Налоги

Характеристика жидкого состояния вещества химия. Жидкие вещества и их свойства

В отличие от газов между молекулами жидкости действуют достаточно большие силы взаимного притяжения, что определяет своеобразный характер молекулярного движения. Тепловое движение молекулы жидкости включает колебательное и поступательное движения. Каждая молекула в течение какого-то времени колеблется около определенной точки равновесия, затем перемещается и снова занимает новое равновесное положение. Это определяет ее текучесть. Силы межмолекулярного притяжения не дают молекулам при их движении далеко отходить друг от друга. Суммарный эффект притяжения молекул можно представить, как внутреннее давление жидкостей, которое достигает очень больших значений. Этим и объясняются постоянство объема и практическая несжимаемость жидкостей, хотя они легко принимают любую форму.

С помощью мощного микроскопа мы приходим к тому, чтобы различать несколько крупных микроэлементов на волосах. Теперь в микроне все еще можно найти место из десяти тысяч атомов, уложенных в ряд: их средний размер, фактически, составляет десятую часть нанометра. Чтобы исследовать структуру вещества, этого недостаточно для оптического микроскопа, но необходимы различные и более мощные средства.

Среди них сенсационные туннельные микроскопы, изобретенные в восьмидесятые годы двадцатого века. Благодаря безупречному наконечнику, который исследует поверхность металла, они измеряют более слабые электрические токи , связанные с поверхностными атомами, а затем восстанавливают их изображение. При изменении атомного силового микроскопа изображение атомов может быть получено, даже если поверхность изолирована и, следовательно, не пересекается токами.

Свойства жидкостей зависят также от объема молекул, формы и полярности их. Если молекулы жидкости полярны, то происходит объединение (ассоциация) двух и более молекул в сложный комплекс. Такие жидкости называют ассоциированными жидкостями. Ассоциированные жидкости (вода, ацетон, спирты) имеют более высокие температуры кипения, обладают меньшей летучестью, более высокой диэлектрической проницаемостью. Например, этиловый спирт и диметиловый эфир имеют одинаковую молекулярную формулу (С 2 Н 6 О). Спирт является ассоциированной жидкостью и кипит при более высокой температуре, чем диметиловый эфир, который относится к неассоциированным жидкостям.

Если вы хотите знать, как атомы помещаются внутри образца или как они перемещаются, следует использовать один из различных типов спектрометров, которые были изобретены в течение последних двух столетий. Эти приборы используются для регистрации изменения света, рентгеновских лучей или легких частиц, таких как электроны или нейтроны, когда они пересекают материал. Из изменений, которые подверглись этим быстрым «зондам», это можно проследить до того, как компьютеры обрабатываются так, как образец «сделан».

Физики, химики и биологи чаще всего используют синхротронный свет в качестве зонда для исследования структуры вещества. Это очень интенсивное белое излучение, которое генерируется электронами при движении по круговым орбитам со скоростью, близкой к скорости света. Синхротронии, теперь более правильно называемые скоплениями, - это отличные машины, которые все промышленно развитые страны только что построили, чтобы получить этот драгоценный свет: самое современное итальянское кольцо под названием Элеттра и было построено около Триеста.

Жидкое состояние характеризуют такие физические свойства, как плотность, вязкость, поверхностное натяжение.

Поверхностное натяжение.

Состояние молекул, находящихся в поверхностном слое, существенно отличается от состояния молекул в глубине жидкости. Рассмотрим простой случай – жидкость – пар (рис. 2).

Рис. 2. Действие межмолекулярных сил на поверхности раздела и внутри жидкости

Изучение структуры материи не мотивировано исключительно научным любопытством. На основе ежедневного опыта человек давно научился классифицировать все тела на три категории или состояния материи: такие же, как меч, который держал, жидкости, такие как вода, которая пила, и газы, подобные дыхательный воздух. Он также знал, что эти состояния могут быть преобразованы друг в друга: например, он увидел, что вода стала зимним льдом , и более трех тысяч лет назад он уже знал, что растопит железо в тигле.

Но как вещи настолько разнообразны между ними? Первые научные исследования природы вещества относятся к мерам, принимаемым газами от Евангелиста Торричелли - ученика Галилео Галилея и французского современного Блейса Паскаля. Было также обнаружено, что когда газ, содержащийся в заданном объеме, нагревается, его давление увеличивается. Однако для того, чтобы понять микроскопическое происхождение давления, потребовалось еще два столетия.

На рис. 2 молекула (а) находится внутри жидкости, молекула (б) – в поверхностном слое. Сферы вокруг них – расстояния, на которые распространяются силы межмолекулярного притяжения окружающих молекул.

На молекулу (а) равномерно действуют межмолекулярные силы со стороны окружающих молекул, поэтому силы межмолекулярного взаимодействия компенсируются, равнодействующая этих сил равна нулю (f=0).

В отличие от газа, однако, жидкости занимают определенный объем: капля дождя может достигать земли с больших высот без диспергирования, так как газ просто открывает кран цилиндра, содержащего его. Это означает, что в жидкости атомы удерживаются вместе сильными силами притяжения, которые, как мы знаем, сегодня имеют электромагнитную природу. Лишь несколько молекул случайно удаляются с поверхности, то есть испаряются, а другие снова пойманы и вынуждены конденсироваться. Таким образом, в замкнутой среде всегда устанавливается баланс между жидкостью и ее паром.

Плотность пара значительно меньше плотности жидкости, так как молекулы удалены друг от друга на большие расстояния. Поэтому молекулы, находящиеся в поверхностном слое, почти не испытывают силы притяжения со стороны этих молекул. Равнодействующая всех этих сил будет направлена внутрь жидкости перпендикулярно ее поверхности. Таким образом, поверхностные молекулы жидкости всегда находятся под действием силы, стремящейся втянуть их внутрь и, тем самым, сократить поверхность жидкости.

Жидкости также могут нести электричество, когда есть свободные вещества, называемые электролитами: их атомы теряют электрон, превращаются в положительные ионы или приобретают их, превращаясь в отрицательные ионы. Так работает автомобильный аккумулятор.

Почти все жидкости, когда затвердевают, уменьшаются в объеме: вода является исключением, а когда она становится льдом, она расширяется. Однако между телом в жидком состоянии и твердом состоянии разность объема не очень велика, а это означает, что в обоих состояниях атомы очень близки друг к другу. Однако, если мы наблюдаем поверхность твердого тела с атомно-силовым микроскопом, мы замечаем регулярное чередование пустот и сильно отличаемся от хаотического беспорядка, который, как мы знаем, существует в жидкости из-за броуновского движения.

Чтобы увеличить поверхность раздела жидкости, необходимо затратить работу А (Дж). Работа, необходимая для увеличения поверхности раздела S на 1 м 2 , является мерой поверхностной энергии или поверхностным натяжением .

Таким образом, поверхностное натяжение д (Дж/м 2 = Нм/м 2 = Н/м) – результат некомпенсированности межмолекулярных сил в поверхностном слое:

Эта закономерность атомов обнаруживается, хотя и в разных формах, в структуре всех кристаллов, существующих в природе. Эта правильная форма - кубическая, пирамидальная, гексагональная и т.д. - повторяется миллиарды раз в миллиарды раз: и закономерность может быть настолько совершенной, что мы находим ее в той же внешней форме кристалла. Только в нескольких твердых телах атомы являются случайными: они являются аморфными твердыми частицами, а наиболее распространенным из них является стекло.

