Характеризиране на течното състояние на материята. Газообразно, течно и твърдо състояние на материята. Течността е междинно състояние между твърдо вещество и газ

1. Течно състояние на веществото и неговите свойства.

2.1 Законът на Бернули.

2.2 Законът на Паскал.

2.3 Ламинарен поток от течности.

2.4 Законът на Пуазел.

2.5 Турбулентен поток от течности.

3.1 Измерване на вискозитета на течността.

3.2 Измерване на обема и дебита на течността

1. Течно състояние на веществото и неговите свойства.

Течностите са междинни между газообразни и твърди вещества. При температури, близки до точки на кипене, свойствата на течностите се доближават до тези на газовете; при температури, близки до точките на топене, свойствата на течностите се доближават до свойствата на твърдите вещества. Ако твърдите вещества се характеризират със строг ред на частици, разпръснати на разстояние до стотици хиляди междуатомни или междумолекулни радиуси, тогава в течно вещество обикновено има не повече от няколко десетки подредени частици - това се обяснява с факта че редът между частиците на различни места на течно вещество също бързо възниква, тъй като той отново се "измива" от топлинната вибрация на частиците. В същото време общата плътност на опаковане на частици от течно вещество се различава малко от твърдото вещество - следователно тяхната плътност е близка до плътността на твърдите вещества, а сгъваемостта е много ниска. Например, за да се намали обемът, зает от течна вода с 1%, е необходимо налягане ~ 200 atm, докато за същото намаляване на обема на газовете е необходимо налягане от около 0,01 atm. Следователно, свиваемостта на течностите е приблизително 200: 0,01 = 20 000 пъти по -малка от сгъваемостта на газовете.

Бе отбелязано по -горе, че течностите имат определен обем и приемат формата на съд, в който се намират; тези свойства са много по -близки до свойствата на твърдо вещество, отколкото на газообразно вещество. Близостта на течното състояние до твърдото вещество се потвърждава и от данните за стандартните енталпии на изпаряване ∆Н ° ev и стандартните енталпии на топене ∆Н ° pl. Стандартната енталпия на изпаряване е количеството топлина, необходимо за превръщане на 1 mol течност в пара при 1 atm (101.3 kPa). Същото количество топлина се отделя при кондензацията на 1 мол пара в течност при 1 атм. Количеството топлина, изразходвано за превръщане на 1 mol твърдо вещество в течност при 1 atm, се нарича стандартна енталпия на топене (същото количество топлина се отделя, когато 1 mol течност е „замразена“ („втвърдена“) при 1 atm ). Известно е, че ∆H ° pl е много по -малко от съответните стойности на ∆H ° vp, което е лесно за разбиране, тъй като преходът от твърдо състояние към течността е придружен от по -малко смущение на междумолекулното привличане от прехода от течно до газообразно състояние.

Редица други важни свойства на течностите са по -сходни с тези на газовете. Така че, подобно на газовете, течностите могат да текат - това свойство се нарича течливост. Съпротивлението на потока се определя от вискозитета. Течливостта и вискозитетът се влияят от силите на привличане между молекулите на течността, тяхното относително молекулно тегло и цяла линиядруги фактори. Вискозитетът на течностите е ~ 100 пъти по -висок от този на газовете. Точно като газовете, течностите могат да дифундират, макар и много по -бавно, тъй като течните частици са опаковани много по -плътно от газовите частици.

Едно от най -важните свойства на течността е нейното повърхностно напрежение (това свойство не е присъщо нито на газове, нито на твърди вещества). На молекула в течност се действа равномерно от междумолекулни сили от всички страни. На повърхността на течността обаче балансът на тези сили е нарушен и в резултат на това "повърхностните" молекули са под влияние на определена резултатна сила, насочена в течността. Поради тази причина повърхността на течността е в състояние на напрежение. Повърхностното напрежение е минималната сила, която ограничава движението на течните частици в дълбочината на течността и по този начин предпазва повърхността на течността от свиване. Именно повърхностното напрежение обяснява "капкоподобната" форма на свободно падащи течни частици.

Поради запазването на обема, течността може да образува свободна повърхност. Такава повърхност е фазов интерфейс от това вещество: от едната страна има течна фаза, от другата - газообразна (пара) и евентуално други газове, например въздух. Ако течната и газообразната фаза на едно и също вещество влязат в контакт, възникват сили, които са склонни да намалят площта на интерфейса - силите на повърхностното напрежение. Интерфейсът се държи като еластична мембрана, която има тенденция да се свива.

Повърхностното напрежение може да се обясни с привличането между молекулите на течността. Всяка молекула привлича други молекули, стреми се да се "обгради" с тях и следователно да напусне повърхността. Съответно повърхността има тенденция към свиване. Следователно, при кипене, сапунените мехурчета и мехурчета са склонни да приемат сферична форма: за даден обем топката има минимална повърхност. Ако върху течността действат само сили на повърхностно напрежение, тя непременно ще придобие сферична форма - например водни капки с нулева гравитация.

