Folyadék és gáz szerkezete. Open Library - oktatási információk nyílt könyvtára A folyadék molekuláris szerkezete

Folyékony állapotban

Gáznemű állapot

Folytonossági hipotézis.

Mechanikai részleg, hidromechanika.

hidraulika.

Hidraulikát tanulnak

Arkhimédész törvénye.

Arkhimédész törvénye a következőképpen fogalmazódik meg: a folyadékba (vagy gázba) merített testre olyan felhajtóerő hat, amely megegyezik a folyadék (vagy gáz) tömegével a test térfogatában. Az erőt ún Arkhimédész erejével:

ahol a folyadék (gáz) sűrűsége, a szabadesés gyorsulása és a víz alá merült test térfogata (vagy a test térfogatának a felszín alatti része). Ha egy test a felszínen lebeg (egyenletesen mozog felfelé vagy lefelé), akkor a felhajtóerő (más néven arkhimédeszi erő) egyenlő nagyságú (és ellentétes irányú) a folyadék (gáz) térfogatára ható gravitációs erővel. a test elmozdítja, és ennek a térfogatnak a súlypontjára vonatkozik.

Így az Euler-féle módszer szerint az áramlás egészét egy adott időpillanatban a tér fix pontjaihoz kapcsolódó vektorsebesség-mező reprezentálja. Általában a sebesség a koordináták és az idő függvénye.

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

A sebesség fogalmának a hidraulikában történő bevezetéséhez a részecskék mozgását csak végtelenül rövid időn keresztül veszik figyelembe. Ha mozgó folyadékban vesszük az 1-es pontot, akkor a sebességvektor a következő lesz u 1.

Ha ennek a vektornak az irányába választjuk ki a 2. pontot, akkor a benne lévő sebességvektor már az lesz u2. Hasonlóképpen megkaphatjuk a sebességvektorokat is u3, u4, stb.

Ezen vektorok halmaza egy szaggatott vonal, amely ha a pontok közötti távolságot végtelenül kicsiny értékre csökkentjük, görbévé, úgynevezett streamline-vé alakul.

Erők a folyadékban

Hatalmas erők. Más módon ezeket az erőket a tömegben eloszló erőknek nevezzük: minden tömegű részecskére M= W erő hat F, tömegétől függően.

Felszíni erők. Ezek azok az erők, amelyek egy elemi felületre hatnak w, amely a folyadék felszínén és belsejében egyaránt elhelyezkedhet; a folyadék belsejébe önkényesen húzott felületen.

Ezeket tekintjük erőknek: nyomáserők, amelyek a felület normálját alkotják; a felületet érintő súrlódási erők.

Nyugalomban lévő folyadékban csak egyfajta stressz lehetséges– nyomófeszültség, i.e. hidrosztatikus nyomás.
A folyadék hidrosztatikus nyomásának két tulajdonsága van:

1. A külső felületen a hidrosztatikus nyomás mindig normálisan, a vizsgált folyadék térfogatába irányul.
   Ez a tulajdonság közvetlenül következik a nyomás definíciójából, mint a normál nyomóerőből származó feszültség. A folyadék külső felületén nemcsak a folyadék és a gáznemű közeg vagy a szilárd falak közötti határfelületet értjük, hanem az elemi térfogatok felületét is, amely mentálisan el van választva a folyadék teljes térfogatától.
2. A folyadék bármely pontján a hidrosztatikus nyomás minden irányban azonos, azaz a nyomás nem függ annak a platformnak a dőlésszögétől, amelyen egy adott ponton hat. Ennek a tulajdonságnak a bizonyítására válasszunk ki egy elemi térfogatot álló folyadékban téglalap alakú tetraéder formájában, amelynek élei párhuzamosak a koordinátatengelyekkel, és ennek megfelelően egyenlők dx, dy és dz értékkel (2.1. ábra).

A nyomás fajtái

Abszolút - az abszolút nullával egyenlő nyomáshoz viszonyított érték.

A túlzott az az érték, amellyel a mért nyomás nagyobb a légkörinél

A vákuummetria az az érték, amellyel a mért nyomás kisebb, mint a barometrikus

Légköri (barometrikus)

9. Folyadékegyensúly a gravitáció hatására. Nyomáseloszlás a mélységben.

10. Nyomásmérés folyadékoszlop magasságával. Nyomásmérő műszerek.

Csővezeték osztályozás

A tömítés és/vagy az átmenet típusától függően (a tartó típusától)

• talaj - a talajszint felett különálló támaszokra fektetve;
• föld felett;
• íves;
• függő;
• gerenda;
• föld alatt - közvetlenül a talajra fektetve árkokban, árkokban, töltésekben, töltésekben, alagutakban és szifonokban lévő támasztékokon;
• víz alatti - tározók, folyók alján vagy az aljára ásott árkokban fektetve;
• úszó - mocsarak, valamint tavak, folyók és egyéb tározók felszínére helyezve, úszókhoz (általában műanyagból) történő rögzítéssel.

A szállított közegtől függően

Csővezeték egy sós vízvezetéken Ausztriában. A vízvezetéket a 18. század végén építették

• Ammónia csővezeték - ammónia szállítására szolgál. A Toljatti-Odessza export fő ammóniavezeték Oroszországban és Ukrajnában működik.
• Vízellátás - a lakosság, az ipari vállalkozások és a közlekedés vízellátására szolgál. A háztartási és ipari fogyasztás típusától függően a vízellátó csővezetékeket érzékszervi tulajdonságok és ivásra való alkalmasság jellemzi: háztartási és ivóvíz, ipari, tűzoltó, öntözés.
• Légcsatorna - gyakran egy ipari vállalkozáson belül létesítik a termelés sűrített levegővel való ellátására [ forrás nincs megadva 1629 nap] .
• Gázvezeték - kapcsolódó kőolaj, természetes és mesterséges gáz szállítására tervezték. A stratégiai gázvezetékek nagy mennyiségű gáz nagy távolságra történő szállítására szolgálnak - exportra gázszintézissel foglalkozó vállalkozások számára [ forrás nincs megadva 1629 nap] .
• Olajvezeték - kőolaj szállítására tervezték. Ebben az esetben az olajat felmelegítik, ami megakadályozza paraffinjainak megkeményedését [ forrás nincs megadva 1629 nap] .
• Olajtermék-vezeték - repedés eredményeként kapott kőolajtermékek szállítására tervezték, beleértve a benzint és a kerozint. Magasabb feldolgozású kőolajtermékek előállítására szánt vállalkozások számára. Az ilyen csővezetékeket leggyakrabban ugyanazon a vállalaton belül használják. A kőolajtermékek nagy távolságokra történő szállításához speciális közúti vagy vasúti tartályokat használnak.
• A fűtőolajvezeték nehéz kőolajtermékeket és krakkolási hulladékot szállító csővezeték. Az ilyen termékek felhasználhatók fűtőolajként, valamint dízel üzemanyaggá való feldolgozásra vagy akár könnyű szénhidrogének további leválasztására [ forrás nincs megadva 1629 nap] .
• A gőzvezeték egy olyan folyamatcső, amelyet nyomás alatti gőz továbbítására terveztek, fűtésre vagy harmadik féltől származó mechanizmusok működtetésére [ forrás nincs megadva 1629 nap] .
• A kondenzátum csővezeték egy kondenzátum összegyűjtésére tervezett folyamatcső [ forrás nincs megadva 321 nap] .
• A termékvezeték általános értelemben mesterségesen szintetizált anyagok (beleértve a fent felsoroltakat is), leggyakrabban kőolajszintézis termékek szállítására tervezett csővezeték. Egy adott esetben jelenthet olyan rendszert, amelyet bármilyen alkalmas tárgy csövön keresztül történő szállítására terveztek [ forrás nincs megadva 1629 nap] .
• Tömegcsővezeték - víztőzeg szállítására tőzegbányákban, különféle ömlesztett anyagok raktárakban és ipari vállalkozásokban, hamueltávolítók hőerőművekben stb.
• Az etilén csővezeték speciális szintetizált ipari nyersanyagok - etilén - csöveken keresztül történő szállítására tervezett infrastruktúra [ forrás nincs megadva 1629 nap] .
• Hővezeték (lásd hőhálózat) - hűtőközeg (víz, vízgőz) hőenergia-forrásból lakóépületekbe, középületekbe és ipari vállalkozásokba történő átvitelére szolgál. Az épületekhez és építményekhez viszonyított elhelyezkedésük alapján külsőre és belsőre oszthatók. Az átvitt energia hosszától, átmérőjétől és mennyiségétől függően a következőkre oszthatók: fő (az energiaforrástól egy mikrokörzetig vagy vállalkozásig), elosztó (a főtől az egyes épületekbe menő csővezetékekig), elágazókra (elosztó vezetékektől a csatlakozási pontokig) helyi hőfogyasztók számára).

A céltól függően

• Főcsővezetékek - legfeljebb 1420 mm átmérőjű csővezetékek és leágazások (beleértve); egységes termelési és technológiai komplexum, amely magában foglalja az épületeket, építményeket, annak lineáris részét, beleértve a folyékony vagy gáz halmazállapotú szénhidrogének közúti, vasúti és vízi szállításra történő szállítását, tárolását és (vagy) átrakodását, folyadékmérést (olaj, kőolajtermékek) , cseppfolyósított szénhidrogén gázok, gázkondenzátum, könnyű szénhidrogének széles frakciója, ezek keverékei) vagy a jogszabályi előírásoknak megfelelő gáznemű (gáz) szénhidrogének.
• Speciális célú csővezetékek - szifonok és alagutak csővezetékek, fűtési hálózatok, elektromos kábelek stb. lefektetésére bennük (különböző akadályok áthaladásakor); Ez magában foglalja a különféle önhordó és körülzáró funkciókat és egyéb speciális csővezetékeket is.

• A pneumatikus posta sűrített levegő használata fizikai tárgyak csöveken keresztül történő mozgatására - leggyakrabban kis tömegű és térfogatú tárgyakkal ellátott szabványosított kapszulákban. Egy vagy közeli épületben használják, mechanikus útválasztási módszereket alkalmaznak [ forrás nincs megadva 1629 nap] .
• Csatornázás - a szennyezett ipari és háztartási szennyvíz csőrendszeren keresztül történő elvezetésére szolgál, tisztítással és semlegesítéssel az ártalmatlanítás vagy a tározóba ürítés előtt. A csatornarendszerek rendeltetésük szerint a következőkre oszthatók: háztartási, ipari, lefolyók; hely szerint: belső és külső; típus szerint: nyomás (nyomás alatti kisülés) és nem nyomás (gravitációs kisülés).
• Ereszcsatorna (vízelvezető)
• Vízkivezetés

26. Csővezetékek hidraulikai számításának egyenletrendszere és feladatai

Folyékony és gáz halmazállapotú halmazállapotok szerkezete, jellemzői. Folytonossági hipotézis. A hidraulika tárgya és módszerei.

