Στην καθημερινή ζωή, βρισκόμαστε συνεχώς αντιμέτωποιτρεις καταστάσεις ύλης - υγρή, αέρια και στερεά. Έχουμε μια αρκετά σαφή ιδέα για το τι είναι τα στερεά και τα αέρια. Το αέριο είναι μια συλλογή μορίων που κινούνται τυχαία προς όλες τις κατευθύνσεις. Όλα τα μόρια ενός στερεού διατηρούν τη σχετική τους θέση. Κάνουν μόνο μικρές διακυμάνσεις.
Χαρακτηριστικά μιας υγρής ουσίας
Και τι είναι οι υγρές ουσίες;Το κύριο χαρακτηριστικό τους είναι ότι, καταλαμβάνοντας μια ενδιάμεση θέση μεταξύ κρυστάλλων και αερίων, συνδυάζουν ορισμένες ιδιότητες αυτών των δύο καταστάσεων. Για παράδειγμα, για τα υγρά, καθώς και για τα στερεά (κρυσταλλικά) σώματα, η παρουσία όγκου είναι εγγενής. Ωστόσο, ταυτόχρονα, οι υγρές ουσίες, όπως τα αέρια, παίρνουν τη μορφή δοχείου στο οποίο βρίσκονται. Πολλοί από εμάς πιστεύουμε ότι δεν έχουν τη δική τους μορφή. Ωστόσο, δεν είναι. Η φυσική μορφή οποιουδήποτε υγρού είναι μια μπάλα. Η βαρύτητα συνήθως το εμποδίζει να πάρει αυτό το σχήμα, οπότε το υγρό είτε παίρνει το σχήμα αγγείου είτε απλώνεται στην επιφάνεια σε ένα λεπτό στρώμα.
Σύμφωνα με τις ιδιότητές του, η υγρή κατάσταση της ύληςιδιαίτερα δύσκολο λόγω της ενδιάμεσης θέσης του. Άρχισε να μελετάται από την εποχή του Αρχιμήδη (πριν από 2200 χρόνια). Ωστόσο, η ανάλυση του τρόπου συμπεριφοράς των υγρών μορίων εξακολουθεί να είναι ένας από τους πιο δύσκολους τομείς της εφαρμοσμένης επιστήμης. Δεν υπάρχει ακόμα γενικά αποδεκτή και πλήρως πλήρης θεωρία για τα υγρά. Ωστόσο, μπορούμε να πούμε κάτι για τη συμπεριφορά τους με βεβαιότητα.
Συμπεριφορά μορίων σε ένα υγρό
Το υγρό είναι κάτι που μπορεί να ρέει.Η σειρά μικρής εμβέλειας παρατηρείται στη διάταξη των σωματιδίων του. Αυτό σημαίνει ότι διατάσσεται η διάταξη των πλησιέστερων γειτόνων σε σχέση με οποιοδήποτε σωματίδιο. Ωστόσο, καθώς απομακρύνεται από τους άλλους, η θέση της σε σχέση με αυτούς γίνεται όλο και λιγότερο τακτοποιημένη και τότε η τάξη εξαφανίζεται τελείως. Τα υγρά αποτελούνται από μόρια που κινούνται πολύ πιο ελεύθερα από ότι στα στερεά (και ακόμη πιο ελεύθερα στα αέρια). Για ένα ορισμένο χρονικό διάστημα, ο καθένας τους ορμάει προς μια κατεύθυνση και μετά προς μια άλλη, χωρίς να απομακρύνεται από τους γείτονές του. Ωστόσο, ένα μόριο ενός υγρού διαφεύγει από το περιβάλλον από καιρό σε καιρό. Βρίσκεται σε ένα νέο, μετακομίζοντας σε άλλο μέρος. Εδώ πάλι για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα κάνει ταλαντευόμενες κινήσεις.