Малки обекти с плътност, по -голяма от плътността на течността, могат да „плуват“ по повърхността на течността, тъй като силата на гравитацията е по -малка от силата, която предотвратява увеличаването на повърхността.

Намокрянето е повърхностно явление, което възниква, когато течността контактува с твърда повърхност в присъствието на пара, тоест на интерфейсите между три фази. Намокрянето характеризира "залепването" на течност върху повърхността и разпръскването по нея (или обратно, отблъскване и неразпространение). Има три случая: ненамокряне, ограничено намокряне и пълно омокряне.

Смесимостта е способността на течностите да се разтварят една в друга. Пример за смесващи се течности: вода и етанол, пример за несмесване: вода и течно масло.

Когато в съда има две смесени течности, молекулите в резултат на топлинно движение започват постепенно да преминават през интерфейса и по този начин течностите постепенно се смесват. Това явление се нарича дифузия (среща се и в вещества в други агрегатни състояния).

Течността може да се нагрее над точката на кипене, така че да не възникне кипене. Това изисква равномерно нагряване, без значителни температурни колебания в обема и без механични влияния като вибрации. Ако хвърлите нещо в прегрята течност, то моментално заври. Прегрятата вода е лесна за микровълнова печка.

Подохлаждане - охлаждане на течност под точката на замръзване, без да се превръща в агрегатно твърдо състояние. Както при прегряването, хипотермията изисква липса на вибрации и значителни температурни промени.

Ако изместим част от повърхността на течността от равновесното положение, тогава под действието на възстановяващи сили повърхността започва да се движи обратно в равновесно положение. Това движение обаче не спира, а се превръща в колебателно движение близо до равновесното положение и се разпространява в други области. Така се появяват вълни на повърхността на течността.

Ако възстановяващата сила е предимно гравитация, тогава такива вълни се наричат гравитационни вълни. Гравитационни вълнипо водата може да се види навсякъде.

Ако възстановяващата сила е предимно силата на повърхностното напрежение, тогава такива вълни се наричат капилярни. Ако тези сили са сравними, такива вълни се наричат капилярно-гравитационни. Вълните на повърхността на течността се отслабват от вискозитета и други фактори.

Формално казано, за равновесното съжителство на течна фаза с други фази на същото вещество - газообразни или кристални - са необходими строго определени условия. Така че при дадено налягане е необходима строго определена температура. Независимо от това, в природата и технологиите, течността навсякъде съжителства с пара или също с твърдо вещество агрегирано състояние- например вода с пара и често с лед (ако парата се счита за отделна фаза, която присъства заедно с въздуха). Това се дължи на следните причини.

Неравновесно състояние. Необходимо е време течността да се изпари, докато течността се изпари напълно, тя съществува заедно с парата. В природата постоянно се изпарява водата, както и обратният процес - кондензация.

Затворен обем. Течността в затворен съд започва да се изпарява, но тъй като обемът е ограничен, налягането на парите се повишава, то става наситено дори преди течността да се изпари напълно, ако количеството му е било достатъчно голямо. Когато се достигне състоянието на насищане, количеството изпарена течност е равно на количеството кондензирана течност, системата достига равновесие. Така в ограничен обем могат да се установят условията, необходими за равновесното съвместно съществуване на течност и пара.

Наличие на атмосфера в условия земната гравитация... Течността се влияе от атмосферното налягане (въздух и пара), докато за парата трябва да се вземе предвид само нейното частично налягане. Следователно течността и парите над нейната повърхност съответстват на различни точки на фазовата диаграма, съответно в областта на съществуване на течната фаза и в района на съществуване на газообразната фаза. Това не отменя изпарението, но изпарението отнема време, през което и двете фази съществуват съвместно. Без това условие течностите биха кипели и се изпаряват много бързо.

2.1 Законът на Бернули -е следствие от закона за запазване на енергията за неподвижен поток от идеална (тоест без вътрешно триене) несвиваема течност:

е плътността на течността, е дебитът, е височината, на която се намира разглежданият елемент от течността,

За разлика от газовете, между молекулите на течността действат достатъчно големи сили на взаимно привличане, което определя специфичния характер на молекулярното движение. Топлинното движение на молекулата на течността включва колебателно и транслационно движение. Всяка молекула вибрира известно време около определена равновесна точка, след това се движи и отново заема ново равновесно положение. Това определя неговата течливост. Силите на междумолекулно привличане пречат на молекулите да се движат далеч една от друга по време на движението си. Общият ефект на привличане на молекули може да бъде представен като вътрешно налягане на течностите, което достига много високи стойности. Това обяснява постоянството на обема и практическата несвиваемост на течностите, въпреки че те лесно приемат всякаква форма.

Свойствата на течностите зависят и от обема на молекулите, тяхната форма и полярност. Ако молекулите на течността са полярни, тогава има обединение (асоциация) на две или повече молекули в сложен комплекс. Такива течности се наричат свързанитечности. Свързаните течности (вода, ацетон, алкохоли) имат по -високи точки на кипене, по -ниска летливост и по -висока диелектрична константа. Например, етилов алкохол и диметилов етер имат една и съща молекулна формула (C2H6O). Алкохолът е свързана течност и кипи при по-висока температура от диметилов етер, който е несвързана течност.

