Жидкости. Свойства жидкостей

Плотность жидкости на три порядка превышает плотность собственного пара и лишь в несколько раз меньше ее твердой фазы. Отсюда следует, что молекулы в жидкости расположены гораздо ближе друг к другу, чем в газовой фазе, и характер их теплового движения отличен от такого же движения молекул в паре и твердом состоянии. Способность жидкости сохранять неизменным объем и обладать свободной поверхностью свидетельствует о значительной взаимной связи молекул. Но ее способность изменять свою форму и обладать текучестью говорит о том, что молекулы все же могут более или менее свободно перемещаться относительно друг друга. Подобно твердым телам жидкости обладают малой сжимаемостью и способностью сопротивляться расширению. Малая сжимаемость жидкостей обусловлена тем, что в жидкостях молекулы довольно близко прилегают друг к другу. Поэтому даже небольшое уменьшение взаимных расстояний между молекулами приводит к большим силам отталкивания. Теплоемкость жидкостей возрастает с повышением температуры, хотя и незначительно, при этом различие между C_p и C_V, как и у твердых тел, довольно мало.

Таким образом, жидкое состояние по своим физическим свойствам является промежуточным между газообразным состоянием (где молекулы движутся практически свободно) и твердым состоянием (где молекулы лишь колеблются относительно неподвижных в пространстве положений равновесия). Изучение рассеяния рентгеновских лучей в жидкости показывает, что ближайшие соседи каждой молекулы жидкости располагаются в определенном порядке, образуя структуру, сходную со структурой твердого тела. Однако уже на расстояниях порядка трех-четырех молекулярных диаметров сходство утрачивается. Имея это в виду, говорят, что в жидкости в отличие от газа существует ближний порядок, но в отличие от твердых тел отсутствует дальний порядок. Было также установлено, что с повышением температуры упорядоченность в расположении соседних молекул жидкости постепенно уменьшается, расположение молекул становится все более и более хаотическим.

На рис. 7.5 показана зависимость вероятности p обнаружить молекулу в некотором направлении на расстоянии r от другой молекулы, помещенной в начале координат, в газе (а) и жидкости (б). Функция p (r) называется функцией радиального распределения. Как видим, в случае газа имеет место нулевая вероятность обнаружить молекулу на расстоянии, меньшем ее диаметра d, и одинаковая вероятность обнаружить другую молекулу на любом расстоянии, превышающем диаметр молекулы. В случае жидкости вероятность обнаружения молекулы на каком-либо расстоянии r > d от другой молекулы на протяжении нескольких молекулярных диаметров имеет несколько постепенно сглаживающихся максимумов и минимумов. При больших значениях r все взаимные расположения удаленных частиц, как и в газе, оказываются равновероятными и кривая б переходит в горизонтальную полупрямую а. Наличие максимумов и минимумов свидетельствует о существовании ближнего порядка в расположении молекул в жидкости, а затухание функции p (r) – об отсутствии дальнего порядка. По виду кривой распределения p (r) можно сделать заклю чениео характере теплового движения молекул в жидкости. Каждая молекула колеблется в течение некоторого времени около определенного положения равновесия. С этим связано наличие максимумов p (r), сходных с максимумами в твердом теле при T > > 0 К. Затем молекула скачком перемещается в новое положение равновесия, отстоящее от предыдущего на расстояние, примерно равном размеру самой молекулы. Это вытекает из того, что p ≠ 0 при любых r > d, как в газе.

Таким образом, молекулы лишь медленно перемещаются внутри жидкости, пребывая часть времени около определенных мест, находясь, по выражению Я.И. Френкеля, в оседлом состоянии.

Рис. 7.5

Среднее время оседлого состояния резко убывает с повышением температуры жидкости, а число перескоков в единицу времени возрастает. Для совершения перескока из одного временного положения равновесия в другое молекула должна разорвать связь с соседними молекулами или, как говорят, преодолеть термодинамический потенциальный барьер высотой равной энергии, необходимой для совершения скачка. Энергию называют энергией активации. Средняя кинетическая энергия теплового движения молекул ненамного меньше энергии активации, поэтому благодаря флуктуациям (самопроизвольным отклонениям энергии от среднего значения) она в некоторые моменты времени оказывается достаточной для того, чтобы молекула могла перескочить в новое временное положение равновесия. Вероятность преодоления потенциального барьера пропорциональна больцмановскому множителю . Поэтому число перескоков в единицу времени оказывается равным

где – средняя частота колебания молекулы около временного положения равновесия (имеет порядок 10¹² с^-1).

Специфический механизм теплового движения молекул в жидкости позволяет объяснить двойственный характер поведения жидкости при силовом воздействии. Если время действия силы t >> τ, то молекулы жидкости совершают скачки преимущественно в направлении действия силы, т.е. возникает поток молекул в этом направлении, обусловливающий ее текучесть. Если время действия силы t < τ, то молекулы жидкости не успевают изменить свои положения временного равновесия и текучесть жидкости не успевает проявиться. Жидкость в этом случае подобно упругой среде оказывает сопротивление изменению не только ее объема, но и формы. При очень кратковременном действии внешней силы может даже произойти нарушение прочности жидкости, т.е. могут появиться трещины, разрывы и т.д.

Жидкости обладают гораздо большей вязкостью, чем газы, причем с ростом температуры вязкость уменьшается (а не растет, как у газов). Объясняется это иным характером процесса передачи импульса: он передается главным образом молекулами, совершающими перескок из одного равновесного положения в другое, а эти перескоки с ростом температуры существенно учащаются. Теплопроводность жидкостей обусловлена обменом кинетической энергией между частицами, колеблющимися около своих положений равновесия с различными амплитудами; редкие перескоки молекул заметной роли не играют. Диффузия в жидкостях может происходить только за счет перескоков молекул, а потому она происходит гораздо медленнее, чем в газах, но быстрее, чем в твердых телах.

В жидкостях, как и в газах, возможны лишь продольные волны.[1] Скорость их распространения определяется формулой