нижнее белье для полных
მედიცინის კვლევები

   Велика Радянська Енциклопедія

Рідина

   
 

Рідина, агрегатний стан речовини, проміжне між твердим і газоподібним станами. Ж., зберігаючи окремі риси як твердого тіла, так і газу, має, проте, поруч тільки їй притаманних особливостей, з яких найбільш характерна - плинність . Подібно до твердого тіла, Ж. зберігає свій об'єм, має вільну поверхню, володіє певною міцністю на розрив при всебічному розтягуванні і т. д. З іншого боку, взята в достатній кількості Ж. приймає форму посудини, в якому знаходиться. Принципова можливість безперервного переходу Ж. в газ також свідчить про близькість рідкого і газоподібного станів.

За хімічним складом розрізняють однокомпонентні, або чисті. Ж. і двох-або багатокомпонентні рідкі суміші ( розчини ). По фізичній природі Ж. діляться на нормальні (звичайні), рідкі кристали з сильно вираженою анізотропією (залежністю властивостей від напрямку) і квантові рідини - рідкі 4 He, 3 He і їх суміші - із специфічними квантовими властивостями при дуже низьких температурах. Нормальні чисті Ж. мають тільки одну рідку фазу (тобто існує один єдиний вигляд кожної нормальної Ж.). Гелій 4 He може знаходитися в двох рідких фазах - нормальною і сверхтекучей, а рідкокристалічні речовини - в нормальній і однієї або навіть двох анізотропних фазах.

Спільним для всіх нормальних Ж ., в тому числі і для сумішей, є їх макроскопічну однорідність І изотропность при відсутності зовнішніх впливів. Ці властивості зближують Ж. з газами, але різко відрізняють їх від анізотропних кристалічних твердих тіл. Аморфні тверді тіла (наприклад, скла), з сучасної точки зору, є переохолодженими Ж. (див. Аморфний стан ) і відрізняються від звичайних Ж. тільки чисельними значеннями кінетичних характеристик (істотно більшою в'язкістю та ін.) Область існування нормальної рідкої фази обмежена з боку низьких температур фазовим переходом в твердий стан - кристалізацією або (залежно від величини прикладеного тиску) фазовим переходом в надтекучий стан для 4 He і в рідко-анізотропний стан для рідких кристалів. При тисках нижче критичного тиску рк нормальна рідка фаза обмежена з боку високих температур фазовим переходом в газоподібний стан - випаровуванням . При тисках р > рк фазовий перехід відсутній і за своїми фізичними властивостями Ж. в цій області не відрізняється від щільного газу. Найвища температура Tk, при якій ще можливий фазовий перехід Ж. - газ, називається критичною. Значення pk ? Та Tk визначають критичну точку чистої Ж., в якій властивості Ж. і газу стають тотожними. Наявність критичної точки для фазового переходу Ж. - газ дозволяє здійснити безперервний перехід з рідкого стану в газоподібний, минаючи область, де газ і Ж. співіснують (див. Критичний стан ). Т. о., При нагріванні або зменшенні щільності властивості Ж. (теплопровідність, в'язкість, самодифузія та ін), як правило, змінюються у бік зближення з властивостями газів. Поблизу ж температури кристалізації більшість властивостей нормальних Ж. (щільність, стисливість, теплоємність, електропровідність і т. д.) близькі до таких же властивостям відповідних твердих тіл. У табл. наведені значення теплоємності при постійному тиску (Ср) ряду речовин в твердому і рідкому станах при температурі кристалізації. Мале відмінність цих теплоемкостей показує, що тепловий рух в Же і твердих тілах поблизу температури кристалізації має приблизно однаковий характер.

Теплоємність деяких речовин [в дж / ( кг (К)] , при температурі тв.

 

1382

138

146

461

620

1405

Ср, теорія Ж.