Течното състояние се характеризира с такива физични свойства като плътност, вискозитет, повърхностно напрежение.

Повърхностно напрежение.

Състоянието на молекулите в повърхностния слой се различава значително от състоянието на молекулите в дълбочината на течността. Нека разгледаме един прост случай - течност - пара (фиг. 2).

Ориз. 2.

На фиг. 2, молекулата (а) е вътре в течността, молекулата (б) е в повърхностния слой. Сферите около тях са разстоянията, на които се разпространяват силите на междумолекулно привличане на околните молекули.

Молекулата (а) е равномерно повлияна от междумолекулни сили от околните молекули, така че силите на междумолекулното взаимодействие се компенсират, резултатът от тези сили е нула (f = 0).

Плътността на парите е много по -малка от плътността на течността, тъй като молекулите са далеч една от друга на голямо разстояние. Следователно молекулите в повърхностния слой почти не изпитват сила на привличане от тези молекули. Резултатът от всички тези сили ще бъде насочен към течността, перпендикулярна на нейната повърхност. По този начин повърхностните молекули на течността винаги са под влияние на сила, която има тенденция да ги дърпа навътре и по този начин да намалява повърхността на течността.

За да се увеличи интерфейсът на течността, е необходимо да се извърши работа A (J). Работата, необходима за увеличаване на интерфейса S с 1 m 2, е мярка за повърхностната енергия или повърхностно напрежение.

По този начин повърхностното напрежение d (J / m 2 = Nm / m 2 = N / m) е резултат от декомпенсирането на междумолекулни сили в повърхностния слой:

q = F / S (F - повърхностна енергия) (2.3)

Съществува голямо числометоди за определяне на повърхностното напрежение. Най -често срещаните са сталагмометричният метод (метод за броене на капки) и методът за най -високо налягане на газовите мехурчета.

Използване на рентгенови методи структурен анализбеше установено, че в течностите има известна подреденост на пространственото подреждане на молекулите в отделни микрообъми. В близост до всяка молекула се наблюдава така наречения ред на къси разстояния. На разстояние от него на известно разстояние този модел се нарушава. И в целия обем на течността няма ред в подреждането на частиците.

Ориз. 3.

Вискозитет h (Pa · s) - свойството да устои на движението на една част от течността спрямо другата. В практичния живот човек е изправен пред голямо разнообразие от течни системи, чийто вискозитет е различен - вода, мляко, растителни масла, заквасена сметана, мед, сокове, меласа и др.

Вискозитетът на течностите се дължи на междумолекулни ефекти, които ограничават подвижността на молекулите. Зависи от естеството на течността, температурата, налягането.

Инструменти, наречени вискозиметри, се използват за измерване на вискозитета. Изборът на вискозиметър и метод за определяне на вискозитета зависи от състоянието на изследваната система и нейната концентрация.

За течности с нисък вискозитет или ниска концентрация широко се използват капилярни вискозиметри.

Молекулите на вещество в течно състояние са разположени почти близо една до друга. За разлика от твърдите кристални тела, в които молекулите образуват подредени структури в целия обем на кристала и могат да извършват топлинни вибрации около неподвижни центрове, течните молекули имат по -голяма свобода. Всяка молекула на течността, както и в твърдо вещество, се „захваща“ от всички страни от съседни молекули и извършва топлинни вибрации около определено равновесно положение. От време на време обаче всяка молекула може да се премести на съседно свободно място. Такива скокове в течности се случват доста често; следователно молекулите не са прикрепени към специфични центрове, както при кристалите, и могат да се движат в целия обем на течността. Това обяснява течливостта на течностите. Поради силното взаимодействие между близко разположени молекули, те могат да образуват локални (нестабилни) подредени групи, съдържащи няколко молекули. Това явление се нарича кратка поръчка(Фиг. 1).

Ориз. 2 илюстрира разликата между газообразно вещество и течност, използвайки примера с вода. Водната молекула H2O се състои от един кислороден атом и два водородни атома, разположени под ъгъл 104 °. Средното разстояние между молекулите на парата е десетки пъти по -голямо от средното разстояние между молекулите на водата. За разлика от фиг. 1, където водните молекули са показани под формата на топки, фиг. 2 дава представа за структурата на молекулата на водата.

