Struktura tekućine i plina. Open Library - otvorena knjižnica obrazovnih informacija Molekularna struktura tekućine

U tekućem stanju

Plinovito stanje

Hipoteza kontinuiteta.

Mehanička sekcija, hidromehanika.

hidraulika.

Proučavaju hidrauliku

Arhimedov zakon.

Arhimedov zakon formuliran je na sljedeći način: na tijelo uronjeno u tekućinu (ili plin) djeluje uzgonska sila jednaka težini tekućine (ili plina) u volumenu tijela. Sila se zove snagom Arhimeda:

gdje je gustoća tekućine (plina), je akceleracija slobodnog pada, a je volumen potopljenog tijela (ili dijela volumena tijela koji se nalazi ispod površine). Ako tijelo pluta na površini (jednoliko se giba gore ili dolje), tada je sila uzgona (koja se naziva i Arhimedova sila) jednaka po veličini (a suprotnog smjera) sili teže koja djeluje na volumen tekućine (plina) pomaknuto tijelom, a primjenjuje se na težište ovog volumena.

Prema tome, prema Eulerovoj metodi, tok kao cjelina u određenom trenutku vremena ispada da je predstavljen vektorskim poljem brzine vezanim uz fiksne točke u prostoru. Općenito, brzina će biti funkcija koordinata i vremena.

u = f (x, y, z, t) (1)

Za uvođenje pojma brzine u hidraulici, kretanje čestica se uzima u obzir samo tijekom beskonačno malog vremenskog razdoblja. Ako uzmemo točku 1 u fluidu koji se kreće, tada će vektor brzine biti u 1.

Odaberemo li točku 2 u smjeru ovog vektora, tada će tamo već biti vektor brzine u2. Slično možemo dobiti vektore brzine u3, u4, itd.

Skup ovih vektora je izlomljena linija, koja se, kada se udaljenost između točaka smanji na infinitezimalne vrijednosti, pretvara u krivulju, tzv. strujnicu.

Sile unutar tekućine

Ogromne sile. Na drugi način, te se sile nazivaju silama raspoređenim po masi: za svaku česticu s masom M= W sila djeluje F, ovisno o njegovoj masi.

Površinske sile. To su sile koje djeluju na elementarnu površinu w, koji se može nalaziti i na površini i unutar tekućine; na površini proizvoljno uvučenoj unutar tekućine.

To se smatraju silama: sile pritiska koje čine normalu na površinu; sile trenja koje su tangencijalne na površinu.

U tekućini koja miruje moguća je samo jedna vrsta naprezanja– tlačno naprezanje, tj. hidrostatski tlak.
Hidrostatski tlak u tekućini ima sljedeća dva svojstva:

1. Na vanjskoj površini hidrostatski tlak uvijek je usmjeren normalno, u volumen tekućine koja se razmatra.
   Ovo svojstvo izravno proizlazi iz definicije tlaka kao naprezanja od normalne tlačne sile. Vanjska površina tekućine ne shvaća se samo kao sučelje između tekućine i plinovitog medija ili čvrstih stijenki, već i kao površina elementarnih volumena mentalno izoliranih od ukupnog volumena tekućine.
2. U bilo kojoj točki unutar tekućine, hidrostatski tlak je isti u svim smjerovima, tj. tlak ne ovisi o kutu nagiba platforme na koju djeluje u danoj točki. Da bismo dokazali ovo svojstvo, odaberimo elementarni volumen u stacionarnoj tekućini u obliku pravokutnog tetraedra s bridovima paralelnim s koordinatnim osima i odgovarajućim jednakim dx, dy i dz (slika 2.1).

Vrste pritiska

Apsolutni - vrijednost izmjerena u odnosu na tlak jednak apsolutnoj nuli.

Prekomjeran je iznos za koji je izmjereni tlak veći od barometarskog

Vakuumska metrika je iznos za koji je izmjereni tlak manji od barometarskog

Atmosferski (barometarski)

9. Ravnoteža fluida pod utjecajem sile teže. Raspodjela tlaka po dubini.

10. Mjerenje tlaka visinom stupca tekućine. Instrumenti za mjerenje tlaka.

Klasifikacija cjevovoda

Ovisno o vrsti brtve i/ili prijelaza (vrsti nosača)

• tlo - položeno iznad razine tla na zasebnim nosačima;
• iznad zemlje;
• lučni;
• vješanje;
• greda;
• podzemno - položeno izravno na tlo u rovove, jarke, nasipe, kanale, na nosače u tunelima i sifonima;
• podvodno - položeno duž dna rezervoara, rijeka ili u rovovima iskopanim na dnu;
• plutajuće - postavljene na površinu močvara, kao i jezera, rijeke i druge akumulacije s pričvršćenjima na plovke (obično plastične).

Ovisno o transportiranom mediju

Cjevovod na slanom akvaduktu u Austriji. Akvadukt je sagrađen krajem 18. stoljeća

• Cjevovod za amonijak - namijenjen za transport amonijaka. Glavni izvozni cjevovod za amonijak Tolyatti-Odessa radi u Rusiji i Ukrajini.
• Opskrba vodom - dizajnirana za opskrbu vodom stanovništva, industrijskih poduzeća i prometa. Ovisno o vrsti potrošnje za kućne i industrijske potrebe, vodoopskrbni cjevovodi razlikuju se po organoleptičkim svojstvima i prikladnosti za piće: kućanstvo i piće, industrijsko, vatrogasno, navodnjavanje.
• Zračni kanal - često se stvara unutar industrijskog poduzeća za opskrbu proizvodnje komprimiranim zrakom [ izvor nije naveden 1629 dana] .
• Plinovod - namijenjen za transport prateće nafte, prirodnog i umjetnog plina. Strateški plinovodi namijenjeni su transportu velikih količina plina na velike udaljenosti - za izvoz poduzećima koja se bave sintezom plina [ izvor nije naveden 1629 dana] .
• Naftovod – namijenjen transportu sirove nafte. U ovom slučaju ulje se zagrijava, što sprječava stvrdnjavanje njegovih parafina [ izvor nije naveden 1629 dana] .
• Naftovod - dizajniran za transport naftnih proizvoda, uključujući benzin i kerozin, dobivenih kao rezultat pucanja. Provodi se poduzećima namijenjenim za proizvodnju naftnih derivata više prerade. Takvi se cjevovodi najčešće koriste unutar istog poduzeća. Za prijevoz naftnih derivata na velike udaljenosti koriste se posebni cestovni ili željeznički spremnici.
• Uljovod je cjevovod kojim se transportiraju teški naftni derivati ​​i otpad od krekiranja. Takvi se proizvodi mogu koristiti kao lož ulje, kao i za preradu u dizelsko gorivo ili čak za daljnje odvajanje lakih ugljikovodika [ izvor nije naveden 1629 dana] .
• Parovod je procesni cjevovod dizajniran za prijenos pare pod tlakom koja se koristi za grijanje ili rad mehanizama trećih strana [ izvor nije naveden 1629 dana] .
• Cjevovod kondenzata je procesni cjevovod dizajniran za prikupljanje kondenzata [ izvor nije naveden 321 dan] .
• Produktovod je, u općem smislu, cjevovod dizajniran za transport umjetno sintetiziranih tvari (uključujući one gore navedene), najčešće proizvoda sinteze nafte. U određenom slučaju, to može značiti sustav dizajniran za isporuku kroz cijevi bilo kojih prikladnih objekata [ izvor nije naveden 1629 dana] .
• Masovni cjevovod - dizajniran za transport hidrotreseta u rudnicima treseta, raznih rasutih materijala u skladištima i industrijskim poduzećima, za uklanjanje pepela u termoelektranama itd.
• Cjevovod za etilen je infrastruktura namijenjena transportu specifične sintetizirane industrijske sirovine - etilena - kroz cijevi [ izvor nije naveden 1629 dana] .
• Toplinski cjevovod (vidi toplinsku mrežu) - dizajniran za prijenos rashladne tekućine (vode, vodene pare) iz izvora toplinske energije u stambene zgrade, javne zgrade i industrijska poduzeća. Prema položaju u odnosu na zgrade i građevine, dijele se na vanjske i unutarnje. Ovisno o duljini, promjeru i količini prenesene energije, dijele se na: glavne (od izvora energije do mikro četvrti ili poduzeća), distribucijske (od magistralnih do cjevovoda koji idu do pojedinačnih zgrada), grane (od distribucijskih cjevovoda do priključnih točaka). lokalnih potrošača topline).

Ovisno o namjeni

• Glavni cjevovodi - cjevovodi i grane od njih promjera do 1420 mm (uključujući); jedinstveni proizvodno-tehnološki kompleks, uključujući zgrade, strukture, njegov linearni dio, uključujući objekte koji se koriste za osiguranje prijevoza, skladištenja i (ili) pretovara tekućih ili plinovitih ugljikovodika u cestovni, željeznički i vodeni promet, mjerenje tekućine (nafta, naftni proizvodi , ukapljeni ugljikovodični plinovi, plinski kondenzat, široka frakcija lakih ugljikovodika, njihove smjese) ili plinoviti (plinoviti) ugljikovodici koji udovoljavaju zakonskim zahtjevima.
• Cjevovodi posebne namjene - sifoni i tuneli za polaganje cjevovoda, toplinskih mreža, električnih kabela itd. unutar njih (prilikom prelaska raznih prepreka); Ovo također uključuje razne samonosive i zatvarajuće funkcije i druge posebne cjevovode.

• Pneumatska pošta je korištenje zraka pod pritiskom za pomicanje fizičkih objekata kroz cijevi – najčešće standardiziranih kapsula s objektima male mase i volumena. Koristi se unutar jedne ili blizu zgrade, koristi mehaničke metode usmjeravanja [ izvor nije naveden 1629 dana] .
• Kanalizacija - dizajnirana za odvodnju zagađene industrijske i kućne otpadne vode kroz sustav cjevovoda uz čišćenje i neutralizaciju prije odlaganja ili ispuštanja u rezervoar. Prema namjeni kanalizacijski sustavi se dijele na: kućne, industrijske, odvodne; po položaju: unutarnji i vanjski; prema vrsti: tlačni (ispuštanje pod pritiskom) i netlačni (ispuštanje gravitacijom).
• Oluk (odvodnja)
• Otvor za vodu

26. Sustav jednadžbi i problemi hidrauličkog proračuna cjevovoda

Građa i značajke tekućeg i plinovitog stanja. Hipoteza kontinuiteta. Predmet i metode hidraulike.

