Также по теме

ЖИДКОСТЬ

ЖИДКОСТЬ – одно из агрегатных состояний вещества (см. ГАЗ; ПЛАЗМА; ТВЕРДОЕ ТЕЛО), она занимает как бы промежуточное положение между кристаллическим твердым телом, отличающимся полной упорядоченностью в расположении образующих его частиц (ионов, атомов, молекул) и газом, молекулы которого находятся в состоянии хаотического (беспорядочного) движения.

С жидким состоянием вещества человек встречается на каждом шагу. Прежде всего, это конечно вода, необычная по ряду своих свойств жидкость, так необходимая в повседневной жизни. Это и различные жидкости неорганического и органического происхождения (кислоты, спирты, продукты переработки нефти и т.п.). Наконец, это ртуть – удивительная тяжелая жидкость блестящего цвета, похожая на расплавленный металл. При нагревании до достаточно высоких температур твердые тела расплавляются и переходят в жидкое состояние. Для кристаллических твердых тел такой переход происходит скачком при вполне определенной для данного вещества температуре, называемой температурой плавления. Вместе с тем, существуют так называемые аморфные (стеклообразные) твердые тела, которые по своим свойствам мало отличаются от жидкостей, к их числу относятся стекла, различные смолы, пластмассы. По мере повышения температуры они переходят в жидкое состояние – становятся как бы все более мягкими и приобретают обычную для жидкости способность течь. Их называют иногда переохлажденными жидкостями, поскольку в обычном состоянии такие вещества можно рассматривать как жидкости с аномально большой вязкостью.

При очень низких (по сравнению с комнатной) температурах в жидкое состояние переходит большинство газов. Этот переход также происходит скачком и характеризуется для каждого газа своей определенной температурой перехода – температурой конденсации. Вся так называемая криогенная техника основана на получении и использовании жидкого гелия, жидкого азота и других сжиженных газов.

В отличие от газа, одна из характерных особенностей жидкости заключается в ее способности сохранять свой объем, что проявляется в ее малой сжимаемости. Твердое тело наряду с сохранением объема стремится сохранить также и свою форму. Наиболее важное отличие жидкости от твердого тела заключается в том, что она принимает форму содержащего ее сосуда, образуя при этом свободную поверхность. Это означает, что жидкость обладает высокой текучестью (или малой вязкостью). Газы из-за беспорядочного характера движения их молекул стремятся заполнить весь предоставленный им объем.

Эти свойства жидкости определяются особенностями межмолекулярного взаимодействия в ней. Известно, что в идеальном газе молекулы большую часть времени проводят в состоянии свободного движения, взаимодействуя между собой лишь в редкие моменты их сближения. Среднее расстояние между ними можно определить как r ~ n–1/3, где n – число частиц в единице объема (см. ГАЗ). Для нормальных условий (давление p = 1 атм., температура T = 273 К) это соответствует расстоянию r ~ 3·10–7 см, что в 10 раз больше, чем характерный диаметр самих молекул (d ~ 3·10–8 см). В жидкости молекулы сближены друг с другом, т.е. расстояния между ними оказываются того же порядка величины, что и размеры молекул. Интенсивное взаимодействие между частицами жидкости приводит к тому, что их движение уже нельзя считать полностью неупорядоченным, как в случае газового состояния. Вместе с тем, они не достигают и того полного порядка в расположении молекул, которая характерна для кристаллических твердых тел.

Как известно, особенностью кристаллических твердых тел является периодичность пространственного расположения атомов, молекул или ионов, из которых состоят кристаллы. Совокупность таких периодически расположенных частиц образует структуру, называемую кристаллической решеткой. Подобная периодичность носит название дальнего порядка. Пример двумерного дальнего порядка представлен на рис. 1а.

Экспериментальные исследования жидкого состояния вещества, основанные на наблюдении дифракции рентгеновских лучей и потоков нейтронов при прохождении их через жидкие среды, обнаружили наличие в жидкости ближнего порядка, т.е. наличие некоторой упорядоченности в расположении частиц лишь на малом расстоянии от какой-либо выделенной позиции. Это иллюстрируется картиной, изображенной на рис. 1б.

      Рис. 1. ДАЛЬНИЙ И БЛИЖНИЙ ПОРЯДОК. а – двумерная модель твердого тела, иллюстрирующая наличие дальнего порядка; б – двумерная модель жидкости, иллюстрирующая наличие только ближнего порядка.

Распределение частиц в малой окрестности любой фиксированной частицы жидкости имеет определенную упорядоченность, несколько напоминающую кристаллическую, хотя и более рыхлую. По этой причине структуру жидкости иногда называют квазикристаллической или кристаллоподобной.

Впервые идея о близости некоторых свойств жидкостей (особенно расплавов металлов) и кристаллических твердых тел была высказана и затем развивалась в работах советского физика Я.И.Френкеля еще 1930–1940-х. Согласно взглядам Френкеля, получившим теперь всеобщее признание, тепловое движение атомов и молекул в жидкости состоит из нерегулярных колебаний со средней частотой, близкой к частоте колебаний атомов в кристаллических телах. Центр колебаний определяется при этом полем сил соседних частиц и смещается вместе со смещениями этих частиц. Упрощенно можно представить такое тепловое движение как наложение друг на друга сравнительно редких перескоков частиц из одних временных положений равновесия в другие и тепловых колебаний в промежутках между скачками. По образному выражению Я.И.Френкеля, молекулы странствуют по всему объему жидкости, ведя кочевой образ жизни, при котором кратковременные переезды сменяются относительно длинными периодами оседлой жизни. Средняя длительность колебаний в состоянии временного равновесия сильно зависит от температуры, поэтому повышением температуры заметно увеличивается подвижность молекул жидкости и тем самым уменьшается ее вязкость (или возрастает текучесть).

Из-за малой упорядоченности жидкого состояния теория жидкости оказывается менее развитой, чем теория газов и кристаллических твердых тел. Пока нет полной теории жидкости. На уровне существующих теорий ее структура, равно как и физические свойства, могут быть описаны на основе методов статистической механики с использованием различных функций распределения положений групп частиц. При этом в большинстве случаев достаточно знания небольшого числа функций распределения, из которых главное значение имеет так называемая радиальная функция распределения g(r), которая дает вероятность обнаружения какой-либо частицы на расстоянии r от данной, выбранной в качестве точки отсчета. Использование современных ЭВМ позволяет рассчитывать эту функцию методом компьютерного моделирования, основываясь на имеющихся данных о природе сил, действующих между молекулами. Сравнение функций распределения g(r), найденных расчетным путем, с экспериментальными, полученными в результате расшифровки рентгенограмм (или нейтронограмм), позволяет проверить правильность предположений о природе межмолекулярных сил и использовать найденные радиальные функции распределения для определения некоторых свойств жидкостей.