Поради плътното опаковане на молекули, свиваемостта на течностите, тоест промяната в обема с промяна в налягането, е много малка; това е десетки и стотици хиляди пъти по -малко, отколкото в газовете. Течностите, подобно на твърдите вещества, променят обема си при промяна на температурата. Топлинното разширяване на водата има интересна и важна аномалия за живота на Земята. При температури под 4 ° C водата се разширява с понижаване на температурата. Максималната плътност ρ in = 10 3 kg / m 3 вода има при температура 4 ° C. Когато водата замръзне, тя се разширява, така че ледът остава да плава по повърхността на замръзващото водно тяло. Температурата на замръзналата вода под леда е 0 ° С. В по -плътни слоеве вода на дъното на резервоара температурата е около 4 ° C. Благодарение на това животът може да съществува във водата на замръзващите резервоари. Най -интересната характеристика на течностите е наличието свободна повърхност... Течността, за разлика от газовете, не запълва целия обем на съда, в който се излива. Между течността и газа (или парите) се образува интерфейс, който е в специални условия в сравнение с останалата течна маса. Молекулите в граничния слой на течността, за разлика от молекулите в нейната дълбочина, не са заобиколени от други молекули от същата течност от всички страни. Силите на междумолекулно взаимодействие, действащи върху една от молекулите вътре в течността от страната на съседните молекули, са средно взаимно компенсирани. Всяка молекула в граничния слой се привлича от молекули в течността (силите, действащи върху дадена молекула на течността от страна на молекулите на газ (или пара), могат да бъдат пренебрегнати). В резултат на това се появява определена резултатна сила, насочена дълбоко в течността. Коефициентът σ се нарича коефициент повърхностно напрежение(σ> 0). По този начин коефициентът на повърхностно напрежение равно на работатанеобходими за увеличаване на повърхността на течността при постоянна температура с единица. В SI коефициентът на повърхностно напрежение се измерва в джаули на квадратен метър(J / m 2) или в нютони на метър(1 N / m = 1 J / m 2). Следователно молекулите на повърхностния слой на течността имат излишък в сравнение с молекулите вътре в течността потенциална енергия... Потенциалната енергия E p на повърхността на течността е пропорционална на нейната площ:

E p = A ext = σS.

От механиката е известно, че равновесните състояния на системата съответстват на минималната стойност на нейната потенциална енергия. Оттук следва, че свободната повърхност на течността има тенденция да намалява нейната площ. Поради тази причина свободната капка течност придобива сферична форма. Течността се държи така, сякаш силите действат тангенциално към нейната повърхност, намалявайки (издърпвайки) тази повърхност. Тези сили се наричат сили на повърхностно напрежение.Наличието на сили на повърхностно напрежение прави повърхността на течността подобна на еластичен опънат филм, с единствената разлика, че еластичните сили във филма зависят от неговата повърхност (тоест от начина на деформиране на филма) и повърхността сили на напрежение не зависятот повърхността на течността. Някои течности, като сапунена вода, са склонни да образуват тънки филми. Добре известните сапунени мехурчета имат правилна сферична форма - това също показва ефекта на силите на повърхностното напрежение. Ако телената рамка се спусне в сапунен разтвор, чиято страна е подвижна, цялата ще бъде покрита с филм от течност (фиг. 3).

Силите на повърхностното напрежение са склонни да свиват повърхността на филма. За да се балансира подвижната страна на рамката, към нея трябва да се приложи външна сила $ (\ vec (F)) _ (ext) = - \ vec ((F) _ (n)) $. Ако под действието на силата $ (\ vec (F)) _ (ext) $ напречната греда се премести с Δx, тогава ще се извърши работата ΔA ext = F ext Δx = ΔE p = σΔS, където ΔS = 2LΔx е увеличението на повърхността на двете страни на сапунения филм ... Тъй като модулите на силите $ (\ vec (F)) _ (ext) $ и $ \ vec ((F) _ (n)) $ са еднакви, можем да напишем:

$$ (F) _ (n) \ Delta x = \ sigma 2L \ Delta x \: или \: \ sigma = \ frac ((F) _ (n)) (2L) $$

Близо до границата между течност, твърдо вещество и газ, формата на свободната повърхност на течността зависи от силите на взаимодействие на молекулите на течността с твърдите молекули (взаимодействието с молекулите на газ (или пара) може да се пренебрегне). Ако тези сили са по -големи от силите на взаимодействие между молекулите на самата течност, тогава течността намокря повърхността на твърдото вещество. В този случай течността се доближава до повърхността на твърдото тяло под определен остър ъгъл θ, характерен за дадената двойка течност - твърдо вещество. Ъгълът θ се нарича ъгъл на контакт. Ако силите на взаимодействие между молекули на течност надвишават силите на тяхното взаимодействие с молекули на твърдо вещество, тогава ъгъл на контактθ се оказва скучен (фиг. 4). В този случай те казват, че течността не се мокриповърхност на твърдо тяло. При пълно намокрянеθ = 0, за пълно ненамокрянеθ = 180 °.