За своєю природою сили

міжмолекулярної взаємодії

в Ж. і кристалах однакові і мають приблизно однакові величини. Наявність в Ж. сильного міжмолекулярної взаємодії обумовлює, зокрема, існування

поверхневого натягу

на кордоні Ж. з будь ін середовищем. Завдяки поверхневому натягу Ж. прагне прийняти таку форму, при якій її поверхню (при даному обсязі) мінімальна. Невеликі обсяги Ж. мають зазвичай характерну форму

краплі

Ср. У відсутності зовнішніх сил, коли діють тільки міжмолекулярні сили (наприклад, в умовах

невагомості

), Ж. набуває форму кулі. Вплив поверхневого натягу на рівновагу і рух вільної поверхні Ж., кордонів Ж. з твердими тілами або кордонів між несмешивающимися Ж. відноситься до області

капілярних явищ

Фазовий стан речовини залежить від фізичних умов, в яких воно знаходиться, головним чином від температури

і тиску

р.

Характерною визначальною величиною є залежне від температури і тиску ставлення e () середньої потенційної енергії взаємодії молекул до їх середньої кінетичної енергії. Для твердих тіл (( , р) "1; це означає, що сили міжмолекулярної взаємодії великі і утримують молекули (атоми, іони) поблизу рівноважних положень - вузлів кристалічної решітки, незважаючи на тепловий рух частинок. У твердих тілах тепловий рух має характер колективних коливань атомів (іонів) біля вузлів кристалічної решітки. В газах здійснюється зворотний граничний випадок (( Т, р ) "1; сили тяжіння між молекулами недостатні, щоб утримати їх поблизу один від одного, внаслідок чого положення і швидкості молекул розподілені майже хаотично. Для Ж. (() ~ 1: інтенсивності упорядковують міжмолекулярних взаємодій і разупорядочівающего теплового руху молекул мають порівнянні значення, чим і визначається вся специфічність рідкого стану речовини. Тепловий рух молекул в неметалічних Ж. складається з поєднання колективних коливальних рухів того ж типу, що і в кристалічних тілах, і відбуваються час від часу стрибків молекул з одних тимчасових положень рівноваги (центрів коливань) в інші. Кожен стрибок відбувається при повідомленні молекулі енергії активації, достатньої для розриву її зв'язків з оточуючими молекулами і переходу в оточення ін молекул. У результаті великого числа таких стрибків молекули Ж. більш менш швидко перемішуються (відбувається самодифузія, яку можна спостерігати, наприклад, методом мічених атомів). Характерні частоти стрибків складають ~ 10 11 -10 12 .

сек Т -1 для низькомолекулярних Ж., багато менше для високомолекулярних, а в окремих випадках, наприклад для сильно в'язких Ж. і стекол, можуть виявитися надзвичайно низькими. При наявності зовнішньої сили, що зберігає свій напрямок більш тривалий час, ніж інтервали між скачками, молекули переміщаються в середньому в напрямку цієї сили. Т. о., статичні або низькочастотні механічні дії приводять до прояву текучості Ж. як сумарному ефекту від великого числа молекулярних переходів між тимчасовими положеннями рівноваги. При частоті впливів, що перевищує характерні частоти молекулярних стрибків, у Ж. спостерігаються пружні ефекти (наприклад, зсувна пружність), типові для твердих тіл. Однорідність і ізотропності нормальних Ж. молекулярна теорія Ж. пояснює відсутністю у них далекого порядку у взаємних положеннях і орієнтаціях молекул (див. Далекий порядок і ближній порядок Т, р). Положення та орієнтації двох або більше молекул, розташованих далеко один від одного, виявляються статистично незалежними. В ідеальному кристалічному тілі, як правило, існує "жорсткий" далекий порядок в розташуванні і орієнтації молекул (атомів, іонів). У рідкому кристалі далекий порядок спостерігається лише в орієнтації молекул, але він відсутній в їх розташуванні. Т Ж. іноді поділяють на неассоціірованние та асоційовані, відповідно до простотою або складністю їх термодинамічних властивостей. Передбачається, що в асоційованих Ж. є порівняно стійкі групи молекул - комплекси, що проявляють себе як одне ціле. Існування подібних комплексів в деяких розчинах доводиться прямими фізичними методами. Наявність стійких асоціацій молекул в однокомпонентних Ж. недостовірно.

