Глава 1. Агрегатные состояния вещества (стр. 5 )

Таким образом, жидкость характеризуется следующими свойствами:

a)  сохраняет объем;

b)  образует свободную поверхность;

c)  обладает прочностью на разрыв;

d)  принимает форму сосуда;

e)  обладает текучестью; текучесть жидкости обусловлена подвижностью молекул, составляющих жидкость.

Свойства жидкости с а) по с) подобны свойствам твёрдых тел, а свойство d) - свойству газа.

Поведение жидкости зависит от следующих факторов:

1)  от химической природы жидкости.

В полярных жидкостях (Н2О, низшие спирты, NН3) сильны взаимодействия между молекулами, поэтому такие жидкости по строению и поведению ближе к твёрдым телам.

В неполярных жидкостях (гексан, октан, бензол) взаимодействия между молекулами слабее, поэтому по свойствам они ближе к газам.

2)  от внешних условий, в частности, от температуры.

Чем ниже температура, и чем ближе температура жидкости к температуре её кристаллизации, тем больше степень упорядоченности частиц и тем ближе свойства жидкости к свойствам твёрдых веществ. Чем выше температура и чем ближе она к температуре кипения, тем больше сходства в поведении жидкостей и газов.

В жидкостях между молекулами возникают различные типы связей:

1)  ван-дер-ваальсовые взаимодействия (диполь-дипольные, дисперсионные и индукционные взаимодействия);

2)  водородные связи.

За счёт этих взаимодействий в жидкости образуются ассоциированные комплексы (ассоциация - объединение). К ассоциированным жидкостям относятся вода, спирты, жидкий аммиак, ацетон и др. Степень ассоциации бывает различной. Сильно ассоциированные жидкости отличаются от нормальных по многим свойствам (температура кипения, теплота испарения, летучесть и др.).

В жидкостях может наблюдаться некоторая упорядоченность в расположении частиц (ближний порядок). Это явление было установлено при высоких температурах в стёклах, а при комнатных температурах – в воде, бензоле, ртути и других жидкостях.

Законы движения и равновесия жидкостей изучает гидравлика (механика жидкости и газа). С позиции гидравлики жидкости делят на два класса: сжимаемые жидкости или газы, и практически несжимаемые - капельные жидкости.

В гидравлике различают идеальные и реальные жидкости.

Идеальная жидкость - жидкость, между частицами которой отсутствуют силы внутреннего трения. Вследствие этого такая жидкость не сопротивляется касательным силам сдвига и силам растяжения. Идеальная жидкость совершенно не сжимается, она оказывает бесконечно большое сопротивление силам сжатия. Такой жидкости в природе не существует - это научная абстракция, необходимая для упрощения анализа общих законов механики применительно к жидким телам.

Реальная жидкость - жидкость, которая не обладает в совершенстве свойствами идеальной жидкости, она в некоторой степени сопротивляется касательным и растягивающим усилиям, а также отчасти сжимается. Для решения многих задач гидравлики этим отличием в свойствах идеальной и реальной жидкостей можно пренебречь. В связи с этим физические законы, выведенные для идеальной жидкости, могут быть применены к жидкостям реальным с соответствующими поправками.

1.4.2.  Свойства жидкостей

Плотность - масса единицы объёма жидкости при данной температуре:

В связи с тем, что среднее расстояние между молекулами в жидкостях гораздо меньше, чем в газах, то и плотность жидкостей в сотни и тысячи раз больше, чем плотность газов. Например, плотность сухого воздуха равна 1,27 кг/м3, а плотность воды 1000 кг/м3.

С увеличением температуры плотность всех жидкостей уменьшается (исключение - вода).

где - плотность при температуре t oC;

- плотность при 0оС;

- коэффициент термического расширения.

Молярный объём жидкости – это объём 1 моль жидкости; получается делением молярной массы жидкости на её плотность:

Молярный объём жидкостей различен для разных жидкостей и не является постоянной величиной, как у газов.

Например. Молярный объём жидкой воды Vm = 18/1000 = 0,018 л/моль (молярный объём водяного пара равен 22,4 л/моль).

Поверхностное натяжение - это энергия, необходимая для образования новой поверхности. Мерой поверхностного натяжения жидкости является коэффициент поверхностного натяжения σ (сигма). Он выражается величиной работы W в Джоулях, которую необходимо затратить на образование 1м2 поверхности S:

Поверхностное натяжение зависит от природы жидкости, природы граничащего с ней тела, температуры и наличия примесей в жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости можно определить сталагмометрическим методом (метод отсчёта капель), тензиометрическим методом (метод отрыва кольца), методом подъёма смачивающих жидкостей в капиллярах, методом Ребиндера (измерением максимального давления в газовом пузырьке) и др. При повышении температуры поверхностное напряжение падает.