Капилярни явлениясе нарича покачване или падане на течност в тръби с малък диаметър - капиляри... Влажните течности се издигат през капилярите, течности, които не се овлажняват, слизат надолу. На фиг. 5 показва капилярна тръба с определен радиус r, спусната от долния й край в омокряща течност с плътност ρ. Горният край на капиляра е отворен. Нарастването на течността в капиляра продължава, докато силата на гравитацията, действаща върху колоната на течността в капиляра, стане равна по величина на получената F n от силите на повърхностното напрежение, действащи по интерфейса между течността и капилярната повърхност: F t = F n, където F t = mg = ρhπr2g, F n = σ2πr cos θ. Това предполага:

$$ h = \ frac (2 \ sigma \ cos \ theta) (\ rho gr) $$

При пълно омокряне θ = 0, cos θ = 1. В този случай

$$ h = \ frac (2 \ sigma) (\ rho gr) $$

При пълно омокряне θ = 180 °, cos θ = –1 и следователно h< 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр. Вода практически полностью смачивает чистую поверхность стекла. Наоборот, ртуть полностью не смачивает стеклянную поверхность. Поэтому уровень ртути в стеклянном капилляре опускается ниже уровня в сосуде.

Отговори на въпросите:

1. Защо течността има свойството на течливост?

2. Как термичното разширение на течността зависи от температурата?

3. Какво причинява силите на повърхностното напрежение?

4. Защо дъждовните капки са оформени като топка?

5. Какво е капилярен феномен?

6. Защо течността се издига през капиляра?

7. Кога течността се издига през капиляра и кога се спуска?

Течностисе наричат вещества, които са в течно агрегатно състояние при нормални условия. От външни признацитова състояние се характеризира с наличието на постоянен обем за дадена порция течност, течливост, способност за постепенно изпаряване. Подходящата форма на течност е топка (капка), която образува течност под действието на повърхностно напрежение. Това е възможно при липса на гравитация. Капки се образуват, когато свободно паданетечност и в космоса космически кораб, в условия на безтегловност значителен обем течност може да приеме формата на топка. В спокойно състояние течността се разпространява по повърхността или запълва обема на всеки съд. Сред неорганичните вещества течностите включват вода, бром, живак и няколко стабилни безводни киселини (сярна, флуороводородна и др.). Сред органичните съединения има много течности: въглеводороди, алкохоли, киселини и др. Почти всички хомоложни серии органични съединения съдържат течности. При охлаждане газовете преминават в течно състояние, а при нагряване - метали, стабилни соли, метални оксиди.

Течностите могат да бъдат класифицирани според естеството на съставните им частици на атомни (втечнени благородни газове), молекулярни (най -често срещаните течности), метални (разтопени метали), йонни (разтопени соли, метални оксиди). В допълнение към отделните вещества, смеси от течности и разтвори на голямо разнообразие от вещества в течности са в течно състояние. Най-великия практическо значениеСред течностите водата има, което се определя от уникалната му роля на биологичен разтворител. В химията и приложните области течностите, заедно с газовете, са най -важни като среда за извършване на всякакви процеси на трансформация на веществата. Течностите се използват и за пренос на топлина през тръби, в хидравлични устройства - като работен флуид, като смазка за движещи се части на машината.

В течно състояние на материята частиците се намират на разстояния, близки до сумата на радиусите на Ван дер Ваалс. Потенциалната енергия на молекулите става отрицателна по отношение на енергията им в газа. За да го преодолеят по време на прехода в газообразно състояние, молекулите се нуждаят кинетична енергия, приблизително равна на потенциалната енергия. Следователно, веществото е в течно състояние в температурен диапазон, в който средната кинетична енергия е приблизително равна или под потенциалната енергия на взаимодействие, но не пада до нула.

където д -база естествени логаритми; R -универсална газова константа; AN isp - моларна топлина на изпаряване на течност; L -постоянен в зависимост от свойствата на течността.

Анализът на уравнението показва, че налягането на парите на течността се увеличава бързо с повишаване на температурата, тъй като температурата е в знаменателя на отрицателен показател. Уравнение (7.13) се изпълнява доста точно при условие, че температурата е значително по -ниска от критичната температура на парите на дадено вещество.

При достигане на температурата, при която налягането на парите на течността става равно на атмосферното налягане, течността кипи. Това предполага, че има въздух над повърхността на течността. Ако течността е затворена в затворен съд, например цилиндър, с бутало, което произвежда налягане, равно на атмосферното налягане (101,3 kPa), тогава когато течността се нагрее до точката на кипене, парите над течността все още не са

Сред молекулите на газ и течност има както по -бързи, така и по -бавни молекули спрямо средната скорост на тяхното движение. Бързите молекули преодоляват привличането и преминават в газовата фаза в присъствието на свободен обем. По време на изпаряването, поради загубата на по -бързи молекули, течността се охлажда. Над повърхността на течност в затворен обем се установява определено налягане на парите, което зависи от естеството на течността и от температурата. Зависимостта се изразява с експоненциално уравнение. При превишаване на точката на кипене ще се появи пара, т.е. газова фаза и буталото ще започне да се издига при подаване на топлина и увеличаване на обема на парата (фиг. 7.4).

Ориз. 7.4.

Обикновено се наричат течности, кипящи под точката на кипене на водата летлив.От отворен съд те бързо се изпаряват. При точка на кипене 20-22 ° C веществото всъщност се оказва гранично между летлива течност и лесно втечнен газ. Примери за такива вещества са ацеталдехид CH3CHO (бала = 21 ° C) и водороден флуорид HF (бала = 19.4 ° C).

