Структура и общие свойства жидкостей

ЛЕКЦИЯ №5

ЖИДКОСТИ.

Вещество в зависимости от условий, в которых оно находится, может иметь разные агрегатные состояния: твердое, жидкое, газообразное или состояние плазмы. Главным образом это зависит от температуры Т и давления – р. Значения этих параметров определяет характер взаимодействия между молекулами от чего, в свою очередь, зависит структура и свойства вещества. Жидкости в этом смысле занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами. В частности, для жидкости, как и для кристаллических тел, характерно наличие определённого объёма, и вместе с тем жидкость, подобно газу, принимает форму сосуда, в котором находится. Тем не менее жидкость нельзя рассматривать просто как сильно сжатый газ: количественное различие в плотностях настолько велико, что свойства жидкостей во многом значительно отличаются от свойств газов. В первую очередь это относится к различию в характере теплового движения молекул жидкости и газа.

Свойства жидкостей их структура, особенности движения молекул представляют особый интерес для биофизиков и медиков, т.к. биоорганизмы больше, чем на половину состоят из жидкостей. Обмен веществ, снабжение клеток кислородом, выведение из организмов продуктов жизнедеятельности обеспечивается именно перемещением жидкостей.

Молекулы в жидкостях находятся значительно ближе друг к другу, чем в газах. По этой причине силы межмолекулярного взаимодействия в жидкости значительно больше, чем в газе. Соответственно поправка р´= а/V² на добавочное давление в уравнении состояния Ван-дер-Ваальса, как показывает расчёт, очень велика: примерно в 10⁶ раз больше, чем в газах. Например, для воды ван-дер-ваальсово давление равно примерно 11 000 атмосфер. Именно этой огромной величиной молекулярного давления объясняется ничтожно малая сжимаемость жидкостей даже при значительном изменении внешнего давления.

Структура жидкостей (их молекулярное строение) характерна тем, что расстояние между частицами является неодинаковым и непостоянным. В расположении молекул и атомов наблюдается ближний порядок. Это означает, что ближайшие соседи каждой молекулы по отношению друг к другу имеют определенную ориентацию и расположение. Однако, по мере удаления от «центра наблюдения» расположение частиц становится все менее упорядоченным и уже на расстояниях 3–4-ёх молекулярных диаметров совершенно исчезает (рис.1- Яковлев, стр. 208). Наличие ближнего порядка в расположении молекул жидкости подтверждено данными рентгеноструктурного анализа. В целом это обуславливает изотропию свойств жидкостей.

Исключение в этом плане составляют жидкости с удлиненной или дискообразной формой молекул, для которых, при определенных условиях, упорядоченная ориентация частиц наблюдается в пределах значительных объёмов. Такие жидкости получили название жидких кристаллов, т.к. для них, в силу указанной особенности структуры, наблюдается анизотропия механических, оптических, электрических и др. свойств, подобно тому, как это имеет место в кристаллах.

Тепловое движение частиц жидкости, по теории Я. И. Френкеля, представляет собой периодические колебания, со средней частотой ν₀ ~10¹² с^-1, которые чередуются с нерегулярными переходами, «скачками», частиц с места на место. При этом частица перемещается на расстояние δ ~ 10^-8 – 10^-10 м, равное среднему расстоянию между молекулами. Т.к. среднее расстояние между молекулами того же порядка, что и их размеры, то перемещение частиц по объёму жидкости крайне затруднено. Среднее время пребывания молекул на одном месте, время «оседлой жизни» (время релаксации), связано с периодом их колебаний и быстро убывает с ростом температуры:

, (1)

где Е_а – энергия активации: энергия, которую должна приобрести молекула для разрыва молекулярных связей со своими соседями при смене места; k – постоянная Больцмана; ₀ – средний период колебаний молекул. Среднее значение скорости поступательного движения молекул жидкости при «скачке»: ~ 40 м/с, что примерно в 20 раз меньшие, чем для газа при той же температуре.

В случае несферической формы молекулы жидкости могут совершать кроме колебаний также вращательное и вращательно-колебательное движения.

Такая структура жидкостей и характер поведения её молекул обеспечивает сильно выраженную самодиффузию частиц жидкости и её основное свойство – текучесть. Вместе с тем, жидкости практически несжимаемы и сохраняют свой объем подобно твердым телам. Сближает жидкости с твердыми телами и то обстоятельство, что они способны сопротивляться растяжению.

По сравнению с газами жидкости обладают значительным коэффициентом теплового расширения. Значения коэффициентов объёмного расширения при постоянном давлении (p = const):

(2)

приведены в таблице (Яковлев сттр. 213).

Молярные теплоёмкости С_р и С_V для жидкостей тоже существенно отличаются от соответствующих значений для их паров. (табл Яковлнев стр. 214)

Интересно отметить, что для жидкостей не выполняется уравнение Майера: С_р – С_V = R. В тоже время из теории известно, что значения γ = С_р /С_V для жидкостей примерно такие же, как и у газов.