Структура жидкостей. Испарение и кипение. Поверхностное натяжение и вязкость

Жидкость как состояние вещества характеризуется двумя основными свойствами: она занимает определенный объем и обладает текучестью. Первое свойство свидетельствует о том, что молекулы жидкости притягиваются друг к другу, тогда как из второго следует, что они обладают большей свободой, чем молекулы в твердом теле. Молекулы жидкости не только совершают непрерывные колебания (с частотой миллион миллионов колебаний в секунду) относительно положения равновесия, но и перепрыгивают из одного положения равновесия в другое приблизительно с той же частотой.

Покоящаяся жидкость не подвержена деформации сдвига (в отличие от твердого тела), поскольку давление в любой точке жидкости одинаково во всех направлениях. Величина этого давления равна произведению расстояния от поверхности жидкости, ее плотности и ускорения силы тяжести. На погруженное в жидкость тело действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной им жидкости. Этот факт известен как закон Архимеда.

Силы, действующие между молекулами на поверхности (А) жидкости, заставляют ее вести себя подобно натянутой «пленке». Поверхность жидкости в стеклянном резервуаре (Б) искривляется по-разному в зависимости от того, притягивает ли стекло жидкость слабо, как, например, ртуть (1), или сильно, как воду (2). Маслянистая жидкость (В), прилипшая к одежде (3), слабо притягивается водой (4); моющее средство образует новый поверхностный слой (5), который, с одной стороны, притягивается к воде, а с другой-к маслянистой жидкости [моющее средство (6) отчасти подобно маслу, а отчасти-соли]. Некоторые моющие средства (Г) предохраняют пузырьки газа (7) от разрушения. Это позволяет отделять руду (8) ОТ ПОЧВЫ и песка (9) посредством флотации.

Структура жидкостей. Методом рентгеноструктурного анализа, обычно применяемым для изучения строения твердых тел, было установлено, что и в жидкости встречаются небольшие участки, где молекулы расположены упорядоченно. Однако подобной упорядоченности не наблюдается во всем объеме жидкости, что отличает ее от твердого тела. В плотной гексагональной структуре решетки твердого тела каждая молекула имеет 12 ближайших соседей. В жидкости аналогичное число составляет 4-11 и непрерывно меняется.

Среднее расстояние между молекулами в жидкости больше, чем в твердом теле (этим объясняется, почему твердые тела, как правило, расширяются при плавлении). Тем не менее молекулы в жидкости трудно сжать плотнее-жидкость практически несжимаема. Благодаря этому свойству жидкость способна передавать давление по трубке.

Атомы и молекулы в веществе находятся в непрерывном движении, энергия которого зависит от температуры. В жидкости такое движение мешает образованию какой- либо устойчивой межмолекулярной структуры, однако благодаря наличию сил притяжения общий объем жидкости поддерживается постоянным. Между молекулами воды существует много периодически замыкающихся связей (голубые). В массе воды непрерывно образуются и исчезают мельчайшие полости (1), поэтому структура воды изменчива.

Испарение и кипение. При нагревании молекулы жидкости начинают двигаться быстрее, и, когда температура поднимается до точки кипения, жидкость превращается в газ (пар). Энергия, затрачиваемая на испарение, называется теплотой парообразования. И наоборот, по мере охлаждения жидкости ее молекулы движутся все медленнее, затем «закрепляются» в фиксированных положениях, и жидкость превращается в твердое тело. Количество тепла, необходимое для обратного превращения твердого тела в жидкость при неизменной температуре, называется теплотой плавления.

Самый распространенный метод измерения температуры основан на свойстве жидкостей расширяться при нагревании. Ртутный термометр (слева) действует в довольно широком интервале температур (от - 39° С до 360*С). Однако для измерения незначительных изменений температуры он должен иметь большой наконечник (резервуар) и тонкий стержень. Для измерения более низких температур часто используют спирт, который расширяется сильнее ртути, однако он кипит при температуре 78°С. Жидкостные стеклянные термометры удобны в обращении

Даже при обычных температурах (ниже точки кипения) некоторые молекулы «выпрыгивают» с поверхности жидкости, образуя пар,- жидкость испаряется. В закрытом сосуде устанавливается равновесие между жидкостью и насыщенным паром; молекулы покидают жидкость с той же скоростью, с какой возвращаются в нее.