Folyékony állapotban az anyag megtartja térfogatát, de nem tartja meg alakját. Ez azt jelenti, hogy a folyadék az edény térfogatának csak egy részét tudja elfoglalni, de az edény teljes felületén is szabadon áramolhat. A folyékony halmazállapotot általában a szilárd és gáz halmazállapotú köztesnek tekintik. A folyékony testek alakja részben vagy egészben meghatározható azáltal, hogy felületük rugalmas membránként viselkedik. Tehát a víz cseppenként összegyűlhet. De a folyadék az álló felülete alatt is képes áramolni, és ez azt is jelenti, hogy a forma (a folyadéktest belső részei) nem marad meg. A folyékony molekuláknak nincs meghatározott helyzetük, ugyanakkor nincs teljes mozgásszabadságuk. Van köztük egy vonzalom, amely elég erős ahhoz, hogy közel tartsa őket. A folyékony halmazállapotú anyag egy bizonyos hőmérsékleti tartományban létezik, amely alatt szilárd halmazállapotúvá válik (kristályosodás történik vagy szilárd amorf állapotba - üveggé alakul át), amely felett gáz halmazállapotúvá alakul (párolgás történik). Ennek az intervallumnak a határai a nyomástól függenek. A folyékony halmazállapotú anyagnak általában csak egy módosulása van. (A legfontosabb kivételek a kvantumfolyadékok és a folyadékkristályok.) Ezért a folyadék a legtöbb esetben nemcsak aggregált állapot, hanem termodinamikai fázis is (folyékony fázis). Az összes folyadékot általában tiszta folyadékokra és keverékekre osztják. Egyes folyadékkeverékek nagy jelentőséggel bírnak az élet szempontjából: vér, tengervíz stb. A folyadékok oldószerként működhetnek. A gázokhoz hasonlóan a folyadékok is többnyire izotrópok. Vannak azonban anizotróp tulajdonságú folyadékok - folyadékkristályok. Ezeknek az anyagoknak, a mezogéneknek az izotróp, úgynevezett normál fázison kívül egy vagy több rendezett termodinamikai fázisa van, ezeket mezofázisoknak nevezzük. A mezofázisokká való összetétel a folyadékkristály-molekulák különleges alakja miatt következik be. Általában ezek hosszú, keskeny molekulák, amelyeknek előnyös, ha egymásra vannak rakva úgy, hogy a tengelyük egybeessen.

Gáznemű állapot azzal jellemezve, hogy nem tartja meg sem alakját, sem térfogatát. A gáz kitölti az összes rendelkezésre álló helyet, és behatol minden zugba és szakadékba. Ez az alacsony sűrűségű anyagokra jellemző állapot. A folyékony halmazállapotból a gáz halmazállapotba való átmenetet párolgásnak, a gáz halmazállapotból a folyékony halmazállapotba való ellenkező átmenetet pedig kondenzációnak nevezzük. A szilárd halmazállapotból a gáz halmazállapotúvá történő átmenetet a folyékony halmazállapot megkerülésével szublimációnak vagy szublimációnak nevezzük. Mikroszkópikus szempontból a gáz olyan halmazállapot, amelyben egyes molekulái gyengén kölcsönhatásba lépnek, és kaotikusan mozognak. A köztük lévő interakció szórványos összecsapásokra redukálódik. A molekulák kinetikus energiája meghaladja a potenciális energiát. A folyadékokhoz hasonlóan a gázok is folyékonyak és ellenállnak a deformációnak. A folyadékokkal ellentétben a gázoknak nincs rögzített térfogatuk, és nem képeznek szabad felületet, hanem hajlamosak a teljes rendelkezésre álló térfogatot kitölteni (például egy edényt). A gázok és keverékeik kémiai tulajdonságai igen változatosak – az alacsony aktivitású inert gázoktól a robbanásveszélyes gázkeverékekig. A „gáz” fogalmát néha nemcsak atomok és molekulák aggregátumaira, hanem más részecskék aggregátumaira is kiterjesztik - fotonokra, elektronokra, Brown-részecskékre, valamint plazmára. Egyes anyagoknak nincs gáz halmazállapota. Bonyolult kémiai szerkezetű anyagokról van szó, amelyek a hőmérséklet emelkedésekor kémiai reakciók következtében szétesnek, mielőtt gázzá válnának. Ugyanannak az anyagnak nincsenek különböző gáznemű termodinamikai fázisai. A gázokat izotrópia jellemzi, azaz jellemzőik iránytól függetlenek. Az ember számára ismert szárazföldi körülmények között a gáz minden ponton azonos sűrűségű, de ez nem általános törvényszerűség a külső mezőkben, például a Föld gravitációs mezejében, vagy eltérő hőmérsékleti körülmények között a gáz sűrűsége előfordulhat; pontról pontra váltani. Egy anyag gáz halmazállapotát olyan körülmények között, ahol lehetséges egy stabil folyékony vagy szilárd fázis létezése, általában gőznek nevezik.

Folytonossági hipotézis. A folyadékot anyagrészecskék deformálódó rendszerének tekintjük, amelyek folyamatosan kitöltik azt a teret, amelyben mozog.

A folyékony részecske egy végtelenül kicsi térfogat, amely meglehetősen sok folyékony molekulát tartalmaz. Például, ha egy 0,001 cm méretű vízkockát veszünk figyelembe, akkor a térfogat 3,3-10 13 molekulát tartalmaz. Feltételezzük, hogy a folyadékrészecske meglehetősen kicsi a mozgó folyadék által elfoglalt terület méretéhez képest.

E feltevés szerint a folyadékot mint egészet kontinuumnak tekintjük – folytonos közegnek, amely folyamatosan tölti ki a teret, pl. feltételezzük, hogy a folyadékban nincsenek üregek vagy folytonossági zavarok, a folyadék összes jellemzője folytonos függvény, amelynek az összes argumentumát tekintve folytonos parciális deriváltja van. A folytonos közeg egy olyan modell, amelyet sikeresen alkalmaznak a folyadék nyugalmi és mozgási törvényeinek tanulmányozására.

A folyadék-kontinuum modell alkalmazásának érvényességét minden hidraulikai gyakorlat megerősítette.

Mechanikai részleg, amelyben a folyadék egyensúlyát és mozgását, valamint a folyadék és a körülötte áramló testek vagy az azt korlátozó felületek közötti erőkölcsönhatást vizsgálják, ún. hidromechanika.

A folyadékmechanika alkalmazott részét, amelyet a műszaki kérdések, problémák és ezek megoldási módszerei jellemeznek, az ún. hidraulika. A hidraulikát általában úgy határozzák meg, mint a folyadékok egyensúlyi és mozgási törvényeinek tudományát, valamint e törvények gyakorlati problémák megoldására való alkalmazásának módszereit.

A hidraulika elsősorban a szilárd falak által korlátozott és irányított folyadékáramlásokkal, azaz belső áramlásokkal foglalkozik, ellentétben az aerohidromechanikával, amely a testek körüli szilárd közeg külső áramlását vizsgálja.

Hidraulikát tanulnak főként cseppfolyós folyadékok mozgása, míg az esetek túlnyomó többségében összenyomhatatlannak minősülnek. A belső gázáramlások csak azokban az esetekben tartoznak a hidraulika területéhez, amikor áramlási sebességük lényegesen kisebb, mint a hangsebesség, és emiatt a gáz összenyomhatósága elhanyagolható. Ilyen például a légáramlás a szellőzőrendszerekben. A továbbiakban a „folyadék” alatt cseppfolyósított folyadékot, valamint gázt fogunk érteni, ha összenyomhatatlannak tekinthető.

A modern hidraulikában alkalmazott módszer a mozgás tanulmányozása során a következő. Létrejön a folyamat fizikai modellje, amely megállapítja annak minőségi jellemzőit és meghatározó tényezőit. A fizikai modell és a gyakorláshoz szükséges pontosság alapján matematikai modellt fogalmazunk meg. Az elméletileg nem elemezhető jelenségeket kísérletileg vizsgáljuk, és az eredményeket empirikus összefüggések formájában mutatjuk be. A matematikai modellt algoritmusok és programok formájában formalizálják, hogy számítástechnikai megoldást kapjanak. Az így kapott megoldásokat elemzik, összehasonlítják a rendelkezésre álló kísérleti adatokkal, és a matematikai modell és a megoldási módszer módosításával finomítják.

A molekuláris kinetikai elmélet lehetővé teszi annak megértését, hogy egy anyag miért létezhet gáz-, folyékony és szilárd halmazállapotban.

Gáz. A gázokban az atomok vagy molekulák közötti távolság átlagosan sokszorosa a molekulák méretének (10. ábra). Például légköri nyomáson egy edény térfogata több tízezerszer nagyobb, mint az edényben lévő gázmolekulák térfogata.

A gázok könnyen összenyomhatók, hiszen ha egy gázt összenyomnak, csak a molekulák közötti átlagos távolság csökken, de a molekulák nem „nyomják össze” egymást (11. ábra).


A molekulák óriási sebességgel – másodpercenként több száz méterrel – mozognak az űrben. Amikor összeütköznek, különböző irányokba pattannak egymásról, mint a biliárdgolyók.
A gázmolekulák gyenge vonzóerei nem képesek egymás közelében tartani őket. Ezért a gázok korlátlanul tágulhatnak. Nem tartják meg sem alakjukat, sem térfogatukat.
A molekuláknak az edény falára gyakorolt ​​számos hatása gáznyomást hoz létre.

Folyadékok. Folyadékokban a molekulák szinte egymáshoz közel helyezkednek el (12. ábra). Ezért egy molekula másképp viselkedik folyadékban, mint gázban. Más molekulákhoz hasonlóan, mint egy ketrecben, „a helyén fut” (az egyensúlyi helyzet körül oszcillál, ütközik a szomszédos molekulákkal). Csak időnként tesz egy „ugrást”, áttöri a „ketrec rácsait”, de azonnal egy új „ketrecben” találja magát, amelyet új szomszédok alkotnak. Egy vízmolekula „letelepedett életideje”, azaz egy adott egyensúlyi helyzet körüli oszcillációk ideje szobahőmérsékleten átlagosan 10-11 s. Egy oszcilláció ideje jóval kevesebb (10-12-10-13 s). A hőmérséklet növekedésével a molekulák „letelepedett élettartama” csökken. A folyadékok molekuláris mozgásának természete, amelyet először Ya I. Frenkel szovjet fizikus állapított meg, lehetővé teszi a folyadékok alapvető tulajdonságainak megértését.

Frenkel Jakov Iljics (1894-1952) kiemelkedő szovjet elméleti fizikus, aki jelentős mértékben hozzájárult a fizika különböző területeihez. Ya I. Frenkel az anyag folyékony halmazállapotáról szóló modern elmélet szerzője. Letette a ferromágnesesség elméletének alapjait. Ya I. Frenkel munkái a légkör elektromosságáról és a Föld mágneses mezőjének eredetéről széles körben ismertek. Az uránmagok hasadásának első kvantitatív elméletét Ya I. Frenkel alkotta meg.