Практически важно физически характеристикитечностите, освен температура на кипене, са точка на замръзване, цвят, плътност, индекс на вискозитет, индекс на пречупване. За хомогенни среди като течности индексът на пречупване се измерва лесно и служи за идентифициране на течността. Някои константи на течности са дадени в таблицата. 7.3.

Балансът между течната, твърдата и газообразната фаза на дадено вещество е изобразен като диаграми на състоянието.На фиг. 7.5 показва диаграма на състоянието на водата. Диаграмата на състоянието е графика, на която са нанесени зависимостите от налягането наситена парана температура за течна вода и лед (криви ОАи OV)и зависимостта на точката на топене на водата от налягането (крива ОПЕРАЦИОННА СИСТЕМА).Наличието на леко налягане на парите върху леда (крива OV)означава, че ледът може да се изпари (сублимира), ако налягането на парите на водата във въздуха е по -малко от равновесното налягане над леда. Пунктирана линия, продължаваща кривата ОАвляво от точката О, съответства на налягането на парите върху преохладена вода. Това налягане надвишава налягането на парите върху лед при същата температура. Следователно, преохладената вода е нестабилна и може спонтанно да се превърне в лед. Понякога при студено време се наблюдава явлението дъжд, чиито капки се превръщат в лед, когато ударят твърда повърхност. На повърхността се образува ледена кора. Трябва да се отбележи, че и други течности могат да бъдат в нестабилно преохладено състояние.

Някои практически важни течности

Име		Плътност p, g / cm 3 (20 ° C)	Индекс на пречупване, u (20 ° C,

Флуороводород
Сярна киселина	h 2 така 4


Формални
Оцетна киселина


Глицерол


Тстрахлорид въглерод
Хлороформ
Нитробензен	c g ii 5 не 2

Ориз. 75.

Кривите разделят диаграмата на три полета - вода, лед и пара. Всяка точка в диаграмата представлява специфично състояние на системата. Точките в полетата съответстват на съществуването на вода само в една от трите фази. Например, при 60 ° C и налягане от 50 k11a, водата съществува само в течно състояние. Точки, лежащи на криви ОА, ОВи ОПЕРАЦИОННА СИСТЕМА,съответстват на равновесието между двете фази. Например при температури и налягане по кривата ОАводата и парата са в равновесие. Пресечната точка O на трите криви с координати 0,61 kPa и 0,01 ° C съответства на равновесието между трите фази на водата - лед, течна вода и нейните пари. Това е т.нар тройна точка на водата... Посочената температура е с 0,01 ° C по -висока от нормалната точка на замръзване на водата при 0 ° C, спрямо налягане от 101,3 kPa. От това следва, че с увеличаване на външното налягане точката на замръзване на водата намалява. Нека да дадем още една точка: при налягане от 615 atm (6.23-10 4 kPa) точката на замръзване на водата пада до -5 ° C.

По способността да се смесват помежду си, течностите се различават рязко от газовете. В течности, за разлика от газовете, важна роляиграе междумолекулно взаимодействие. Следователно, само тези течности, които са достатъчно близки по енергията на междумолекулното взаимодействие, се смесват помежду си във всякакви съотношения. Например, между молекулите на водата действат не само силите на Вайдерваалс, но и се образуват водородни връзки. Следователно, различни течности се смесват с вода, молекулите на която също могат да дадат водородни връзки с вода: водороден флуорид, много кислородсъдържащи киселини, по-ниски членове на хомоложната серия от алкохоли, ацетон и пр. Течности, които не образуват водородни връзки или предотвратяват образуването на такива връзки между молекулите на водата, не се смесват с вода, но те могат по един или друг начин, т.е. ограничен,разтварям. И така, алкохолите с радикали, състоящи се от четири или повече въглеродни атома, са ограничено разтворими във вода, тъй като радикалите, намиращи се между молекулите на водата, пречат на образуването на водородни връзки и се изтласкват от обема на водата.

Вътрешната структура на течностите се характеризира както със сравнително свободното взаимно движение на молекулите, така и с появата на структура, която приближава течността до твърдото състояние. Горе беше казано, че рентгеновите лъчи са разпръснати върху подредени атоми в кристали. Максимумите на интензитета на разсейване се появяват при определени ъгли на падане на първоначалния лъч в равнината, образуван от атоми вътре в кристала. Разсейването на рентгенови лъчи се среща и в течности. При малък ъгъл на падане, съответстващ на разсейването на близко разположени атоми, възниква максимум, показващ наличието на ред в непосредствената среда на атома. Въпреки това, с увеличаване на ъгъла на падане, максимумите бързо се разпадат, което показва липсата на правилна подредба за отдалечени атоми. По този начин можем да кажем за течности, които те съдържат поръчка на къси разстояния,с отсъствие поръчка на дълги разстояния.

