W życiu codziennym nieustannie napotykamy trzy stany materii - ciekły, gazowy i stały. Mamy dość jasne wyobrażenie o tym, czym są ciała stałe i gazy. Gaz to zbiór cząsteczek, które poruszają się losowo we wszystkich kierunkach. Wszystkie cząsteczki ciała stałego zachowują swój wzajemny układ. Drgają tylko nieznacznie.
Cechy substancji płynnej
A czym są substancje płynne? Ich główną cechą jest to, że zajmując pozycję pośrednią między kryształami i gazami, łączą pewne właściwości tych dwóch stanów. Na przykład w przypadku cieczy, a także ciał stałych (krystalicznych) charakterystyczna jest obecność objętości. Jednocześnie jednak substancje płynne, takie jak gazy, przybierają kształt naczynia, w którym się znajdują. Wielu z nas uważa, że nie mają własnej formy. Jednak tak nie jest. Naturalna forma każdej cieczy -piłka. Grawitacja zwykle uniemożliwia mu przybranie takiego kształtu, więc ciecz albo przyjmuje kształt naczynia, albo cienko rozprowadza się po powierzchni.
Pod względem właściwości stan ciekły substancji jest szczególnie złożony ze względu na jej pośrednią pozycję. Zaczęto go badać od czasów Archimedesa (2200 lat temu). Jednak analiza zachowania molekuł substancji płynnej jest nadal jednym z najtrudniejszych obszarów nauk stosowanych. Wciąż nie ma ogólnie przyjętej i całkowicie kompletnej teorii cieczy. Możemy jednak z całą pewnością powiedzieć coś o ich zachowaniu.
Zachowanie cząsteczek w cieczy
Płyn to coś, co może płynąć. Porządek bliskiego zasięgu obserwuje się w układzie jego cząstek. Oznacza to, że położenie najbliższych sąsiadów względem dowolnej cząstki jest uporządkowane. Jednak w miarę oddalania się od innych jej pozycja w stosunku do nich staje się coraz mniej uporządkowana, a następnie porządek całkowicie zanika. Substancje płynne składają się z cząsteczek, które poruszają się znacznie swobodniej niż w ciałach stałych (a jeszcze swobodniej w gazach). Przez pewien czas każdy z nich pędzi najpierw w jedną stronę, potem w drugą, nie oddalając się od sąsiadów. Jednak od czasu do czasu cząsteczka cieczy wyłamuje się z otoczenia. Dostaje się w nowe miejsce, przenosząc się w inne miejsce. Tutaj znowu, przez pewien czas, wykonuje ruchy przypominające chwianie.
Y. I. Frenkel Wkład w badania płynów
I. I. Frenkel, sowiecki naukowiec, ma wielkie zasługi w opracowaniu wieluproblemy na taki temat jak substancje płynne. Dzięki jego odkryciom chemia znacznie się rozwinęła. Uważał, że ruch termiczny w cieczach ma następujący charakter. Przez pewien czas każda cząsteczka oscyluje wokół pozycji równowagi. Jednak od czasu do czasu zmienia swoje miejsce, przenosząc się gwałtownie do nowej pozycji, która jest oddzielona od poprzedniej odległością w przybliżeniu wielkości samej tej cząsteczki. Innymi słowy, wewnątrz cieczy cząsteczki poruszają się, ale powoli. Czasami przebywają w pobliżu pewnych miejsc. W konsekwencji ich ruch jest czymś w rodzaju mieszanki ruchów gazu i ciała stałego. Wahania w jednym miejscu po pewnym czasie są zastępowane przez swobodne przejście z miejsca na miejsce.
Ciśnienie w cieczy
Niektóre właściwości płynnej materii są nam znane dzięki ciągłej interakcji z nimi. Tak więc z doświadczenia codziennego życia wiemy, że działa on na powierzchnię stykających się z nim ciał stałych z określonymi siłami. Nazywane są siłami ciśnienia płynu.
Na przykład, otwierając kran z wodą palcem i odkręcając wodę, czujemy, jak naciska na palec. A pływak, który zanurkował na duże głębokości, nie odczuwa przypadkowo bólu w uszach. Tłumaczy się to tym, że na błonę bębenkową działają siły nacisku. Woda jest substancją płynną, więc posiada wszystkie swoje właściwości. Do pomiaru temperatury wody na głębokości morza, bardzo silnytermometry, aby nie mogły zostać zmiażdżone przez ciśnienie płynu.
To ciśnienie jest spowodowane kompresją, to znaczy zmianą objętości cieczy. Ma elastyczność w stosunku do tej zmiany. Siły nacisku to siły sprężystości. Dlatego też, jeśli płyn działa na ciała, które się z nim stykają, to jest ściskany. Ponieważ gęstość substancji wzrasta podczas ściskania, możemy założyć, że ciecze mają elastyczność w zależności od zmiany gęstości.
Parowanie
Kontynuując rozważanie właściwości substancji płynnej, przechodzimy do parowania. W pobliżu jej powierzchni, jak również bezpośrednio w warstwie powierzchniowej działają siły, które zapewniają samo istnienie tej warstwy. Nie pozwalają zawartym w nim cząsteczkom opuścić objętość cieczy. Jednak ze względu na ruch termiczny niektóre z nich rozwijają dość duże prędkości, za pomocą których możliwe jest pokonanie tych sił i opuszczenie cieczy. Zjawisko to nazywamy parowaniem. Można to zaobserwować przy każdej temperaturze powietrza, jednak wraz z jej wzrostem intensywność parowania wzrasta.
