Жидкие вещества и их свойства. Жидкое состояние вещества
В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с тремя состояниями вещества - жидким, газообразным и твердым. О том, что представляют собой твердые тела и газы, мы имеем довольно ясное представление. Газ - совокупность молекул, которые движутся беспорядочно по всем направлениям. Все молекулы твердого тела сохраняют взаимное расположение. Они совершают только незначительные колебания.
Особенности жидкого вещества
А что же представляют собой жидкие вещества? Основной их особенностью является то, что, занимая промежуточное положение между кристаллами и газами, они сочетают в себе определенные свойства двух этих состояний. Например, для жидкостей, так же как и для твердых (кристаллических) тел, свойственно наличие объема. Однако в то же время жидкие вещества, так же как и газы, принимают форму сосуда, в котором находятся. Многие из нас полагают, что у них нет своей собственной формы. Однако это не так. Естественная форма любой жидкости - шар. Сила тяжести обычно мешает ей принять эту форму, поэтому жидкость либо принимает форму сосуда, либо растекается по поверхности тонким слоем.
По своим свойствам жидкое состояние вещества особенно сложно, что обусловлено промежуточным его положением. Оно начало изучаться еще со времен Архимеда (2200 лет назад). Однако анализ того, как ведут себя молекулы жидкого вещества, до сих пор является одной из наиболее трудных областей прикладной науки. Общепризнанной и вполне законченной теории жидкостей все еще нет. Однако кое-что об их поведении мы можем сказать вполне определенно.
Поведение молекул в жидкости
Жидкость - что-то такое, что может течь. Ближний порядок наблюдается в расположении ее частиц. Это означает, что расположение соседей, ближайших к ней, по отношению к любой частице является упорядоченным. Однако по мере того, как она удаляется от других, положение ее по отношению к ним делается все менее упорядоченным, а затем порядок и вовсе исчезает. Жидкие вещества состоят из молекул, которые движутся намного более свободно, чем в твердых телах (а в газах - еще свободнее). В течение определенного времени каждая из них устремляется то в одну сторону, то в другую, не удаляясь от своих соседей. Однако молекула жидкости время от времени вырывается из окружения. Она попадает в новое, переходя в другое место. Здесь снова в течение определенного времени она совершает подобные колебанию движения.
Вклад Я. И. Френкеля в изучение жидкостей
Я. И. Френкелю, советскому ученому, принадлежат большие заслуги в разработке целого ряда проблем, посвященных такой теме, как жидкие вещества. Химия сильно продвинулась вперед благодаря его открытиям. Он считал, что в жидкостях тепловое движение имеет следующий характер. В течение определенного времени каждая молекула колеблется около положения равновесия. Однако она меняет свое место время от времени, перемещаясь скачком на новое положение, которое от предыдущего отстоит на расстояние, составляющее примерно размеры самой этой молекулы. Другими словами, внутри жидкости молекулы перемещаются, но медленно. Часть времени они пребывают около определенных мест. Следовательно, движение их представляет собой что-то вроде смеси совершаемых в газе и в твердом теле движений. Колебания на одном месте через некоторое время сменяются свободным переходом с места на место.
Давление в жидкости
Некоторые свойства жидкого вещества нам известны благодаря постоянному взаимодействию с ними. Так, из опыта повседневности мы знаем о том, что оно действует на поверхность твердых тел, которые соприкасаются с ней, с известными силами. Они именуются силами давления жидкости.
Например, приоткрывая отверстие водопроводного крана пальцем и включая воду, мы ощущаем, как она давит на палец. А пловец, который нырнул на большую глубину, не случайно испытывает боль в ушах. Она объясняется тем, что на барабанную перепонку уха воздействуют силы давления. Вода - жидкое вещество, поэтому она обладает всеми его свойствами. Для того чтобы измерить температуру воды на глубине моря, следует использовать очень прочные термометры, чтобы их не могло раздавить давление жидкости.
Это давление обусловлено сжатием, то есть изменением объема жидкости. Она обладает по отношению к этому изменению упругостью. Силы давления - это и есть силы упругости. Следовательно, если жидкость действует на тела, соприкасающиеся с ней, значит, она сжата. Поскольку плотность вещества при сжатии растет, можно считать, что жидкости по отношению к изменению плотности обладают упругостью.
Испарение
Продолжая рассматривать свойства жидкого вещества, переходим к испарению. Вблизи поверхности его, а также непосредственно в поверхностном слое действуют силы, обеспечивающие само существование этого слоя. Они не позволяют покидать объем жидкости молекулам, находящимся в нем. Однако некоторая их часть благодаря тепловому движению развивает довольно большие скорости, с помощью которых становится возможно преодолеть эти силы и покинуть жидкость. Мы называем это явление испарением. Его можно наблюдать при любой температуре воздуха, однако с ее увеличением интенсивность испарения возрастает.