A folyékony molekulák közvetlenül egymás mellett helyezkednek el. Ezért, amikor a folyadék térfogatát még kis mértékben is megpróbálja megváltoztatni, maguk a molekulák deformálódni kezdenek (13. ábra). Ehhez pedig nagyon nagy erő kell. Ez magyarázza a folyadékok alacsony összenyomhatóságát.

A folyadékok, mint ismeretes, folyékonyak, vagyis nem tartják meg alakjukat. Ennek magyarázata a következő. Ha a folyadék nem áramlik, akkor a molekulák egyik „ülő” pozícióból a másikba ugrások minden irányban azonos gyakorisággal történnek (12. ábra). A külső erő nem változtatja észrevehetően a másodpercenkénti molekulaugrások számát, de a molekulák egyik „ülő” helyzetből a másikba ugrása túlnyomórészt a külső erő irányában történik (14. ábra). Ezért folyik a folyadék, és felveszi a tartály alakját.
Szilárd anyagok. A szilárd anyagok atomjai vagy molekulái, a folyadékokkal ellentétben, bizonyos egyensúlyi helyzetek körül rezegnek. Igaz, néha a molekulák megváltoztatják egyensúlyi helyzetüket, de ez rendkívül ritkán fordul elő. Ez az oka annak, hogy a szilárd anyagok nemcsak térfogatát, hanem alakját is megtartják.


Van még egy fontos különbség a folyékony és a szilárd anyagok között. A folyadék egy tömeghez hasonlítható, amelynek egyes tagjai nyugtalanul lökdösődnek a helyükön, a szilárd test pedig olyan, mint egy karcsú kohorsz, amelynek tagjai, bár nem állnak figyelmen kívül (a hőmozgás miatt), továbbra is megmaradnak. bizonyos intervallumokat átlagolnak egymás között. Ha egy szilárd test atomjai vagy ionjai egyensúlyi helyzetének középpontjait összekötjük, szabályos térhálót kapunk, ún. kristályos. A 15. és 16. ábrán a konyhasó és a gyémánt kristályrácsai láthatók. A kristályokban az atomok elrendezésének belső rendje geometriailag szabályos külső alakzatokhoz vezet. A 17. ábrán a jakut gyémántok láthatók.

Egy anyag alapvető tulajdonságainak kvalitatív magyarázata a molekuláris kinetikai elmélet alapján, amint láthatta, nem különösebben nehéz. A kísérletileg mért mennyiségek (nyomás, hőmérséklet stb.) és maguknak a molekuláknak a tulajdonságai, száma és mozgási sebessége között kvantitatív összefüggéseket megállapító elmélet azonban nagyon összetett. A gázok elméletére szorítkozunk.

1. Bizonyítsd be a molekulák hőmozgásának létezését! 2. Miért csak kis tömegű részecskéknél észlelhető a Brown-mozgás? 3. Milyen természetűek a molekuláris erők? 4. Hogyan függenek a molekulák közötti kölcsönhatási erők a köztük lévő távolságtól? 5. Miért tapad össze két sima, tiszta vágású ólomrúd, ha összenyomják? 6. Mi a különbség a gázok, folyadékok és szilárd anyagok molekuláinak hőmozgása között?

Folyadékok és gázok. Folytonossági hipotézis.

Folyadékok és gázok alapvető fizikai jellemzői.

3. ELŐADÁS

A folyadék- és gázmechanika vizsgálatának tárgya egy olyan fizikai test, amelyben elemeinek egymáshoz viszonyított helyzete jelentős mértékben megváltozik, ha kellően kis, megfelelő irányú erőt fejtenek ki. Más szóval a folyékony test (vagy egyszerűen csak folyékony) fő tulajdonsága az folyékonyság. Mind a cseppfolyós folyadékok (maguk a folyadékok, mint például víz, benzin, műszaki olajok), mind a gázok (levegő, nitrogén, hidrogén, szén-dioxid) rendelkeznek a folyékonyság tulajdonságával. A folyadékok és gázok viselkedésében a molekulaszerkezet szempontjából magyarázható jelentős különbséget a gázt határoló cseppfolyadék szabad felületének jelenléte, a felületi feszültség jelenléte, a fázis lehetősége határozza meg. átmenet stb.

Minden anyagi test, függetlenül aggregáltsági állapotától: szilárd, folyékony vagy gáznemű, belső molekuláris (atomi) szerkezettel rendelkezik, jellegzetes belső hővel, mikroszkopikus molekulák mozgása. Figyelembe véve a molekulamozgás kinetikus energiája és az intermolekuláris erőkölcsönhatás potenciális energiája közötti mennyiségi összefüggés függését, különböző molekulaszerkezetek és belső molekulamozgás típusok keletkeznek.

BAN BEN szilárd anyagok elsődleges fontosságú molekuláris kölcsönhatási energia molekulák, amelyek eredményeként a kohéziós erők hatására a molekulák szabályos kristályrácsokba rendeződnek, stabil egyensúlyi helyzettel ennek a rácsnak a csomópontjain. A szilárd testben a hőmozgások a molekulák rácscsomópontokhoz viszonyított rezgései, amelyek frekvenciája 10 12 Hz nagyságrendű, és amplitúdója arányos a rácscsomópontok távolságával.

A szilárd testtel ellentétben, in gázok a molekulák között nincsenek kohéziós erők. A gázmolekulák véletlenszerű mozgásokat hajtanak végre, és kölcsönhatásuk csak ütközésekre redukálódik. Az ütközések közötti intervallumokban a molekulák közötti kölcsönhatás elhanyagolható, ami megfelel a molekulák erőkölcsönhatása potenciális energiájának kicsinységének a kaotikus mozgásuk kinetikus energiájához képest. A molekulák két egymást követő ütközése közötti átlagos távolság határozza meg szabad úthossz. A molekulák átlagos hőmozgási sebessége összemérhető a kis zavarok terjedési sebességével (hangsebességgel) a gáz adott állapotában.

Folyékony testek molekulaszerkezetükben és a molekulák hőmozgásában egy köztes állapotot foglalnak el a szilárd és gáznemű testek között. Egyesek körül meglévő nézetek szerint központi, a molekulákat szomszédos molekulák csoportosítják, kis rezgéseket hajtanak végre, amelyek frekvenciája közel van a szilárd test rácsában lévő molekulák rezgési frekvenciájához, és a molekulák közötti átlagos távolság nagyságrendjének amplitúdója. A központi molekula (a folyadék nyugalmi állapotában) mozdulatlan marad, vagy olyan sebességgel vándorol, amely értékében és irányában egybeesik a folyadék makroszkopikus mozgásának átlagos sebességével. Folyadékban a molekulák kölcsönhatásának potenciális energiája sorrendben összehasonlítható hőmozgásuk kinetikai energiájával. A folyadékokban lévő molekulák rezgésének bizonyítéka a folyadékba bevitt legkisebb szilárd részecskék „Brown-mozgása”. Ezeknek a részecskéknek a rezgései könnyen megfigyelhetők a mikroszkóp területén, és a szilárd részecskék folyékony molekulákkal való ütközésének eredményeként tekinthetők. A folyadékokban az intermolekuláris kölcsönhatás jelenléte meghatározza a folyadék felületi feszültségének meglétét bármely más közeggel való határfelületén, ami arra kényszeríti, hogy olyan formát vegyen fel, amelyben a felülete minimális. A kis térfogatú folyadékok általában gömb alakú csepp alakúak. Emiatt a hidraulikában lévő folyadékokat ún csöpög.

Meg kell jegyezni, hogy a szilárd és folyékony testek közötti határ nem mindig világos. Így ha nagy erőket fejtünk ki egy cseppfolyósra (például folyadékáramra) rövid kölcsönhatási idővel, az utóbbi a rideg szilárd anyag tulajdonságaihoz közeli tulajdonságokat kap. A lyuk előtt nagy nyomású folyadéksugár olyan tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek közel állnak a szilárd test tulajdonságaihoz. Így 10 8 Pa-nál nagyobb nyomáson egy vízsugár elvág egy acéllemezt; kb. 5·10 7 Pa nyomáson gránitot vág, 1,5·10 7 - 2·10 7 Pa nyomáson a szenet roncsolja. A nyomás (1,5 – 2) 10 6 Pa elegendő a különféle talajok elpusztításához.

Bizonyos körülmények között előfordulhat, hogy nincs határ a folyékony és a gáznemű testek között. A gázok kitöltik a számukra biztosított teljes térfogatot, sűrűségük az alkalmazott erőktől függően változhat. A folyadékok, amelyek a folyadék térfogatánál nagyobb térfogatú edényt töltenek meg, szabad felületet képeznek - a folyadék és a gáz közötti határfelületet. Normál körülmények között a folyadék térfogata kevéssé függ a rá ható erőktől. A kritikus állapot közelében a folyadék és a gáz közötti különbség alig észrevehetővé válik. A közelmúltban jelent meg a folyékony halmazállapot fogalma, amikor a több nanométeres méretű folyadékrészecskék meglehetősen egyenletesen keverednek gőzükkel. Ebben az esetben nincs vizuális különbség a folyadék és a gőz között.

A gőz abban különbözik a gáztól, hogy mozgás közbeni állapota közel áll a telítettségi állapothoz. Emiatt bizonyos körülmények között részben lecsapódhat és kétfázisú közeget képezhet. A gyors tágulásnál a kondenzációs folyamat késik, majd egy bizonyos túlhűlés elérésekor lavinaszerűen következik be. Ebben az esetben a gőzáramlás törvényei jelentősen eltérhetnek a folyadék- és gázáramlás törvényeitől.

A szilárd anyagok, folyadékok és gázok tulajdonságait eltérő molekulaszerkezetük határozza meg . Ugyanakkor a folyadék- és gázmechanika fő hipotézise a folytonos közeg hipotézise, ​​amely szerint a folyadék egy folytonos eloszlású anyagként (kontinuumként) jelenik meg, amely üregek nélkül tölti ki a teret.

A folyadékok és gázok molekulái közötti gyenge kötések miatt (ezért folyékonyak) felületükre nem lehet koncentrált erő, hanem csak megosztott terhelés hatni. A folyadék irányított mozgása nagyszámú, egymáshoz képest minden irányba kaotikusan mozgó molekula mozgásából áll. A folyadékok és gázok irányított mozgását vizsgáló mechanikában a folyadék összes jellemzőjének eloszlását a vizsgált térben folyamatosnak tételezzük fel. A molekulaszerkezetet csak a folyadék vagy gáz fizikai jellemzőinek matematikai leírásánál veszik figyelembe, ami a gázokban zajló szállítási folyamatok vizsgálatakor történt.

A folytonos közeg modellje nagyon hasznos a mozgásának tanulmányozásában, mivel lehetővé teszi a folytonos függvények jól kidolgozott matematikai apparátusának használatát.