U tekućem stanju tvar zadržava volumen, ali ne zadržava oblik. To znači da tekućina može zauzimati samo dio volumena posude, ali može i slobodno teći po cijeloj površini posude. Tekuće stanje se obično smatra srednjim između krutine i plina. Oblik tekućih tijela može se u cijelosti ili djelomično odrediti činjenicom da se njihova površina ponaša kao elastična membrana. Dakle, voda se može skupljati u kapljicama. Ali tekućina je sposobna teći i ispod svoje nepokretne površine, a to također znači da forma (unutarnji dijelovi tekućeg tijela) nije sačuvana. Molekule tekućine nemaju određeni položaj, ali u isto vrijeme nemaju potpunu slobodu kretanja. Među njima postoji privlačnost, dovoljno jaka da ih drži blizu. Tvar u tekućem stanju postoji u određenom temperaturnom području ispod kojeg prelazi u čvrsto stanje (dolazi do kristalizacije ili prelaska u čvrsto amorfno stanje – staklo), iznad kojeg prelazi u plinovito stanje (dolazi do isparavanja). Granice ovog intervala ovise o tlaku. U pravilu tvar u tekućem stanju ima samo jednu modifikaciju. (Najvažnija iznimka su kvantne tekućine i tekući kristali.) Stoga u većini slučajeva tekućina nije samo agregatno stanje, već i termodinamička faza (tekuća faza). Sve tekućine obično se dijele na čiste tekućine i smjese. Neke mješavine tekućina su od velike važnosti za život: krv, morska voda itd. Tekućine mogu djelovati kao otapala. Poput plina, tekućine su također uglavnom izotropne. Međutim, postoje tekućine s anizotropnim svojstvima - tekući kristali. Osim izotropne, tzv. normalne faze, te tvari, mezogeni, imaju jednu ili više uređenih termodinamičkih faza, koje se nazivaju mezofaze. Sastavljanje u mezofaze događa se zbog posebnog oblika molekula tekućeg kristala. Obično su to dugačke, uske molekule koje imaju koristi od toga što su složene tako da im se osi podudaraju.

Plinovito stanje karakteriziran time što ne zadržava ni oblik ni volumen. Plin ispunjava sav raspoloživi prostor i prodire u sve kutke i pukotine. Ovo je stanje karakteristično za tvari niske gustoće. Prijelaz iz tekućeg u plinovito stanje naziva se isparavanje, a suprotan prijelaz iz plinovitog u tekuće stanje naziva se kondenzacija. Prijelaz iz krutog u plinovito stanje, zaobilazeći tekuće stanje, naziva se sublimacija ili sublimacija. S mikroskopske točke gledišta, plin je stanje tvari u kojem njegove pojedinačne molekule međusobno slabo djeluju i kaotično se kreću. Interakcija među njima svodi se na sporadične sukobe. Kinetička energija molekula premašuje potencijalnu energiju. Poput tekućina, plinovi imaju fluidnost i otporni su na deformacije. Za razliku od tekućina, plinovi nemaju fiksni volumen i ne formiraju slobodnu površinu, već nastoje ispuniti cijeli raspoloživi volumen (primjerice posude). Kemijska svojstva plinova i njihovih smjesa vrlo su raznolika - od slabo aktivnih inertnih plinova do eksplozivnih plinskih smjesa. Koncept "plina" ponekad se proširuje ne samo na agregate atoma i molekula, već i na agregate drugih čestica - fotona, elektrona, Brownovih čestica, kao i na plazmu. Neke tvari nemaju plinovito stanje. To su tvari složene kemijske strukture, koje se pri porastu temperature kemijskim reakcijama raspadaju prije nego što postanu plin. Ne postoje različite plinovite termodinamičke faze iste tvari. Plinovi su karakterizirani izotropijom, odnosno njihova su svojstva neovisna o smjeru. U zemaljskim uvjetima poznatim ljudima, plin ima istu gustoću u bilo kojoj točki, ali to nije univerzalni zakon u vanjskim poljima, na primjer, u gravitacijskom polju Zemlje ili u uvjetima različitih temperatura, gustoća plina može mijenjati od točke do točke. Plinovito stanje tvari u uvjetima u kojima je moguće postojanje stabilne tekuće ili krute faze iste tvari obično se naziva para.

Hipoteza kontinuiteta. Tekućina se smatra deformabilnim sustavom materijalnih čestica koje neprekidno ispunjavaju prostor u kojem se ona kreće.

Tekuća čestica je infinitezimalni volumen koji sadrži dosta molekula tekućine. Na primjer, ako uzmemo u obzir kocku vode sa stranicama od 0,001 cm, tada će volumen sadržavati 3,3-10 13 molekula. Pretpostavlja se da je čestica tekućine prilično mala u usporedbi s veličinom područja koje zauzima tekućina koja se kreće.

Pod ovom pretpostavkom, tekućina kao cjelina se promatra kao kontinuum - kontinuirani medij koji kontinuirano ispunjava prostor, tj. pretpostavlja se da u tekućini nema praznina ili diskontinuiteta; sve karakteristike tekućine su kontinuirane funkcije koje imaju kontinuirane parcijalne derivacije u odnosu na sve svoje argumente. Kontinuirani medij je model koji se uspješno koristi u proučavanju zakona mirovanja i gibanja fluida.

Valjanost korištenja modela fluid-kontinuum potvrđena je cjelokupnom hidrauličkom praksom.

Mehanička sekcija, u kojem se proučava ravnoteža i gibanje fluida, kao i međudjelovanje sila između fluida i tijela koja ga okružuju ili površina koje ga ograničavaju, naziva se hidromehanika.

Primijenjeni dio mehanike fluida, koji karakterizira određeni niz tehničkih pitanja, problema i metoda za njihovo rješavanje, naziva se hidraulika. Hidraulika se obično definira kao znanost o zakonima ravnoteže i kretanja tekućina te o metodama primjene tih zakona za rješavanje praktičnih problema.

Hidraulika se uglavnom bavi strujanjem fluida ograničenim i usmjerenim čvrstim stijenkama, odnosno unutarnjim strujanjem, za razliku od aerohidromehanike, koja proučava vanjsko strujanje čvrstog medija oko tijela.

Proučavaju hidrauliku kretanja uglavnom kapljičnih tekućina, dok se u velikoj većini slučajeva smatraju nestlačivim. Unutarnja strujanja plina spadaju u područje hidraulike samo u onim slučajevima kada su im brzine strujanja znatno manje od brzine zvuka pa se stoga može zanemariti stlačivost plina. To je, na primjer, protok zraka u ventilacijskim sustavima. U nastavku ćemo pod pojmom “tekućina” podrazumijevati kapljicu tekućine, kao i plin, kada se može smatrati nestlačivim.

Metoda koja se koristi u modernoj hidraulici pri proučavanju kretanja, je kako slijedi. Izrađuje se fizički model procesa, utvrđuju se njegova kvalitativna svojstva i determinirajući čimbenici. Na temelju fizičkog modela i točnosti potrebne za praksu, formulira se matematički model. Oni fenomeni koji se ne mogu teorijski analizirati proučavaju se eksperimentalno, a rezultati se prikazuju u obliku empirijskih odnosa. Matematički model formaliziran je u obliku algoritama i programa za dobivanje rješenja korištenjem računalne tehnologije. Dobivena rješenja se analiziraju, uspoređuju s dostupnim eksperimentalnim podacima i dorađuju prilagodbom matematičkog modela i metode rješavanja.

Molekularno kinetička teorija omogućuje razumijevanje zašto tvar može postojati u plinovitom, tekućem i krutom stanju.

Plin. U plinovima je udaljenost između atoma ili molekula u prosjeku višestruko veća od veličine samih molekula (slika 10). Na primjer, pri atmosferskom tlaku volumen posude je nekoliko desetaka tisuća puta veći od volumena molekula plina u posudi.

Plinovi se lako komprimiraju, budući da se kod komprimiranja plina smanjuje samo prosječna udaljenost između molekula, ali se molekule ne "stiskuju" jedna drugu (slika 11).


Molekule se u svemiru kreću golemim brzinama — stotinama metara u sekundi. Kad se sudare, odbijaju se jedna od druge u različitim smjerovima poput kugli za bilijar.
Slabe privlačne sile molekula plina ne mogu ih zadržati jedne blizu drugih. Stoga se plinovi mogu neograničeno širiti. Ne zadržavaju ni oblik ni volumen.
Brojni udari molekula o stijenke posude stvaraju tlak plina.

Tekućine. U tekućinama su molekule smještene gotovo blizu jedna drugoj (slika 12). Stoga se molekula drugačije ponaša u tekućini nego u plinu. Stegnuta, kao u kavezu, drugim molekulama, ona "trči na mjestu" (oscilira oko ravnotežnog položaja, sudarajući se sa susjednim molekulama). Samo s vremena na vrijeme napravi "skok", probivši se kroz "rešetke kaveza", ali se odmah nađe u novom "kavezu" koji formiraju novi susjedi. Vrijeme "stabilnog života" molekule vode, tj. vrijeme osciliranja oko jednog određenog ravnotežnog položaja, na sobnoj temperaturi je prosječno 10-11 s. Vrijeme jednog titraja je mnogo manje (10–12–10–13 s). S povećanjem temperature, vrijeme "stabilnog života" molekula se smanjuje. Priroda molekularnog gibanja u tekućinama, koju je prvi ustanovio sovjetski fizičar Ya I. Frenkel, omogućuje nam razumijevanje osnovnih svojstava tekućina.