Конденсация
Если молекулы, покинувшие жидкость, удаляются из пространства, находящегося вблизи ее поверхности, то вся она, в конце концов, испаряется. Если же покинувшие ее молекулы не удаляются, они формируют пар. Попавшие в область, находящуюся вблизи поверхности жидкости, молекулы пара втягиваются в нее силами притяжения. Этот процесс получил название конденсации.
Следовательно, если молекулы не удаляются, со временем уменьшается скорость испарения. Если плотность пара в дальнейшем увеличивается, достигается ситуация, при которой количество молекул, покидающих за определенное время жидкость, будет равняться количеству молекул, которые возвращаются за это же время в нее. Так возникает состояние динамического равновесия. Пар, находящийся в нем, называется насыщенным. Давление и плотность его увеличиваются с повышением температуры. Чем она выше, тем большее количество молекул жидкости имеет достаточную для испарения энергию и тем большей плотностью должен обладать пар для того, чтобы с испарением могла сравняться конденсация.
Кипение
Когда в процессе нагревания жидких веществ достигается такая температура, при которой насыщенные пары имеют такое же давление, как и внешняя среда, устанавливается равновесие между насыщенным паром и жидкостью. Если жидкость сообщает дополнительное количество теплоты, сразу же происходит превращение в пар соответствующей массы жидкости. Этот процесс именуют кипением.
Кипение представляет собой интенсивное испарение жидкости. Оно происходит не только с поверхности, а касается всего ее объема. Внутри жидкости появляются пузырьки пара. Для того чтобы перейти в пар из жидкости, молекулам необходимо приобрести энергию. Она нужна для преодоления сил притяжения, благодаря которым они удерживаются в жидкости.
Температура кипения
Температура кипения - это та, при которой наблюдается равенство двух давлений - внешнего и насыщенных паров. Она увеличивается при увеличении давления и уменьшается при его уменьшении. Из-за того, что с высотой столба давление в жидкости меняется, кипение в ней происходит на различных уровнях при разной температуре. Только насыщенный пар, находящийся над поверхностью жидкости в процессе кипения, имеет определенную температуру. Она определяется лишь внешним давлением. Именно ее мы и имеем в виду, когда говорим о температуре кипения. Она отличается у разных жидкостей, что широко применяется в технике, в частности, при разгонке нефтепродуктов.
Скрытая теплота парообразования - это количество тепла, необходимое для того, чтобы превратить в пар изотермически определенное количество жидкости, если внешнее давление то же, что и давление насыщенных паров.
Свойства жидкостных пленок
Все мы знаем о том, как можно получить пену, растворив в воде мыло. Это не что иное, как множество пузырьков, которые ограничены состоящей из жидкости тончайшей пленкой. Однако из образующей пену жидкости можно получить также и отдельную пленку. Свойства ее очень интересны. Пленки эти могут быть очень тонкими: их толщина в самых тонких частях не превышает стотысячной доли миллиметра. Однако они порой очень устойчивы, несмотря на это. Мыльную пленку можно подвергать деформации и растяжению, сквозь нее может проходить струя воды, при этом не разрушая ее. Как же объяснить такую устойчивость? Для того чтобы появилась пленка, необходимо к чистой жидкости прибавить вещества, растворяющиеся в ней. Но не любые, а такие, которые значительно понижают поверхностное натяжение.
Жидкостные пленки в природе и технике
В технике и природе мы встречаемся главным образом не с отдельными пленками, а с пеной, которая представляет собой их совокупность. Ее нередко можно наблюдать в ручьях, где в спокойную воду падают небольшие струйки. Способность воды пениться в данном случае связана с наличием в ней органического вещества, которое выделяют корни растений. Это пример того, как пенятся природные жидкие вещества. А как же обстоит дело с техникой? При строительстве, например, используют специальные материалы, которые обладают ячеистой структурой, напоминающей пену. Они легки, дешевы, достаточно прочны, плохо проводят звуки и теплоту. Для получения их в специальные растворы добавляют способствующие пенообразованию вещества.
Вывод
Итак, мы узнали, какие вещества относятся к жидким, выяснили, что жидкость является промежуточным состоянием вещества между газообразным и твердым. Поэтому у нее есть свойства, характерные для того и другого. Жидкие кристаллы, которые сегодня широко используются в технике и промышленности (например, жидкокристаллические дисплеи) являются ярким примером этого состояния вещества. В них объединены свойства твердых тел и жидкостей. Сложно представить, какие вещества жидкие изобретет в будущем наука. Однако ясно, что в этом состоянии вещества есть большой потенциал, который можно использовать во благо человечества.
Особый интерес к рассмотрению физико-химических процессов, протекающих в жидком состоянии, обусловлен тем, что сам человек состоит на 90% из воды, которая является самой распространенной на Земле жидкостью. Именно в ней происходят все жизненно важные процессы как в растительном, так и в животном мире. Поэтому для всех нас актуально изучать жидкое состояние вещества.