A kontinuummechanika matematikai apparátusának gázra való alkalmazhatóságának határait mennyiségileg a Knudsen-kritérium – a gázmolekulák átlagos szabad útjának aránya – határozza meg. l a jellemző áramlási méretre L

Ha Kn< 0,01, akkor a gázáramlás folyamatos közegáramlásnak tekinthető. Amikor egy szilárd közeg egy szilárd felület körül áramlik, molekulái hozzátapadnak (Prandtl ragadós hipotézise), és ezzel összefüggésben a szilárd anyagok felületén a folyadék sebessége mindig megegyezik a felület sebességével, és a hőmérséklet a falon lévő folyadék mennyisége megegyezik a fal hőmérsékletével.

Ha Kn> 0,01, akkor egy ritkított gáz mozgását a molekuláris-kinetikai elmélet matematikai apparátusával vizsgáljuk.

A gépészetben előfordulhat, hogy a kontinuum hipotézis nem teljesül a folyadék vagy gáz áramlásának kiszámításakor szűk résekben. A molekulák mérete 10-10 m nagyságrendű; a nanotechnológiára jellemző 10 -9 m nagyságrendű réseknél a hagyományos folyadékdinamikai egyenletekkel kapott számított adatok jelentős eltérései figyelhetők meg

Gázok, folyadékok és szilárd anyagok szerkezete. A megoldások szerkezetének jellemzői. A „reaktív mező” fogalma
A folyadékok szerkezetének elmélete: összehasonlítás a gázok és szilárd anyagok szerkezetével Folyadékok szerkezete (szerkezete). A folyadékok szerkezetét jelenleg a fizikai kémikusok alaposan tanulmányozzák. Az ilyen irányú kutatásokhoz a legmodernebb módszereket alkalmazzák, beleértve a spektrális (IR, NMR, különböző hullámhosszú fényszórás), röntgenszórás, kvantummechanikai és statisztikai számítási módszereket stb. A folyadékok elmélete sokkal kevésbé fejlett, mint a gázoké, mivel a folyadékok tulajdonságai a kölcsönösen egymáshoz közel elhelyezkedő molekulák geometriájától és polaritásától függenek. Ezenkívül a folyadékok sajátos szerkezetének hiánya megnehezíti formális leírásukat - a legtöbb tankönyvben sokkal kevesebb helyet szentelnek a folyadékoknak, mint a gázoknak és a kristályos szilárd anyagoknak. Milyen jellemzői vannak mindhárom halmazállapotnak: szilárd, folyékony és gáz. (asztal)
1) Szilárd: a test megtartja térfogatát és alakját
2) A folyadékok megtartják a térfogatot, de könnyen megváltoztatják alakjukat.
3) A gáznak sem alakja, sem térfogata nincs.

Ugyanannak az anyagnak ezek az állapotai nem a molekulák fajtájában különböznek (ugyanaz), hanem abban, hogy a molekulák hogyan helyezkednek el és hogyan mozognak.
1) Gázokban a molekulák közötti távolság sokkal nagyobb, mint maguknak a molekuláknak a mérete
2) A folyadék molekulái nem oszlanak el nagy távolságra, és a folyadék normál körülmények között megtartja térfogatát.
3) A szilárd anyagok részecskéi meghatározott sorrendben vannak elrendezve. Minden részecske a kristályrács egy bizonyos pontja körül mozog, mint egy óra inga, vagyis oszcillál.
A hőmérséklet csökkenésével a folyadékok megszilárdulnak, és amikor a forráspont fölé emelkednek, gáz halmazállapotúvá válnak. Ez a tény önmagában azt jelzi, hogy a folyadékok a gázok és a szilárd anyagok köztes helyzetét foglalják el, mindkettőtől eltérően. A folyadéknak azonban van hasonlósága ezen állapotok mindegyikével.
Van egy hőmérséklet, amelynél a gáz és a folyadék határa teljesen eltűnik. Ez az úgynevezett kritikus pont. Minden gáznak van egy ismert hőmérséklete, amely felett nem lehet folyékony semmilyen nyomáson; ezen a kritikus hőmérsékleten megszűnik a határ (meniszkusz) a folyadék és telített gőze között. A kritikus hőmérséklet („abszolút forráspont”) létezését D. I. Mengyelejev állapította meg 1860-ban. A második tulajdonság, amely egyesíti a folyadékokat és a gázokat, az izotrópia. Azaz első pillantásra feltételezhető, hogy a folyadékok közelebb állnak a gázokhoz, mint a kristályokhoz. Akárcsak a gázok, a folyadékok is izotrópok, pl. tulajdonságaik minden irányban azonosak. A kristályok éppen ellenkezőleg, anizotrópok: a különböző irányú kristályok törésmutatója, összenyomhatósága, szilárdsága és sok más tulajdonsága eltérő. A szilárd kristályos anyagok rendezett szerkezetűek, ismétlődő elemekkel, ami lehetővé teszi röntgendiffrakciós vizsgálatukat (1912 óta alkalmazott röntgendiffrakciós módszer).

