I vardagen möter vi ständigt tre tillstånd av materia - flytande, gasformig och fast. Vi har en ganska klar uppfattning om vad fasta ämnen och gaser är. En gas är en samling molekyler som rör sig slumpmässigt i alla riktningar. Alla molekyler i en fast kropp bibehåller sitt inbördes arrangemang. De svänger bara lite.
Funktioner hos en flytande substans
Och vad är flytande ämnen? Deras huvudsakliga egenskap är att de, som upptar en mellanposition mellan kristaller och gaser, kombinerar vissa egenskaper hos dessa två tillstånd. Till exempel, för vätskor, såväl som för fasta (kristallina) kroppar, är närvaron av volym karakteristisk. Men samtidigt antar flytande ämnen, som gaser, formen av kärlet där de befinner sig. Många av oss tror att de inte har sin egen form. Det är det dock inte. Den naturliga formen av vilken vätska som helst -boll. Tyngdkraften hindrar den vanligtvis från att anta denna form, så vätskan antar antingen formen av ett kärl eller sprider sig tunt över ytan.
När det gäller dess egenskaper är ett ämnes flytande tillstånd särskilt komplext på grund av dess mellanliggande position. Det började studeras sedan Arkimedes tid (2200 år sedan). Men analysen av hur molekylerna i ett flytande ämne beter sig är fortfarande ett av de svåraste områdena inom tillämpad vetenskap. Det finns fortfarande ingen allmänt accepterad och fullständig teori om vätskor. Däremot kan vi säga något om deras beteende ganska definitivt.
Molekylernas beteende i en vätska
En vätska är något som kan flöda. Kortdistansordningen observeras i arrangemanget av dess partiklar. Detta innebär att platsen för grannarna närmast den, med hänsyn till eventuell partikel, är beställd. Men när hon går bort från andra blir hennes ställning i förhållande till dem allt mindre ordnad, och då försvinner ordningen helt. Flytande ämnen är uppbyggda av molekyler som rör sig mycket friare än i fasta ämnen (och ännu mer fritt i gaser). Under en viss tid rusar var och en av dem först i en riktning, sedan i den andra, utan att flytta bort från sina grannar. Emellertid bryter en flytande molekyl ut ur miljön då och då. Hon kommer till en ny plats genom att flytta till en annan plats. Även här, under en viss tid, gör hon vingliknande rörelser.
Y. I. Frenkels bidrag till studiet av vätskor
I. I. Frenkel, en sovjetisk vetenskapsman, har stor förtjänst i utvecklingen av ett antalproblem i ett sådant ämne som flytande ämnen. Kemin gick mycket framåt tack vare hans upptäckter. Han trodde att termisk rörelse i vätskor har följande karaktär. Under en viss tid svänger varje molekyl runt jämviktspositionen. Emellertid byter den sin plats då och då, och flyttar abrupt till en ny position, som är skild från den föregående med ett avstånd som är ungefär lika stort som denna molekyl själv. Med andra ord, inuti vätskan rör sig molekylerna, men långsamt. En del av tiden vistas de nära vissa platser. Följaktligen är deras rörelse ungefär som en blandning av rörelser i gasen och i den fasta kroppen. Svängningar på ett ställe efter ett tag ersätts av en fri övergång från plats till plats.
Tryck i vätska
Vissa egenskaper hos flytande ämnen är kända för oss på grund av konstant interaktion med dem. Så, från vardagslivets erfarenhet, vet vi att det verkar på ytan av fasta kroppar som kommer i kontakt med det, med vissa krafter. De kallas vätsketryckkrafter.
Till exempel när vi öppnar en vattenkran med ett finger och slår på vattnet känner vi hur det trycker på fingret. Och en simmare som har dykt till stora djup upplever inte av misstag smärta i öronen. Det förklaras av att tryckkrafter verkar på trumhinnan. Vatten är ett flytande ämne, så det har alla dess egenskaper. För att mäta temperaturen på vattnet på djupet av havet, mycket starktermometrar så att de inte kan krossas av vätsketryck.
Detta tryck beror på kompression, det vill säga en förändring av vätskans volym. Den har elasticitet i förhållande till denna förändring. Tryckkrafterna är elasticitetens krafter. Därför, om en vätska verkar på kroppar i kontakt med den, komprimeras den. Eftersom ett ämnes densitet ökar under kompression kan vi anta att vätskor har elasticitet i förhållande till en förändring i densitet.
Evaporation
Vi fortsätter att överväga egenskaperna hos ett flytande ämne och övergår till avdunstning. Nära dess yta, såväl som direkt i ytskiktet, verkar krafter som säkerställer själva existensen av detta skikt. De tillåter inte molekylerna i den att lämna vätskans volym. Men på grund av termisk rörelse utvecklar vissa av dem ganska höga hastigheter, med hjälp av vilka det blir möjligt att övervinna dessa krafter och lämna vätskan. Vi kallar detta fenomen för avdunstning. Den kan observeras vid vilken lufttemperatur som helst, men med dess ökning ökar intensiteten av avdunstningen.
