, co tłumaczy się zmniejszeniem powierzchni napięcie wody.

Substancje zwiększające napięcie powierzchniowe cieczy nazywane są powierzchniowo nieaktywnymi. Na przykład napięcie powierzchniowe wody wzrasta wraz z rozpuszczaniem kwasów mineralnych, zasad i niektórych soli nieorganicznych.

Napięcie powierzchniowe mierzy się różnymi metodami. Najprostsza to metoda „liczenia kropli” za pomocą przyrządu zwanego stalagmometrem, który jest pipetą z dwoma znacznikami; dolna część stalagmometru przechodzi w kapilarę, której koniec jest zagęszczany i polerowany w celu uzyskania identycznych kropel. Metoda opiera się na fakcie, że kropla utworzona na końcu rurki kapilarnej stalagmometru jest utrzymywana przez siłę napięcia powierzchniowego. Kropla odrywa się w momencie, gdy jej ciężar staje się równy lub przekracza o nieskończenie małą wartość siły napięcia powierzchniowego utrzymującej kroplę. W przypadku cieczy o wysokim napięciu powierzchniowym oderwanie kropel jest trudne, a utworzone kropelki będą większe niż w przypadku cieczy o niższym napięciu powierzchniowym, a co za tym idzie ich liczba będzie mniejsza.

Stalagmometr jest napełniany badaną cieczą i liczona jest ilość kropel n wypływających z objętości V. Następnie jest napełniana wodą destylowaną i liczona jest ilość kropel wody nо wypływających z tej samej objętości V. I przy w momencie oderwania się kropli jej ciężar jest równy sile napięcia powierzchniowego. Jeżeli n kropli cieczy wypływa z objętości V, o gęstości p, to masę kropli określa równanie P \u003d V * ρ * g / n, gdzie g jest przyspieszeniem swobodnego spadania.

Siła napięcia powierzchniowego utrzymująca kroplę wynosi 2πrσ; gdzie 2πr jest obwodem otworu kapilarnego, od którego odrywa się kropla. Dla badanej cieczy

V*ρ*g/n = 2πrσ (II)

dla wody V*ρ o *g/n o = 2πrσ o (III)

gdzie σ o - napięcie powierzchniowe wody; ρ około - jego gęstość; n około - liczba kropli wody.

Dzieląc równanie (II) przez (III), otrzymujemy

ρ * n o / ρ o * n = σ / σ o , skąd

σ \u003d σ o * ρ * n o / ρ o * n (IV)

Gęstość badanej cieczy, jod i napięcie powierzchniowe wody σo znajdują się z tabel dla odpowiedniej temperatury, w której dokonywany jest pomiar.

3. Lepkość lub tarcie wewnętrzne to opór, który pojawia się, gdy niektóre warstwy cieczy poruszają się względem innych. Jeśli zmieszamy wodę patyczkiem, a tym bardziej syrop cukrowy, olej słonecznikowy, miód, glicerynę, to wyczujemy opór na ruch patyczka. Kiedy jedna warstwa płynu się porusza, sąsiednie warstwy biorą udział w tym ruchu, ale stawiają mu opór. Wartość tego oporu dla różnych cieczy jest różna i zależy od chemicznego charakteru cieczy, tj. od sił oddziaływania międzycząsteczkowego. W przypadku płynów takich jak miód, syrop cukrowy lepkość jest wysoka, natomiast w przypadku wody, alkoholu etylowego jest niska.

Lepkość cieczy zależy od temperatury; wraz ze wzrostem temperatury spada, ciecz staje się bardziej ruchliwa, tj. zwiększa się jej płynność. Zazwyczaj przy wzroście temperatury o 1°C lepkość spada o około 2%. Płyny takie jak alkohol winny, woda, eter dietylowy są lekkie, a miód, gliceryna, melasa, olej są lepkie. Czasami lepkość wzrasta tak bardzo, że ciecz przestaje być płynna i nabiera właściwości ciał stałych.

Lepkość roztworów w dużej mierze zależy od ich stężenia; im wyższe stężenie, tym wyższa lepkość.

W cieczach, gdy jedne warstwy poruszają się względem innych, między warstwami powstaje siła tarcia skierowana przeciwnie do kierunku ruchu. Charakterystykę ilościową tej siły wyraża prawo Newtona:

F = η*S*Δυ/l (V)

gdzie F jest siłą tarcia; S to powierzchnia styku dwóch warstw; Δυ - różnica prędkości υ 2 i υ 1 tych warstw, znajdujących się w odległości l od siebie; η - współczynnik proporcjonalności.

Jeżeli S=1 cm2 i Δυ/l=1, to F=η. Dlatego lepkość charakteryzuje się jakościowo współczynnikiem lepkości, czyli współczynnikiem wewnętrznego η (eta), który zależy od rodzaju cieczy i temperatury.