Mi a közös a folyadékokban és a gázokban?
A) Izotrópia. A folyadékok tulajdonságai a gázokhoz hasonlóan minden irányban azonosak, pl. izotróp, ellentétben a kristályokkal, amelyek anizotrópok.
B) A folyadékoknak, akárcsak a gázoknak, nincs meghatározott alakjuk, és tartály alakúak (alacsony viszkozitás és nagy folyékonyság).
Mind a folyadékok, mind a gázok molekulái meglehetősen szabadon mozognak, egymásnak ütközve. Korábban úgy tartották, hogy a folyadék által elfoglalt térfogaton belül minden olyan távolságot, amely meghaladja a sugaruk összegét, egyformán valószínűnek tartották, ti. tagadták a molekulák rendezett elrendezésére való hajlamot. Így a folyadékok és gázok bizonyos mértékig szemben álltak a kristályokkal.
A kutatás előrehaladtával egyre több tény utalt arra, hogy hasonlóságok vannak a folyadékok és szilárd anyagok szerkezete között. Például a hőkapacitások és az összenyomhatósági együtthatók értékei, különösen az olvadáspont közelében, gyakorlatilag egybeesnek egymással, míg a folyadék és a gáz esetében ezek az értékek élesen eltérnek egymástól.
Már ebből a példából levonhatjuk azt a következtetést, hogy a folyadékokban a megszilárdulási hőmérséklethez közeli hőmérsékletű hőmozgás képe szilárd anyagokban és nem gázokban a hőmozgásra hasonlít. Ezzel együtt olyan jelentős különbségek figyelhetők meg az anyag gáz- és folyékony halmazállapota között. A gázokban a molekulák teljesen kaotikusan oszlanak el a térben, azaz. ez utóbbit a szerkezet nélküli oktatás példájának tekintik. A folyadéknak még mindig van egy bizonyos szerkezete. Ezt kísérletileg megerősíti a röntgendiffrakció, amely legalább egy tiszta maximumot mutat. A folyadék szerkezete az, ahogyan molekulái eloszlanak a térben. A táblázat szemlélteti a gáz és a folyékony halmazállapot közötti hasonlóságokat és különbségeket.
Gázfázis Folyékony fázis
1. Az l molekulák közötti távolság általában (alacsony nyomás esetén) sokkal nagyobb, mint az r molekula sugara: l  r ; A gáz által elfoglalt V térfogat csaknem teljes mennyisége szabad térfogat. Folyékony fázisban ezzel szemben l 2. A részecskék átlagos kinetikus energiája, amely 3/2kT, nagyobb, mint az intermolekuláris kölcsönhatásuk potenciális energiája. A molekulák kölcsönhatásának potenciális energiája nagyobb, mint az átlagos kinetika mozgásuk energiája: U3/2 kT
3. A részecskék a transzlációs mozgásuk során ütköznek, az ütközési gyakorisági tényező a részecskék tömegétől, méretétől és hőmérsékletétől függ. Az a rezgésamplitúdó a szabad térfogattól függ, a  (Vf/L)1/3
4. A részecskék diffúziója transzlációs mozgásuk eredményeként következik be, diffúziós együttható D  0,1 - 1 cm2/s (p  105 Pa) és függ a gáznyomástól
(D  p-1) A diffúzió annak eredményeként jön létre, hogy egy részecske egyik sejtből a másikba ugrik ED aktivációs energiával,
D  e-ED/RT nem viszkózus folyadékokban
D  0,3 - 3 cm2/nap.
5. A részecske szabadon forog, a forgási frekvenciát r csak a részecske tehetetlenségi nyomatéka és a hőmérséklet határozza meg, a forgási frekvencia r T1/2 A forgást gátolják a sejt falai, a A részecskét az Er potenciálgát leküzdése kíséri, ami az intermolekuláris kölcsönhatás erőitől függ, vr  e- Er/RT
A folyékony halmazállapot azonban számos fontos mutatóban (kvázikristályosság) közel áll a szilárd halmazállapothoz. A kísérleti tények felhalmozódása azt mutatta, hogy a folyadékokban és a kristályokban sok közös vonás van. Az egyes folyadékok fizikai-kémiai vizsgálatai kimutatták, hogy szinte mindegyikük rendelkezik kristályos szerkezetű elemekkel.
Először is, az intermolekuláris távolságok folyadékban közel vannak a szilárd testben lévőkhöz. Ezt bizonyítja, hogy az utóbbi megolvadásakor az anyag térfogata kissé megváltozik (általában legfeljebb 10%-kal nő). Másodszor, az intermolekuláris kölcsönhatás energiája folyadékban és szilárd anyagban kissé eltér. Ez abból következik, hogy az olvadáshő sokkal kisebb, mint a párolgási hő. Például vízre Hpl = 6 kJ/mol és Hsp = 45 kJ/mol; benzolnál Hpl = 11 kJ/mol, és Hsp = 48 kJ/mol.
Harmadszor, egy anyag hőkapacitása nagyon kevéssé változik az olvadás során, azaz. mindkét állapothoz közel áll. Ebből az következik, hogy a részecskék mozgásának természete a folyadékban közel áll a szilárd testhez. Negyedszer, a folyadék, akárcsak a szilárd anyag, törés nélkül ellenáll a nagy húzóerőknek.
A folyadék és a szilárd anyag közötti különbség a folyékonyság: a szilárd anyag megtartja alakját, a folyadék kis erő hatására is könnyen megváltoztatja azt. Ezek a tulajdonságok a folyadék olyan szerkezeti jellemzőiből fakadnak, mint az erős intermolekuláris kölcsönhatás, a molekulák rövid hatótávolságú elrendeződése és a molekulák azon képessége, hogy viszonylag gyorsan változtatják helyzetüket. Amikor egy folyadékot a fagyásponttól a forráspontig hevítenek, tulajdonságai fokozatosan megváltoznak, a gázhoz való hasonlóságai fokozatosan nőnek.
Mindannyian könnyen felidézhetjük sok olyan anyagot, amelyet folyadéknak tekint. Ennek az halmazállapotnak a pontos meghatározása azonban nem olyan egyszerű, hiszen a folyadékok olyan fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek, hogy bizonyos tekintetben szilárd anyagokra, máshol gázokra hasonlítanak. A folyadékok és szilárd anyagok közötti hasonlóságok leginkább az üveges anyagokban mutatkoznak meg. Átmenetük szilárdból folyékonyba a hőmérséklet emelkedésével fokozatosan megy végbe, és nem kifejezett olvadáspontként, egyszerűen egyre lágyabbá és lágyabbá válnak, így nem lehet megjelölni, hogy melyik hőmérsékleti tartományban nevezzük őket szilárdnak és melyik folyadéknak. Csak azt mondhatjuk, hogy egy üveges anyag viszkozitása folyékony halmazállapotban kisebb, mint szilárd állapotban. A szilárd üvegeket ezért gyakran túlhűtött folyadékoknak nevezik. Nyilvánvalóan a folyadékok legjellemzőbb tulajdonsága, ami megkülönbözteti őket a szilárd anyagoktól, az alacsony viszkozitás, i.e. nagy forgalom. Ennek köszönhetően felveszik az edény alakját, amelybe öntik. Molekuláris szinten a nagy folyékonyság a folyadékrészecskék viszonylag nagyobb szabadságát jelenti. Ebből a szempontból a folyadékok gázokra hasonlítanak, bár a folyadékok közötti intermolekuláris kölcsönhatás erői nagyobbak, a molekulák közelebb helyezkednek el egymáshoz, és mozgásukban korlátozottabbak.
Ezt másként is meg lehet közelíteni - a hosszú távú és a rövid távú rend elképzelése szempontjából. Nagy hatótávolságú rend létezik a kristályos szilárd anyagokban, amelyek atomjai szigorúan rendezetten helyezkednek el, háromdimenziós struktúrákat alkotva, amelyeket az egységcella többszöri megismétlésével kaphatunk. Folyadékokban és üvegekben nincs hosszú távú rend. Ez azonban nem jelenti azt, hogy egyáltalán nem rendelik őket. A legközelebbi szomszédok száma minden atom esetében közel azonos, de az atomok elrendezése, ahogy eltávolodnak bármely kiválasztott pozíciótól, egyre kaotikusabbá válik. Így a rend csak kis távolságokon létezik, innen ered a név: rövidtávú rend. A folyadék szerkezetének megfelelő matematikai leírása csak a statisztikai fizika segítségével adható. Például, ha egy folyadék azonos gömb alakú molekulákból áll, akkor szerkezete leírható a g(r) radiális eloszlásfüggvénnyel, amely megadja annak valószínűségét, hogy a referenciapontnak választott adott molekulától r távolságra bármely molekulát detektáljunk. Ezt a függvényt kísérletileg a röntgensugarak vagy neutronok diffrakciójának vizsgálatával lehet megtalálni, és a nagy sebességű számítógépek megjelenésével számítógépes szimulációval kezdték kiszámítani, a molekulák között ható erők természetére vonatkozó meglévő adatok alapján, vagy ezekre az erőkre vonatkozó feltevésekre, valamint Newton mechanikai törvényeire. Az elméleti és kísérleti úton kapott radiális eloszlásfüggvények összehasonlításával igazolni lehet az intermolekuláris erők természetére vonatkozó feltételezések helyességét.
Azokban a szerves anyagokban, amelyek molekulái hosszúkás alakúak, egyik vagy másik hőmérséklet-tartományban a folyékony fázisnak időnként nagy hatótávolságú orientációs rendű régiói találhatók, ami abban nyilvánul meg, hogy hajlamosak párhuzamosan elhelyezkedni a folyékony fázis hosszú tengelyei. molekulák. Ebben az esetben az orientációs rendeződést a molekulák középpontjainak koordinációs rendeződése kísérheti. Az ilyen típusú folyadékfázisokat általában folyadékkristályoknak nevezik. A folyadékkristályos állapot a kristályos és a folyékony közti állapot. A folyadékkristályok folyékonysággal és anizotrópiával (optikai, elektromos, mágneses) egyaránt rendelkeznek. Néha ezt az állapotot mezomorfnak (mezofázisnak) nevezik - a hosszú távú rend hiánya miatt. A létezés felső határa a tisztulási hőmérséklet (izotróp folyadék). A termotróp (mezogén) FA-k bizonyos hőmérséklet felett léteznek. Tipikusak a cianobifenilek. Liotróp - feloldva, például szappanok, polipeptidek, lipidek, DNS vizes oldatai. A folyadékkristályok vizsgálata (mezofázis - olvadás két szakaszban - zavaros olvadék, majd átlátszó, átmenet a kristályos fázisból a folyadékba egy anizotróp optikai tulajdonságú köztes formán keresztül) technológiai szempontból fontos - folyadékkristályos kijelző.
A gázban a molekulák kaotikusan (véletlenszerűen) mozognak. A gázokban az atomok vagy molekulák közötti távolság átlagosan sokszorosa a molekulák méretének. A gázban lévő molekulák nagy sebességgel mozognak (több száz m/s). Amikor összeütköznek, teljesen rugalmas golyókként pattannak egymásról, megváltoztatva a sebességek nagyságát és irányát. A molekulák közötti nagy távolságok esetén a vonzó erők kicsik, és nem képesek a gázmolekulákat egymás közelében tartani. Ezért a gázok korlátlanul tágulhatnak. A gázok könnyen összenyomódnak, a molekulák közötti átlagos távolság csökken, de továbbra is nagyobb marad a méretüknél. A gázok nem tartják meg sem alakjukat, sem térfogatuk nem esik egybe az általuk kitöltött edény térfogatával és alakjával. A molekuláknak az edény falára gyakorolt ​​számos hatása gáznyomást hoz létre.
A szilárd anyagok atomjai és molekulái bizonyos egyensúlyi helyzetek körül rezegnek. Ezért a szilárd anyagok megtartják térfogatukat és alakjukat is. Ha gondolatban összekapcsolja a szilárd anyag atomjainak vagy ionjainak egyensúlyi helyzetét, akkor kristályrácsot kap.
A folyadék molekulái szinte egymáshoz közel helyezkednek el. Ezért a folyadékokat nagyon nehéz összenyomni és megtartani térfogatukat. A folyadék molekulái egyensúlyi helyzet körül rezegnek. Időről időre egy molekula átmenetet hajt végre egyik álló állapotból a másikba, általában egy külső erő hatásának irányába. A molekula ülepedési ideje rövid és a hőmérséklet emelkedésével csökken, a molekula új ülepedési állapotba való átmenetének ideje pedig még rövidebb. Ezért a folyadékok folyékonyak, nem tartják meg alakjukat, és felveszik az edény alakját, amelybe öntik.

Folyadékok kinetikai elmélete A folyadékok kinetikai elmélete, amelyet Ya I. Frenkel fejlesztett ki, a folyadékot részecskék dinamikus rendszerének tekinti, amely részben kristályos állapotra emlékeztet. Az olvadásponthoz közeli hőmérsékleten a folyadékban a hőmozgás főként a részecskék bizonyos átlagos egyensúlyi helyzetei körüli harmonikus rezgéseire redukálódik. A kristályos állapottal ellentétben a molekuláknak ezek az egyensúlyi helyzetei a folyadékban minden molekula esetében átmeneti jellegűek. Miután egy egyensúlyi helyzet körül oszcillált egy ideig t, a molekula egy új, közeli pozícióba ugrik. Ilyen ugrás az U energia felhasználásával történik, ezért a „beállt élettartam” t a következőképpen függ a hőmérséklettől: t = t0 eU/RT, ahol t0 az egyensúlyi helyzet körüli egy rezgés periódusa. Szobahőmérsékletű víz esetén t » 10-10 s, t0 = 1,4 x 10-12 s, azaz egy molekula körülbelül 100 rezgés után egy új pozícióba ugrik, ahol tovább oszcillál. A röntgensugarak és neutronok szóródására vonatkozó adatokból kiszámítható a részecskeeloszlási sűrűségfüggvény  attól függően, hogy egy középpontnak választott részecske r távolsága van. Nagy hatótávolságú rend jelenlétében kristályos szilárd anyagban a (r) függvénynek számos egyértelmű maximuma és minimuma van. Folyadékban a részecskék nagy mobilitása miatt csak rövid hatótávolságú rendet tartanak fenn. Ez egyértelműen következik a folyadékok röntgendiffrakciós mintázataiból: a folyadékra vonatkozó (r) függvénynek van egy tiszta első maximuma, egy homályos második, majd (r) = const. A kinetikai elmélet a következőképpen írja le az olvadást. A szilárd test kristályrácsában mindig vannak kis mennyiségű üres helyek (lyukak), amelyek lassan vándorolnak a kristály körül. Minél közelebb van a hőmérséklet az olvadásponthoz, annál nagyobb a „lyukak” koncentrációja, és annál gyorsabban mozognak a mintán. Az olvadásponton a „lyukak” keletkezési folyamata lavinaszerű kooperatív jelleget kap, a részecskék rendszere dinamikussá válik, megszűnik a hosszú távú rend, megjelenik a folyékonyság. Az olvadásban a döntő szerepet a folyadékban lévő szabad térfogat képződése játssza, amely a rendszert folyékonysá teszi. A folyékony és a szilárd kristályos test között a legfontosabb különbség, hogy a folyadékban van egy szabad térfogat, amelynek jelentős része ingadozás ("lyuk") formájú, amelynek a folyadékon való vándorlása olyan jellemző minőség, mint a folyékonyság. Az ilyen „lyukak” száma, térfogata és mobilitása a hőmérséklettől függ. Alacsony hőmérsékleten a folyadék, ha nem alakult kristályos testté, a „lyukak” térfogatának és mobilitásának csökkenése miatt nagyon alacsony folyékonyságú amorf szilárd anyaggá válik. A kinetikai elmélet mellett a folyadékok statisztikai elmélete is sikeresen fejlődött az elmúlt évtizedekben.