Даже атомы твердого движения движутся: они вибрируют, как будто они привязаны друг к другу невидимыми пружинами. Эти «пружины» на самом деле являются электромагнитными силами между атомом и атомом, особенно интенсивными в твердых телах. Вибрации увеличивают амплитуду с температурой и беспорядочны, подобно движениям людей, забитых как сардины, ожидающие рок-концерта; но атомы также могут вибрировать в унисон, точно так же, как зрители колеблются, когда начинается музыка. Из-за этих колебаний вы заказываете звук, например, перемещается от одного конца к другому из твердого тела намного лучше, чем в воздухе.

д = F/S (F – поверхностная энергия) (2.3)

Существует большое число методов определения поверхностного натяжения. Наиболее распространены сталагмометрический метод (метод счета капель) и метод наибольшего давления газовых пузырьков.

При помощи методов рентгеноструктурного анализа было установлено, что в жидкостях есть некоторая упорядоченность пространствен-ного расположения молекул в отдельных микрообъемах. Вблизи каждой молекулы наблюдается так называемый ближний порядок. При удалении от нее на некоторое расстояние эта закономерность нарушается. И во всем объеме жидкости порядка в расположении частиц нет.

Как вы можете видеть в некоторых западных фильмах, прикладывая ухо к рельсам, благодаря невидимым вибрациям атомов железа вы можете ощутить шум поезда, когда он еще далеко. Поскольку люди научились использовать экстраординарные свойства твердых тел, это состояние материи изменило их существование и их историю. Из-за твердости металлов они производили инструменты и оружие до бронзы, а затем железа. Прозрачность стекла позволила жить в теплых и ярких средах, а затем производить линзы, микроскопы и телескопы.

Драгоценный блеск и неизменность золота, серебра и меди предлагали изобретение монеты, из которых возникла современная экономика. Мы видим отвертку: душа металлическая, но ручка изготовлена из дерева или пластика. Мы знаем, что эта защита не заставляет нас дрожать, то есть изолировать нас от тока. На самом деле, существуют твердые тела, называемые проводниками, которые несут ток, металлы и твердые частицы, которые его не пропускают, такие как древесина и пластик, которые являются изолирующими.

Рис. 3. Сталагмометр Рис. 4. Вискозиметр

Вязкость з (Па·с) – свойство оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой. В практической жизни человек сталкивается с большим множеством жидких систем, вязкость которых различна, – вода, молоко, растительные масла, сметана, мед, соки, патока и т.д.

Свободные электроны и электроны. Как объяснить различия между изоляторами и проводниками в микроскопическом мире атомов? В изоляторе атомы нейтральны, т.е. все отрицательные электроны, которые отлично компенсируют положительный заряд ядер, остаются плотными. Если этот изолятор подключен к двум полюсам токового генератора, он не может обеспечить свободный заряд, и поэтому ток не проходит. Вместо этого металл сделан из положительных ионов, которые потеряли свои электроны дальше от ядра: эти частицы могут двигаться в кристалле, как в случае с отрицательными ионами в проводящей жидкости, и, следовательно, поскольку каждый из них несет заряд вместе они едут на электричество.

Вязкость жидкостей обусловлена межмолекулярным воздействием, ограничивающим подвижность молекул. Она зависит от природы жидкости, температуры, давления.

Для измерения вязкости служат приборы, называемые вискозиметрами. Выбор вискозиметра и метода определения вязкости зависит от состояния исследуемой системы и ее концентрации.

Через нить лампочки мощностью 60 Вт весит 4 миллиарда миллиардов электронов в секунду! Нить нагревается, потому что электроны блокируются в их движении положительными ионами металла. Если кристаллическая решетка была совершенно гладкой и ионы были твердыми, сопротивление было бы ничем, и нить не стала бы светящейся; но, как мы уже говорили, ионы вибрируют, и, кроме того, в кристалле всегда есть дефекты и примеси, которые замедляют электроны.

Поскольку он не сталкивается с сопротивлением и, следовательно, не потребляет энергию, ток может беспрепятственно протекать в сверхпроводящую цепь без необходимости в батарее или другом генераторе: это сверхток. Фактически, они были замечены в лаборатории сверхтоков, которая циркулировала годами и годами, пока эксперимент не был прерван случайными причинами!

Для жидкостей с малой величиной вязкости или небольшой концентрацией широко используют вискозиметры капиллярного типа.

План лекции:

1 Особенности жидкого состояния

2 Поверхностное натяжение жидкости и методы его определения

3 Вязкость жидкостей

4 Особенности твердого состояния вещества

К сожалению, сверхпроводимость наблюдается только при очень низких температурах. Поэтому они хорошо работают вблизи температуры сжижения воздуха. Поскольку жидкий воздух является экономичным и простым в производстве хладагентом, это открытие открыло новые приложения для сверхпроводимости. Это позволит человечеству экономить огромное количество энергии или производить поверхностные компьютеры. Супертоки также способны создавать сильные магнитные поля, в свою очередь, постоянные.

Поскольку два магнитных поля, обращенных к полюсам с одинаковым именем, отбрасываются, если сверхпроводник опускается на намагниченный стальной диск, он может подниматься и начинать левитировать. Ученые смогли действительно сделать то, что волшебники и иллюзионисты показывают публике, используя свои трюки. Полупроводники прочны с тенденцией к изолирующей природе, но они могут приобретать более или менее выраженные свойства металлов, когда они легированы, то есть «загрязнены» атомами других веществ.

1. Жидкости по своим свойствам занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами. Подобно газам жидкости текучи и однородны по свойствам по всем направлениям, т. е. изотропны. Движение молекул жидкости беспорядочно, как и в газах, но величина среднего пробега молекул вследствие больших сил взаимодействия между ними мала. Силы межмолекулярного притяжения не дают молекулам удаляться друг от друга на большие расстояния, следовательно, каждая молекула жидкости находится в сфере действия соседних молекул. Поэтому жидкости отличаются постоянством объема. Хотя силы межмолекулярного сцепления и велики, но все же недостаточны, чтобы удерживать молекулы в определенных точках пространства. Поэтому жидкость не имеет постоянной формы, а приобретает форму того сосуда, в котором она находится.

Однако самое главное, что в полупроводнике ток создается не только электронами, но и положительными носителями заряда, так называемыми щелями. Наиболее используемым полупроводником является кремний, один из наиболее распространенных элементов земной коры.

Таким образом, крупными электронными компонентами могут быть достигнуты всего несколько десятков нанометров: в куске кремния размером с гвоздь найдены десятки миллионов транзисторов, диодов и других компонентов. Эти интегральные схемы сегодня являются сердцем любого электронного устройства : от компьютера или мобильного чипа до блока управления автомобиля. Предположим, у нас есть резиновый шар объемом около литра, наполненный газом, и практиковать дыру в нем, из которой выпустить газ. Предположим, что из дыры существует огромное количество атомов в секунду, скажем, миллиард.

Изучение жидкостей показало, что по внутреннему строению они даже ближе к твердым веществам. Молекулы жидкости стремятся к некоторому упорядоченному расположению в пространстве; жидкости обладают объемной упругостью, как и твердые тела, так как упруго противодействуют не только всестороннему сжатию, но и всестороннему растяжению.