Η συμβολή του Ya. I. Frenkel στη μελέτη των υγρών
ΕΓΩ ΚΑΙ.Ο Frenkel, ένας Σοβιετικός επιστήμονας, είναι σε μεγάλο βαθμό υπεύθυνος για την ανάπτυξη μιας σειράς προβλημάτων σχετικά με ένα τέτοιο θέμα όπως οι υγρές ουσίες. Η Χημεία έχει κάνει μεγάλα βήματα προς τα εμπρός χάρη στις ανακαλύψεις του. Πίστευε ότι η θερμική κίνηση στα υγρά έχει τον εξής χαρακτήρα. Για ορισμένο χρόνο, κάθε μόριο δονείται γύρω από μια θέση ισορροπίας. Ωστόσο, αλλάζει θέση από καιρό σε καιρό, μετακινούμενος απότομα σε μια νέα θέση, η οποία βρίσκεται σε απόσταση από την προηγούμενη που είναι περίπου όσο το μέγεθος αυτού του μορίου. Με άλλα λόγια, τα μόρια κινούνται μέσα σε ένα υγρό, αλλά αργά. Μέρος του χρόνου μένουν κοντά σε ορισμένα μέρη. Κατά συνέπεια, η κίνησή τους είναι κάτι σαν ένα μείγμα κινήσεων που εκτελούνται σε ένα αέριο και σε ένα στερεό. Οι ταλαντώσεις σε ένα μέρος μετά από λίγο αντικαθίστανται από μια ελεύθερη μετάβαση από μέρος σε μέρος.
Πίεση υγρού
Γνωρίζουμε μερικές από τις ιδιότητες μιας υγρής ουσίας.χάρη στη συνεχή αλληλεπίδραση μαζί τους. Έτσι, από την εμπειρία της καθημερινής ζωής, γνωρίζουμε ότι δρα στην επιφάνεια των στερεών που έρχονται σε επαφή μαζί του, με ορισμένες δυνάμεις. Ονομάζονται δυνάμεις πίεσης ρευστού.
Για παράδειγμα, ανοίγοντας την οπή της βρύσηςχτυπάμε με το δάχτυλο και ανοίγοντας το νερό, νιώθουμε πώς πιέζει το δάχτυλο. Και δεν είναι τυχαίο ότι ένας κολυμβητής που καταδύεται σε μεγάλα βάθη βιώνει πόνο στα αυτιά του. Εξηγείται από το γεγονός ότι οι δυνάμεις πίεσης δρουν στο τύμπανο του αυτιού. Το νερό είναι μια υγρή ουσία, επομένως έχει όλες τις ιδιότητές του. Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας του νερού στο βάθος της θάλασσας θα πρέπει να χρησιμοποιούνται πολύ ισχυρά θερμόμετρα ώστε να μην μπορούν να συνθλίβονται από την πίεση του υγρού.
Η πίεση αυτή οφείλεται σε συμπίεση, δηλ.αλλαγή στον όγκο του υγρού. Διαθέτει ελαστικότητα σε σχέση με αυτή την αλλαγή. Οι δυνάμεις της πίεσης είναι οι δυνάμεις της ελαστικότητας. Επομένως, εάν ένα υγρό δρα σε σώματα που έρχονται σε επαφή με αυτό, σημαίνει ότι συμπιέζεται. Δεδομένου ότι η πυκνότητα μιας ουσίας αυξάνεται κατά τη συμπίεση, μπορεί να υποτεθεί ότι τα υγρά έχουν ελαστικότητα σε σχέση με τις αλλαγές στην πυκνότητα.
Εξάτμιση
Συνεχίζοντας να εξετάζουμε τις ιδιότητες του υγρούουσίες, προχωράμε σε εξάτμιση. Κοντά στην επιφάνειά του, καθώς και απευθείας στο επιφανειακό στρώμα, υπάρχουν δυνάμεις που διασφαλίζουν την ίδια την ύπαρξη αυτού του στρώματος. Δεν αφήνουν τα μόρια σε αυτό να φύγουν από τον όγκο του υγρού. Ωστόσο, μερικά από αυτά, λόγω της θερμικής κίνησης, αναπτύσσουν μάλλον υψηλές ταχύτητες, με τη βοήθεια των οποίων καθίσταται δυνατό να ξεπεραστούν αυτές οι δυνάμεις και να φύγουν από το υγρό. Αυτό το φαινόμενο ονομάζουμε εξάτμιση. Μπορεί να παρατηρηθεί σε οποιαδήποτε θερμοκρασία αέρα, ωστόσο με την αύξηση του αυξάνεται η ένταση της εξάτμισης.