A jég és a víz szerkezete. Normál körülmények között a legfontosabb és leggyakoribb folyadék a víz. Ez a leggyakoribb molekula a Földön! Kiváló oldószer. Például minden biológiai folyadék tartalmaz vizet. A víz sok szervetlen (sók, savak, bázisok) és szerves anyagokat (alkoholok, cukrok, karbonsavak, aminok) old. Mi ennek a folyadéknak a szerkezete? Ismét vissza kell térnünk ahhoz a kérdéshez, amelyet az első előadásban tárgyaltunk, nevezetesen egy olyan specifikus intermolekuláris kölcsönhatáshoz, mint a hidrogénkötés. A víz, mind folyékony, mind kristályos formában, anomáliás tulajdonságokat mutat éppen a sok hidrogénkötés jelenléte miatt. Mik ezek az anomális tulajdonságok: magas forráspont, magas olvadáspont és magas párolgási entalpia. Nézzük először a grafikont, majd a táblázatot, majd a két vízmolekula közötti hidrogénkötés diagramját. Valójában minden vízmolekula 4 másik vízmolekulát koordinál maga körül: kettőt az oxigén miatt, két magányos elektronpár donoraként két protonált hidrogénnek, kettőt pedig a protonált hidrogéneknek köszönhetően, koordinálva más vízmolekulák oxigénjeivel. Az előző előadásban egy diát mutattam be a VI. csoportba tartozó hidridek olvadáspontját, forráspontját és párolgási entalpiáját ábrázoló grafikonokkal az időszaktól függően. Ezek a függőségek egyértelmű anomáliát mutatnak az oxigén-hidrid esetében. Mindezek a vízparaméterek észrevehetően magasabbak, mint amelyeket a következő kén-, szelén- és tellúr-hidridek majdnem lineáris függése alapján jósolnak. Ezt azzal magyaráztuk, hogy létezik egy hidrogénkötés a protonált hidrogén és az elektronsűrűség-akceptor - oxigén - között. A hidrogénkötést legsikeresebben vibrációs infravörös spektroszkópiával lehet tanulmányozni. A szabad OH-csoport jellegzetes rezgési energiával rendelkezik, amely az O-H kötés váltakozó meghosszabbodását és lerövidülését okozza, így a molekula infravörös abszorpciós spektrumában jellegzetes sáv keletkezik. Ha azonban az OH csoport részt vesz egy hidrogénkötésben, akkor a hidrogénatomot mindkét oldalon atomok kötik össze, így a rezgése „csillapodik”, a frekvencia csökken. A következő táblázat azt mutatja, hogy a hidrogénkötés erősségének és „koncentrációjának” növelése az abszorpciós frekvencia csökkenéséhez vezet. A fenti ábrán az 1. görbe a jégben lévő O-H csoportok infravörös abszorpciós spektrumának maximumának felel meg (ahol az összes H-kötés kapcsolódik); a 2. görbe a CCl4-ben oldott egyedi H2O molekulák O-H csoportjai infravörös abszorpciós spektrumának maximumának felel meg (ahol nincsenek H kötések - a H2O CCl4-ben készült oldata túl híg); a 3. görbe pedig a folyékony víz abszorpciós spektrumának felel meg. Ha a folyékony vízben kétféle O-H csoport lenne - azok, amelyek hidrogénkötést képeznek, és olyanok, amelyek nem -, és bizonyos O-H csoportok a vízben ugyanúgy (ugyanolyan frekvenciával) rezegnének, mint a jégben (ahol H-t képeznek) kötések), és mások - mint a CCl4 környezetében (ahol nem képeznek H-kötést). Ekkor a víz spektrumának két maximuma lenne, ami az O-H csoportok két állapotának felel meg, ezek két jellegzetes rezgési frekvenciája: azzal a frekvenciával, amelyen a csoport rezeg, elnyeli a fényt. De a „két maximum” kép nem figyelhető meg! Ehelyett a 3. görbén egy, nagyon elmosódott maximumot látunk, amely az 1. görbe maximumától a 2. görbe maximumáig terjed. Ez azt jelenti, hogy a folyékony vízben az összes O-H csoport hidrogénkötést képez, de ezeknek a kötéseknek más az energiája, laza” (különböző energiájúak), és különböző módon. Ez azt mutatja, hogy az a kép, amelyen a vízben lévő hidrogénkötések egy része megszakad, és néhány megmarad, szigorúan véve téves. Azonban annyira egyszerű és kényelmes a víz termodinamikai tulajdonságainak leírására, hogy széles körben használják - és mi is kitérünk rá. De szem előtt kell tartanunk, hogy ez nem teljesen pontos.
Így az infravörös spektroszkópia egy hatékony módszer a hidrogénkötések tanulmányozására, és sok információ nyerhető a vele kapcsolatos folyadékok és szilárd anyagok szerkezetéről ezzel a spektrális módszerrel. Ennek eredményeként a folyékony víz esetében a jégszerű modell (O.Ya. Samoilov modellje) az egyik legáltalánosabban elfogadott. E modell szerint a folyékony víznek jégszerű tetraéderes váza van, amelyet hőmozgás zavar (a hőmozgás bizonyítéka és következménye – Brown-mozgás, amelyet először Robert Brown angol botanikus figyelt meg 1827-ben pollenen mikroszkóp alatt) (minden víz a jégkristályban lévő molekulát a jéghez képest csökkentett energiájú hidrogénkötések kötik össze – „laza” hidrogénkötések) négy környező vízmolekulával), ennek a keretnek az üregei részben vízmolekulákkal vannak kitöltve, és a vízmolekulák elhelyezkednek. a jégszerű keret üregeiben és csomópontjaiban energetikailag egyenlőtlenek.

Ellentétben a vízzel, a jégkristályban a kristályrács csomópontjaiban azonos energiájú vízmolekulák találhatók, amelyek csak vibrációs mozgást tudnak végrehajtani. Egy ilyen kristályban rövid és hosszú hatótávolságú rend is van. A folyékony vízben (mint a poláris folyadéknál) a kristályszerkezet egyes elemei megmaradnak (és még gázfázisban is kis, instabil klaszterekbe rendeződnek a folyékony molekulák), de nincs hosszú távú sorrend. Így a folyadék szerkezete eltér a gáz szerkezetétől rövid hatótávolságú rend jelenlétében, de eltér a kristály szerkezetétől nagy hatótávolságú rend hiányában. Ezt a legmeggyőzőbben a röntgensugár-szórás vizsgálata bizonyítja. A folyékony vízben lévő egyes molekulák három szomszédja egy rétegben található, és nagyobb távolságra van tőle (0,294 nm), mint a szomszédos rétegből származó negyedik molekula (0,276 nm). A jégszerű keretben minden vízmolekula egy tükörszimmetrikus (erős) és három központi szimmetrikus (kevésbé erős) kötést alkot. Az első az adott réteg vízmolekulái és a szomszédos rétegek közötti kötésekre vonatkozik, a többi - az azonos réteg vízmolekulái közötti kötésekre. Ezért az összes kapcsolat negyede tükörszimmetrikus, háromnegyede pedig központilag szimmetrikus. A vízmolekulák tetraéderes környezetével kapcsolatos ötletek arra a következtetésre vezettek, hogy szerkezete rendkívül finom, és üregek vannak benne, amelyek mérete megegyezik a vízmolekulák méreteivel vagy nagyobb, mint a mérete.

A folyékony víz szerkezetének elemei. a - elemi víztetraéder (nyitott körök - oxigénatomok, fekete felek - a protonok lehetséges helyzetei a hidrogénkötésen); b - a tetraéderek tükörszimmetrikus elrendezése; c - központilag szimmetrikus elrendezés; d - oxigénközpontok elhelyezkedése a közönséges jég szerkezetében. A vizet a hidrogénkötések miatt jelentős intermolekuláris kölcsönhatási erők jellemzik, amelyek térhálót alkotnak. Ahogy az előző előadásban is mondtuk, a hidrogénkötést egy elektronegatív elemhez kapcsolódó hidrogénatom azon képessége okozza, hogy további kötést hozzon létre egy másik molekula elektronegatív atomjával. A hidrogénkötés viszonylag erős, és molenként több 20-30 kilojoule. Erősségét tekintve köztes helyet foglal el a van der Waals-energia és egy tipikus ionkötés energiája között. Egy vízmolekulában a H-O kémiai kötés energiája 456 kJ/mol, a H…O hidrogénkötésé 21 kJ/mol.

Hidrogénvegyületek
Molekulatömeg Hőmérséklet,  C
Fagyasztás Forrás
H2Te 130 -51 -4
H2Se 81 -64 -42
H2S 34-82-61
H2O 18 0! +100!

Jégszerkezet. Normál jég. Szaggatott vonal - H-kötések. A jég áttört szerkezetében kis üregek láthatók, amelyeket H2O molekulák vesznek körül.
Így a jég szerkezete vízmolekulák áttört szerkezete, amelyek csak hidrogénkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. A vízmolekulák elrendezése a jégszerkezetben meghatározza a széles csatornák jelenlétét a szerkezetben. A jég olvadásakor a vízmolekulák „esnek” ezekbe a csatornákba, ami megmagyarázza a víz sűrűségének növekedését a jég sűrűségéhez képest. A jégkristályok szabályos hatszögletű lemezek, táblás képződmények és összetett alakzatok összenövései formájában fordulnak elő. A normál jég szerkezetét a hidrogén-H kötések határozzák meg: jó ezeknek a kötéseknek a geometriájára (az O-H közvetlenül az O-ra néz), de nem olyan jó a H2O molekulák szoros Vander Waals érintkezésére. Ezért a jég szerkezete áttört benne, a H2O molekulák mikroszkopikus (egy H2O molekulánál kisebb méretű) pórusokat burkolnak be. A jég csipkés szerkezete két jól ismert hatáshoz vezet: (1) a jég kevésbé sűrű, mint a víz, lebeg benne; és (2) erős nyomás alatt – például egy korcsolya pengéje megolvasztja a jeget. A jégben található hidrogénkötések többsége folyékony vízben is megmarad. Ez a jég kis olvadási hőjéből (80 cal/g) következik a víz forráshőjéhez képest (600 cal/g 0°C-on). Mondhatnánk, hogy folyékony vízben a jégben lévő H-kötéseknek csak 80/(600+80) = 12%-a szakad meg. Ez a kép azonban – miszerint a vízben a hidrogénkötések egy része megszakad, néhány pedig megmarad – nem teljesen pontos: inkább a vízben lévő összes hidrogénkötés fellazul. Ezt jól illusztrálják az alábbi kísérleti adatok.