Frenkel Yakov Ilyich (1894. - 1952.) je izvanredan sovjetski teorijski fizičar koji je dao značajan doprinos raznim područjima fizike. Ya. I. Frenkel je autor moderne teorije tekućeg stanja tvari. Postavio je temelje teorije feromagnetizma. Radovi Ya. I. Frenkela o atmosferskom elektricitetu i podrijetlu Zemljinog magnetskog polja nadaleko su poznati. Prvu kvantitativnu teoriju fisije jezgri urana stvorio je Ya. I. Frenkel.

Molekule tekućine nalaze se neposredno jedna do druge. Stoga, kada pokušate promijeniti volumen tekućine čak i za malu količinu, počinje deformacija samih molekula (slika 13). A to zahtijeva vrlo veliku snagu. To objašnjava nisku stlačivost tekućina.

Tekućine su, kao što je poznato, tekuće, odnosno ne zadržavaju svoj oblik. Ovo je objašnjeno na sljedeći način. Ako tekućina ne teče, tada dolazi do skokova molekula iz jednog "sjedećeg" položaja u drugi s istom učestalošću u svim smjerovima (slika 12). Vanjska sila ne mijenja zamjetno broj molekularnih skokova u sekundi, ali se skokovi molekula iz jednog u drugi “sjedeći” položaj odvijaju pretežno u smjeru vanjske sile (slika 14). Zbog toga tekućina teče i poprima oblik posude.
Krutine. Atomi ili molekule krutina, za razliku od tekućina, titraju oko određenih ravnotežnih položaja. Istina, ponekad molekule promijene svoj ravnotežni položaj, ali to se događa izuzetno rijetko. Zbog toga čvrsta tijela zadržavaju ne samo volumen, već i oblik.


Postoji još jedna važna razlika između tekućina i krutina. Tekućina se može usporediti s gomilom čiji se pojedini članovi nemirno guraju u mjestu, a čvrsto tijelo je poput vitke kohorte čiji se članovi, iako ne stoje mirno (zbog toplinskog kretanja), održavaju na prosječne određene intervale između sebe. Spojimo li središta ravnotežnih položaja atoma ili iona čvrstog tijela, dobivamo pravilnu prostornu rešetku tzv. kristalan. Slike 15 i 16 prikazuju kristalne rešetke kuhinjske soli i dijamanta. Unutarnji red u rasporedu atoma u kristalima dovodi do geometrijski pravilnih vanjskih oblika. Slika 17 prikazuje jakutske dijamante.

Kvalitativno objašnjenje osnovnih svojstava tvari na temelju molekularne kinetičke teorije, kao što ste vidjeli, nije osobito teško. Međutim, teorija koja uspostavlja kvantitativne odnose između eksperimentalno izmjerenih veličina (tlak, temperatura itd.) i svojstava samih molekula, njihovog broja i brzine kretanja, vrlo je složena. Ograničit ćemo se na razmatranje teorije plinova.

1. Dokazati dokaze o postojanju toplinskog gibanja molekula. 2. Zašto je Brownovo gibanje vidljivo samo za čestice male mase? 3. Kakva je priroda molekularnih sila? 4. Kako sile međudjelovanja među molekulama ovise o međusobnoj udaljenosti? 5. Zašto se dvije olovne šipke s glatkim, čistim rezovima zalijepe zajedno kada se pritisnu? 6. Koja je razlika između toplinskog gibanja molekula plinova, tekućina i krutina?

Tekućine i plinovi. Hipoteza kontinuiteta.

Osnovna fizikalna svojstva tekućina i plinova.

PREDAVANJE 3

Predmet proučavanja mehanike fluida i plinova je fizičko tijelo u kojem se relativni položaj njegovih elemenata značajno mijenja djelovanjem dovoljno malih sila odgovarajućeg smjera. Drugim riječima, glavno svojstvo tekućeg tijela (ili jednostavno tekućine) je fluidnost. I kapljične tekućine (same tekućine, kao što su npr. voda, benzin, tehnička ulja) i plinovi (zrak, dušik, vodik, ugljikov dioksid) imaju svojstvo fluidnosti. Značajna razlika u ponašanju tekućina i plinova, objašnjena s gledišta molekularne strukture, bit će određena prisutnošću slobodne površine kapljice tekućine koja graniči s plinom, prisutnošću površinske napetosti, mogućnošću faze prijelaz, itd.

Sva materijalna tijela, bez obzira na njihovo agregatno stanje: čvrsto, tekuće ili plinovito, imaju unutarnju molekularnu (atomsku) strukturu s karakterističnom unutarnjom toplinskom, mikroskopski kretanje molekula. Uzimajući u obzir ovisnost kvantitativnog odnosa između kinetičke energije molekularnog gibanja i potencijalne energije međumolekularnog međudjelovanja sila, nastaju različite molekulske strukture i vrste unutarnjeg molekularnog gibanja.

U čvrste tvari je od primarne važnosti energija molekularne interakcije molekule, uslijed čega se pod utjecajem kohezijskih sila molekule raspoređuju u pravilne kristalne rešetke sa stabilnim ravnotežnim položajima u čvorovima te rešetke. Toplinska gibanja u čvrstom tijelu su vibracije molekula u odnosu na čvorove rešetke s frekvencijom reda veličine 10 12 Hz i amplitudom proporcionalnom udaljenosti između čvorova rešetke.

Za razliku od čvrstog tijela, u plinovi između molekula nema adhezijskih sila. Molekule plina izvode nasumična kretanja, a njihova interakcija svodi se samo na sudare. U intervalima između sudara može se zanemariti međudjelovanje među molekulama, što odgovara malenosti potencijalne energije međudjelovanja sila molekula u usporedbi s kinetičkom energijom njihova kaotičnog gibanja. Prosječna udaljenost između dva uzastopna sudara molekula određuje duljina slobodnog puta. Prosječna brzina toplinskog gibanja molekula usporediva je s brzinom širenja malih poremećaja (brzina zvuka) u danom stanju plina.

Tekuća tijela po svojoj molekularnoj građi i toplinskom kretanju molekula zauzimaju srednje stanje između čvrstih i plinovitih tijela. Prema postojećim stajalištima oko nekih, središnji, molekule su grupirane po susjednim molekulama, izvodeći male vibracije s frekvencijom bliskom frekvenciji vibracija molekula u rešetki čvrstog tijela i amplitudom reda prosječne udaljenosti između molekula. Središnja molekula ili (kada tekućina miruje) ostaje nepomična ili migrira brzinom koja se po vrijednosti i smjeru podudara s prosječnom brzinom makroskopskog kretanja tekućine. U tekućini, potencijalna energija međudjelovanja molekula usporedivi po redu s kinetičkom energijom njihovog toplinskog gibanja. Dokaz prisutnosti vibracija molekula u tekućinama je “Brownovo gibanje” najmanjih krutih čestica unesenih u tekućinu. Vibracije ovih čestica lako se promatraju u polju mikroskopa i mogu se smatrati rezultatom sudara čvrstih čestica s molekulama tekućine. Prisutnost intermolekularne interakcije u tekućinama određuje postojanje površinske napetosti tekućine na njezinoj granici s bilo kojim drugim medijem, što je prisiljava da poprimi oblik u kojem je njezina površina minimalna. Mali volumeni tekućine obično imaju oblik kuglaste kapi. Zbog toga se tekućine u hidraulici nazivaju kapati.

Treba napomenuti da granica između čvrstih i tekućih tijela nije uvijek jasno određena. Dakle, kada se velike sile primjenjuju na kapljicu tekućine (na primjer, tekući tok), s kratkim vremenom interakcije, potonji dobiva svojstva bliska svojstvima krhke čvrste tvari. Mlaz tekućine pri visokim tlakovima ispred rupe ima svojstva bliska čvrstom tijelu. Tako pri tlakovima većim od 10 8 Pa vodeni mlaz reže čeličnu ploču; pri tlaku od oko 5·10 7 Pa reže granit, pri tlaku od 1,5·10 7 - 2·10 7 Pa razara ugljen. Tlak (1,5 – 2) 10 6 Pa dovoljan je za uništavanje različitih tla.

Pod određenim uvjetima, možda i ne postoji granica između tekućih i plinovitih tijela. Plinovi ispunjavaju cijeli volumen koji im je dostavljen; njihova gustoća može varirati ovisno o primijenjenim silama. Tekućine, ispunjavajući posudu s volumenom većim od volumena tekućine, tvore slobodnu površinu - granicu između tekućine i plina. U normalnim uvjetima volumen tekućine malo ovisi o silama koje na nju djeluju. U blizini kritičnog stanja, razlika između tekućine i plina postaje jedva primjetna. Nedavno se pojavio koncept fluidnog stanja, kada su čestice tekućine dimenzija nekoliko nanometara sasvim ravnomjerno pomiješane sa svojom parom. U ovom slučaju nema vizualne razlike između tekućine i pare.

Para se od plina razlikuje po tome što je tijekom kretanja blizu stanja zasićenja. Zbog toga se pod određenim uvjetima može djelomično kondenzirati i formirati dvofazni medij. Kod brzog širenja proces kondenzacije je odgođen, a zatim, kada se postigne određeno prehlađenje, događa se poput lavine. U tom se slučaju zakoni strujanja pare mogu značajno razlikovati od zakona strujanja tekućine i plina.

Svojstva krutina, tekućina i plinova određena su njihovim različitim molekularnim strukturama . Istovremeno, glavna hipoteza mehanike fluida i plinova je hipoteza kontinuiranog medija, prema kojoj je tekućina predstavljena kao kontinuirano raspoređena tvar (kontinuum), koja ispunjava prostor bez šupljina.

Zbog slabih veza između molekula tekućina i plinova (zbog čega su fluidi) na njihove površine ne može djelovati koncentrirana sila, već samo raspodijeljeno opterećenje. Usmjereno kretanje tekućine sastoji se od kretanja ogromnog broja molekula koje se kaotično kreću u svim smjerovima jedna u odnosu na drugu. U mehanici tekućina i plinova, koja proučava njihovo usmjereno gibanje, raspodjela svih svojstava tekućine u prostoru koji se razmatra smatra se kontinuiranom. Molekularna struktura uzima se u obzir samo kada se matematički opisuju fizikalna svojstva tekućine ili plina, što je učinjeno kada se razmatraju transportni procesi u plinovima.