Kondensacja
Jeżeli cząsteczki, które opuściły ciecz, zostaną usunięte z przestrzeni w pobliżu jej powierzchni, wtedy całość w końcu wyparuje. Jeśli cząsteczki, które go opuściły, nie zostaną usunięte, tworzą parę. Cząsteczki pary, które wpadły w obszar w pobliżu powierzchni cieczy, są w nią wciągane przez siły przyciągania. Proces ten nazywa się kondensacją.
Stąd,jeśli cząsteczki nie zostaną usunięte, szybkość parowania zmniejsza się z czasem. W przypadku dalszego wzrostu gęstości pary dochodzi do sytuacji, w której liczba cząsteczek opuszczających ciecz w określonym czasie będzie równa liczbie cząsteczek powracających do niej w tym samym czasie. Stwarza to stan dynamicznej równowagi. Para w nim nazywana jest nasyconą. Jego ciśnienie i gęstość wzrastają wraz ze wzrostem temperatury. Im jest ona wyższa, tym większa liczba cząsteczek cieczy ma wystarczającą energię do parowania i tym większa musi być gęstość pary, aby kondensacja była równa parowania.
Wrzenie
Kiedy w procesie podgrzewania substancji płynnych osiągana jest temperatura, w której pary nasycone mają takie samo ciśnienie jak środowisko zewnętrzne, ustala się równowaga między parą nasyconą a cieczą. Jeśli ciecz przekazuje dodatkową ilość ciepła, odpowiednia masa cieczy jest natychmiast przekształcana w parę. Ten proces nazywa się gotowaniem.
Wrzenie to intensywne parowanie cieczy. Występuje nie tylko z powierzchni, ale dotyczy całej jej objętości. Wewnątrz cieczy pojawiają się pęcherzyki pary. Aby z cieczy przejść w parę, cząsteczki muszą pozyskać energię. Konieczne jest pokonanie sił przyciągania, które utrzymują je w cieczy.
Punkt wrzenia
Temperatura wrzenia to ta, w którejistnieje równość dwóch ciśnień - par zewnętrznych i nasyconych. Zwiększa się wraz ze wzrostem ciśnienia i maleje wraz ze spadkiem ciśnienia. Ze względu na to, że ciśnienie w cieczy zmienia się wraz z wysokością kolumny, wrzenie w niej następuje na różnych poziomach w różnych temperaturach. Tylko para nasycona, która znajduje się nad powierzchnią cieczy podczas procesu wrzenia, ma określoną temperaturę. Decyduje o tym tylko ciśnienie zewnętrzne. To właśnie mamy na myśli, kiedy mówimy o temperaturze wrzenia. Różni się dla różnych cieczy, co jest szeroko stosowane w inżynierii, w szczególności przy destylacji produktów naftowych.
Utajone ciepło parowania to ilość ciepła wymagana do przekształcenia izotermicznie określonej ilości cieczy w parę, jeśli ciśnienie zewnętrzne jest takie samo jak ciśnienie pary nasyconej.
Właściwości płynnych filmów
Wszyscy wiemy, jak uzyskać pianę rozpuszczając mydło w wodzie. To nic innego jak mnóstwo bąbelków, które ogranicza najcieńszy film składający się z płynu. Jednak z cieczy spieniającej można również otrzymać oddzielną błonę. Jego właściwości są bardzo interesujące. Folie te mogą być bardzo cienkie: ich grubość w najcieńszych częściach nie przekracza setnych tysięcznych milimetra. Mimo to czasami są one bardzo stabilne. Folia mydlana może ulegać deformacji i rozciąganiu, strumień wody może przez nią przechodzić, nie niszcząc jej. Jak wytłumaczyć taką stabilność? Aby pojawił się film, konieczne jest dodanie substancji, które w nim rozpuszczają się do czystej cieczy. Ale nie żadne, ale takie,które znacznie obniżają napięcie powierzchniowe.
Płynne filmy w naturze i technologii
W technologii i naturze spotykamy się głównie nie z pojedynczymi foliami, ale z pianką, która jest ich połączeniem. Często można go zaobserwować w strumieniach, gdzie małe strumienie wpadają do spokojnej wody. Zdolność wody do pienienia się w tym przypadku wiąże się z obecnością w niej materii organicznej, która jest wydzielana przez korzenie roślin. To przykład jak pienią się naturalne substancje płynne. Ale co z technologią? Na przykład podczas budowy wykorzystywane są specjalne materiały, które mają strukturę komórkową przypominającą piankę. Są lekkie, tanie, wystarczająco mocne, słabo przewodzą dźwięk i ciepło. Aby je uzyskać, do specjalnych roztworów dodawane są środki spieniające.
Wniosek
Więc dowiedzieliśmy się, jakie substancje są ciekłe, odkryliśmy, że ciecz jest stanem pośrednim materii między gazem a ciałem stałym. W związku z tym posiada właściwości charakterystyczne dla obu. Ciekłe kryształy, które są dziś szeroko stosowane w technologii i przemyśle (na przykład wyświetlacze ciekłokrystaliczne) są doskonałym przykładem tego stanu materii. Łączą właściwości ciał stałych i cieczy. Trudno sobie wyobrazić, jakie substancje płynne wymyśli nauka w przyszłości. Jest jednak jasne, że w tym stanie materii tkwi ogromny potencjał, który można wykorzystać dla dobra ludzkości.
Szczególne zainteresowanie uwzględnianiem zachodzących procesów fizycznych i chemicznychw stanie płynnym, ze względu na fakt, że sam człowiek składa się w 90% z wody, która jest najczęstszą cieczą na Ziemi. To w nim zachodzą wszystkie procesy życiowe zarówno w świecie roślin, jak i zwierząt. Dlatego ważne jest, abyśmy wszyscy badali ciekły stan materii.