A megoldások felépítése. A vízre vonatkozó konkrét példákból térjünk át más folyadékokra. A különböző folyadékok molekuláik méretében és az intermolekuláris kölcsönhatások természetében különböznek egymástól. Így minden egyes folyadékban van egy bizonyos pszeudokristályos szerkezet, amelyet rövid hatótávolságú rend jellemez, és bizonyos mértékig emlékeztet arra a szerkezetre, amely akkor keletkezik, amikor a folyadék megfagy és szilárd anyaggá alakul. Amikor egy másik anyag feloldódik, pl. Amikor oldat képződik, az intermolekuláris kölcsönhatások természete megváltozik, és egy új szerkezet jelenik meg a részecskék eltérő elrendezésével, mint a tiszta oldószerben. Ez a szerkezet az oldat összetételétől függ, és minden egyes megoldásra jellemző. A folyékony oldatok képződése általában szolvatációs folyamattal jár együtt, pl. az oldószermolekulák egymáshoz igazodása az oldott anyag molekulák körül az intermolekuláris erők hatására. Létezik rövid és hosszú távú megoldás, azaz. Az oldott anyag molekulái (részecskéi) körül elsődleges és másodlagos szolvatációs héjak képződnek. Az elsődleges szolvatációs héjban az oldószermolekulák közvetlen közelében vannak, amelyek együtt mozognak az oldott anyag molekuláival. Az elsődleges szolvatációs héjban elhelyezkedő oldószermolekulák számát szolvatációs koordinációs számnak nevezzük, amely mind az oldószer, mind az oldott anyag természetétől függ. A másodlagos szolvatációs héj lényegesen nagyobb távolságra elhelyezkedő oldószermolekulákat tartalmaz, amelyek az elsődleges szolvatációs héjjal való kölcsönhatás miatt befolyásolják az oldatban lezajló folyamatokat.
A szolvátok stabilitásának mérlegelésekor különbséget teszünk kinetikai és termodinamikai stabilitás között.
Vizes oldatokban a kinetikus hidratáció mennyiségi jellemzői (O.Ya. Samoilov) a i/ és Ei=Ei-E értékek, ahol i és  a vízmolekulák átlagos tartózkodási ideje az egyensúlyban az i-edik ion közelében és tiszta vízben, Ei és E pedig a csere aktiválási energiája és az öndiffúziós folyamat aktiválási energiája vízben. Ezek a mennyiségek hozzávetőleges összefüggésben állnak egymással:
i/  exp(Ei/RT) Ebben az esetben
ha EI  0, i/  1 (az ionhoz legközelebb eső vízmolekulák cseréje ritkábban (lassabb), mint a tiszta vízben a molekulák közötti csere) – pozitív hidratáció
ha EI  0, i/  1 (az ionhoz legközelebb eső vízmolekulák cseréje gyakrabban (gyorsabban) megy végbe, mint a tiszta vízben a molekulák közötti csere) – negatív hidratáció

Tehát a lítium-ionnál EI = 1,7 kJ/mol, a cézium-ionnál pedig Ei= -1,4 kJ/mol, azaz. egy kis „kemény” lítium-ion erősebben tartja meg a vízmolekulákat, mint egy nagy és „diffúz” céziumion, amely azonos töltéssel rendelkezik. A keletkező szolvátok termodinamikai stabilitását a Gibbs-energia szolvatáció közbeni változása határozza meg (solvG) = (solvH) - T(solvS). Minél negatívabb ez az érték, annál stabilabb a szolvát. Ezt elsősorban a szolvatációs entalpia negatív értékei határozzák meg.
A megoldás fogalma és a megoldáselméletek. Az igazi megoldások spontán módon keletkeznek, amikor két vagy több anyag érintkezik, az egyik típusú részecskék közötti kötések megsemmisülése és egy másik típusú kötések kialakulása, valamint az anyag diffúzió következtében a térfogatban való eloszlása ​​következtében. Az oldatokat tulajdonságaik szerint ideális és valós, elektrolit és nem elektrolit oldatokra, hígított és koncentrált, telítetlen, telített és túltelített oldatokra osztják. A raszterek tulajdonságai az IMF természetétől és nagyságától függenek. Ezek a kölcsönhatások lehetnek fizikai természetűek (van der Waals erők) és összetett fizikai-kémiai jellegűek (hidrogénkötés, ion-molekuláris, töltésátviteli komplexek stb.). Az oldatképződés folyamatát a kölcsönható részecskék közötti vonzó és taszító erők egyidejű megnyilvánulása jellemzi. Taszító erők hiányában a részecskék összeolvadnak (összetapadnak), és a folyadékok korlátlanul összenyomódhatnának vonzó erők hiányában, folyadékot vagy szilárd anyagot nem lehetne előállítani. Az előző előadásban az oldatok fizikai és kémiai elméleteivel foglalkoztunk.
Az egységes megoldáselmélet megalkotása azonban jelentős nehézségekbe ütközik, és jelenleg még nem jött létre, bár kutatások folynak a kvantummechanika, a statisztikai termodinamika és fizika, a kristálykémia, a röntgendiffrakció legmodernebb módszereivel. elemzési, optikai módszerek és NMR-módszerek. Reaktív mező. Folytatva az intermolekuláris kölcsönhatás erőinek vizsgálatát, nézzük meg a „reaktív mező” fogalmát, amely fontos a kondenzált anyag és a valódi gázok szerkezetének és szerkezetének, különösen a folyékony halmazállapotnak, és ezáltal az egész fizikai kémiának a megértéséhez. folyékony oldatok.
A reaktív mező poláros és nem poláris molekulák keverékeiben fordul elő, például szénhidrogének és nafténsavak keverékeiben. A poláris molekulák egy bizonyos szimmetriájú mezőt befolyásolnak (a mező szimmetriáját a szabad molekulapályák szimmetriája határozza meg) és a H intenzitású mezőt a nem poláris molekulákon. Ez utóbbiak a töltésszétválás miatt polarizálódnak, ami dipólus megjelenéséhez (indukciójához) vezet. Az indukált dipólusú molekula pedig egy poláris molekulára hat, megváltoztatva annak elektromágneses terét, azaz. reaktív (válasz) mezőt gerjeszt. A reaktív mező megjelenése a részecskék kölcsönhatási energiájának növekedéséhez vezet, ami a poláris molekulák erős szolvatációs héjának létrehozásában fejeződik ki poláris és nem poláris molekulák keverékében.
A reaktív térenergiát a következő képlet segítségével számítjuk ki: ahol:
"-" jel - meghatározza a molekulák vonzását
S – statikus elektromos áteresztőképesség
végtelen – dielektromos állandó a molekulák elektronikus és atomi polarizálhatósága miatt
NA – Avogadro száma
VM – 1 mol poláris anyag által elfoglalt térfogat izotróp folyadékban v = dipólusmomentum
ER - 1 mol poláris anyag energiája oldatban
A "reaktív mező" koncepció lehetővé teszi számunkra, hogy jobban megértsük a tiszta folyadékok és oldatok szerkezetét. A reaktív mező tanulmányozásának kvantumkémiai megközelítését M. V. Bazilevsky és munkatársai a róla elnevezett Fizikai és Kémiai Tudományos Kutatóintézetben dolgozták ki. L. Ya Karpova Így a folyékony állapot problémája vár fiatal kutatóira. A kártyák a kezedben vannak.

Az anyag modern molekuláris kinetikai elméletében egy anyag különböző aggregációs állapotaihoz a részecskék elrendezésének különböző fokú rendezettsége társul. A gázállapotot a molekulák teljesen rendezetlen, kaotikus elrendeződése jellemzi. Ezzel szemben egy ideális kristályban a részecskék szigorú sorrendben vannak elrendezve, amely az egész kristályra kiterjed. A részecskék helyes elrendezését a kristályos szilárd anyagokban kísérletileg igazolják a röntgensugárzás kristályok általi szórásával kapcsolatos kísérletek.

Ezek a kísérletek lehetővé tették például annak megállapítását, hogy számos kristályban az atomok úgynevezett központosított köbös kristályrácsot alkotnak (58. ábra, a). Az ilyen kristályrács helyein elhelyezkedő atomok nagyon meghatározott távolságra helyezkednek el egy tetszőlegesen kiválasztott atomtól (O - az 58. ábrán). A vizsgált kristályrácsra jellemző, hogy a kiválasztott atomtól 8 atom távolságra, atomtávolságra stb.

Az atomok jelzett térbeli eloszlása ​​a rácsban grafikusan ábrázolható úgy, hogy az abszcissza tengelyen és az ordináta tengelyen a távolságokat az O atom körüli sugarú gömbfelület egy négyzetcentiméterén elhelyezkedő atomok számával egyenlő értékkel ábrázoljuk. eredetnek választották.

Ezen elv szerint felépített gráf látható az 58. ábrán, b.

Rizs. 58 A kristályrács szerkezete és a rácsban lévő szomszédos atomok számának függése az angströmben kifejezett távolságtól.

A röntgen módszer lehetővé teszi, hogy a kísérleti eredmények alapján minden vizsgált anyagra hasonló grafikonokat számítsunk ki és készítsünk.

Ennek a módszernek a alkalmazása a legegyszerűbb (atomi) folyadékok szerkezetének vizsgálatára a kristályosodási hőmérsékletükhöz közeli hőmérsékleten egy olyan tény megállapításához vezetett, amely a folyékony halmazállapot elmélete szempontjából rendkívül fontos. Kiderült, hogy ilyen körülmények között a részecskék kristályra jellemző elrendezésének rendje nagyrészt megmarad a folyadékban. Az atomi folyadékok röntgenképei hasonlítanak a porszerű kristályos szilárd anyagok röntgensugarait. Hasonló kísérletek kimutatták, hogy a hőmérséklet emelkedésével ez a rendezettség csökken, a folyadékrészecskék elrendeződése megközelíti a gázrészecskékre jellemző elrendeződést. Számos elméletet javasoltak e kísérletek eredményeinek magyarázatára. Az egyik szerint a folyadék szubmikroszkópos kristályokból áll, amelyeket egy amorf állapotú anyag vékony filmjei választanak el, amelyeket a részecskék véletlenszerű elrendezése jellemez. A szubmikroszkópos kristályokat kibotaktikus régióknak nevezték. A valódi kristályokkal ellentétben a cibotaktikus régiók nincsenek élesen körvonalazva

zökkenőmentes átmenet a részecskék rendezetlen elrendezésű területeibe. Ráadásul a cibotaktikus régiók nem állandóak, folyamatosan megsemmisülnek és újból felbukkannak. A részecskék rendezett elrendezésű régióinak jelenléte azt a tényt eredményezi, hogy a folyadék legtöbb molekulájánál a velük szomszédos részecskék egy adott folyadékra jellemző sorrendben helyezkednek el. Az egyes kibotaktikai csoportok egymáshoz viszonyított kaotikus orientációja miatt azonban a molekulák rendezett elrendezése csak az adott molekulához legközelebb eső szomszédokra terjed ki.

Rizs. 59. Ideális kristály és folyadék szerkezetének összehasonlítása.

Három-négy molekulaátmérő távolságban a sorrend olyan erősen csökken, hogy nincs értelme az anyagrészecskék elrendezésének helyes sorrendjéről beszélni.

Ma már általánosan elfogadott, hogy a folyadékot a részecskéinek elrendeződésében kis hatótávolságú rendezettség jellemzi, ellentétben a kristályokkal, amelyekre a nagy hatótávolságú rendezettség jellemző.

A kristályos szilárd és a folyadék szerkezetének különbségét az 59. ábra mutatja vázlatosan. Az ábra bal oldalán egy ideális hipotetikus kristály szerkezete látható. Szerkezeti részecskéi a kristályban bárhol szigorúan meghatározott helyet foglalnak el egymáshoz képest. Folyadékokban (a jobb oldali ábrán) azonban egy tetszőlegesen kiválasztott O molekula közelében a szomszédos molekulák a kristályoshoz nagyon közeli (irány és attól eltérő (irány) elrendezésűek lehetnek. Mindenesetre egy folyadék a szomszédos molekulák szinte „kristályos” elrendezése („rövid hatótávolságú rend”) és a szigorú sorrend megsértése a nagy hatótávolságú molekulák elrendezésében (a „hosszú hatótávolságú rend” hiánya).

Azt is meg kell jegyezni, hogy a vizsgált ábrán a részecskék rendezetten elrendezett száma (59. ábra, a)

ugyanaz a részecskék számával, amelyek rendezetlenül helyezkednek el (59. ábra, b). A megfelelő területek összehasonlítása meggyőz arról, hogy a folyadékokra jellemző részecskék rendezetlen elrendezésével nagyobb térfogatot foglal el, mint egy rendezett, kristályossal.