Сколько времени нужно, чтобы исчерпать весь газ? Причина в том, что в литре газа есть необычайное количество атомов, и вытащить их - это не маленькая работа! Какой белый дым мы видим на горшке для макарон? Паровая вода, которая образуется в изобилии, в то время как жидкие пузырьки воды, прозрачна в солнечном свете или лампочке, поэтому мы не можем ее видеть. Однако, когда пар поднимается, он вступает в контакт с самым холодным воздухом на кухне и вспоминает в виде сферических капель. Они подобны тем, которые образуют белые облака неба: слишком светлые и слишком маленькие, чтобы отличить их.

Свойства жидкостей зависят также от объема молекул, формы и полярности их. Жидкости, образованные полярными молекулами, отличаются по свойствам от неполярных. Соседние полярные молекулы ориентируются разноименными концами диполей друг к другу; при этом между ними возникают силы электростатического притяжения. Происходит объединение (ассоциация) двух или более молекул в сложный комплекс. Ассоциация может быть вызвана, в частности, образованием водородной связи между молекулами жидкости. Свойства жидкостей зависят от степени ассоциации, так как для разрыва межмолекулярных связей требуется значительная энергия. Поэтому ассоциированные жидкости (вода, спирты, жидкий аммиак) имеют более высокие температуры кипения, обладают меньшей летучестью и т. п. Так, например, этиловый спирт и диметиловый эфир имеют одинаковую формулу (С 2 Н 6 О) и одинаковую молекулярную массу. Спирт - полярное вещество, относится к ассоциированным жидкостям и кипит при более высокой температуре, чем диметиловый эфир (неполярное вещество), который относится к неассоциированным жидкостям.

2. Рассмотрим некоторые характерные физико-химические свойства жидкостей и, в частности, поверхностное натяжение.

Поверхностный слой жидкости по физико-химическим свойствам отличается от внутренних слоев. Каждая молекула внутри жидкости притягивает к себе все окружающие ее молекулы и одновременно с такой же силой притягивается равномерно во все стороны окружающими ее молекулами. Следовательно, силовое поле каждой молекулы внутри жидкости симметрично насыщенно. Равнодействующая сил притяжения равна нулю.

В ином положении оказываются молекулы, расположенные в поверхностном слое. На них действуют силы притяжения только со стороны молекул нижней полусферы. Действием молекул газа или пара, находящихся над поверхностью жидкости, можно пренебречь, так как их концентрация, несравнимо меньше, чем в жидкости. Равнодействующая молекулярных сил в этом случае не равна нулю и направлена вниз. Таким образом, поверхностные молекулы жидкости всегда находятся под действием силы, стремящейся втянуть их внутрь. Это приводит к тому, что поверхность жидкости стремится сократиться.

У молекул поверхностного слоя неиспользованные силы сцепления являются источником избыточной энергии, называемой свободной поверхностной энергией. Свободная энергия единицы поверхности называется поверхностным натяжением и обозначается σ. Поверхностное натяжение σ может быть измерено той работой, которую нужно затратить на преодоление сил сцепления между молекулами для создания новой единицы поверхности.

Поверхностное натяжение можно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины линии, ограничивающей поверхность жидкости, и направленную и сторону сокращения поверхности.

Поверхностное натяжение можно определить опытным путем. Возьмем проволочную рамку, одна сторона которой (CD) может свободно перемещаться. К подвижной стороне рамки CD прикреплен груз Р. Проволочку CD сдвинем к стороне АВ, смочим рамку мыльным раствором и установим ее в вертикальном положении. Подвижная сторона под действием груза Р начнет опускаться вниз. При этом между ней и рамкой образуется пленка. Пройдя некоторое расстояние h, подвижная проволока остановится, так как вес груза Р становится равным силе поверхностного натяжения. При этом груз Р совершает работу A = P*h. Работа, выполненная грузом Р, к моменту равновесия равна поверхностному натяжению мыльной пленки с поверхностью S, равной 2lh (так как поверхность образована двумя сторонами пленки).

Величину поверхностного натяжения рассчитывают по уравнению A = σS, откуда

где A - работа создания поверхности S; σ - поверхностное натяжение.

Поверхностное натяжение для чистых жидкостей зависит от природы жидкости и температуры, а для растворов от природы растворителя, а также от природы и концентрации растворенного вещества.

У жидких и расплавленных металлов поверхностное натяжение очень велико. Спирт, эфир, ацетон, бензол - жидкости с малыми значениями σ. Поверхностное натяжение жидкостей с ростом температуры уменьшается.

Поверхностное натяжение воды при различных температурах

Температура 0 +20 +40 +60 +80

σ∙ 103 75,95 72,75 69,55 66,18 62,75

Поверхностное натяжение жидкостей может резко изменяться при растворении в них различных веществ. Растворенные вещества могут понижать или повышать поверхностное натяжение! Вещества, значительно снижающие поверхностное натяжение данной жидкости, называют поверхностно-активными. По отношению, к воде поверхностно-активными веществами являются спирты, мыла, белки и др. Добавка таких веществ к воде облегчает вспенивание, т. е. образование большого количества новых поверхностных пленок жидкости, что объясняется снижением поверхностного натяжения воды.

Вещества, повышающие поверхностное натяжение жидкости, называются поверхностно-неактивными. Поверхностное натяжение воды, например, повышается при растворении минеральных кислот, щелочей, некоторых неорганических солей.

Измеряют поверхностное натяжение различными методами. Наиболее простым является метод «счета капель» при помощи прибора, называемого сталагмометром, который представляет собой пипетку, имеющую две метки; нижняя часть сталагмометра переходит в капилляр, конец которого утолщен и отшлифован для получения одинаковых капель. Метод основан на том, что образующаяся на конце капиллярной трубки сталагмометра капля удерживается силой поверхностного натяжения. Отрывается капля в тот момент, когда ее вес станет равным или превысит на бесконечно малую величину силу поверхностного натяжения, удерживающую каплю. Для жидкостей с большим поверхностным натяжением отрыв капель затруднен и образующиеся капли будут более крупными, чем у жидкостей с меньшим поверхностным натяжением, поэтому и число их будет меньше.

Сталагмометр заполняют исследуемой жидкостью и считают число капель п, вытекающих из объема V. Затем его заполняют дистиллированной водой и считают число капель воды nо, вытекающих из этого же объема V. И в момент отрыва капли ее вес равен силе поверхностного натяжения. Если из объема V вытекает п капель жидкости, имеющей плотность р, то вес капли определяют по уравнению Р= V*ρ*g/n, где g - ускорение свободного падения.

Сила поверхностного натяжения, удерживающая каплю, равна 2πrσ; где 2πr - длина окружности отверстия капилляра, от которого отрывается капля. Для исследуемой жидкости

V*ρ*g/n = 2πrσ (II)

для воды V*ρ о *g/n о = 2πrσ о (III)

где σ о - поверхностное натяжение воды; ρ о - ее плотность; n о - число капель воды.

Поделив уравнение (II) на (III), получим

ρ*n o /ρ o *n = σ / σ o , откуда

σ = σ о * ρ*n o /ρ o *n (IV)

Плотность исследуемой жидкости, йоды и поверхностное натяжение воды σ o находят по таблицам для соответствующей температуры, при которой производится измерение.