Добавление в жидкость различных веществ изменяет ее поверхностное натяжение. Вещества, уменьшающие коэффициент поверхностного натяжения жидкости, называются поверхностно-активными (ПАВ). По отношению к воде поверхностно-активными являются мыла, моющие средства, жирные кислоты, эфир и др.; сахар, различные соли, напротив, увеличивают поверхностное натяжение воды.

Поверхностное натяжение является определяющим фактором многих технологических процессов: флотации, пропитки пористых материалов, нанесения покрытий, моющего действия и др.

Вязкость (внутреннее трение, сопротивляемость течению) - это сопротивление, возникающее внутри жидкости при перемещении с различными скоростями одних слоёв её относительно других. Вязкость является термодинамическим свойством текучего тела. Её мерой служит т. н. динамическая вязкость μ (или коэффициент внутреннего трения):

где F - сила сопротивления сдвигу, Н

l - расстояние, м

S - площадь поверхности, м2

v - скорость, м/с.

Вязкость выражают в пуазах Пз, сантипуазах сПз:

[μ]=[Па·с]=[10 Пз]=[103 сПз]

На практике часто используют т. н. кинематическую вязкость ν (ню), которая представляет собой отношение динамической вязкости жидкости к её плотности. Кинематическую вязкость выражают в стоксах (Ст).

Вязкость жидкости уменьшается с увеличением температуры (исключение - вода).

Величина, обратная вязкости, называется текучестью. Текучесть - способность изменять форму за малое время под действием даже малой силы. Благодаря этому свойству все жидкости льются в виде струй, разбрызгиваются каплями, принимают форму того сосуда, в который их нальют.

Вязкость можно определить экспериментально следующими методами:

·  методом Стокса (основан на измерении скорости свободного падения шарика в исследуемой жидкости);

·  вискозиметрическим методом (методом истечения).

Изучение вязкости жидкостей имеет большое значение для таких технологических процессов как перемешивание жидкостей, движение жидкостей по трубопроводам и др.

Давление насыщенного пара. Пар – это газ, образованный испарившимися молекулами жидкости. Насыщенный пар - это такой пар, который находится в динамическом равновесии со своей жидкостью. Динамическое равновесие означает, что количество молекул, покидающих жидкость в результате испарения, равно количеству молекул, возвращающихся в жидкость. Давление пара, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называют давлением насыщенного пара. Так как давление пропорционально концентрации молекул (p=nkT), то оно не зависит от занимаемого им объема. Давление насыщенного пара не зависит от объема, потому что молекулы насыщенного пара находятся на предельно-близком расстоянии друг от друга, дальнейшее их сближение приведет к конденсации, удаление - к разряжению. Поэтому и давление которое он создает, всегда одинаково.

Давление насыщенного пара повышается с увеличением температуры.

1.5.  Твёрдое агрегатное состояние

Твёрдые тела характеризуются, как правило, упорядоченным расположением частиц. Различают аморфную и кристаллическую структуру твёрдых тел.

В аморфных телах нет явно выраженного дальнего порядка в расположении частиц. К таким материалам относятся, например, стёкла, многое органические материалы и т. д. Физическая химия не рассматривает аморфные вещества как твёрдые, потому что они не имеют постоянной точки плавления.

Характерными внешними признаками кристаллических веществ служат определённая и чётко выраженная температура плавления, и определённая геометрическая форма кристаллов (кристаллическая решетка).

Кристаллы – это твёрдые тела, частицы которых (атомы, молекулы, ионы) занимают упорядоченное положение в пространстве. Кристаллы состоят из регулярно соединенных одинаковых элементарных ячеек. Элементарная ячейка кристалла не является абстрактным понятием. Она состоит из регулярно расположенных частиц, которые удерживаются на своих местах благодаря химическим связям.

Элементарная ячейка является наименьшей структурной единицей кристалла. Частицы размещаются в кристаллической решетке согласно принципу наиболее плотной упаковки: наиболее устойчивой и, следовательно, наиболее вероятной структурой является такая структура, которая отвечает наиболее плотной укладке частиц в кристалле, т. е. при которой остаётся наименьшее по объёму свободное пространство между этими частицами.