ЖИДКОСТИ
Кинетическая теория жидкого состояния
Жидкости имеют промежуточную природу между твердыми веществами и газами (рис. 3.12). Например, силы притяжения между частицами (атомами, ионами или молекулами) в жидкости имеют промежуточные значения между этими силами в твердых веществах и в газах. Поэтому частицы жидкости могут удерживаться вместе в определенном объеме. Однако в отличие от твердых веществ силы притяжения недостаточны, чтобы соединять частицы в упорядоченную структуру. Поэтому жидкости не имеют определенной формы. Однако существуют экспериментальные данные, которые свидетельствуют о том, что небольшие группы частиц в жидкостях все же упорядочиваются в небольшие и малоустойчивые кластеры. Это гораздо больше заметно в полярных жидкостях, чем в неполярных.
Рис. 3.12. Кинетические представления о различных физических состояниях вещества.
Частицы жидкости, подобно частицам газа, находятся в состоянии непрерывного движения. Впервые это экспериментально обнаружил английский ботаник Роберт Броун в 1827 г. Он наблюдал в микроскоп за крохотными зернышками, плавающими на поверхности воды, и заметил, что они непрерывно совершают хаотические зигзагообразные движения. Это так называемое броуновское движение объясняется столкновениями частиц жидкости с зернышками.
Испарение.
С открытой поверхности жидкости некоторые ее частицы постепенно улетают в газовую фазу. Этот процесс называется испарением. Скорость испарения возрастает при следующих условиях: увеличении площади поверхности жидкости, повышении температуры, уменьшении внешнего давления.
Давление, создаваемое вылетающими из жидкости частицами, называется давлением пара данной жидкости. На рис. 3.13 показана кривая зависимости давления паров воды от температуры. Аналогичный вид имеют подобные кривые для других жидкостей. Возрастание давления пара при повышении температуры можно объяснить на основе кинетической теории. Кинетическая энергия частиц жидкости определяется распределением Максвелла—Больцмана, подобным тому, которое существует для частиц газа (см. рис. 3.7). Вылететь из жидкости могут только частицы с кинетической энергией достаточно высокой, чтобы преодолеть силы притяжения между частицами в жидкости. Эта энергия обозначена на рис. 3.14 как ЕИСП. Вместе с улетающими частицами жидкость теряет некоторую энергию и остывает. Однако если открытая жидкость имеет комнатную температуру, то теряемая ею при испарении энергия возмещается, поступая от окружающей среды. Поэтому жидкость продолжает испаряться. Если повышать температуру жидкости, больше частиц приобретают энергию ЕИСП или более высокую энергию, и поэтому скорость испарения возрастает.
Рис. 3.13. График зависимости давления паров воды от температуры.
Рис. 3.14. Распределение молекул по кинетической энергии при различных температурах.
Кипение.
Кипение жидкости начинается, когда давление пара этой жидкости достигает внешнего давления. Температура, при которой это происходит, называется температурой (точкой) кипения. При кипении жидкости внутри ее образуются пузырьки пара, и это вызывает ее бурление. Температуру кипения жидкости можно понизить, если уменьшить внешнее давление. И наоборот, кипение можно прекратить, повышая внешнее давление. При постоянном давлении температура кипяшей жидкости остается неизменной до тех пор, пока не выкипит вся жидкость.
Замерзание.
Движение частиц жидкости происходит с достаточно большими скоростями (а следовательно, с большой кинетической энергией), что препятствует образованию кристаллической решетки под действием сил притяжения между частицами. Однако при охлаждении жидкости силы притяжения все больше ограничивают движение частиц с невысокой кинетической энергией. В результате такие частицы удерживаются в фиксированных положениях кристаллической решетки. Температура, при которой устанавливается равновесие между жидким и твердым состояниями вещества, называется температурой (точкой) замерзания жидкости. Более подробное обсуждение равновесия между жидкостями и твердыми веществами, а также между жидкостями и газами проводится в гл. 6.