Model kontinuiranog medija vrlo je koristan u proučavanju njegova gibanja, budući da omogućuje korištenje dobro razvijenog matematičkog aparata kontinuiranih funkcija.

Kvantitativno, granice primjenjivosti matematičkog aparata mehanike kontinuuma za plin utvrđene su vrijednošću Knudsenovog kriterija - omjerom srednjeg slobodnog puta molekula plina l na karakterističnu veličinu protoka L

Ako Kn< 0,01, tada se protok plina može smatrati kontinuiranim protokom medija. Kada čvrsti medij struji oko čvrste površine, njegove se molekule lijepe za nju (Prandtlova hipoteza o lijepljenju) i, s tim u vezi, brzina tekućine na površini čvrstih tijela uvijek je jednaka brzini te površine, a temperatura tekućine na stijenci jednaka je temperaturi stijenke.

Ako Kn> 0,01, tada se kretanje razrijeđenog plina razmatra pomoću matematičkog aparata molekularno-kinetičke teorije.

U strojarstvu, hipoteza o kontinuumu možda neće biti ispunjena kada se izračunava protok tekućine ili plina u uskim prazninama. Molekule imaju dimenzije reda veličine 10 -10 m; na razmacima reda veličine 10 -9 m, karakterističnim za nanotehnologiju, mogu se uočiti značajna odstupanja izračunatih podataka dobivenih korištenjem konvencionalnih jednadžbi dinamike fluida

Struktura plinova, tekućina i krutina. Značajke strukture rješenja. Koncept "reaktivnog polja"
Teorija strukture tekućina: usporedba sa strukturom plinova i krutina Građa (struktura) tekućina. Struktura tekućina trenutno je predmet pomnog proučavanja fizikalnih kemičara. Za istraživanja u ovom smjeru koriste se najsuvremenije metode, uključujući spektralne (IR, NMR, raspršenje svjetlosti različitih valnih duljina), raspršenje X-zraka, kvantno-mehaničke i statističke metode proračuna itd. Teorija tekućina mnogo je manje razvijena od teorije plinova, budući da svojstva tekućina ovise o geometriji i polaritetu blisko raspoređenih molekula. Osim toga, nepostojanje specifične strukture tekućina otežava njihov formalni opis - u većini udžbenika puno je manje prostora posvećeno tekućinama nego plinovima i kristalnim krutinama. Koja su obilježja svakog od tri agregatna stanja tvari: čvrsto, tekuće i plinovito. (stol)
1) Čvrsto: tijelo zadržava volumen i oblik
2) Tekućine zadržavaju volumen, ali lako mijenjaju oblik.
3) Plin nema ni oblik ni volumen.

Ova stanja iste tvari ne razlikuju se po vrsti molekula (to je isto), već po tome kako se molekule nalaze i kako se kreću.
1) U plinovima je udaljenost između molekula puno veća od veličine samih molekula
2) Molekule tekućine se ne raspršuju na velike udaljenosti i tekućina u normalnim uvjetima zadržava svoj volumen.
3) Čestice čvrstih tijela poredane su određenim redoslijedom. Svaka se čestica giba oko određene točke u kristalnoj rešetki, poput njihala sata, odnosno oscilira.
Smanjenjem temperature tekućine se skrućuju, a kada se podignu iznad vrelišta prelaze u plinovito stanje. Sama ova činjenica ukazuje na to da tekućine zauzimaju međupoložaj između plinova i krutina, te da se razlikuju od oboje. Međutim, tekućina ima sličnosti sa svakim od ovih stanja.
Postoji temperatura pri kojoj granica između plina i tekućine potpuno nestaje. To je takozvana kritična točka. Za svaki plin postoji poznata temperatura iznad koje ne može biti tekući ni pri kakvom tlaku; na ovoj kritičnoj temperaturi nestaje granica (menisk) između tekućine i njezine zasićene pare. Postojanje kritične temperature ("apsolutno vrelište") ustanovio je D.I. Mendeleev 1860. godine. Drugo svojstvo koje ujedinjuje tekućine i plinove je izotropija. Odnosno, na prvi se pogled može pretpostaviti da su tekućine bliže plinovima nego kristalima. Kao i plinovi, tekućine su izotropne, tj. svojstva su im ista u svim smjerovima. Kristali su, naprotiv, anizotropni: indeks loma, kompresibilnost, čvrstoća i mnoga druga svojstva kristala u različitim smjerovima pokazuju se različitima. Čvrste kristalne tvari imaju uređenu strukturu s elementima koji se ponavljaju, što im omogućuje proučavanje difrakcijom X-zraka (metoda difrakcije X-zraka, koristi se od 1912.).