3. Вязкостью или внутренним трением называется сопротивление, возникающее при движении одних слоев жидкости относительно других. Если перемешивать палочкой воду, а тем более сахарный сироп, подсолнечное масло, мед, глицерин, то при этом будет ощущаться сопротивление движению палочки. При движении одного слоя жидкости Соседние слои вовлекаются в это движение, но оказывают ему сопротивление. Величина этого сопротивления для разных жидкостей различна и зависит от химической природы жидкостей, т. е. от сил межмолекулярного взаимодействия. У таких жидкостей, как мёд, сахарный сироп, вязкость высокая, а у воды, этилового спирта она невелика.

Вязкость жидкости зависит от температуры; при повышении температуры она уменьшается, жидкость становится более подвижной, т. е. ее текучесть увеличивается. Обычно при повышении температуры на 1°С вязкость уменьшается примерно на 2%. Такие жидкости, как винный спирт, вода, диэтиловый эфир, легкотекучие, а мед, глицерин, патока, масло - вязкие. Иногда вязкость повышается настолько, что жидкость перестает быть текучей и приобретает свойства твердых тел.

Вязкость растворов в значительной мере зависит от их концентрации; чем выше концентрация, тем больше вязкость.

В жидкостях при перемещении одних слоев относительно других между слоями возникает сила трения, направленная противоположно направлению движения. Количественная характеристика этой силы выражается законом Ньютона:

F = η*S*Δυ/l (V)

где F - сила трения; S - площадь контакта двух слоев; Δυ - разность скоростей υ 2 и υ 1 этих слоев, находящихся на расстоянии l друг от друга; η - коэффициент пропорциональности.

Если S=1 см 2 и Δυ/l=1, то F=η. Поэтому вязкость качественно характеризуется коэффициентом вязкости, или коэффициентом внутреннего η (эта), который зависит от природы жидкости и температуры.

Вязкость измеряется в пуазах. Вязкость 1 П (0,1 Н*с/м 2) – очень большая величина: так, вязкость воды при 20о С равна всего 0,01 П, оливкового масла 0,98 П, а глицерина 10,63 П. На практике обычно определяют относительную вязкость, т. е. отношение вязкости исследуемой жидкости к вязкости воды, принимая вязкость воды равной одному сантипуазу (1 сП).

Один из методов измерения вязкости основан на определении времени истечения жидкости из капиллярной трубки вискозиметра. Время истечения равных объемов (этот объем ограничен метками А и Б) воды и исследуемой жидкости определяется в секундах. На основании опытных данных, рассчитывают относительную вязкость по формуле

η отн = η о *ρ ж *τ ж /ρ о * τ о (III.22)

где η отн - относительная вязкость исследуемой жидкости по воде; η о - коэффициент вязкости воды, равный I сП; р ж и ρ о - плотность исследуемой жидкости и воды; τ ж и τ о - время истечения исследуемой жидкости и воды. Величины τ ж и τ о определяют опытным путем при постоянной температуре; р ж и ρ о для данной температуры берут из таблиц.

Определение вязкости имеет большое значение при изучении свойств растворов белков, углеводов и жиров. От вязкости зависит скорость диффузии вещества в жидких средах, а следовательно, и скорость химических ре-акций в растворах.

Растворы почти всегда более вязки, чем чистые растворители. Особенно ярко различие проявляется в растворах высокомолекулярных веществ. Поэтому жидкости, подчиняющиеся уравнению (III.22), называются ньютоновскими в отличие от растворов полимеров, которые не подчиняются этому уравнению.

4. Твердое состояние вещества

Твердые вещества в отличие от жидкостей и газов сохраняют свою форму. Частицы твердых тел так прочно связаны друг с другом силами сцепления, что поступательное движение у них отсутствует и возможно лишь колебательное движение около определенных точек. Твердые тела могут быть кристаллическими и аморфными.

Кристаллические тела имеют четкую внутреннюю структуру, обусловленную правильным расположением частиц в строго определенном периодически повторяющемся порядке. Размеры кристаллов могут быть различны: от очень мелких до гигантских. Кристаллические тела имеют строго определенную температуру плавления. Для них характерно также явление анизотропии, заключающееся в том, что свойства кристаллических тел в различных направлениях неодинаковы. Это объясняется тем, что в кристаллах теплопроводность, механическая прочность, скорость роста кристаллов, скорость растворения и другие свойства в различных направлениях различны. Например, слюда легко разделяется на пластинки только в одном направлении (параллельно ее поверхности), в других направлениях для разрушения слюды требуются значительно большие усилия. Аморфные тела не имеют строго определенной температуры плавления, они размягчаются в некотором интервале температур и постепенно переходят в жидкое состояние. При охлаждении эти расплавы переходят в твердое состояние, не образуя кристаллической структуры. Типичным представителем аморфных тел является обычное силикатное стекло, поэтому аморфное состояние часто называют стеклообразным.

В отличие от кристаллических для аморфных тел, так же как и для газов и жидкостей, характерно свойство изотропности, т. е. постоянство свойств (теплопроводности, электропроводности, механических свойств и т. д.) по всем направлениям. Следует отметить, что поликристаллические тела, состоящие из большого числа беспорядочно ориентированных мелких кристаллов, в целом также оказываются изотропными телами, например металлы.

Однако нельзя провести четкой границы между аморфными и кристаллическими телами. Например, сахар может быть как в кристаллическом (сахарный песок, кусковый сахар), так и в аморфном состоянии (карамелизованный сахар). Кроме того, некоторые вещества, полученные в аморфном состоянии, со временем могут кристаллизоваться: так кристаллизуется карамель, что нежелательно в кондитерском производстве, кристаллизуются со временем стекла, теряя прозрачность. Это явление и технике называется расстекловыванием.

Жидкие вещества Текучи, принимают форму сосуда, в котором находятся. Молекулы находятся непосредственно друг возле друга. Жидкость в условиях невесомости примет форму круглой капли.

Вода – единственное вещество, которое встречается на Земле во всех трех агрегатных состояниях Водяной пар входит в состав атмосферы Твердый лед можно увидеть и в виде снежинок, в виде инея, в виде льда Жидкой водой наполнен Мировой океан, поверхностн ые воды суши и подземные воды

Вода в организме человека Без воды человек может прожить только 3 дня. 82% Содержание воды в организме 79% 75% 72% 70% взрослого человека: 77% 99% 92% гл о ое т ел аз ма ек ло ви дн пл ст аз а и кр ов ет ел ск нь че пе ж а ко цы мы гк ле еи рд ц се ш ие и чк по й но ин сп го ло вн ой мо мо зг зг 46%

Круговорот воды в природе Это хорошо отрегулированный механизм, который беспрерывно «качает» воду из океана на материки и обратно, при этом вода очищается. С поверхности Мирового океана ежегодно испаряется 453 000 км 3 воды, а осадки, выпадающие на Землю, составляют 525 000 км 3. Превышение происходит за счет испарения воды с других водных поверхностей и транспирации влаги растениями.

Содержание воды в природе Вода - это самое распространенное на вещество. Земле Запасы воды на Земле 1 млн 454 тыс м 3, из них 2, 8% пресной воды, доступной для использования 0, 3%. Объем воды: в Мировом океане 1345 млн км 3. на поверхности Земли 1, 39 х 1018 т. в атмосфере 1, 3 х 1013 т.

Расход воды Затраты воды на производство: 1 т химического волокна 2000 м 3 1 т бумаги 900 м 3 1 т стали 120 м 3 1 т риса 4000 м 3 При таких растратах запасы воды неумолимо иссякают. Уже сейчас 60% всей поверхности Земли занимают зоны, страдающие отсутствием или недостатком пресной воды.

