§ 8. Строение и свойства жидкостей
Физические свойства различных газов, находящихся при достаточно малых плотностях и высоких температурах, почти одинаковы. Свойства твёрдых тел существенно зависят от взаимодействия частиц, из которых они состоят, и весьма различны. А что определяет свойства жидкостей и их отличие от газов и твёрдых тел?
Вещество в жидком агрегатном состоянии занимает промежуточное положение между кристаллами и газами и вследствие этого имеет некоторые общие черты с обоими этими состояниями. Например, для жидкостей, как и для кристаллических тел, характерно наличие определённого объёма. Вместе с тем жидкости, подобно газам, принимают форму сосуда, в котором находятся, и могут непрерывно переходить в газообразное агрегатное состояние. Однако жидкости обладают рядом только им присущих особенностей, из которых наиболее характерная — текучесть.
Среднее расстояние между молекулами вещества в жидком состоянии меньше (рис. 53, а), чем в газообразном (рис. 53, б). Оно равно приблизительно одному-двум диаметрам молекулы, т. е. порядка 0,5 нм. Поэтому плотность жидкости приблизительно в 103 раз превышает плотность газа. Свойства жидкостей зависят как от особенностей движения молекул, так и от сил их взаимодействия.
Опытным путём в жидкостях обнаружен ближний порядок в расположении частиц (рис. 53, а). В отличие от твёрдых кристаллических тел (рис. 53, в) в жидкостях упорядоченность в расположении молекул сохраняется лишь среди ближайших соседей (на расстояниях, равных нескольким диаметрам молекул).
Молекулы жидкости совершают непрерывные и беспорядочные колебания около временных положений их равновесия. Средняя кинетическая энергия таких колебаний молекул определяет температуру жидкости. Молекулы, получившие дополнительную энергию в результате столкновений с другими молекулами, могут «перепрыгнуть» в новое (тоже временное) положение равновесия. Это положение равновесия находится от предыдущего, как правило, на расстоянии порядка размеров самих молекул. Таким образом, молекулы медленно перемещаются внутри жидкости, находясь в течение некоторого промежутка времени Δτ около определённых мест.
Ближний порядок* в жидкости постоянно разрушается тепловым движением молекул и вновь создаётся силами межмолекулярного взаимодействия. Из-за отсутствия дальнего порядка в расположении частиц жидкостям, за небольшим исключением, не свойственна анизотропия, присущая кристаллам.
Таким образом, свойства жидкостей определяются расстояниями между молекулами, соизмеримыми с их собственными размерами, и возможностью относительно свободного перемещения молекул.
Отметим, что утверждение «жидкость не имеет собственной формы» не совсем корректно. Жидкости, как и твёрдые тела, практически несжимаемы, но они текучи, поэтому их форма определяется формой предоставленного им сосуда. На форму жидкости оказывают влияние внешние силы, например, сила тяжести совместно с силами реакции дна и стенок сосуда, в котором находится жидкость. Кроме того, действие молекулярных сил притяжения приводит к сокращению свободной поверхности жидкости.
Молекулы, расположенные в тонком слое вблизи поверхности, находятся в особых условиях из-за того, что в поверхностном слое жидкости проявляется нескомпенсированность молекулярных сил притяжения. В самом деле, любая молекула внутри жидкости со всех сторон окружена соседними (одинаковыми) молекулами, действие которых взаимно компенсируется (рис. 54). Поэтому здесь молекулярные силы притяжения уравновешиваются и результирующая этих сил равна нулю. Так как концентрация молекул в воздухе значительно меньше, чем в жидкости, то результирующая сил притяжения каждой молекулы поверхностного слоя молекулами газа меньше результирующей сил её притяжения молекулами жидкости. Таким образом, результирующие сил притяжения, действующих на молекулы поверхностного слоя, направлены внутрь жидкости. Под действием этих сил часть молекул поверхностного слоя втягивается внутрь, число молекул на поверхности уменьшается и площадь поверхности жидкости сокращается до определённой величины. Минимальную площадь поверхности при данном объёме имеют шарообразные тела. Например, капли воды при соприкосновении сливаются в одну, форма которой отличается от сферической из-за воздействия силы тяжести и силы реакции опоры.
Поверхностное натяжение приводит к тому, что вода собирается в капли (рис. 55), образуются мыльные пузыри (рис. 56), жук-водомерка передвигается по поверхности воды (рис. 57), а в состоянии невесомости любой объём свободной жидкости принимает сферическую форму.
1. Что в строении жидкостей определяет их свойства?
2. Каковы особенности движения молекул жидкости?
3. Каковы общие черты и в чём различия в свойствах жидкостей и газов?
4. Каковы общие черты и в чём различия в свойствах жидкостей и твёрдых тел?
5. В жидкостях частицы совершают колебания возле временных положений равновесия, взаимодействуя с соседними частицами. Через некоторый промежуток времени частица совершает «прыжок» к другому положению равновесия. Какое свойство жидкостей можно объяснить таким характером движения их частиц?
* Наличие в жидкостях ближнего порядка в расположении частиц служит причиной того, что структуру жидкостей называют квазикристаллической (кристаллоподобной). ↑