Структурирането на течности се открива чрез изучаване на различни физични свойства. Известно е например, че когато се охлади до 4 ° C, водата става по -плътна и при по -нататъшно охлаждане започва да се разширява отново. Това се дължи на образуването на по -ажурна структура, съответстваща на посоката на водородните връзки между молекулите. След замразяване тези връзки най -накрая се стабилизират, което следва от намаляването на плътността на леда.

Уравнение на Ойлер Уравнения на Навие-Стокс Дифузионно уравнение Закон на Хук

По правило веществото в течно състояние има само една модификация. (Най -важните изключения са квантовите течности и течните кристали.) Следователно в повечето случаи течността е не само агрегатно състояние, но и термодинамична фаза (течна фаза).

Всички течности обикновено се разделят на чисти течности и смеси. Някои течни смеси имат голямо значениеза цял живот: кръв, морска вода и пр. Течностите могат да функционират като разтворители.

Физични свойства на течностите

Течливост

Основното свойство на течностите е течливостта. Ако се приложи външна сила към секция течност в равновесие, тогава поток от течни частици възниква в посоката, в която се прилага тази сила: течността тече. По този начин, под въздействието на небалансирани външни сили, течността не запазва формата и относителното положение на частите и затова приема формата на съда, в който се намира.

За разлика от пластмасовите твърди вещества, течността няма граница на изтичане: достатъчно е да се приложи произволно малка външна сила, за да тече течността.

Запазване на обема

Един от характерни свойстватечност е, че има определен обем (при постоянни външни условия). Течността е изключително трудна за механично компресиране, тъй като за разлика от газа има много малко свободно пространство между молекулите. Налягането, упражнено върху течност, затворена в съд, се предава без промяна към всяка точка в обема на тази течност (законът на Паскал е валиден и за газовете). Тази функция, наред с много ниската сгъваемост, се използва в хидравлични машини.

Течностите обикновено се разширяват (разширяват) при нагряване и се свиват (свиват) при охлаждане. Има обаче изключения, например водата се компресира при нагряване, при нормално налягане и температури от 0 ° C до около 4 ° C.

Вискозитет

Освен това течностите (като газовете) са вискозни. Определя се като способността да се противопоставя на движението на една част спрямо друга - тоест като вътрешно триене.

Когато съседни слоеве течност се движат един спрямо друг, неизбежно възникват сблъсъци на молекули в допълнение към този, причинен от топлинното движение. Възникват сили, които възпрепятстват подреденото движение. В този случай кинетичната енергия на подреденото движение се превръща в топлинна енергия - енергията на хаотичното движение на молекулите.

Течността в съда, приведена в движение и оставена сама за себе си, постепенно ще спре, но температурата й ще се повиши.

Свободно повърхностно образуване и повърхностно напрежение

Поради запазването на обема, течността може да образува свободна повърхност. Такава повърхност е границата между фазите на дадено вещество: от едната страна има течна фаза, от другата - газообразна (пара) и евентуално други газове, например въздух.

Ако течната и газообразната фаза на едно и също вещество влязат в контакт, възникват сили, които са склонни да намалят площта на интерфейса - силите на повърхностното напрежение. Интерфейсът се държи като еластична мембрана, която има тенденция да се свива.

Следователно, при кипене, сапунените мехурчета и мехурчета са склонни да приемат сферична форма: за даден обем топката има минимална повърхност. Ако върху течността действат само сили на повърхностно напрежение, тя непременно ще придобие сферична форма - например водни капки с нулева гравитация.

Изпаряване и кондензация

Дифузия

Прегряване и хипотермия

Вълни на плътността

Въпреки че течността е изключително трудна за компресиране, въпреки това, при промяна на налягането, нейният обем и плътност все още се променят. Това не се случва за една нощ; така че, ако една секция е компресирана, тогава такава компресия се предава на други секции със закъснение. Това означава, че еластичните вълни, по -точно вълните на плътността, са способни да се разпространяват във флуида. Заедно с плътността се променят и други. физически величининапример температура.

Ако по време на разпространението на вълна плътността се променя само леко, такава вълна се нарича звукова вълна или звук.

Ако плътността се промени достатъчно силно, тогава такава вълна се нарича ударна вълна. Ударната вълна се описва с други уравнения.

Вълните на плътността в течността са надлъжни, тоест плътността се променя по посоката на разпространение на вълната. В течността няма напречни еластични вълни поради несъхранението на формата.

Еластичните вълни в течност се разпадат с времето, тяхната енергия постепенно се трансформира в Термална енергия... Причините за затихване са вискозитет, "класическа абсорбция", молекулярна релаксация и други. В този случай работи така нареченият втори или насипен вискозитет, който е вътрешно триене с промяна в плътността. Ударната вълна, в резултат на затихване, след известно време преминава в звукова вълна.

Еластичните вълни в течност също са обект на разсейване от нехомогенности, произтичащи от хаотичното топлинно движение на молекулите.

Вълни по повърхността

Ако възстановяващата сила е предимно гравитация, тогава такива вълни се наричат гравитационни вълни (да не се бъркат с гравитационни вълни). Гравитационни вълни върху водата могат да се видят навсякъде.