При кипении молекулы жидкости должны совершить некоторую работу, чтобы преодолеть атмосферное давление. Если давление уменьшается, жидкость кипит при меньшей температуре, и, наоборот, с увеличением давления температура кипения повышается. Если в жидкости нет каких-либо мелких частиц, вокруг которых могут образовываться пузырьки пара, кипение затрудняется. Это приводит к перегреву жидкости, что и происходит при кипении абсолютно чистой воды. Вода ведет себя несколько иначе, чем большинство жидкостей, и не подчиняется многим законам, обычно применимым к жидкостям. В основном вещества при плавлении расширяются примерно на 5-15%; вода же (точнее, лед) при этом сжимается на 10%, а при замерзании расширяется.

Подобное «нетипичное» поведение воды объясняется высокой симметрией межмолекулярных сил в воде (вызываемой водородными связями). В твердом состоянии вода (лед) образует очень свободную структуру, которая исчезает при таянии. Плотность воды достигает максимума при температуре около 4°С.

Поверхностное натяжение и вязкость. Внутри жидкости каждая молекула равномерно притягивается всеми молекулами, окружающими ее с разных сторон, и суммарное действие всех этих сил равно нулю. Но на поверхности силы, противодействующие притяжению снизу, отсутствуют. Поэтому молекулы, лежащие на поверхности жидкости, испытывают на себе действие силы, втягивающей их внутрь. Число молекул на поверхности стремится к минимуму, и поверхность ведет себя, словно натянутая пленка под напряжением. Эффект поверхностного натяжения позволяет маленьким плотным телам, например иглам или некоторым насекомым, «плавать» на поверхности воды.

Вода, капающая из отверстия стеклянной трубки, под действием сил поверхностного натяжения принимает форму капли. Притяжение между молекулами придает капле сферическую форму, так как силы поверхностного натяжения стремятся сократить ее поверхность (а сфера имеет минимальную поверхность при данном объеме). Однако, поскольку на каплю действует также и сила тяжести, сферическая форма ее искажается.

Вода смачивает стекло, потому что сила сцепления между молекулами воды и стекла больше, чем между соседними молекулами воды. И наоборот, сила сцепления между молекулами ртути больше, чем между молекулами стекла и ртути, поэтому ртуть не растекается по стеклу. Жидкость, подобная воде, втягивается в тонкую стеклянную трубку, поднимается по ней, и ее поверхность выгибается внутрь (жидкость имеет отрицательный мениск). Ртуть, напротив, вытесняется из стеклянной трубки и имеет выпуклую поверхность (т. е. обладает положительным мениском).

Машинное масло более вязко, чем вода. Это нетрудно заметить, наблюдая, как эти жидкости вытекают из сосудов. Вода течет значительно свободнее масла, поскольку слои молекул воды легче скользят друг относительно друга, чем слои молекул масла. Обычно вязкость жидкости уменьшается с увеличением температуры. Проводятся многочисленные исследования с целью получения подходящих масел для автомобильных двигателей и коробок передач, в том числе и таких, вязкости которых при нагревании изменяются.

Воду проще вылить из сосуда, чем, например, патоку, поэтому говорят, что патока более вязкая, чем вода. Такое различие в поведении этих жидкостей объясняется при помощи простой модели. Один слой молекул жидкости скользит по другому. Чтобы произошло скольжение, каждая молекула в слое, движущемся быстрее, должна преодолеть притяжение ближайших молекул в прилегающем слое. Это требует определенных затрат энергии, в результате жидкость тормозится. Вязкость уменьшает скорость движения слоя относительно соседних слоев. При нагревании жидкость получает дополнительную энергию, поэтому, как и следовало ожидать, с ростом температуры вязкость уменьшается: горячая патока выливается легче, чем холодная.