Συμπύκνωση
Εάν αφαιρεθούν τα μόρια που έφυγαν από το υγρόχώρος που βρίσκεται κοντά στην επιφάνειά του, τότε όλος, στο τέλος, εξατμίζεται. Αν δεν αφαιρεθούν τα μόρια που το άφησαν, σχηματίζουν ατμό. Τα μόρια ατμού παγιδευμένα σε μια περιοχή κοντά στην επιφάνεια του υγρού έλκονται σε αυτό από τις δυνάμεις έλξης. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται συμπύκνωση.
Επομένως, εάν τα μόρια δεν αφαιρεθούν, μεο ρυθμός εξάτμισης μειώνεται με το χρόνο. Εάν η πυκνότητα των ατμών αυξηθεί περαιτέρω, επιτυγχάνεται μια κατάσταση στην οποία ο αριθμός των μορίων που εγκαταλείπουν το υγρό σε ορισμένο χρόνο θα είναι ίσος με τον αριθμό των μορίων που επιστρέφουν σε αυτό την ίδια χρονική στιγμή. Έτσι προκύπτει μια κατάσταση δυναμικής ισορροπίας. Ο ατμός σε αυτό ονομάζεται κορεσμένος. Η πίεση και η πυκνότητά του αυξάνονται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Όσο μεγαλύτερος είναι, τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των υγρών μορίων που έχουν επαρκή ενέργεια για εξάτμιση και τόσο μεγαλύτερη πρέπει να είναι η πυκνότητα των ατμών προκειμένου η συμπύκνωση να είναι ίση με την εξάτμιση.
Βρασμός
Όταν βρίσκεται στη διαδικασία θέρμανσης υγρών ουσιώνεπιτυγχάνεται μια θερμοκρασία στην οποία οι κορεσμένοι ατμοί έχουν την ίδια πίεση με το εξωτερικό περιβάλλον, δημιουργείται μια ισορροπία μεταξύ κορεσμένου ατμού και υγρού. Εάν το υγρό προσδίδει επιπλέον ποσότητα θερμότητας, η αντίστοιχη μάζα του υγρού μετατρέπεται αμέσως σε ατμό. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται βρασμός.
Το βράσιμο είναι έντονη εξάτμισηυγρά. Εμφανίζεται όχι μόνο από την επιφάνεια, αλλά αφορά ολόκληρο τον όγκο του. Φυσαλίδες ατμού εμφανίζονται μέσα στο υγρό. Για να μετατραπούν σε ατμό από ένα υγρό, τα μόρια πρέπει να αποκτήσουν ενέργεια. Χρειάζεται για να ξεπεραστούν οι δυνάμεις έλξης, χάρη στις οποίες συγκρατούνται στο υγρό.
Θερμοκρασία βρασμού
Το σημείο βρασμού είναι αυτό στο οποίουπάρχει ισότητα δύο πιέσεων - εξωτερικών και κορεσμένων ατμών. Αυξάνεται με την αύξηση της πίεσης και μειώνεται με τη μείωση της πίεσης. Λόγω του γεγονότος ότι η πίεση στο υγρό αλλάζει με το ύψος της στήλης, ο βρασμός σε αυτό συμβαίνει σε διαφορετικά επίπεδα σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Μόνο ο κορεσμένος ατμός που βρίσκεται πάνω από την επιφάνεια του υγρού κατά τη διαδικασία βρασμού έχει μια ορισμένη θερμοκρασία. Καθορίζεται μόνο από εξωτερική πίεση. Αυτό εννοούμε όταν μιλάμε για το σημείο βρασμού. Διαφέρει σε διαφορετικά υγρά, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως στην τεχνολογία, ιδίως στην απόσταξη προϊόντων πετρελαίου.
Η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης είναι η ποσότηταθερμότητα που απαιτείται για τη μετατροπή μιας ισοθερμικά καθορισμένης ποσότητας υγρού σε ατμό, εάν η εξωτερική πίεση είναι ίδια με την πίεση των κορεσμένων ατμών.