Ако възстановяващата сила е предимно силата на повърхностното напрежение, тогава такива вълни се наричат капилярни.

Ако тези сили са сравними, такива вълни се наричат капилярно-гравитационни.

Вълните на повърхността на течността се отслабват от вискозитета и други фактори.

Съжителство с други фази

Формално казано, за равновесното съжителство на течна фаза с други фази на същото вещество - газообразни или кристални - са необходими строго определени условия. Така че при дадено налягане е необходима строго определена температура. Независимо от това, в природата и в технологиите навсякъде течността съжителства с пара или също с твърдо агрегатно състояние - например вода с водни пари и често с лед (ако разглеждаме парите като отделна фаза, която присъства заедно с въздуха ). Това се дължи на следните причини.

Наличието на атмосфера в условията на земната гравитация. Течността се влияе от атмосферното налягане (въздух и пара), докато за парата трябва да се вземе предвид само нейното частично налягане. Следователно течността и парите над нейната повърхност съответстват на различни точки на фазовата диаграма, съответно в областта на съществуване на течната фаза и в района на съществуване на газообразната фаза. Това не отменя изпарението, но изпарението отнема време, през което и двете фази съществуват съвместно. Без това условие течностите биха кипели и се изпаряват много бързо.

Теория

Механика

Изучаване на движението и механичен баланстечности и газове и тяхното взаимодействие помежду си и с твърди тела е посветено на раздела механика - хидроаеромеханика (често наричана още хидродинамика). Хидроаеромеханика - част от още обща индустриямеханика, механика на континуума.

Механиката на флуидите е клон на механиката на флуидите, който се занимава с несвиваеми течности. Тъй като свиваемостта на течностите е много малка, тя може да бъде пренебрегната в много случаи. Динамиката на газа е посветена на изучаването на свиваеми течности и газове.

Хидромеханиката се подразделя на хидростатика, в която се изследва равновесието на несвиваемите течности, и хидродинамика (в тесния смисъл), в която се изучава тяхното движение.

Движението на проводими и магнитни течности се изучава в магнитохидродинамиката. Хидравликата се използва за решаване на приложни проблеми.

Основният закон на хидростатиката е законът на Паскал.

2. Течности от двуатомни молекули, състоящи се от идентични атоми (течен водород, течен азот). Такива молекули имат квадруполен момент.

4. Течности, състоящи се от полярни молекули, свързани чрез взаимодействие дипол-дипол (течен водороден бромид).

5. Свързани течности или течности с водородни връзки(вода, глицерин).

6. Течности, състоящи се от големи молекули, за които вътрешните степени на свобода са от съществено значение.

Течностите от първите две групи (понякога три) обикновено се наричат прости. Простите течности са изследвани по -добре от други; от сложните течности водата е най -добре проучена. Тази класификация не включва квантови течности и течни кристали, които са специални случаии трябва да се разглежда отделно.

Статистическа теория

Структурата и термодинамичните свойства на течностите се изследват най-успешно с помощта на уравнението на Перкус-Йевик.

Ако използваме модела на твърди топки, тоест разглеждаме молекулите на течността като топки с диаметър д, тогава уравнението на Перкус-Йевик може да се реши аналитично и да се получи уравнението за състоянието на течността:

където н- броя на частиците на единица обем, - безразмерна плътност. При ниски плътности това уравнение се трансформира в уравнение на състоянието за идеален газ: ... За изключително високи плътности ,, се получава уравнението на състоянието на несвиваема течност :.

Моделът на твърдите топки не отчита привличането между молекулите, следователно няма остър преход между течност и газ при промяна на външните условия.

Ако трябва да получите повече точни резултати, тогава най -доброто описание на структурата и свойствата на течността се постига с помощта на теорията на смущенията. В този случай моделът на твърдите топки се счита за нулево приближение, а силите на привличане между молекулите се считат за смущение и дават корекции.

Клъстерна теория

Един от съвременни теориисервира "Клъстерна теория"... Тя се основава на идеята, че течността е представена като комбинация от твърдо вещество и газ. В този случай частиците от твърдата фаза (кристали, движещи се на къси разстояния) се намират в облак от газ, образувайки клъстерна структура... Енергията на частиците съответства на разпределението на Болцман, докато средната енергия на системата остава постоянна (при условие, че е изолирана). Бавните частици се сблъскват с клъстери и стават част от тях. По този начин конфигурацията на клъстерите се променя постоянно, системата е в състояние на динамично равновесие. При създаване на външно влияние системата ще се държи според принципа на Le Chatelier. По този начин е лесно да се обясни фазовата трансформация:

При нагряване системата постепенно ще се превърне в газ (кипене)
Когато се охлади, системата постепенно ще се превърне в твърдо вещество (замръзване).

Методи за експериментално изследване

Структурата на течностите се изучава с помощта на методи за рентгенов структурен анализ, електронна дифракция и неутронна дифракция.

Вижте също

Характеристики на повърхностния слой на течността

Връзки

Термодинамични състояния на материята
Физика: Твърда ТечностГазова плазма