Рідина, енциклопедія Навколосвіт

РІДИНА - одне з агрегатних станів речовини (див. ГАЗ; ПЛАЗМА; ТВЕРДОЕ ТІЛО), вона займає як би проміжне положення між кристалічним твердим тілом, що відрізняється повною впорядкованістю в розташуванні утворюють його частинок (іонів, атомів, молекул) і газом, молекули якого знаходяться в стані хаотичного (безладного) руху.

З рідким станом речовини людина зустрічається на кожному кроці. Перш за все, це звичайно вода. незвичайна по ряду своїх властивостей рідина, так необхідна в повсякденному житті. Це і різні рідини неорганічного і органічного походження (кислоти, спирти, продукти переробки нафти і т.п.). Нарешті, це ртуть - дивовижна важка рідина блискучого кольору, схожа на розплавлений метал. При нагріванні до досить високих температур тверді тіла розплавляються і переходять в рідкий стан. Для кристалічних твердих тіл такий перехід відбувається стрибком при цілком певній для даного речовини температурі, званої температурою плавлення. Разом з тим, існують так звані аморфні (стеклообразниє) тверді тіла, які за своїми властивостями мало відрізняються від рідин, до їх числа відносяться скла, різні смоли, пластмаси. У міру підвищення температури вони переходять в рідкий стан - стають ніби все більш м'якими і набувають звичайну для рідини здатність текти. Їх називають іноді переохолодженими рідинами, оскільки в звичайному стані такі речовини можна розглядати як рідини з аномально великою в'язкістю.

При дуже низьких (в порівнянні з кімнатною) температурах в рідкий стан переходить більшість газів. Цей перехід також відбувається стрибком і характеризується для кожного газу своєю певною температурою переходу - температурою конденсації. Вся так звана кріогенна техніка заснована на отриманні та використанні рідкого гелію, рідкого азоту та інших зріджених газів.

На відміну від газу, одна з характерних особливостей рідини полягає в її здатності зберігати свій обсяг, що проявляється в її малої стисливості. Тверде тіло поряд зі збереженням обсягу прагне зберегти також і свою форму. Найбільш важлива відмінність рідини від твердого тіла полягає в тому, що вона приймає форму містить її судини, утворюючи при цьому вільну поверхню. Це означає, що рідина має високу плинністю (або малої в'язкістю). Гази через безладного характеру руху їх молекул прагнуть заповнити весь наданий їм об'єм.

Ці властивості рідини визначаються особливостями міжмолекулярної взаємодії в ній. Відомо, що в ідеальному газі молекули більшу частину часу проводять в стані вільного руху, взаємодіючи між собою лише в рідкісні моменти їх зближення. Середня відстань між ними можна визначити як r

n-1/3, де n - число часток в одиниці об'єму (див. ГАЗ). Для нормальних умов (тиск p = 1 атм. Температура T = 273 К) це відповідає відстані r

3 · 10 -7 см, що в 10 разів більше, ніж характерний діаметр самих молекул (d

3 · 10 -8 см). У рідини молекули зближені один з одним, тобто відстані між ними виявляються того ж порядку величини, що й розміри молекул. Інтенсивна взаємодія між частинками рідини призводить до того, що їх рух вже не можна вважати повністю неврегульованим, як у випадку газового стану. Разом з тим, вони не досягають і того повного порядку в розташуванні молекул, яка характерна для кристалічних твердих тіл.

Як відомо, особливістю кристалічних твердих тіл є періодичність просторового розташування атомів, молекул або іонів, з яких складаються кристали. Сукупність таких періодично розташованих частинок утворює структуру, яка називається кристалічною решіткою. Подібна періодичність носить назву далекого порядку. Приклад двовимірного далекого порядку представлений на рис. 1а.

Експериментальні дослідження рідкого стану речовини, засновані на спостереженні дифракції рентгенівських променів і потоків нейтронів при проходженні їх через рідкі середовища, виявили наявність в рідині ближнього порядку, тобто наявність деякої впорядкованості в розташуванні частинок лише на малій відстані від будь-якої виділеної позиції. Це ілюструється картиною, зображеної на рис. 1б.

Розподіл часток в малій околиці будь-якої фіксованої частки рідини має певну впорядкованість, кілька нагадує кристалічну, хоча і більш рихлу. З цієї причини структуру рідини іноді називають квазікристалічної або кристалоподібні.

Вперше ідея про близькість деяких властивостей рідин (особливо розплавів металів) і кристалічних твердих тіл була висловлена ​​і потім розвивалася в роботах радянського фізика Я.І.Френкеля ще 1930-1940-х. Відповідно до поглядів Френкеля, який отримав тепер загальне визнання, тепловий рух атомів і молекул в рідині складається з нерегулярних коливань із середньою частотою, близькою до частоти коливань атомів в кристалічних тілах. Центр коливань визначається при цьому полем сил сусідніх частинок і зміщується разом із зсувами цих частинок. Спрощено можна уявити таке тепловий рух як накладення один на одного порівняно рідкісних перескоків частинок з одних тимчасових положень рівноваги в інші і теплових коливань в проміжках між стрибками. За образним висловом Я.І.Френкеля, молекули мандрують по всьому об'єму рідини, ведучи кочовий спосіб життя, при якому короткочасні переїзди змінюються відносно довгими періодами осілого життя. Середня тривалість коливань в стані тимчасового рівноваги сильно залежить від температури, тому підвищенням температури помітно збільшується рухливість молекул рідини і тим самим зменшується її в'язкість (або зростає плинність).

Через малу впорядкованості рідкого стану теорія рідини виявляється менш розвиненою, ніж теорія газів і кристалічних твердих тіл. Поки немає повної теорії рідини. На рівні існуючих теорій її структура, так само як і фізичні властивості, можуть бути описані на основі методів статистичної механіки з використанням різних функцій розподілу положень груп частинок. При цьому в більшості випадків досить знання невеликого числа функцій розподілу, з яких головне значення має так звана радіальна функція розподілу g (r), яка дає можливість виявлення будь-якої частки на відстані r від даної, обраної в якості точки відліку. Використання сучасних ЕОМ дозволяє розраховувати цю функцію методом комп'ютерного моделювання, грунтуючись на наявних даних про природу сил, що діють між молекулами. Порівняння функцій розподілу g (r), знайдених розрахунковим шляхом, з експериментальними, отриманими в результаті розшифровки рентгенограм (або нейтронограмм), дозволяє перевірити правильність припущень про природу міжмолекулярних сил і використовувати знайдені радіальні функції розподілу для визначення деяких властивостей рідин.