Расход воды Потребность в питьевой воде жителя крупного города составляет около 8 л в сутки, а на все сферы жизнедеятельности ежедневно расходуется 175 л воды. приготовление пищи полив растений мытье посуды стирка умывание слив в туалете 5% 7% 9% 14% 29% 4 0 %

Жесткость воды - это содержание в воде ионов кальция и магния. Недостатки жесткой воды: § Мыло не мылится § При стирке белья повышается расход порошка § Волосы секутся § Плохо развариваются мясо и крупы. 2 RCOO + Ca 2+ → (RCOO)2 Ca ↓

Кристаллические вещества Истинно же твердые тела – это кристаллы, одной из характерных особенностей которых является правильность их внешнего вида.

Кристаллические вещества Общие свойства: § Сохранение формы и объема. § Наличие постоянной температуры плавления. § Упорядоченное внутреннее строение. Друза мориона Расплавленная сталь

ВЕЩЕСТВА только из неметаллов ионная кр. реш. (Si. O 2; Si. O 2 n. H 2 O) Атомная кр. реш. неметаллы молекулярная кр. реш. (B, C, Si, Ge, As, Se, Te) простые Атомная кр. реш. металлы молекулярная кр. реш. металлическая кр. реш. Кристаллические вещества сложные металл + неметалл

Кристаллические вещества алюминий § § § ковкость пластичность электропроводность теплопроводность металлический блеск ВЕЩЕСТВА С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКОЙ

Кристаллические вещества сера нафталин § § § сахар малая твердость низкая t плавления летучесть ВЕЩЕСТВА С МОЛЕКУЛЯРНОЙ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКОЙ

Кристаллические вещества C алмаз Si. O 2 горный хрусталь § § твердые прочные тугоплавкие практически нерастворимые ВЕЩЕСТВА С АТОМНОЙ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКОЙ

Кристаллические вещества Полиморфизм-существование различных кристаллических структур у одного и того же вещества. Схемы строения различных модификаций углерода: a: алмаз; b: графит; c: лонсдейлит; d: фуллерен - бакибол C 60; e: фуллерен C 540; f: фуллерен C 70 g: аморфный углерод, ; h: углеродная нанотрубка

Кристаллические вещества Анизотропия (от др. греч. ἄνισος - неравный и τρόπος - направление) - это зависимость физических свойств от направления внутри кристалла. слюда обработанная Анизотропия ярче проявляется у монокристаллов.

Кристаллические вещества ПОЛИКРИСТАЛЛЫ– это твёрдые тела, состоящие из большого числа маленьких кристалликов. Si. O 2 горный хрусталь (кварц) аметист (кварц) Изотропи я (из др. -греч. ί σος «равный, одинаковый, подобный» + τρόπος «поворот; характер») - одинаковость физических свойств во всех направлениях.

Кристаллические вещества аскорбиновая кислота и сахароза витамин А сплав титана и алюминия булатная сталь Фотографии сделаны с помощью электронного микроскопа и нанотехнологий.

Кристаллические вещества МЕГАКРИСТАЛЛЫ Селенит - разновидность гипса. Эти кристаллы – самые большие в мире. Самые крупные из них достигают в длину 15 м и весят 50 -60 тонн.

Проверь себя! Шар, выточенный из монокристалла, при нагревании может изменить не только объем, но и форму. Почему? Ответ: Вследствие анизотропии кристаллы при нагревании расширяются неравномерно.

Проверь себя! «Снег заскрипел под ногами - значит, мороз крепчает» , - часто говорите вы. А почему снег скрипит под ногами? Ответ: При сильном морозе снежинки под тяжестью ног не тают, а ломаются. Каждая снежинка при этом издаёт очень слабый, почти неуловимый звук. Но если мы наступаем сразу на множество тысяч снежинок, то чуть слышимые звуки сливаются в громкий скрип.

Проверь себя! Почему со временем на поверхности оцинкованного железа появляются узоры? Ответ: Узоры появляются вследствие кристаллизации цинка.

Аморфные вещества (от греческого amorphos – бесформенный, a – отрицательная частица и morphe – форма) – внешне могут быть твердыми, а по строению относиться к жидкостям.

Аморфные вещества § Молекулы в аморфных телах расположены беспорядочно. § Нет постоянной температуры плавления, по мере повышения температуры – размягчаются. § При низких температурах они ведут себя подобно кристаллическим телам, а при высоких – подобны жидкостям. кристаллическое строение аморфное строение

Аморфные вещества Переход аморфных тел в кристаллические сера пластическая сера кристаллическая Аморфное состояние веществ неустойчиво, и рано или поздно они из такого состояния переходят в кристаллическое.

Аморфные вещества Переход аморфных тел в кристаллические жвачка новая использованная жвачка Время перехода аморфного состояния в кристаллическое может быть разным. Для некоторых веществ оно составляет несколько лет.

Аморфные вещества Переход аморфных тел в кристаллические = Застывший твердый мед засахаривается так же, как засахаривается при длительном хранении стекловидная карамель.

полимеры Полимеры– это соединения с высокой молекулярной массой, молекулы которых состоят из большого числа регулярно и нерегулярно повторяющихся одинаковых или различных звеньев. поливинилхлорид

полимеры В зависимости от строения макромолекул различают линейные, разветвленные (или привитые) и пространственные полимеры. пространственная структура линейная структура разветвленная структура

полимеры Полимеры Кристаллические Аморфные (кристаллических участков менее 25%) (кристаллических участков более 75%) Аморфно-кристаллические (кристаллических участков 25 -75%)

полимеры ПОЛИМЕРЫ АМОРФНОЙ СТРУКТУРЫ: § с беспорядочным взаимным расположением макромолекул; § обладают одинаковыми физико-механическими свойствами во всех направлениях; § характеризуются низкой усадкой при литье, прозрачностью (как правило), средней хемостойкостью и износостойкостью и высоким поверхностным трением; § большинство распространенных в промышленности полимеров аморфные; § имеют РАЗВЕТВЛЕННУЮ структуру молекул.

полимеры ПОЛИМЕРЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ: § имеют упорядоченное расположение макромолекул, плотность их упаковки; § обладают повышенной теплостойкостью, высокой прочностью, жесткостью и плотностью, низкой эластичностью; § способны к деформациям, имеют низкое поверхностное трение, повышенную хемостойкость и высокую усадку; § имеют ЛИНЕЙНУЮ структуру молекул.

полимеры ПОЛИЭТИЛЕН НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ Полиэтилен низкой плотности, в главных цепях которого присутствуют многочисленные ответвления, может содержать до 70 % аморфной фазы.

полимеры АМОРФНОСТЬ – ценное качество полимеров, так как оно обуславливает такое их технологическое свойство как термопластичность. Благодаря аморфности полимер можно вытянуть в тончайшую нить, превратить в прозрачную пленку или отлить из него изделие самой замысловатой формы.