Lepkość mierzy się w równowadze. Lepkość 1 P (0,1 N*s/m2) to bardzo duża wartość: na przykład lepkość wody w temperaturze 20 °C wynosi tylko 0,01 P, oliwy z oliwek 0,98 P, a gliceryny 10,63 P. W praktyce zwykle określa się lepkość względna, czyli stosunek lepkości badanej cieczy do lepkości wody, przyjmując lepkość wody równą jednemu centypuazowi (1 centypuaz).

Jedna z metod pomiaru lepkości polega na określeniu czasu wypływu płynu z kapilary wiskozymetru. Czas wypływu równych objętości (objętość ta jest ograniczona etykietami A i B) wody i cieczy testowej określany jest w sekundach. Na podstawie danych eksperymentalnych lepkość względną oblicza się ze wzoru

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

gdzie η rel - lepkość względna badanej cieczy w wodzie; η o - współczynnik lepkości wody równy I cP; p w i ρ około - gęstość badanej cieczy i wody; τ w i τ o - czas wygaśnięcia badanej cieczy i wody. Wartości τ W i τ o określają empirycznie w stałej temperaturze; p w i ρ o dla danej temperatury są pobierane z tablic.

Oznaczenie lepkości ma ogromne znaczenie przy badaniu właściwości roztworów białek, węglowodanów i tłuszczów. Szybkość dyfuzji substancji w mediach ciekłych zależy od lepkości, a co za tym idzie od szybkości reakcji chemicznych w roztworach.

Roztwory są prawie zawsze bardziej lepkie niż czyste rozpuszczalniki. Różnica jest szczególnie wyraźna w roztworach substancji wielkocząsteczkowych. Dlatego ciecze spełniające równanie (III.22) nazywane są newtonowskimi, w przeciwieństwie do roztworów polimerów, które nie spełniają tego równania.

4. Stały stan materii

Ciała stałe, w przeciwieństwie do cieczy i gazów, zachowują swój kształt. Cząstki ciał stałych są tak mocno związane ze sobą siłami kohezyjnymi, że nie mają ruchu postępowego, a wokół pewnych punktów możliwy jest jedynie ruch oscylacyjny. Substancje stałe mogą być krystaliczne lub amorficzne.

Ciała krystaliczne mają wyraźną strukturę wewnętrzną dzięki prawidłowemu rozmieszczeniu cząstek w ściśle określonej, cyklicznie powtarzającej się kolejności. Rozmiary kryształów mogą być różne: od bardzo małych do gigantycznych. Ciała krystaliczne mają ściśle określoną temperaturę topnienia. Charakteryzuje je również zjawisko anizotropii, które polega na tym, że właściwości ciał krystalicznych w różnych kierunkach nie są takie same. Wyjaśnia to fakt, że w kryształach przewodność cieplna, wytrzymałość mechaniczna, szybkość wzrostu kryształów, szybkość rozpuszczania i inne właściwości są różne w różnych kierunkach. Na przykład mikę łatwo dzieli się na płytki tylko w jednym kierunku (równolegle do jej powierzchni), w innych kierunkach potrzeba znacznie większych wysiłków, aby zniszczyć mikę. Ciała amorficzne nie mają ściśle określonej temperatury topnienia, miękną w pewnym zakresie temperatur i stopniowo przechodzą w stan ciekły. Po schłodzeniu te stopione materiały przechodzą w stan stały bez tworzenia struktury krystalicznej. Typowym przedstawicielem ciał amorficznych jest zwykłe szkło krzemianowe, dlatego stan amorficzny jest często nazywany szklistym.

W przeciwieństwie do ciał krystalicznych, ciała amorficzne, a także gazy i ciecze charakteryzują się właściwością izotropii, tj. stałości właściwości (przewodność cieplna, przewodność elektryczna, właściwości mechaniczne itp.) we wszystkich kierunkach. Należy zauważyć, że ciała polikrystaliczne, składające się z dużej liczby losowo zorientowanych małych kryształów, na ogół również okazują się ciałami izotropowymi, na przykład metalami.

Nie da się jednak wytyczyć wyraźnej granicy między ciałami amorficznymi i krystalicznymi. Na przykład cukier może być albo krystaliczny (cukier granulowany, cukier w kawałkach) albo amorficzny (cukier karmelizowany). Ponadto niektóre substancje otrzymane w stanie amorficznym mogą z czasem krystalizować: tak krystalizuje karmel, co jest niepożądane w przemyśle cukierniczym, szkło z czasem krystalizuje, tracąc przezroczystość. Zjawisko to jest technicznie nazywane odszkleniem.