Što je zajedničko tekućinama i plinovima?
A) Izotropija. Svojstva tekućina, kao i plinova, ista su u svim smjerovima, tj. su izotropni, za razliku od kristala koji su anizotropni.
B) Tekućine, kao i plinovi, nemaju određeni oblik i poprimaju oblik spremnika (niska viskoznost i velika fluidnost).
Molekule i tekućina i plinova kreću se prilično slobodno, sudarajući se jedna s drugom. Ranije se vjerovalo da se unutar volumena koji zauzima tekućina svaka udaljenost koja premašuje zbroj njihovih radijusa smatra jednako vjerojatnom, tj. težnja prema uređenom rasporedu molekula bila je odbijena. Tako su tekućine i plinovi bili u određenoj mjeri suprotstavljeni kristalima.
Kako su istraživanja napredovala, sve veći broj činjenica ukazivao je na prisutnost sličnosti između strukture tekućina i krutina. Na primjer, vrijednosti toplinskih kapaciteta i koeficijenata kompresibilnosti, posebno u blizini tališta, praktički se podudaraju jedna s drugom, dok se te vrijednosti za tekućinu i plin oštro razlikuju.
Već iz ovog primjera možemo zaključiti da slika toplinskog gibanja u tekućinama na temperaturi bliskoj temperaturi skrućivanja nalikuje toplinskom gibanju u čvrstim tvarima, a ne u plinovima. Uz to se mogu primijetiti tako značajne razlike između plinovitog i tekućeg stanja tvari. U plinovima su molekule raspoređene po prostoru potpuno kaotično, tj. potonji se smatra primjerom obrazovanja bez strukture. Tekućina još uvijek ima određenu strukturu. To je eksperimentalno potvrđeno difrakcijom X-zraka, koja pokazuje barem jedan jasan maksimum. Struktura tekućine je način na koji su njezine molekule raspoređene u prostoru. Tablica ilustrira sličnosti i razlike između plinovitog i tekućeg stanja.
Plinska faza Tekuća faza
1. Udaljenost između molekula l obično je (za niske tlakove) puno veća od polumjera molekule r: l  r ; Gotovo cijeli volumen V koji zauzima plin je slobodni volumen. U tekućoj fazi, naprotiv, l 2. Prosječna kinetička energija čestica, jednaka 3/2kT, veća je od potencijalne energije U njihove međumolekularne interakcije. Potencijalna energija interakcije molekula veća je od prosječne kinetičke energija njihovog gibanja: U3/2 kT
3. Čestice se sudaraju tijekom translatornog gibanja, faktor frekvencije sudara ovisi o masi čestica, njihovoj veličini i temperaturi. Svaka čestica prolazi kroz oscilatorno gibanje u kavezu koji stvaraju molekule koje je okružuju. Amplituda vibracije a ovisi o slobodnom volumenu, a  (Vf/ L)1/3
4. Difuzija čestica nastaje kao rezultat njihovog translatornog gibanja, koeficijent difuzije D  0,1 - 1 cm2/s (p  105 Pa) i ovisi o tlaku plina
(D  p-1) Difuzija nastaje kao rezultat skakanja čestice iz jedne stanice u drugu s aktivacijskom energijom ED,
D  e-ED/RT u neviskoznim tekućinama
D  0,3 - 3 cm2/dan.
5. Čestica se slobodno okreće, frekvencija rotacije r određena je samo momentima tromosti čestice i temperaturom, frekvencija rotacije r T1/2 Rotacija je inhibirana stijenkama ćelije, rotacija čestice čestice prati prevladavanje potencijalne barijere Er, koja ovisi o silama međumolekularnog međudjelovanja, vr  e- Er/RT
Međutim, tekuće stanje je blisko čvrstom stanju po nizu važnih pokazatelja (kvazikristalnost). Nakupljanje eksperimentalnih činjenica pokazalo je da tekućine i kristali imaju mnogo toga zajedničkog. Fizikalno-kemijska istraživanja pojedinih tekućina pokazala su da gotovo sve posjeduju neke elemente kristalne strukture.
Prvo, međumolekulske udaljenosti u tekućini su bliske onima u krutini. To dokazuje činjenica da kada se potonji topi, volumen tvari se malo mijenja (obično se povećava za ne više od 10%). Drugo, energija međumolekularnog međudjelovanja u tekućini i krutom tijelu malo se razlikuje. To proizlazi iz činjenice da je toplina taljenja puno manja od topline isparavanja. Na primjer, za vodu Hpl = 6 kJ/mol, a Hsp = 45 kJ/mol; za benzen Hpl = 11 kJ/mol, a Hsp = 48 kJ/mol.
Treće, toplinski kapacitet tvari vrlo se malo mijenja tijekom taljenja, tj. to je blisko za obje ove države. Iz toga slijedi da je priroda gibanja čestica u tekućini bliska onoj u krutom tijelu. Četvrto, tekućina, kao i krutina, može izdržati velike vlačne sile bez pucanja.
Razlika između tekućine i krutine je fluidnost: krutina zadržava svoj oblik, tekućina ga lako mijenja čak i pod utjecajem male sile. Ova svojstva proizlaze iz takvih strukturnih značajki tekućine kao što su snažna međumolekularna interakcija, poredak kratkog dometa u rasporedu molekula i sposobnost molekula da relativno brzo mijenjaju svoj položaj. Kada se tekućina zagrijava od točke ledišta do točke vrelišta, njezina se svojstva postupno mijenjaju zagrijavanjem, njezina sličnost s plinom postupno se povećava.
Svatko od nas može se lako prisjetiti mnogih tvari koje smatra tekućinama. Međutim, nije tako jednostavno dati točnu definiciju ovog agregatnog stanja, budući da tekućine imaju takva fizikalna svojstva da u nekim aspektima nalikuju krutim tvarima, au drugim na plinove. Sličnosti između tekućina i krutina najizraženije su kod staklastih materijala. Njihov prijelaz iz krutog u tekuće s porastom temperature događa se postupno, a ne kao izraženo talište, jednostavno postaju sve mekši, pa je nemoguće naznačiti u kojem temperaturnom području ih treba nazivati ​​krutinama, a u kojim tekućinama. Možemo samo reći da je viskoznost staklaste tvari u tekućem stanju manja nego u krutom stanju. Čvrsta stakla se stoga često nazivaju prehlađenim tekućinama. Čini se da je najkarakterističnije svojstvo tekućina, koje ih razlikuje od krutina, mala viskoznost, tj. veliki promet. Zahvaljujući njemu poprimaju oblik posude u koju se ulijevaju. Na molekularnoj razini, visoka fluidnost znači relativno veću slobodu čestica tekućine. U tom pogledu tekućine nalikuju plinovima, iako su sile međumolekularnog međudjelovanja između tekućina veće, molekule su smještene bliže jedna drugoj i ograničenije su u kretanju.
Tome se može pristupiti drugačije - sa stajališta ideje dalekometnog i kratkodometnog reda. Red dalekog dometa postoji u kristalnim čvrstim tijelima, čiji su atomi raspoređeni na strogo uređen način, tvoreći trodimenzionalne strukture koje se mogu dobiti ponavljanjem jedinične ćelije mnogo puta. U tekućinama i staklu nema dalekosežnog reda. To, međutim, ne znači da oni uopće nisu naručeni. Broj najbližih susjeda za sve atome je gotovo isti, ali raspored atoma kako se udaljavaju od bilo koje odabrane pozicije postaje sve kaotičniji. Dakle, red postoji samo na malim udaljenostima, otuda i naziv: poredak kratkog dometa. Adekvatan matematički opis strukture tekućine može se dati samo uz pomoć statističke fizike. Na primjer, ako se tekućina sastoji od identičnih kuglastih molekula, tada se njezina struktura može opisati radijalnom funkcijom distribucije g(r), koja daje vjerojatnost otkrivanja bilo koje molekule na udaljenosti r od dane odabrane kao referentne točke. Ova se funkcija može pronaći eksperimentalno proučavanjem difrakcije x-zraka ili neutrona, a s pojavom brzih računala, počela se izračunavati pomoću računalne simulacije, na temelju postojećih podataka o prirodi sila koje djeluju između molekula, ili na pretpostavkama o tim silama, kao i na Newtonovim zakonima mehanike. Usporedbom teorijski i eksperimentalno dobivenih radijalnih funkcija raspodjele moguće je provjeriti ispravnost pretpostavki o prirodi međumolekulskih sila.
U organskim tvarima čije molekule imaju izduženi oblik, u jednom ili drugom temperaturnom području, ponekad se nalaze područja tekuće faze s dalekosežnim orijentacijskim poretkom, što se očituje u tendenciji paralelnog poravnavanja dugih osi molekule. U tom slučaju orijentacijsko sređivanje može biti popraćeno koordinacijskim sređivanjem centara molekula. Tekuće faze ovog tipa obično se nazivaju tekućim kristalima. Tekuće kristalno stanje je posredno između kristalnog i tekućeg. Tekući kristali posjeduju i fluidnost i anizotropiju (optičku, električnu, magnetsku). Ponekad se ovo stanje naziva mezomorfno (mezofaza) - zbog nepostojanja dalekosežnog reda. Gornja granica postojanja je temperatura bistrenja (izotropna tekućina). Termotropne (mezogene) FA postoje iznad određene temperature. Tipični su cijanobifenili. Liotropni - kada se otopi, na primjer, vodene otopine sapuna, polipeptida, lipida, DNA. Proučavanje tekućih kristala (mezofaza - taljenje u dva stupnja - mutna talina, zatim prozirna, prijelaz iz kristalne faze u tekućinu kroz intermedijarni oblik s anizotropnim optičkim svojstvima) važno je za tehnološke svrhe - prikaz tekućih kristala.
Molekule u plinu gibaju se kaotično (nasumično). U plinovima je udaljenost između atoma ili molekula u prosjeku višestruko veća od veličine samih molekula. Molekule u plinu gibaju se velikim brzinama (stotine m/s). Kada se sudare, odbijaju se jedna od druge kao apsolutno elastične lopte, mijenjajući veličinu i smjer brzina. Na velikim udaljenostima između molekula, privlačne sile su male i ne mogu zadržati molekule plina jedne blizu drugih. Stoga se plinovi mogu neograničeno širiti. Plinovi se lako komprimiraju, prosječna udaljenost između molekula se smanjuje, ali i dalje ostaje veća od njihove veličine. Plinovi ne zadržavaju ni oblik ni volumen; njihov volumen i oblik podudaraju se s volumenom i oblikom posude koju ispunjavaju. Brojni udari molekula o stijenke posude stvaraju tlak plina.
Atomi i molekule krutih tijela vibriraju oko određenih ravnotežnih položaja. Stoga čvrsta tijela zadržavaju i volumen i oblik. Ako mentalno povežete središta ravnotežnih položaja atoma ili iona krutine, dobit ćete kristalnu rešetku.
Molekule tekućine nalaze se gotovo blizu jedna drugoj. Stoga se tekućine vrlo teško sabijaju i zadržavaju svoj volumen. Molekule tekućine vibriraju oko ravnotežnog položaja. S vremena na vrijeme molekula prelazi iz jednog stacionarnog stanja u drugo, obično u smjeru djelovanja vanjske sile. Vrijeme ustaljenog stanja molekule je kratko i smanjuje se porastom temperature, a vrijeme prijelaza molekule u novo ustaljeno stanje još je kraće. Dakle, tekućine su tekuće, ne zadržavaju svoj oblik i poprimaju oblik posude u koju su ulivene.

Kinetička teorija tekućina Razvijena od Ya. I. Frenkela, kinetička teorija tekućina razmatra tekućinu kao dinamički sustav čestica, djelomično podsjećajući na kristalno stanje. Na temperaturama blizu tališta toplinsko gibanje u tekućini svodi se uglavnom na harmonijske vibracije čestica oko određenih prosječnih ravnotežnih položaja. Za razliku od kristalnog stanja, ovi ravnotežni položaji molekula u tekućini su po prirodi privremeni za svaku molekulu. Nakon osciliranja oko jednog ravnotežnog položaja neko vrijeme t, molekula skače na novi položaj koji se nalazi u blizini. Takav skok se događa s utroškom energije U, stoga vrijeme "staloženog života" t ovisi o temperaturi na sljedeći način: t = t0 eU/RT, gdje je t0 period jednog titraja oko ravnotežnog položaja. Za vodu sobne temperature t » 10-10 s, t0 = 1,4 x 10-12 s, tj. jedna molekula nakon što je izvršila oko 100 titraja skoči u novi položaj, gdje nastavlja oscilirati. Iz podataka o raspršenju X-zraka i neutrona moguće je izračunati funkciju gustoće raspodjele čestica  ovisno o udaljenosti r od jedne čestice odabrane kao središta. U prisutnosti dalekosežnog reda u kristalnom krutom tijelu, funkcija (r) ima niz jasnih maksimuma i minimuma. U tekućini se, zbog velike pokretljivosti čestica, održava samo red kratkog dometa. To jasno proizlazi iz difraktograma X-zraka tekućina: funkcija (r) za tekućinu ima jasan prvi maksimum, zamagljen drugi, a zatim (r) = const. Kinetička teorija opisuje taljenje na sljedeći način. U kristalnoj rešetki krutog tijela uvijek postoje male količine slobodnih mjesta (rupa) koje polako lutaju po kristalu. Što je temperatura bliža talištu, veća je koncentracija "rupa" i one se brže kreću kroz uzorak. Na točki tališta proces stvaranja “rupa” poprima lavinski kooperativni karakter, sustav čestica postaje dinamičan, dalekosežni red nestaje i pojavljuje se fluidnost. Odlučujuću ulogu u topljenju ima stvaranje slobodnog volumena u tekućini, što sustav čini fluidnim. Najvažnija razlika između tekućeg i čvrstog kristalnog tijela je u tome što u tekućini postoji slobodan volumen čiji značajan dio ima oblik fluktuacija („rupa“), čije lutanje kroz tekućinu daje takav karakteristična kvaliteta kao fluidnost. Broj takvih "rupa", njihov volumen i pokretljivost ovise o temperaturi. Pri niskim temperaturama tekućina, ako se nije pretvorila u kristalno tijelo, postaje amorfna krutina s vrlo niskom fluidnošću zbog smanjenja volumena i pokretljivosti "rupa". Uz kinetičku teoriju, posljednjih se desetljeća uspješno razvija statistička teorija tekućina.