Твердые вещества /выводы/ «В мире нет ничего абсолютного, кроме существования или несуществования. Все остальное поддается вычислению и является относительным» . Клод Адриан Гельвеций

глоссарий 1. Твердые тела – это кристаллические вещества, одной из характерных особенностей которых является правильность их внешнего вида. 2. Аморфные тела – тела, которые внешне могут быть твердыми, а по строению относиться к жидкостям. 3. Монокристаллы – одиночные кристаллы. 4. Поликристаллы – это твёрдые тела, состоящие из большого числа маленьких кристалликов. 5. Полимеры– это соединения с высокой молекулярной массой, молекулы которых состоят из большого числа регулярно и нерегулярно повторяющихся одинаковых или различных звеньев. 6. Аморфные – полимеры, имеющие кристаллических участков менее 25%. 7. Кристаллические – полимеры, имеющие кристаллических участков более 75%. 8. Аморфно-кристаллические – полимеры, имеющие кристаллических участков 25 -75%. 9. Термопластичность – свойство полимеров обратимо твердеть и размягчаться. 10. Анизотропия – это зависимость физических свойств от направления внутри кристалла. 11. Изотропи я – одинаковость физических свойств во всех направлениях.

Жидкостями называют вещества, находящиеся в жидком агрегатном состоянии при обычных условиях. По внешним признакам это состояние характеризуется наличием постоянного объема для данной порции жидкости, текучестью, способностью постепенно испаряться. Собственной формой жидкости является шар (капля), который образует жидкость под действием силы поверхностного натяжения. Это возможно при отсутствии силы тяжести. Капли образуются при свободном падении жидкости, а в пространстве космического корабля, в условиях невесомости, форму шара может принять значительный объем жидкости. В спокойном состоянии жидкость растекается но поверхности или заполняет объем любого сосуда. Среди неорганических веществ к жидкостям относятся вода, бром, ртуть, немногочисленные устойчивые безводные кислоты (серная, фтороводородная и др.). Очень много жидкостей среди органических соединений: углеводороды, спирты, кислоты и т.д. Практически во всех гомологических рядах органических соединений есть жидкости. При охлаждении в жидкое состояние переходят газы, а при нагревании - металлы, устойчивые соли, оксиды металлов.

Жидкости можно классифицировать по природе составляющих их частиц на атомные (сжиженные благородные газы), молекулярные (большинство обычных жидкостей), металлические (расплавленные металлы), ионные (расплавленные соли, оксиды металлов). Кроме индивидуальных веществ, в жидком состоянии находятся смеси жидкостей и растворы самых разнообразных веществ в жидкостях. Наибольшее практическое значение среди жидкостей имеет вода, что определяется ее уникальной ролью как биологического растворителя. В химии и прикладных областях жидкости наряду с газами наиболее важны как среда для проведения всевозможных процессов превращения веществ. Жидкости используются также для передачи тепла по трубам, в гидравлических устройствах - как рабочее тело, в качестве смазки движущихся деталей машин.

В жидком состоянии вещества частицы находятся на расстояниях, близких к сумме их вандерваальсовых радиусов. Потенциальная энергия молекул становится отрицательной по отношению к их энергии в газе. Для ее преодоления при переходе в газообразное состояние молекулам необходима кинетическая энергия, приблизительно равная потенциальной энергии. Поэтому вещество находится в жидком состоянии в таком температурном интервале, в котором средняя кинетическая энергия приблизительно равна потенциальной энергии взаимодействия или ниже нее, но не падает до нуля.

Среди молекул как газа, так и жидкости имеются как более быстрые, так и более медленные молекулы относительно средней скорости их движения. Быстрые молекулы преодолевают притяжение и переходят в газовую фазу при наличии свободного объема. При испарении за счет потери более быстрых молекул жидкость охлаждается. Над поверхностью жидкости в замкнутом объеме устанавливается определенное давление ее пара, зависящее от природы жидкости и от температуры. Зависимость выражается экспоненциальным уравнением

где е - основание натуральных логарифмов; R - универсальная газовая постоянная; ДЯ ИСП - молярная теплота испарения жидкости; Л - постоянная, зависящая от свойств жидкости.

Анализ уравнения показывает, что давление пара жидкости быстро возрастает с повышением температуры, так как температура находится в знаменателе отрицательного показателя степени. Уравнение (7.13) достаточно точно выполняется при условии, что температура значительно ниже критической температуры пара данного вещества.

При достижении температуры, при которой давление пара жидкости становится равным атмосферному давлению, жидкость закипает. При этом подразумевается, что над поверхностью жидкости находится воздух. Если же заключить жидкость в закрытый сосуд, например в цилиндр, с поршнем, производящим давление, равное атмосферному (101,3 кПа), то при нагревании жидкости до температуры кипения пар над жидкостью еще не образуется. При превышении температуры кипения появится пар, т.е. газовая фаза, и поршень начнет подниматься по мере подвода теплоты и увеличения объема пара (рис. 7.4).

Рис. 7.4.

Жидкости, кипящие при температуре ниже температуры кипения воды, обычно называют летучими. Из открытого сосуда они довольно быстро улетучиваются. При температуре кипения 20-22 °С вещество фактически оказывается пограничным между летучей жидкостью и легко сжижающимся газом. Примерами таких веществ являются ацетальдегид СН 3 СНО (? кип = 21°С) и фтороводород HF (? кип = 19,4°С).

Практически важными физическими характеристиками жидкостей, кроме температуры кипения, являются температура замерзания, цвет, плотность, коэффициент вязкости, показатель преломления. Для однородных сред, какими являются жидкости, показатель преломления легко измеряется и служит для идентификации жидкости. Некоторые константы жидкостей приведены в табл. 7.3.

Равновесие между жидкой, твердой и газообразной фазами данного вещества изображается в виде диаграммы состояния. На рис. 7.5 показана диаграмма состояния воды. Диаграмма состояния представляет собой график, на котором нанесены зависимости давления насыщенного пара от температуры для жидкой воды и льда (кривые ОА и ОВ) и зависимость температуры плавления воды от давления (кривая ОС). Наличие небольшого давления пара над льдом (кривая ОВ) означает, что лед может испаряться (сублимировать), если давление паров воды в воздухе меньше равновесного давления над льдом. Пунктир, продолжающий кривую ОА влево от точки О, соответствует давлению пара над переохлажденной водой. Это давление превышает давление пара над льдом при той же температуре. Поэтому переохлажденная вода неустойчива и может спонтанно превратиться в лед. Иногда в холодную погоду наблюдается явление выпадения дождя, капли которого превращаются в лед при ударе о твердую поверхность. На поверхности возникает ледяная корка. Следует отметить, что и другие жидкости могут находиться в неустойчивом переохлажденном состоянии.

Некоторые практически важные жидкости

Название		Плотность р, г/см 3 (20°С)	Коэффициент преломления, и(20°С,

Фтороводород
Серная кислота	h 2 so 4


Муравьиная	нсоон
Уксусная кислота	сн 3 соон


Глицерин	с 3 н 8 0 3
	с 6 н 14

Тстрахлорид углерода
Хлороформ
Нитробензол	c g ii 5 no 2

Рис. 75.

Кривые делят диаграмму на три поля - воды, льда и пара. Каждая точка на диаграмме означает определенное состояние системы. Точки внутри полей соответствуют существованию воды только в одной из трех фаз. Например, при 60 °С и давлении 50 к11а вода существует только в жидком состоянии. Точки, лежащие на кривых ОА, ОВ и ОС, соответствуют равновесию между двумя фазами. Например, при температурах и давлениях вдоль кривой ОА в равновесии находятся вода и пар. Точка пересечения О трех кривых с координатами 0,61 кПа и 0,01 °С соответствует равновесию между тремя фазами воды - льдом, жидкой водой и ее паром. Это так называемая тройная точка воды . Указанная температура на 0,01 °С выше, чем нормальная температура замерзания воды 0 °С, относящаяся к давлению 101,3 кПа. Из этого следует вывод, что при повышении внешнего давления температура замерзания воды понижается. Приведем еще одну точку: при давлении 615 атм (6,23-10 4 кПа) температура замерзания воды понижается до -5 °С.