Основою сучасних молекулярних теорій рідкого стану послужило експериментальне виявлення в Же ближнього порядку - узгодження (кореляції) у взаємних положеннях і орієнтаціях близько розташованих груп, що складаються з 2, 3 і більшого числа молекул. Ці статистичної кореляції, що визначають молекулярну структуру рідини, простягаються на область протяжністю порядку кілька міжатомних відстаней і швидко зникають для далеко розташованих один від одного часток (відсутність далекого порядку). Структурні дослідження реальних Ж., що дозволили встановити цю особливість рідкого стану, виробляються методами рентгенівського структурного аналізу нейтронографії

За структурою і способам їх опису Ж. ділять на прості і складні. До першого порівняно нечисленному класу відносять однокомпонентні атомарні рідини. Для опису властивостей таких Ж. достатньо вказати лише взаємне розташування атомів. До цього класу Ж. відносяться рідкі чисті метали, зріджені інертні гази і (з деякими застереженнями) Ж. з малоатомнимі симетричними молекулами, наприклад CCl Т, р. Для простих Ж. результати рентгено-структурного або нейтронографіческого аналізу можуть бути виражені з допомогою т.з.. радіальної функції розподілу ) (див. рис. ). Ця функція характеризує розподіл часток поблизу довільно вибраної частки, оскільки значення ) пропорційні ймовірності знаходження двох атомів (молекул) на заданій відстані r один від одного. Хід кривої ) наочно показує існування певної впорядкованості в простій Ж. - в найближче оточення кожної частки входить в середньому певне число часток. Для кожної Ж. деталі функції ) незначно змінюються зі зміною температури і тиску. Відстань до першого піку визначає середнє міжатомна відстань, а за площею під першим піком можна відновити середнє число сусідів (середнє координаційне число ) атома в Ж. У більшості випадків ці характеристики поблизу лінії плавлення виявляються близькими до найкоротшому міжатомній віддалі і координаційному числу у відповідному кристалі. Однак, на відміну від кристала, справжнє число сусідів у частинки і справжнє міжатомна відстань в Ж. не є постійними числами, а випадковими величинами, і за графіком

) встановлюються лише їх середні значення.

При сильному нагріванні Ж. і наближенні до газового станом хід функції ) поступово згладжується відповідно зменшенню ступеня ближнього порядку. У розрідженому газі и ) "1 .

Для складних Ж. п для рідких сумішей розшифровка рентгенограм складніша і в багатьох випадках повністю не може бути здійснена. Виняток становить 4 вода g (r і деякі ін низькомолекулярні Ж., для яких є досить повні дослідження і описи їх статистичної структури. Теорія кінетичних і динамічних властивостей Ж. (дифузії, в'язкості і т. д.) розроблена менш повно, ніж рівноважних властивостей (теплоємності та ін.) Динамічна теорія рідкого стану вельми складна і поки не отримала достатнього розвитку. У теорії Ж. великий розвиток отримали чисельні методи, дозволяють розраховувати властивості простих Ж. за допомогою швидкодіючих обчислювальних машин. Найбільший інтерес представляє метод молекулярної динаміки, безпосередньо моделюючий на обчислювальній машині спільне тепловий рух великого числа молекул при заданому законі їх взаємодії і по прослеженное траєкторіях багатьох окремих частинок відновлюючий всі необхідні статистичні відомості про систему. Таким шляхом отримані точні теоретичні результати щодо структури та термодинамічних властивостей простих неметалічних Ж. Окрему і ще не вирішену проблему становить питання про структуру і властивості простих Ж. в безпосередній околиці критичної точки g (r. Деякі успіхи були тут досягнуті останнім часом методами теорії подібності. Загалом проблема g (r критичних явищ g (r для чистих Ж. та сумішей залишається ще недостатньо з'ясованою. Окрему проблему становить питання про структуру і властивості рідких металів g (r, на які значний вплив роблять наявні в них колективізованих електрони. Незважаючи на деякі успіхи, повної електронної теорії рідких металів ще не існує. Значні (поки ще не подолані) труднощі зустрілися при поясненні властивостей

рідких напівпровідників g (r Основні напрямки досліджень рідкого стану. g (r Численні макроскопічні властивості Ж. вивчаються і описуються методами різних розділів механіки, фізики і фізичної хімії. Рівноважні механічні та теплові властивості Ж. (стисливість, теплоємність та ін) вивчаються термодинамічними методами. Найважливішим завданням є знаходження .

