§ 117. Строение жидкостей

Картина молекулярно-теплового движения в жидкостях до сих пор остается менее изученной, чем для газов и твердых тел.

В течение многих лет предполагалось, что расположение частиц в жидкости носит совершенно неупорядоченный характер в противоположность кристаллам, где частицы остаются около узлов кристаллической решетки.

В смысле хаотичности расположения частиц на жидкость смотрели как на чрезвычайно уплотненный газ. Однако исследования последних десятилетий показали, что в жидкостях, если не постоянно, то во всяком случае в течение некоторого промежутка времени сохраняется более или менее упорядоченное размещение молекул. Первым к этому заключению пришел А. И. Бачинский в своих исследованиях явлений ассоциации в жидкостях. Если для какой-либо молекулы жидкости ближайшие к ней и окружающие ее несколько молекул расположены более или менее симметрично, то уже более удаленные от нее молекулы могут оказаться расположенными в пространстве без признаков какой-либо симметрии.

Картина мгновенного расположения молекул в жидкости напоминает сочетание самых мелких кристаллических зернышек, размытых на гранях их соприкосновения; кроме того, каждое из таких кристаллообразных зернышек является, по-видимому, неустойчивым во времени: через мгновение оно может распасться и на его месте может возникнуть новое.

Различные ученые придерживаются неодинаковой трактовки картины молекулярно-теплового движения в жидкостях. Особое внимание к этому спорному вопросу было уделено проф. Я. И. Френкелем, который впервые в подробностях развил картину «псевдокристаллического строения жидкостей».

В одной из своих статей Я. И. Френкель писал:

«В жидких телах частицы не остаются вечно связанными с одними и теми же положениями равновесия, но время от времени перескакивают из одного положения в соседнее. Время это т. е. время оседлого существования в каком-либо положении, тем больше, чем ниже температура жидкости. С повышением температуры оно чрезвычайно быстро уменьшается, тогда как при очень низких температурах оно может достигать весьма значительной величины.

Таким образом, жидкости, рассматриваемые в каждый данный момент, в сущности ничем не отличаются от твердого тела, кроме разве лишь неправильного расположения частиц или, вернее, тех временных положений равновесия, около которых они колеблются. Спрашивается, чем же с этой точки зрения объясняется текучесть жидкости, отсутствие сопротивления по отношению к силам, стремящимся изменить ее форму? На этот вопрос можно ответить так.

Если сила, стремящаяся изменить форму жидкости, т. е. расположение ее частиц, действует в одном и том же направлении достаточно длительно в сравнении с временем оседлого существования этих частиц, то за это время последние успеют неоднократно переменить свои положения равновесия, перемещаясь при этом преимущественно в направлении действующих на них сил. Эти дискретные элементарные перемещения, быстро следующие одно за другим, сливаются для наблюдателя в практически непрерывное течение...

Жидкость обладает не только текучестью, но и твердостью, которая при обычных условиях лишь замаскирована текучестью и которая может обнаружиться в случае быстро колеблющихся сил с периодом меньшим, нежели время оседлого существования частиц жидкости. Последнее условие может быть достигнуто не только сокращением периода колебаний внешних сил (например, переходом к ультразвуковым колебаниям чрезвычайно высокой частоты), но в равной мере и понижением температуры жидкости, понижением, которое, как уже указывалось выше, сопровождается резким удлинением времени оседлого существования частиц».

Время «оседлого» существования частиц жидкости называют временем релаксации. Френкель нашел, что оно связано с периодом колебательного теплового движения, совершаемого частицей жидкости около своего временного положения равновесия, соотношением

Здесь константа Больцмана, абсолютная температура и величина, характерная для данного вещества и его термодинамического состояния и определяющаяся энергией перехода частицы жидкости из одного своего временного положения равновесия в соседнее. При нормальных температурах имеет порядок величины сек.

По развитой Френкелем теории коэффициент вязкости жидкостей пропорционален времени релаксации а коэффициент диффузии обратно пропорционален

где а — среднее расстояние между двумя соседними положениями равновесия (величина порядка см), величина, сходная по физическому смыслу и по порядку с модулем сдвига твердых тел.

В прежние годы господствовало предположение, что молекулы сложных веществ в жидком состоянии сохраняют вращательное движение, подобное тому, какое они имели в газовой фазе. Теперь, как утверждает Дебай, этот взгляд должен быть заменен представлением о «вращательных качаниях молекул около некоторых, более или менее неправильно (или, наоборот, более или менее

правильно) распределенных ориентацией, которые время от времени резко изменяются».

Описанная картина теплового движения в жидкостях еще продолжает находиться в стадии научного обсуждения, в итоге которого она, возможно, окажется существенно преобразованной.