Struktura leda i vode. Najvažnija i najčešća tekućina u normalnim uvjetima je voda. Ovo je najčešća molekula na Zemlji! Izvrsno je otapalo. Na primjer, sve biološke tekućine sadrže vodu. Voda otapa mnoge anorganske (soli, kiseline, baze) i organske tvari (alkoholi, šećeri, karboksilne kiseline, amini). Kakva je struktura te tekućine? Ponovno ćemo se morati vratiti na pitanje koje smo razmatrali u prvom predavanju, naime na tako specifičnu međumolekularnu interakciju kao što je vodikova veza. Voda, kako u tekućem tako iu kristalnom obliku, pokazuje anomalna svojstva upravo zbog prisutnosti mnogih vodikovih veza. Koja su to anomalna svojstva: visoko vrelište, visoko talište i visoka entalpija isparavanja. Pogledajmo prvo graf, zatim tablicu, a zatim dijagram vodikove veze između dvije molekule vode. Zapravo, svaka molekula vode oko sebe koordinira 4 druge molekule vode: dvije zahvaljujući kisiku, kao donoru dva usamljena elektronska para dvama protoniranim vodikovima, i dvije zahvaljujući protoniranim vodikovima, koordiniranim s kisikom drugih molekula vode. U prethodnom predavanju pokazao sam vam slajd s grafovima tališta, vrelišta i entalpije isparavanja hidrida VI skupine ovisno o periodu. Ove ovisnosti imaju jasnu anomaliju za kisikov hidrid. Svi ovi parametri za vodu su zamjetno viši od onih predviđenih iz gotovo linearne ovisnosti za sljedeće hidride sumpora, selena i telura. To smo objasnili postojanjem vodikove veze između protoniranog vodika i akceptora gustoće elektrona – kisika. Vodikova veza se najuspješnije proučava pomoću vibracijske infracrvene spektroskopije. Slobodna OH skupina ima karakterističnu vibracijsku energiju koja uzrokuje naizmjenično produljivanje i skraćivanje O-H veze, što dovodi do karakterističnog pojasa u infracrvenom apsorpcijskom spektru molekule. Međutim, ako je OH skupina uključena u vodikovu vezu, atom vodika postaje vezan atomima s obje strane i tako se njegova vibracija "prigušuje", a frekvencija se smanjuje. Sljedeća tablica pokazuje da povećanje snage i "koncentracije" vodikove veze dovodi do smanjenja učestalosti apsorpcije. Na gornjoj slici, krivulja 1 odgovara maksimumu infracrvenog apsorpcijskog spektra O-H skupina u ledu (gdje su sve H-veze povezane); krivulja 2 odgovara maksimumu infracrvenog apsorpcijskog spektra O-H skupina pojedinačnih molekula H2O otopljenih u CCl4 (gdje nema H veza - otopina H2O u CCl4 je previše razrijeđena); a krivulja 3 odgovara apsorpcijskom spektru tekuće vode. Kad bi u tekućoj vodi postojale dvije vrste O-H skupina - one koje tvore vodikove veze i one koje ih ne čine - i neke O-H skupine u vodi bi vibrirale na isti način (s istom frekvencijom) kao u ledu (gdje tvore H- veze), a drugi - kao u okruženju CCl4 (gdje ne tvore H-veze). Tada bi spektar vode imao dva maksimuma, koji odgovaraju dvama stanjima O-H skupina, njihovim dvjema karakterističnim frekvencijama titranja: s frekvencijom na kojoj skupina vibrira, ona apsorbira svjetlost. Ali slika "dva maksimuma" se ne promatra! Umjesto toga, na krivulji 3 vidimo jedan, vrlo zamagljen maksimum, koji se proteže od maksimuma krivulje 1 do maksimuma krivulje 2. To znači da sve O-H skupine u tekućoj vodi tvore vodikove veze - ali sve te veze imaju različitu energiju, “ labav” (imaju različitu energiju) i na različite načine. To pokazuje da je slika u kojoj su neke od vodikovih veza u vodi prekinute, a neke očuvane, strogo govoreći, netočna. Međutim, toliko je jednostavan i prikladan za opisivanje termodinamičkih svojstava vode da se široko koristi - i mi ćemo se također osvrnuti na njega. Ali moramo imati na umu da to nije posve točno.
Stoga je IR spektroskopija moćna metoda za proučavanje vodikovih veza, a mnogo informacija o strukturi tekućina i krutina povezanih s njom dobiveno je ovom spektralnom metodom. Kao rezultat toga, za tekuću vodu model poput leda (model O.Ya. Samoilova) jedan je od najčešće prihvaćenih. Prema ovom modelu, tekuća voda ima tetraedarski okvir sličan ledu poremećen toplinskim gibanjem (dokaz i posljedica toplinskog gibanja - Brownovo gibanje, koje je prvi uočio engleski botaničar Robert Brown 1827. godine na peludi pod mikroskopom) (svaka voda molekula u kristalu leda povezana je vodikovim vezama sa smanjenom energijom u odnosu na onu u ledu – “labavim” vodikovim vezama) s četiri okolne molekule vode), praznine ovog okvira djelomično su ispunjene molekulama vode, a molekule vode koje se nalaze u šupljinama i u čvorovima okvira poput leda su energetski nejednaki.

Za razliku od vode, u kristalu leda, u čvorovima kristalne rešetke nalaze se molekule vode jednake energije i mogu vršiti samo vibracijska gibanja. U takvom kristalu postoji red i kratkog i dugog dometa. U tekućoj vodi (kao iu polarnoj tekućini) neki elementi kristalne strukture su sačuvani (pa čak iu plinovitoj fazi molekule tekućine su raspoređene u male, nestabilne klastere), ali ne postoji dalekosežni red. Dakle, struktura tekućine razlikuje se od strukture plina u prisutnosti reda kratkog dometa, ali se razlikuje od strukture kristala u odsutnosti reda dugog dometa. To je najuvjerljivije dokazano proučavanjem raspršenja X-zraka. Tri susjeda svake molekule u tekućoj vodi nalaze se u jednom sloju i na većoj su udaljenosti od njega (0,294 nm) od četvrte molekule iz susjednog sloja (0,276 nm). Svaka molekula vode u okviru poput leda tvori jednu zrcalno simetričnu (jaku) i tri centralno simetrične (manje jake) veze. Prvi se odnosi na veze između molekula vode određenog sloja i susjednih slojeva, a ostatak - na veze između molekula vode istog sloja. Stoga je četvrtina svih veza zrcalno simetrična, a tri četvrtine centralno simetrična. Ideje o tetraedarskom okruženju molekula vode dovele su do zaključka o visokoj delikatnosti njegove strukture i prisutnosti šupljina u njoj, čije su dimenzije jednake ili veće od dimenzija molekula vode.

Elementi strukture tekuće vode. a - elementarni vodeni tetraedar (otvoreni kružići - atomi kisika, crne polovice - mogući položaji protona na vodikovoj vezi); b - zrcalno simetričan raspored tetraedara; c - centralno simetričan raspored; d - položaj centara kisika u strukturi običnog leda. Vodu karakteriziraju značajne sile međumolekularnog međudjelovanja zbog vodikovih veza, koje tvore prostornu mrežu. Kao što smo rekli u prethodnom predavanju, vodikova veza nastaje zbog sposobnosti atoma vodika spojenog na elektronegativni element da formira dodatnu vezu s elektronegativnim atomom druge molekule. Vodikova veza je relativno jaka i iznosi nekoliko 20-30 kilodžula po molu. Po snazi ​​zauzima srednje mjesto između van der Waalsove energije i energije tipične ionske veze. U molekuli vode energija kemijske veze H-O iznosi 456 kJ/mol, a energija vodikove veze H…O 21 kJ/mol.

Vodikovi spojevi
Molekulska težina Temperatura,  C
Zamrzavanje Vrenje
H2Te 130 -51 -4
H2Se 81 -64 -42
H2S 34 -82 -61
H2O 18 0! +100!

Struktura leda. Normalan led. Isprekidana linija - H-veze. U ažurnoj strukturi leda vidljive su male šupljine okružene molekulama H2O.
Dakle, struktura leda je ažurna struktura molekula vode povezanih jedna s drugom samo vodikovim vezama. Raspored molekula vode u strukturi leda određuje prisutnost širokih kanala u strukturi. Kako se led topi, molekule vode "padaju" u te kanale, što objašnjava povećanje gustoće vode u usporedbi s gustoćom leda. Kristali leda javljaju se u obliku pravilnih šesterokutnih ploča, pločastih tvorevina i sraslina složenih oblika. Strukturu normalnog leda diktiraju vodikove H veze: to je dobro za geometriju ovih veza (O-H je okrenuto izravno prema O), ali nije tako dobro za tijesan Vander Waalsov kontakt molekula H2O. Stoga je struktura leda otvorena, u njemu molekule H2O obavijaju mikroskopske (manje od molekule H2O) pore. Čipkasta struktura leda dovodi do dva dobro poznata učinka: (1) led je manje gust od vode, on pluta u njoj; i (2) pod jakim pritiskom – npr. oštrica klizaljke otapa led. Većina vodikovih veza koje postoje u ledu također su sačuvane u tekućoj vodi. To proizlazi iz male topline taljenja leda (80 cal/g) u usporedbi s toplinom vrenja vode (600 cal/g pri 0°C). Moglo bi se reći da je u tekućoj vodi samo 80/(600+80) = 12% H-veza koje postoje u ledu prekinuto. Međutim, ova slika - da su neke od vodikovih veza u vodi prekinute, a neke su očuvane - nije sasvim točna: naprotiv, sve vodikove veze u vodi postaju labave. Ovo je dobro ilustrirano sljedećim eksperimentalnim podacima.