Ιδιότητες υγρών μεμβρανών
Όλοι ξέρουμε πώς να πάρουμε αφρό,διάλυση σαπουνιού στο νερό. Αυτό δεν είναι τίποτα άλλο από ένα πλήθος φυσαλίδων, οι οποίες περιορίζονται από το λεπτότερο φιλμ που αποτελείται από υγρό. Ωστόσο, ένα ξεχωριστό φιλμ μπορεί επίσης να ληφθεί από το αφρώδες υγρό. Οι ιδιότητες του είναι πολύ ενδιαφέρουσες. Αυτές οι μεμβράνες μπορεί να είναι πολύ λεπτές: το πάχος τους στα πιο λεπτά μέρη δεν υπερβαίνει το εκατό χιλιοστό του χιλιοστού. Ωστόσο, μερικές φορές είναι πολύ σταθερά παρά αυτό. Η μεμβράνη σαπουνιού μπορεί να παραμορφωθεί και να τεντωθεί, και ένα ρεύμα νερού μπορεί να περάσει μέσα από αυτό χωρίς να το καταστρέψει. Πώς εξηγείτε αυτή τη σταθερότητα; Για να εμφανιστεί ένα φιλμ, είναι απαραίτητο να προσθέσετε ουσίες που διαλύονται σε αυτό στο καθαρό υγρό. Όχι όμως οποιαδήποτε, αλλά εκείνα που μειώνουν σημαντικά την επιφανειακή τάση.
Υγρές ταινίες στη φύση και την τεχνολογία
Στην τεχνολογία και τη φύση, συναντάμε το κύριοόχι με μεμονωμένες μεμβράνες, αλλά με αφρό, που είναι συνδυασμός τους. Μπορεί συχνά να παρατηρηθεί σε ρυάκια, όπου μικρά ρυάκια πέφτουν στο ήρεμο νερό. Η ικανότητα του νερού να αφρίζει σε αυτή την περίπτωση συνδέεται με την παρουσία οργανικής ύλης σε αυτό, η οποία εκκρίνεται από τις ρίζες των φυτών. Αυτό είναι ένα παράδειγμα του πώς αφρίζουν τα φυσικά υγρά. Τι γίνεται όμως με την τεχνολογία; Κατά την κατασκευή, για παράδειγμα, χρησιμοποιούνται ειδικά υλικά που έχουν κυτταρική δομή που μοιάζει με αφρό. Είναι ελαφριά, φθηνά, αρκετά δυνατά, δεν μεταφέρουν τους ήχους και τη θερμότητα. Για τη λήψη τους, ουσίες που προάγουν τον αφρισμό προστίθενται σε ειδικά διαλύματα.
Συμπέρασμα
Έτσι, ανακαλύψαμε σε ποιες ουσίες ανήκουνυγρό, ανακάλυψαν ότι το υγρό είναι μια ενδιάμεση κατάσταση της ύλης μεταξύ αερίου και στερεού. Επομένως, έχει ιδιότητες χαρακτηριστικές και των δύο. Οι υγροί κρύσταλλοι που χρησιμοποιούνται ευρέως σήμερα στην τεχνολογία και τη βιομηχανία (για παράδειγμα, οθόνες υγρών κρυστάλλων) αποτελούν χαρακτηριστικό παράδειγμα αυτής της κατάστασης της ύλης. Συνδυάζουν τις ιδιότητες στερεών και υγρών. Είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς ποιες υγρές ουσίες θα εφευρεθούν από την επιστήμη στο μέλλον. Ωστόσο, είναι σαφές ότι σε αυτή την κατάσταση της ύλης υπάρχει ένα μεγάλο δυναμικό που μπορεί να χρησιμοποιηθεί προς όφελος της ανθρωπότητας.
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την εξέταση των φυσικοχημικώνδιεργασίες που συμβαίνουν σε υγρή κατάσταση οφείλονται στο γεγονός ότι ο ίδιος ο άνθρωπος αποτελείται κατά 90% από νερό, το οποίο είναι το πιο κοινό υγρό στη Γη. Σε αυτό λαμβάνουν χώρα όλες οι ζωτικές διεργασίες τόσο στον φυτικό όσο και στον ζωικό κόσμο. Επομένως, είναι σημαντικό για όλους μας να μελετήσουμε την υγρή κατάσταση της ύλης.