A folyadékok röntgendiffrakciós vizsgálatainak eredményei a folyadék kvázikristályos szerkezetének koncepciója alapján is magyarázhatók. Ennek magyarázatára térjünk át az atomok ideális kristályban való elrendezésére. Ha gondolatban kiválaszt egy atomot egy ilyen kristályban, és megpróbálja meghatározni, hogy mekkora a valószínűsége annak, hogy egy szomszédos atommal találkozik az elsőtől távolabb, akkor hőmozgás hiányában a kívánt valószínűség nullával egyenlő, ha a távolság kisebb, mint az a távolság, amelynél egyenlővé válna az egységgel. Ez azt jelenti, hogy egy adott irányban egy szomszédos atom mindig azonos távolságra találkozna az eredetitől.

Nagyobb, de kisebb távolságoknál a kívánt valószínűség ismét nulla, távolságban pedig egy. Ez a helyzet az egész kristályon megismétlődne: az atommal való találkozás valószínűsége egyenlő lenne az egységgel minden távolságra, amely többszöröse

Az atomok termikus rezgésmozgása egy kristályban oda vezet, hogy a szomszédos atommal való találkozás valószínűsége nem lesz egyenlő nullával az egyik esetben sem, ha a szomszédos atom oszcillálva kissé megközelíti a tőle indulóat amely számít, és egy másik esetben - törlésre kerül. Grafikusan az atommal való találkozás valószínűségének változását az atom és a referenciapontként választott atom közötti távolság függvényében egy karakterisztikus görbe ábrázolja (60. ábra felső része).

A grafikon megkülönböztető jellemzője a görbe egyes harang alakú szakaszainak szélességének állandósága. Ez az állandóság jelzi a rend megőrzését az egész kristályban.

Folyadékban más kép figyelhető meg (60. ábra, lent). Minőségileg megváltozik annak a valószínűsége, hogy az eredeti atomtól tetszőleges távolságban találkozunk egy atommal, akárcsak egy kristályban. Ebben az esetben azonban csak a görbe első harang alakú szakaszát fejezzük ki egyértelmű maximumként. Az ezt követő harang alakú szakaszok kitágulva átfedik egymást, így a görbén lévő maximumok viszonylag gyorsan eltűnnek.

Így a folyadékban egymáshoz közel eső részecskék elrendezése hasonlít a kristályos részecskék elrendezésére.

szilárd test Ahogy távolodsz az eredeti atomtól, amelyhez képest a számítás történik, a részecskék helyzete egyre rendezetlenebbé válik. A részecskék bármely távolságból való találkozásának valószínűsége megközelítőleg azonos lesz, mint a gázoknál.

Természetesen az atomok elhelyezkedésének bizonytalanságának növekedése nem a termikus rezgéseik amplitúdójának növekedésével magyarázható, hanem a folyékony részecskék elrendeződésében bekövetkező véletlenszerű zavarokkal.

Hangsúlyozandó, hogy folyadékoknál a valószínűségi görbe első maximuma (60. ábra) sincs teljesen feloldva, vagyis a görbe nem érinti a maximumtól jobbra lévő abszcissza tengelyt.

Rizs. 60. Az atomok valószínű eloszlása ​​ideális kristályban és folyadékban

Fizikailag ez azt jelenti, hogy egy folyadékban az adotthoz legközelebb eső részecskék száma nem szigorúan állandó, mint egy kristályban.

Folyadékban helyesebb csak a legközelebbi szomszédok átlagos számának állandóságáról beszélni.

A folyadékok röntgendiffrakciós vizsgálatainak jelenleg rendelkezésünkre álló eredményei mind a cibotaktikus csoportok, mind a folyadék kvázikristályos szerkezetének koncepciója alapján magyarázhatók. Meg kell jegyezni, hogy a folyadék mikrokristályos és kvázikristályos elmélete között kicsi a különbség. Ha a folyékony részecskék átlagos elrendeződését vizsgáljuk többé-kevésbé hosszú időn keresztül, akkor mindkét elmélet ugyanarra az eredményre vezet.

Mindkét elméletnek megvan az a hátránya, hogy miközben leírja a folyadék szerkezetének minőségileg helyes jellemzőit, nem teszi lehetővé a folyadék tulajdonságainak kvantitatív jellemzését.

A folyékony halmazállapotú „kristályos” elméletek széles skálája az úgynevezett „lyuk” elmélet

folyadékok. Ezen elmélet szerint a folyadék olyan, mint egy kristály, amelyben nagyszámú atom elmozdul a velejáró egyensúlyi helyzetéből. Amikor egy atomot kimozdítunk egyensúlyi helyzetéből, egyfajta szabad tér marad, amit „lyuknak” nevezünk.

Az elmélet szerint a folyadékban lévő „lyukak” többé-kevésbé kitágult terek a molekulák között, amelyek spontán keletkeznek, kitágulnak, majd összehúzódnak és újra eltűnnek.

A folyadék „lyuk” elméletében az állapotegyenlet Ya I. Frenkel szerint a következő:

Itt V a folyadék moláris térfogata hőmérsékleten, az a minimális térfogat, amelyet a folyadék el tud foglalni; lyukképzési energia; Boltzmann-állandó; Avogadro száma; minimális furattérfogat.

Amint azt már többször hangsúlyozták, a hőmérséklet emelkedésével a folyadékok és a szilárd anyagok hasonlósága csökken, és nő a hasonlóságuk a megfelelő gázokhoz. Ezért nem meglepő, hogy a folyadékok tulajdonságainak magyarázata során a folyadék fentebb tárgyalt „kristályos” modelljeivel együtt elterjedtek azok az elméletek, amelyekben a folyadékot egy erősen sűrített gázhoz hasonlítják. Ezekben az elméletekben fontos szerepet játszik a folyadék szabad térfogatának gondolata, amelyet nehéz pontosan meghatározni. A jelenleg létező módszerek a folyadék szabad térfogatának kiszámítására nagyjából hozzávetőlegesek, és általában olyan értékekhez vezetnek, amelyek eltérnek egymástól.

A szabad térfogat elméletei közül a legfejlettebb a folyadék úgynevezett „sejt” elmélete.

Tekintettel arra, hogy a folyékony molekulák egymáshoz közel helyezkednek el, mindegyik egy sejtbe zártnak tekinthető, amelynek falát a legközelebbi szomszédai alkotják. A molekulák helyet cserélhetnek, így a szellemileg kiválasztott sejt közepén elhelyezkedő molekula egy idő után a szomszédos sejtbe költözhet. Az ilyen részecskevándorlás azonban viszonylag ritkán fordul elő, és a molekula ideje nagy részét egy adott sejten belül tölti.

Egy molekula mozgása egy sejtben a legközelebbi szomszédai által alkotott erőtérben történik, amelynek számát egyszerű folyadékok esetén 12-nek tételezzük fel.

Mivel ez az elmélet magas hőmérsékletű folyadékokra alkalmazható, amikor az anyag szerkezetének befolyása gyakorlatilag nem változik, az erőtér, amelyben a részecske mozog, gömbszimmetrikusnak tekinthető.

A molekuláris kölcsönhatás potenciális energiájának a részecskék távolságától való függésének egy bizonyos formáját tovább véve, és számos leegyszerűsítő feltevést teszünk, kifejezést találhatunk az egységcellában található részecske potenciális energiájára. Ezt a kifejezést általában a következő formában adják:

ahol V egy gömb alakú cella térfogata részecskénként és állandók.

A folyadék állapotegyenlete ebben az esetben a következő formában írható fel:

Itt a nyomás, a Boltzmann-állandó és a hőmérséklet. Ha az értéket az utolsó kifejezésbe helyettesítjük, lehetséges az egyes folyadékok számos fizikai és kémiai jellemzőjének számszerűsítése. Például a folyadékok sejtelmélete segítségével ki lehet számítani különféle egyszerű anyagok kritikus paramétereit. A kritikus hőmérséklet számított értékei a legegyszerűbb gázok esetében abszolút skálán egyenlőnek bizonyultak a hidrogénnél 41°, a neonnál 47°, a nitrogénnél 128° és az argonnál 160°, míg a kísérleti értékek rendre 33°, 44°, 126° és 150° K. Ebben a példában az elméletileg számított értékek és a kísérletileg megállapított értékek közötti egyezés elég kielégítő.

Megjegyzendő azonban, hogy a nyomásra fentebb írt kifejezés szigorúan véve valódi gázra érvényes, folyadékra nem, ezért nincs okunk arra, hogy az elmélet és a kísérlet között nagyon jó egyezést várjunk. Ennek ellenére a szabadtérfogat-elméletnek megvannak a maga előnyei, amelyek között meg kell jegyeznünk az alkalmazott fizikai modellek egyszerűségét és az elmélet és a kísérlet kvantitatív összehasonlításának lehetőségét.

A sejtelmélet lehetővé teszi a folyadékok tulajdonságainak viszonylag egyszerű magyarázatát, és első közelítéssel kiszámítani néhány jellemzőt.

Elméletileg a folyadék statisztikai elmélete szigorúbb. Ebben az elméletben két fizikai mennyiség játszik főszerepet. Ezen mennyiségek közül az elsőt radnális eloszlási függvénynek, a másodikat intermolekuláris potenciálnak nevezik. Sugárirányú

az eloszlásfüggvény meghatározza annak valószínűségét, hogy egy folyadékban egy adott távolságban egy tetszőlegesen kiválasztott részecskepár találkozik, amely a tól ig terjedő tartományban található. Az intermolekuláris potenciál meghatározza a folyadékmolekulák kölcsönhatását. E két mennyiség ismerete lehetővé teszi, hogy elméletileg szigorú halmazállapot- és energiaegyenleteket írjunk le, és mennyiségileg kifejezzük különféle fizikai és kémiai jellemzőit.

Számos folyadék sugárirányú eloszlási függvénye kísérletileg meghatározható röntgenszerkezeti elemzési adatok alapján. Az egyes folyadékok intermolekuláris potenciáljának meghatározásában és kiszámításában tapasztalható jelentős nehézségek azonban arra kényszerítenek bennünket, hogy a kapott egyenleteket megközelítőleg megoldjuk.

Ez a körülmény megnehezíti a folyadékok statisztikai elméletének a kísérlettel való kvantitatív összehasonlítását. Nem szabad azonban megfeledkeznünk arról, hogy ez az elmélet minőségileg helyesen jósolja meg a folyadékok számos tulajdonságát és a benne rejlő mintázatokat.

A folyékony halmazállapotú statisztikai elmélet egyik előnye az anyag különféle tulajdonságainak helyes előrejelzésének képessége.

A jövőben, amikor az intermolekuláris potenciál elméletileg szigorú kifejezését találjuk, és a számítási nehézségeket leküzdjük, a statisztikai elmélet lehetővé teszi az anyag folyékony halmazállapotának jellemzőinek jobb megértését.