рівняння стану для тиску і енергії як функції від щільності і температури, а в разі розчинів - і від концентрацій компонентів. Знання рівняння стану дозволяє методами термодинаміки встановити багаточисельні зв'язки між різними механічними і тепловими характеристиками Ж. Є велика кількість емпіричних, напівемпіричних і наближених теоретичних рівнянь стану для різних індивідуальних рідин і їх груп. Нерівноважні теплові та механічні процеси в Же (наприклад, дифузія, теплопровідність, електропровідність та ін), особливо в сумішах і за наявності хімічних реакцій, вивчаються методами термодинаміки

необоротних процесів Механічні рухи Ж., що розглядаються як суцільні середовища, вивчаються в гідродинаміці . Найважливіше значення має Нав'є - Стокса рівняння

, описує рух вузький Ж. В т.з.. ньютоновских Ж. (вода, низькомолекулярні органічні Ж., розплави солей та ін) в'язкість не залежить від режиму течії (в умовах ламінарного течії , коли Рейнольдса число .

R kpітіч. ), в цьому випадку в'язкість є фізико-хімічної постійної, яка визначається молекулярної природою Ж. і її станом (температурою і тиском). У неньютоновских (структурно-в'язких) Же в'язкість залежить від режиму течії навіть при малих числах Рейнольдса (рідкі полімери, стекла в інтервалі розм'якшення, емульсії та ін.) Властивості неньютоновских Ж. вивчає реологія

. Специфічні особливості перебігу рідких металів, пов'язані з їх електропровідністю і легкою схильністю впливу магнітних полів, вивчаються в магнітної гідродинаміки.

. Додатки методів гідродинаміки до завдань молекулярної фізики рідин вивчаються у фізико-хімічної гідродинаміки. Літ.: Френкель Я. І., Збори вибраних праць, т. 3, М., 1959; Фішер І.3., Статистична теорія рідин, М., 1961; Ландау Л. Д., Ліфшиц Е. М., Механіка суцільних середовищ, М., 1953; Фабелінський І. Л., Молекулярне розсіяння світла, М., 1965; Скришевський А. Ф., Рентгенографія рідин, К., 1966; Фізика простих рідин. Експериментальні дослідження, пров. з англ., М., 1972 [у пресі]. І. З. Фішер., описывающее движение вязкой Ж. У т. н. ньютоновских Ж. (вода, низкомолекулярные органические Ж., расплавы солей и др.) вязкость не зависит от режима течения (в условиях ламинарного течения, когда Рейнольдса число R < Rkpитич.), в этом случае вязкость является физико-химической постоянной, определяемой молекулярной природой Ж. и её состоянием (температурой и давлением). У неньютоновских (структурно-вязких) Ж. вязкость зависит от режима течения даже при малых числах Рейнольдса (жидкие полимеры, стекла в интервале размягчения, эмульсии и др.). Свойства неньютоновских Ж. изучает реология. Специфические особенности течения жидких металлов, связанные с их электропроводностью и лёгкой подверженностью влиянию магнитных полей, изучаются в магнитной гидродинамике. Приложения методов гидродинамики к задачам молекулярной физики жидкостей изучаются в физико-химической гидродинамике.

Лит.: Френкель Я. И., Собрание избранных трудов, т. 3, М., 1959; Фишер И.3., Статистическая теория жидкостей, М., 1961; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Механика сплошных сред, М., 1953; Фабелинский И. Л., Молекулярное рассеяние света, М., 1965; Скрышевский А. Ф., Рентгенография жидкостей, К., 1966; Физика простых жидкостей. Экспериментальные исследования, пер. с англ., М., 1972 [в печати].

© И. З. Фишер.





Виберіть першу букву в назві статті:

а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я

Повний політерний каталог статей


 

Алфавітний каталог статей

  а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я
 


 
енциклопедія  біляші  морс  шашлик  качка