Struktura rješenja. Od konkretnih primjera za vodu, prijeđimo na druge tekućine. Različite tekućine razlikuju se jedna od druge po veličini svojih molekula i prirodi međumolekulskih interakcija. Dakle, u svakoj specifičnoj tekućini postoji određena pseudokristalna struktura, karakterizirana redom kratkog dometa i, u određenoj mjeri, podsjeća na strukturu dobivenu kada se tekućina zamrzne i pretvori u krutinu. Kada se neka druga tvar otopi, tj. Kada nastane otopina, mijenja se priroda međumolekulskih interakcija i pojavljuje se nova struktura s drugačijim rasporedom čestica nego u čistom otapalu. Ova struktura ovisi o sastavu otopine i specifična je za svaku pojedinu otopinu. Stvaranje tekućih otopina obično prati proces solvatacije, tj. poravnanje molekula otapala oko molekula otopljene tvari zbog djelovanja međumolekulskih sila. Postoji solvatacija kratkog i dugog dometa, tj. Oko molekula (čestica) otopljene tvari nastaju primarne i sekundarne solvatne ljuske. U primarnoj solvatnoj ljusci nalaze se molekule otapala u neposrednoj blizini, koje se kreću zajedno s molekulama otopljene tvari. Broj molekula otapala smještenih u primarnoj solvatacijskoj ljusci naziva se solvatacijskim koordinacijskim brojem, koji ovisi i o prirodi otapala i o prirodi otopljene tvari. Sekundarna solvatacijska ljuska uključuje molekule otapala koje se nalaze na značajno većim udaljenostima i utječu na procese koji se odvijaju u otopini zbog interakcije s primarnom solvatacijskom ljuskom.
Kada se razmatra stabilnost solvata, razlikuje se kinetička i termodinamička stabilnost.
U vodenim otopinama, kvantitativne karakteristike kinetičke hidratacije (O.Ya. Samoilov) su vrijednosti i/ i Ei=Ei-E, gdje su i i  prosječno vrijeme zadržavanja molekula vode u ravnoteži položaj blizu i-tog iona i u čistoj vodi, a Ei i E su aktivacijska energija izmjene i aktivacijska energija procesa samodifuzije u vodi. Ove su količine međusobno povezane približnim odnosom:
i/  exp(Ei/RT) U ovom slučaju,
ako je EI  0, i/  1 (izmjena molekula vode najbližih ionu događa se rjeđe (sporije) od izmjene između molekula u čistoj vodi) – pozitivna hidratacija
ako je EI  0, i/  1 (izmjena molekula vode najbližih ionu događa se češće (brže) od izmjene između molekula u čistoj vodi) – negativna hidratacija

Dakle, za litijev ion EI = 1,7 kJ/mol, a za cezijev ion Ei= - 1,4 kJ/mol, tj. mali "tvrdi" ion litija jače drži molekule vode od velikog i "difuznog" iona cezija koji ima isti naboj. Termodinamička stabilnost nastalih solvata određena je promjenom Gibbsove energije tijekom solvatacije (solvG) = (solvH) - T(solvS). Što je ova vrijednost negativnija, to je solvat stabilniji. To je uglavnom određeno negativnim vrijednostima entalpije solvatacije.
Pojam rješenja i teorije rješenja. Prave otopine nastaju spontano kada dvije ili više tvari dođu u dodir, zbog razaranja veza između čestica jedne vrste i stvaranja veza druge vrste te distribucije tvari po volumenu zbog difuzije. Otopine prema svojstvima dijelimo na idealne i stvarne, otopine elektrolita i neelektrolita, razrijeđene i koncentrirane, nezasićene, zasićene i prezasićene. Svojstva rastera ovise o prirodi i veličini IMF-a. Te interakcije mogu biti fizičke prirode (van der Waalsove sile) i složene fizikalno-kemijske prirode (vodikova veza, ionsko-molekularni, kompleksi prijenosa naboja itd.). Proces stvaranja otopine karakterizira istodobna manifestacija privlačnih i odbojnih sila između međusobno djelujućih čestica. U nedostatku odbojnih sila, čestice bi se spajale (lijepile) i tekućine bi se mogle beskonačno komprimirati; u nedostatku privlačnih sila ne bi se mogle dobiti tekućine ili krutine. U prethodnom predavanju smo se osvrnuli na fizikalne i kemijske teorije otopina.
Međutim, stvaranje jedinstvene teorije otopina nailazi na značajne poteškoće i za sada još nije stvorena, iako se istraživanja provode korištenjem najsuvremenijih metoda kvantne mehanike, statističke termodinamike i fizike, kristalokemije, rendgenske difrakcije. analiza, optičke metode i NMR metode. Reaktivno polje. Nastavljajući razmatranje sila međumolekularnog međudjelovanja, razmotrimo koncept "reaktivnog polja", koji je važan za razumijevanje strukture i strukture kondenzirane tvari i stvarnih plinova, posebno tekućeg stanja, a time i cjelokupne fizikalne kemije. tekućih otopina.
Reaktivno polje javlja se u smjesama polarnih i nepolarnih molekula, na primjer, za smjese ugljikovodika i naftenskih kiselina. Polarne molekule utječu poljem određene simetrije (simetrija polja određena je simetrijom slobodnih molekulskih orbitala) i intenzitetom H na nepolarne molekule. Potonji su polarizirani zbog razdvajanja naboja, što dovodi do pojave (indukcije) dipola. Molekula s induciranim dipolom, zauzvrat, utječe na polarnu molekulu, mijenjajući njeno elektromagnetsko polje, tj. pobuđuje reaktivno (odzivno) polje. Pojava reaktivnog polja dovodi do povećanja energije međudjelovanja čestica, što se izražava u stvaranju jakih solvacijskih ljuski polarnih molekula u mješavini polarnih i nepolarnih molekula.
Energija reaktivnog polja izračunava se pomoću sljedeće formule: gdje je:
znak "-" - određuje privlačnost molekula
S – statička električna permitivnost
beskonačan – dielektrična konstanta zbog elektronske i atomske polarizabilnosti molekula
NA - Avogadrov broj
VM – volumen koji zauzima 1 mol polarne tvari u izotropnoj tekućini v = dipolni moment
ER - energija 1 mola polarne tvari u otopini
Koncept "reaktivnog polja" omogućit će nam bolje razumijevanje strukture čistih tekućina i otopina. Kvantnokemijski pristup proučavanju reaktivnog polja razvijen je u radovima M. V. Bazilevskog i njegovih kolega na Znanstveno-istraživačkom institutu za fiziku i kemiju nazvan. L. Ya. Karpova Dakle, problem tekućeg stanja čeka svoje mlade istraživače. Karte su u vašim rukama.

U modernoj molekularno-kinetičkoj teoriji materije različita agregacijska stanja tvari povezana su s različitim stupnjevima reda u rasporedu njezinih čestica. Plinovito stanje karakterizira potpuno neuredan, kaotičan raspored molekula. Nasuprot tome, u idealnom kristalu čestice su raspoređene u strogom redoslijedu koji se proteže cijelim kristalom. Ispravan raspored čestica u kristalnim krutinama potvrđen je eksperimentalno pokusima raspršenja X-zraka na kristalima.

Ovi pokusi omogućili su, na primjer, da se utvrdi da atomi u nizu kristala tvore takozvanu centriranu kubičnu kristalnu rešetku (slika 58, a). Atomi koji se nalaze na mjestima takve kristalne rešetke nalaze se na vrlo određenim udaljenostima od proizvoljno odabranog atoma (O - na slici 58). Kristalna rešetka koja se razmatra karakterizira činjenica da postoji 8 atoma na udaljenosti od odabranog atoma, na udaljenosti od atoma itd.

Navedena prostorna raspodjela atoma u rešetki može se grafički prikazati iscrtavanjem udaljenosti na os apscisa i na os ordinata vrijednosti koja je jednaka broju atoma koji se nalaze na jednom kvadratnom centimetru sferne površine polumjera opisanog oko atoma O izabran kao ishodište.

Graf konstruiran prema ovom principu prikazan je na slici 58, b.

Riža. 58 Građa kristalne rešetke i ovisnost broja susjednih atoma u rešetki o udaljenosti izraženoj u angstremima.

Metoda X-zraka omogućuje, na temelju eksperimentalnih rezultata, izračunavanje i izradu sličnih grafikona za sve tvari koje se proučavaju.

Primjena ove metode na proučavanje strukture najjednostavnijih (atomskih) tekućina na temperaturama bliskim njihovim temperaturama kristalizacije dovela je do utvrđivanja činjenice koja je iznimno važna za teoriju tekućeg stanja. Pokazalo se da je u tim uvjetima u tekućini uglavnom očuvan red u rasporedu čestica svojstven kristalu. X-zrake atomskih tekućina nalikuju X-zrakama dobivenim za praškaste kristalne krutine. Slični eksperimenti su otkrili da se s povećanjem temperature taj poredak smanjuje, raspored čestica tekućine približava se rasporedu karakterističnom za čestice plina. Predloženo je nekoliko teorija za objašnjenje rezultata ovih eksperimenata. Prema jednom od njih, tekućina se sastoji od submikroskopskih kristala odvojenih tankim filmovima tvari u amorfnom stanju, karakteriziranih nasumičnim rasporedom čestica. Submikroskopski kristali nazvani su cibotaktičkim regijama. Za razliku od pravih kristala, cibotaktičke regije nisu oštro ocrtane;

glatko prelaze u područja neuređenog rasporeda čestica. Osim toga, cibotaktička područja nisu trajna; Prisutnost područja uređenog rasporeda čestica dovodi do činjenice da su za većinu molekula tekućine čestice koje su im susjedne smještene u određenom redoslijedu, karakterističnom za određenu tekućinu. Međutim, zbog kaotične orijentacije pojedinih cibotatičkih skupina u odnosu na drugu, uređeni raspored molekula proteže se samo na susjede koji su najbliži danoj molekuli.

Riža. 59. Usporedba strukture idealnog kristala i tekućine.

Na udaljenosti od tri do četiri molekularna promjera red se toliko jako smanjuje da nema smisla govoriti o ispravnom redoslijedu u rasporedu čestica tvari.

Sada je općeprihvaćeno da tekućinu karakterizira kratkodometni red u rasporedu čestica, za razliku od kristala, koje karakterizira dalekodometni red.

Razlika u strukturi kristalne čvrste tvari i tekućine shematski je prikazana na slici 59. Lijevo na slici je struktura idealnog hipotetskog kristala. Njegove strukturne čestice bilo gdje u kristalu zauzimaju strogo definiran položaj jedna u odnosu na drugu. Međutim, u tekućinama (na slici desno), u blizini proizvoljno odabrane O molekule, susjedne molekule mogu imati raspored kako vrlo blizu kristalnom (smjer tako i različit od njega (smjer). U svakom slučaju, u tekućina postoji gotovo "kristalni" raspored susjednih molekula ("red kratkog dometa") i kršenje strogog reda u rasporedu molekula dugog dometa (nedostatak "reda dugog dometa").

Također treba napomenuti da je na slici koja se razmatra broj čestica raspoređenih na uredan način (Sl. 59, a)

isto s brojem čestica koje su raspoređene neuredno (slika 59, b). Usporedba odgovarajućih područja uvjerava nas da s nesređenim rasporedom čestica karakterističnim za tekućinu, ona zauzima veći volumen nego s uređenim, kristalnim.