Kondensation
Om molekylerna som har lämnat vätskan tas bort från utrymmet nära dess yta, förångas allt så småningom. Om molekylerna som lämnade den inte tas bort bildar de ånga. Ångmolekyler som har fallit in i området nära vätskans yta dras in i det av attraktionskrafterna. Denna process kallas kondensation.
Därav,om molekylerna inte tas bort, minskar avdunstningshastigheten med tiden. Om ångdensiteten ökar ytterligare uppnås en situation där antalet molekyler som lämnar vätskan under en viss tid kommer att vara lika med antalet molekyler som återvänder till den samtidigt. Detta skapar ett tillstånd av dynamisk jämvikt. Ångan i den kallas mättad. Dess tryck och densitet ökar med ökande temperatur. Ju högre den är, desto fler vätskemolekyler har tillräcklig energi för avdunstning och desto större densitet måste ångan vara för att kondensationen ska vara lika med avdunstning.
Boiling
När, i processen att värma flytande ämnen, en temperatur uppnås där mättade ångor har samma tryck som den yttre miljön, upprättas en jämvikt mellan mättad ånga och vätska. Om vätskan ger en extra mängd värme omvandlas motsvarande vätska omedelbart till ånga. Denna process kallas kokning.
Kokning är den intensiva avdunstning av en vätska. Det förekommer inte bara från ytan, utan berör hela dess volym. Ångbubblor uppstår inuti vätskan. För att gå in i ånga från en vätska behöver molekyler skaffa energi. Det behövs för att övervinna de attraktionskrafter som håller dem i vätskan.
Kokpunkt
Kokpunkten är den därdet finns en likhet mellan två tryck - externa och mättade ångor. Det ökar när trycket ökar och minskar när trycket minskar. På grund av det faktum att trycket i vätskan ändras med kolonnens höjd, sker kokning i den på olika nivåer vid olika temperaturer. Endast mättad ånga, som befinner sig ovanför vätskans yta under kokningsprocessen, har en viss temperatur. Det bestäms endast av yttre tryck. Det är detta vi menar när vi pratar om kokpunkten. Det skiljer sig för olika vätskor, vilket används i stor utsträckning inom teknik, i synnerhet vid destillering av petroleumprodukter.
Latent förångningsvärme är den mängd värme som krävs för att omvandla en isotermiskt definierad mängd vätska till ånga om det yttre trycket är detsamma som det mättade ångtrycket.
Egenskaper för flytande filmer
Vi vet alla hur man får skum genom att lösa tvål i vatten. Detta är inget annat än en massa bubblor, som begränsas av den tunnaste filmen som består av vätska. En separat film kan emellertid också erhållas från den skummande vätskan. Dess egenskaper är mycket intressanta. Dessa filmer kan vara mycket tunna: deras tjocklek i de tunnaste delarna överstiger inte en hundra tusendels millimeter. De är dock ibland väldigt stabila, trots detta. Tvålfilmen kan utsättas för deformation och sträckning, en vattenstråle kan passera genom den utan att förstöra den. Hur förklarar man sådan stabilitet? För att en film ska dyka upp är det nödvändigt att lägga till ämnen som löser sig i den till en ren vätska. Men inte någon, utan sådana,vilket avsevärt sänker ytspänningen.
Flytande filmer i natur och teknik
Inom teknik och natur möter vi främst inte enskilda filmer, utan med skum, som är deras kombination. Det kan ofta observeras i bäckar, där små bäckar faller ner i lugnt vatten. Vattens förmåga att skumma i detta fall är förknippad med närvaron av organiskt material i det, som utsöndras av växternas rötter. Detta är ett exempel på hur naturliga flytande ämnen skummar. Men hur är det med tekniken? Under konstruktionen används till exempel speciella material som har en cellstruktur som liknar skum. De är lätta, billiga, tillräckligt starka, leder dåligt ljud och värme. För att få dem tillsätts skummedel i speciallösningar.
Slutsats
Så vi har lärt oss vilka ämnen som är flytande, upptäckt att vätskan är ett mellantillstånd av materia mellan gasformigt och fast ämne. Därför har den egenskaper som är karakteristiska för båda. Flytande kristaller, som idag används allmänt inom teknik och industri (till exempel flytande kristallskärmar) är ett utmärkt exempel på detta tillstånd av materia. De kombinerar egenskaperna hos fasta ämnen och vätskor. Det är svårt att föreställa sig vilka flytande ämnen vetenskapen kommer att uppfinna i framtiden. Det är dock tydligt att det finns en stor potential i detta materiatillstånd som kan användas till mänsklighetens bästa.
Särskilt intresse för att beakta fysiska och kemiska processer som förekommeri flytande tillstånd, beroende på att personen själv består av 90 % vatten, vilket är den vanligaste vätskan på jorden. Det är i den som alla vitala processer äger rum både i växten och i djurvärlden. Därför är det viktigt för oss alla att studera materiens flytande tillstånd.