По способности смешиваться между собой жидкости резко отличаются от газов. В жидкостях, в противоположность газам, важную роль играет межмолекулярное взаимодействие. Поэтому смешиваются между собой в любых соотношениях лишь такие жидкости, которые достаточно близки по энергии межмолекулярного взаимодействия. Например, между молекулами воды не только действуют ваидерваальсовы силы, но и образуются водородные связи. Поэтому смешиваются с водой разные жидкости, молекулы которых также могут давать с водой водородные связи: фтороводо- род, многие кислородсодержащие кислоты, низшие члены гомологического ряда спиртов, ацетон и др. Жидкости, не образующие водородные связи или препятствующие образованию таких связей между молекулами воды, с водой не смешиваются, но могут в той или иной мере, т.е. ограниченно, растворяться. Так, спирты с радикалами, состоящими из четырех и более атомов углерода, ограниченно растворимы в воде, так как радикалы, оказываясь между молекулами воды, мешают образованию водородных связей и выталкиваются из объема воды.

Внутреннее строение жидкостей характеризуется как относительно свободным взаимным перемещением молекул, так и возникновением структуры, сближающей жидкость с твердым состоянием. Выше говорилось о том, что в кристаллах на упорядоченно расположенных атомах происходит рассеяние рентгеновских лучей. Максимумы интенсивности рассеивания возникают при определенных углах падения исходного луча на плоскости, образуемые атомами внутри кристалла. В жидкостях также происходит рассеяние рентгеновского излучения. При небольшом угле падения, соответствующем рассеянию на близко расположенных атомах, возникает максимум, указывающий па наличие упорядоченности в ближайшем окружении атома. Но при увеличении угла падения максимумы быстро затухают, что указывает на отсутствие закономерного расположения для удаленных атомов. Таким образом, про жидкости можно сказать, что в них обнаруживается ближний порядок, при отсутствии дальнего порядка.

Структурирование жидкостей обнаруживается при изучении различных физических свойств. Известно, например, что вода при охлаждении до 4°С уплотняется, а при дальнейшем охлаждении снова начинает расширяться. Это объясняется образованием более ажурной структуры, соответствующей направленности водородных связей между молекулами. После замерзания эти связи окончательно стабилизируются, что следует из уменьшения плотности льда.

1. Жидкое состояние вещества и его свойства.

2.1 Закон Бернулли.

2.2 Закон Паскаля.

2.3 Ламинарное течение жидкостей.

2.4 Закон Пуайзеля.

2.5 Турбулентное течение жидкостей.

3.1 Измерение вязкости жидкости.

3.2 Измерение объёма и расхода жидкости

1. Жидкое состояние вещества и его свойства.

Жидкости занимают промежуточное положение между газообразными и твердыми веществами. При температурах, близких к температурам кипения, свойства жидкостей приближаются к свойствам газов; при температурах, близких к температурам плавления, свойства жидкостей приближаются к свойствам твердых веществ. Если для твердых веществ характерна строгая упорядоченность частиц, распространяющаяся на расстояния до сотен тысяч межатомных или межмолекулярных радиусов, то в жидком веществе обычно бывает не более нескольких десятков упорядоченных частиц - объясняется это тем, что упорядоченность между частицами в разных местах жидкого вещества так же быстро возникает, как и вновь «размывается» тепловым колебанием частиц. Вместе с тем общая плотность упаковки частиц жидкого вещества мало отличается от твердого вещества - поэтому их плотность близка к плотности твердых тел, а сжимаемость очень мала. Например, чтобы уменьшить объем, занимаемый жидкой водой, на 1%, требуется приложить давление ~ в 200 атм, тогда как для такого же уменьшения объема газов требуется давление порядка 0,01 атм. Следовательно, сжимаемость жидкостей примерно в 200: 0,01 = 20000 раз меньше сжимаемости газов.

Выше отмечалось, что жидкости имеют определенный собственный объем и принимают форму сосуда, в котором находятся; эти их свойства значительно ближе к свойствам твердого, чем газообразного вещества. Большая близость жидкого состояния к твердому подтверждается также данными по стандартным энтальпиям испарения ∆Н° исп и стандартным энтальпиям плавления ∆Н° пл. Стандартной энтальпией испарения называют количество теплоты, необходимое для превращения 1 моль жидкости в пар при 1 атм (101,3 кПа). То же количество теплоты выделяется при конденсации 1 моль пара в жидкость при 1 атм. Количество теплоты, расходуемое на превращение 1 моль твердого тела в жидкость при 1 атм, называют стандартной энтальпией плавления (то же количество теплоты высвобождается при «замерзании» («отвердевании») 1 моль жидкости при 1 атм). Известно, что ∆Н° пл намного меньше соответствующих значений ∆Н° исп, что легко понять, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притяжения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.

Ряд других важных свойств жидкостей больше напоминает свойства газов. Так, подобно газам жидкости могут течь - это их свойство называется текучестью. Сопротивляемость течению определяется вязкостью. На текучесть и вязкость влияют силы притяжения между молекулами жидкости, их относительная молекулярная масса, а также целый ряд других факторов. Вязкость жидкостей ~ в 100 раз больше, чем у газов. Так же, как и газы, жидкости способны диффундировать, хотя и гораздо медленнее, поскольку частицы жидкости упакованы гораздо плотнее, чем частицы газа.

Одно из важнейших свойств именно жидкости - ее поверхностное натяжение (это свойство не присуще ни газам, ни твердым веществам). На молекулу, находящуюся в жидкости, со всех сторон равномерно действуют межмолекулярные силы. Однако на поверхности жидкости баланс этих сил нарушается, и вследствие этого «поверхностные» молекулы оказываются под действием некой результирующей силы, направленной внутрь жидкости. По этой причине поверхность жидкости оказывается в состоянии натяжения. Поверхностное натяжение - это минимальная сила, сдерживающая движение частиц жидкости в глубину жидкости и тем самым удерживающая поверхность жидкости от сокращения. Именно поверхностным натяжением объясняется «каплевидная» форма свободно падающих частиц жидкости.

Из-за сохранения объёма жидкость способна образовывать свободную поверхность. Такая поверхность является поверхностью раздела фаз данного вещества: по одну сторону находится жидкая фаза, по другую - газообразная (пар), и, возможно, другие газы, например, воздух. Если жидкая и газообразная фазы одного и того же вещества соприкасаются, возникают силы, которые стремятся уменьшить площадь поверхности раздела - силы поверхностного натяжения. Поверхность раздела ведёт себя как упругая мембрана, которая стремится стянуться.

Поверхностное натяжение может быть объяснено притяжением между молекулами жидкости. Каждая молекула притягивает другие молекулы, стремится «окружить» себя ими, а значит, уйти с поверхности. Соответственно, поверхность стремится уменьшиться. Поэтому мыльные пузыри и пузыри при кипении стремятся принять сферическую форму: при данном объёме минимальной поверхностью обладает шар. Если на жидкость действуют только силы поверхностного натяжения, она обязательно примет сферическую форму - например, капли воды в невесомости.

Маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила тяготения меньше силы, препятствующей увеличению площади поверхности.

Смачивание - поверхностное явление, возникающее при контакте жидкости с твёрдой поверхностью в присутствии пара, то есть на границах раздела трёх фаз. Смачивание характеризует «прилипание» жидкости к поверхности и растекание по ней (или, наоборот, отталкивание и нерастекание). Различают три случая: несмачивание, ограниченное смачивание и полное смачивание.

Смешиваемость - способность жидкостей растворяться друг в друге. Пример смешиваемых жидкостей: вода и этиловый спирт, пример несмешиваемых: вода и жидкое масло.

При нахождении в сосуде двух смешиваемых жидкостей молекулы в результате теплового движения начинают постепенно проходить через поверхность раздела, и таким образом жидкости постепенно смешиваются. Это явление называется диффузией (происходит также и в веществах, находящихся в других агрегатных состояниях).

Жидкость можно нагреть выше точки кипения таким образом, что кипения не происходит. Для этого необходим равномерный нагрев, без значительных перепадов температуры в пределах объёма и без механических воздействий, таких, как вибрация. Если в перегретую жидкость бросить что-либо, она мгновенно вскипает. Перегретую воду легко получить в микроволновой печи.

Переохлаждение - охлаждение жидкости ниже точки замерзания без превращения в твёрдое агрегатное состояние. Как и для перегрева, для переохлаждения необходимо отсутствие вибрации и значительных перепадов температуры.

Если сместить участок поверхность жидкости от положения равновесия, то под действием возвращающих сил поверхность начинает двигаться обратно к равновесному положению. Это движение, однако, не останавливается, а превращается в колебательное движение около равновесного положения и распространяется на другие участки. Так возникают волны на поверхности жидкости.

Если возвращающая сила - это преимущественно силы тяжести, то такие волны называются гравитационными волнами. Гравитационные волны на воде можно видеть повсеместно.

Если возвращающая сила - это преимущественно сила поверхностного натяжения, то такие волны называются капиллярными. Если эти силы сопоставимы, такие волны называются капиллярно-гравитационными. Волны на поверхности жидкости затухают под действием вязкости и других факторов.

Формально говоря, для равновесного сосуществования жидкой фазы с другими фазами того же вещества - газообразной или кристаллической - нужны строго определённые условия. Так, при данном давлении нужна строго определённая температура. Тем не менее, в природе и в технике повсеместно жидкость сосуществует с паром, или также и с твёрдым агрегатным состоянием - например, вода с водяным паром и часто со льдом (если считать пар отдельной фазой, присутствующей наряду с воздухом). Это объясняется следующими причинами.

Неравновесное состояние. Для испарения жидкости нужно время, пока жидкость не испарилась полностью, она сосуществует с паром. В природе постоянно происходит испарение воды, также как и обратный процесс - конденсация.

Замкнутый объём. Жидкость в закрытом сосуде начинает испаряться, но поскольку объём ограничен, давление пара повышается, он становится насыщенным ещё до полного испарения жидкости, если её количество было достаточно велико. При достижении состояния насыщения количество испаряемой жидкости равно количеству конденсируемой жидкости, система приходит в равновесие. Таким образом, в ограниченном объёме могут установиться условия, необходимые для равновесного сосуществования жидкости и пара.

Присутствие атмосферы в условиях земной гравитации. На жидкость действует атмосферное давление (воздух и пар), тогда как для пара должно учитываться практически только его парциальное давление. Поэтому жидкости и пару над её поверхностью соответствуют разные точки на фазовой диаграмме, в области существования жидкой фазы и в области существования газообразной соответственно. Это не отменяет испарения, но на испарение нужно время, в течение которого обе фазы сосуществуют. Без этого условия жидкости вскипали бы и испарялись очень быстро.

2.1 Закон Бернулли - является следствием закона сохранения энергии для стационарного потока идеальной (то есть без внутреннего трения) несжимаемой жидкости:

- плотность жидкости, - скорость потока, - высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости,

На вопрос Примеры жидких веществ. заданный автором Нина Булатова лучший ответ это Н2О - вода, Жидкий металл - ртуть! Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твёрдым телом и газом: газ не сохраняет ни объём, ни форму, а твёрдое тело сохраняет и то, и другое .
Форма жидких тел может полностью или отчасти определяться тем, что их поверхность ведёт себя как упругая мембрана. Так, вода может собираться в капли. Но жидкость способна течь даже под своей неподвижной поверхностью, и это тоже означает несохранение формы (внутренних частей жидкого тела) .
Молекулы жидкости не имеют определённого положения, но в то же время им недоступна полная свобода перемещений. Между ними существует притяжение, достаточно сильное, чтобы удержать их на близком расстоянии.
Вещество в жидком состоянии существует в определённом интервале температур, ниже которого переходит в твердое состояние (происходит кристаллизация либо превращение в твердотельное аморфное состояние - стекло) , выше - в газообразное (происходит испарение). Границы этого интервала зависят от давления.
Как правило, вещество в жидком состоянии имеет только одну модификацию. (Наиболее важные исключения - это квантовые жидкости и жидкие кристаллы.) Поэтому в большинстве случаев жидкость является не только агрегатным состоянием, но и термодинамической фазой (жидкая фаза) .
Все жидкости принято делить на чистые жидкости и смеси. Некоторые смеси жидкостей имеют большое значение для жизни: кровь, морская вода и др. Жидкости могут выполнять функцию растворителей.
[править]
Физические свойства жидкостей
Текучесть
Основным свойством жидкостей является текучесть. Если к участку жидкости, находящейся в равновесии, приложить внешнюю силу, то возникает поток частиц жидкости в том направлении, в котором эта сила приложена: жидкость течёт. Таким образом, под действием неуравновешенных внешних сил жидкость не сохраняет форму и относительное расположение частей, и поэтому принимает форму сосуда, в котором находится.
В отличие от пластичных твёрдых тел, жидкость не имеет предела текучести: достаточно приложить сколь угодно малую внешнюю силу, чтобы жидкость потекла.
Сохранение объёма
Одним из характерных свойств жидкости является то, что она имеет определённый объём (при неизменных внешних условиях). Жидкость чрезвычайно трудно сжать механически, поскольку, в отличие от газа, между молекулами очень мало свободного пространства. Давление, производимое на жидкость, заключенную в сосуд, передаётся без изменения в каждую точку объёма этой жидкости (закон Паскаля, справедлив также и для газов). Эта особенность, наряду с очень малой сжимаемостью, используется в гидравлических машинах.
Жидкости обычно увеличивают объём (расширяются) при нагревании и уменьшают объём (сжимаются) при охлаждении. Впрочем, встречаются и исключения, например, вода сжимается при нагревании, при нормальном давлении и температуре от 0 °C до приблизительно 4 °C.
Вязкость
Кроме того, жидкости (как и газы) характеризуются вязкостью. Она определяется как способность оказывать сопротивление перемещению одной из частей относительно другой - то есть как внутреннее трение.
Когда соседние слои жидкости движутся относительно друг друга, неизбежно происходит столкновение молекул дополнительно к тому, которое обусловлено тепловым движением. Возникают силы, затормаживающие упорядоченное движение. При этом кинетическая энергия упорядоченного движения переходит в тепловую - энергию хаотического движения молекул.
Жидкость в сосуде, приведённая в движение и предоставленная самой себе, постепенно остановится, но её температура повысится.