Rezultati istraživanja difrakcije X-zraka tekućina također se mogu objasniti na temelju koncepta kvazikristalne strukture tekućine. Da bismo to objasnili, okrenimo se rasporedu atoma u idealnom kristalu. Ako mentalno odaberete bilo koji atom u takvom kristalu i pokušate odrediti kolika je vjerojatnost susreta sa susjednim atomom na udaljenosti od prvog, tada bi u nedostatku toplinskog gibanja željena vjerojatnost bila jednaka nuli na udaljenosti manjoj od udaljenost na kojoj bi postao jednak jedinici. To znači da bi se u određenom smjeru susjedni atom uvijek susreo na istoj udaljenosti od prvobitnog.

Na udaljenostima većim ali manjim željena vjerojatnost bi opet bila jednaka nuli, a na udaljenosti jedinici. Ova situacija bi se ponavljala u cijelom kristalu: vjerojatnost susreta s atomom bila bi jednaka jedinici za sve udaljenosti koje su višekratnici

Toplinsko vibracijsko gibanje atoma u kristalu dovodi do toga da vjerojatnost susreta sa susjednim atomom neće biti jednaka nuli ni na udaljenostima koja se malo razlikuju od koji se broji, au drugom slučaju - bit će izbrisan. Grafički je promjena vjerojatnosti susreta s atomom ovisno o udaljenosti između njega i atoma odabranog kao referentne točke prikazana karakterističnom krivuljom (gornji dio slike 60).

Posebnost grafikona je konstantnost širine pojedinih zvonastih dijelova krivulje. Upravo ta postojanost ukazuje na očuvanje reda u cijelom kristalu.

U tekućini se opaža drugačija slika (slika 60, dolje). Kvalitativno se mijenja vjerojatnost susreta s atomom na bilo kojoj udaljenosti od izvornog atoma, baš kao što se događa u kristalu. Međutim, u ovom slučaju, samo je prvi dio krivulje u obliku zvona izražen kao jasan maksimum. Sljedeći zvonoliki dijelovi, šireći se, preklapaju se, tako da maksimumi na krivulji relativno brzo nestaju.

Dakle, raspored čestica blizu jedne druge u tekućini nalikuje rasporedu čestica u kristalnom

čvrsto tijelo Kako se udaljavate od izvornog atoma, u odnosu na koji se vrši izračun, položaj čestica postaje sve neuređeniji. Vjerojatnost susreta s česticom na bilo kojoj udaljenosti postaje približno jednaka, kao što je slučaj u plinovima.

Naravno, povećanje nesigurnosti u položaju atoma ne objašnjava se povećanjem amplitude njihovih toplinskih vibracija, već slučajnim poremećajima u rasporedu čestica tekućine.

Treba naglasiti da kod tekućina ni prvi maksimum na krivulji vjerojatnosti (sl. 60) nije potpuno razriješen, odnosno krivulja ne dodiruje apscisnu os desno od maksimuma.

Riža. 60. Vjerojatna raspodjela atoma u idealnom kristalu i tekućini

Fizički, to znači da u tekućini broj čestica najbližih danoj nije strogo konstantan, kao u kristalu.

U tekućini je ispravnije govoriti samo o postojanosti prosječnog broja najbližih susjeda.

Rezultati istraživanja difrakcije X-zraka tekućina koje trenutno imamo mogu se objasniti kako na temelju koncepta cibotaktičkih skupina tako i na temelju koncepta kvazikristalne strukture tekućine. Treba napomenuti da je razlika između mikrokristalne i kvazikristalne teorije tekućine mala. Ako proučavamo prosječni raspored čestica tekućine kroz više ili manje dugo vremensko razdoblje, tada će obje teorije dovesti do istih rezultata.

Obje teorije imaju nedostatak da, dok opisuju kvalitativno točne značajke strukture tekućine, ne omogućuju kvantitativno karakteriziranje njezinih svojstava

Raznovrsnost "kristalnih" teorija tekućeg stanja je takozvana teorija "rupa".

tekućine. Prema ovoj teoriji, tekućina je poput kristala u kojem je velik broj atoma pomaknut iz svojih inherentnih ravnotežnih položaja. Kada se atom pomakne iz ravnotežnog položaja, ostaje neka vrsta slobodnog prostora koji se naziva "rupa".

Prema teoriji, "rupe" u tekućini su više ili manje prošireni prostori između molekula koji spontano nastaju, šire se, a zatim skupljaju i ponovno nestaju.

Jednadžba stanja u teoriji "rupe" tekućine ima, prema Ya. Frenkelu, sljedeći oblik:

Ovdje je V molarni volumen tekućine na temperaturi, minimalni volumen koji tekućina može zauzeti; energija stvaranja rupe; Boltzmannova konstanta; Avogadrov broj; minimalni volumen otvora.

Kao što je više puta naglašeno, s porastom temperature smanjuje se sličnost tekućina s krutim tijelima, a povećava njihova sličnost s odgovarajućim plinovima. Stoga nije iznenađujuće da su se pri objašnjavanju svojstava tekućina, uz prethodno razmatrane "kristalne" modele tekućine, raširile teorije u kojima se tekućina uspoređuje s visoko komprimiranim plinom. U tim teorijama važnu ulogu igra ideja slobodnog volumena tekućine koju je teško precizno odrediti. Trenutno postojeće metode za izračunavanje slobodnog volumena tekućine su približno približne i, u pravilu, dovode do vrijednosti koje se razlikuju jedna od druge.

Od teorija slobodnog volumena najrazvijenija je takozvana “stanična” teorija tekućine.

Zbog činjenice da su molekule tekućine smještene blizu jedna drugoj, svaka se od njih može smatrati zatvorenom u stanici, čije stijenke tvore njezini najbliži susjedi. Molekule mogu mijenjati mjesta, tako da molekula koja se nalazi u središtu mentalno odabrane stanice može nakon nekog vremena prijeći u susjednu stanicu. Međutim, takve se migracije čestica događaju relativno rijetko, a molekula većinu svog vremena provodi unutar određene stanice.

Gibanje molekule u stanici događa se u polju sila koje tvore njezini najbliži susjedi, a za jednostavne tekućine pretpostavlja se da je njihov broj 12.

Budući da je ova teorija primjenjiva na tekućine pri visokim temperaturama, kada je utjecaj strukture tvari praktički nepromijenjen, polje sila u kojem se čestica giba može se smatrati sferno simetričnim.

Uzimajući dalje određeni oblik ovisnosti potencijalne energije molekularne interakcije o udaljenosti između čestica i čineći niz pojednostavljujućih pretpostavki, možemo pronaći izraz za potencijalnu energiju čestice smještene u jediničnoj ćeliji. Ovaj izraz se obično daje u sljedećem obliku:

gdje je V volumen sferne ćelije po čestici, a konstante.

Jednadžba stanja tekućine u ovom slučaju može se napisati u sljedećem obliku:

Ovdje je tlak, Boltzmannova konstanta i temperatura. Zamjenom vrijednosti u posljednji izraz, moguće je kvantificirati mnoge fizikalne i kemijske karakteristike pojedinih tekućina. Na primjer, pomoću stanične teorije tekućina moguće je izračunati kritične parametre raznih jednostavnih tvari. Izračunate vrijednosti kritične temperature u slučaju najjednostavnijih plinova pokazale su se jednakima u apsolutnoj ljestvici za vodik 41°, neon 47°, dušik 128° i argon 160°, dok su eksperimentalne vrijednosti redom 33°, 44°, 126° i 150° K. U ovom primjeru, slaganje između teoretski izračunatih vrijednosti i eksperimentalno utvrđenih vrijednosti sasvim je zadovoljavajuće.

Međutim, treba primijetiti da gore napisani izraz za tlak, strogo govoreći, vrijedi za stvarni plin, a ne za tekućinu, te stoga nema razloga očekivati ​​vrlo dobro slaganje između teorije i eksperimenta. Unatoč ovoj napomeni, teorija slobodnog volumena ima svoje prednosti, među kojima treba istaknuti jednostavnost korištenih fizikalnih modela i mogućnost kvantitativne usporedbe teorije s eksperimentom.

Stanična teorija omogućuje relativno jednostavno objašnjenje svojstava tekućina i izračunavanje, u prvoj aproksimaciji, nekih njihovih karakteristika.

Teoretski, statistička teorija fluida je rigoroznija. U ovoj teoriji dvije fizičke veličine igraju glavnu ulogu. Prva od ovih veličina naziva se funkcija radnalne distribucije, a druga se naziva međumolekularni potencijal. Radijalno

funkcija raspodjele određuje vjerojatnost susreta proizvoljno odabranog para čestica u tekućini na određenoj zadanoj udaljenosti, sadržanu u rasponu od do Intermolekularni potencijal određuje međudjelovanje molekula tekućine. Poznavanje ovih dviju veličina omogućuje pisanje teorijski rigoroznih jednadžbi stanja i energije tekućine te kvantitativno izražavanje njezinih različitih fizikalnih i kemijskih karakteristika.

Funkcija radijalne distribucije za niz tekućina može se odrediti eksperimentalno na temelju podataka rendgenske strukturne analize. Međutim, značajne poteškoće u određivanju i izračunavanju intermolekularnog potencijala za specifične tekućine tjeraju nas da aproksimativno riješimo rezultirajuće jednadžbe.

Ova okolnost otežava kvantitativnu usporedbu statističke teorije tekućina s eksperimentom. Međutim, ne smijemo zaboraviti da ova teorija kvalitativno ispravno predviđa mnoga svojstva tekućina i njihove inherentne obrasce.

Upravo je sposobnost ispravnog predviđanja različitih svojstava tvari jedna od prednosti statističke teorije tekućeg stanja.

U budućnosti, kada se pronađe teorijski rigorozan izraz za međumolekularni potencijal i prevladaju računske poteškoće, statistička teorija će omogućiti bolje razumijevanje značajki tekućeg stanja materije.