Каждый из нас без труда припомнит немало веществ, которые он считает жидкостями. Однако дать точное определение этого состояния вещества не так-то просто, поскольку жидкости обладают такими физическими свойствами, что в одних отношениях они напоминают твердые тела, а в других - газы. Наиболее ярко сходство между жидкостями и твердыми телами проявляется у стеклообразных материалов. Их переход от твердого состояния к жидкому при повышении температуры происходит постепенно, они просто становятся все более мягкими, так что нельзя указать, в каком температурном интервале их следует назвать твердыми телами, а в каком - жидкостями. Можно лишь сказать, что вязкость стеклообразного вещества в жидком состоянии меньше, чем в твердом. Твердое стекло поэтому часто называют переохлажденной жидкостью. По-видимому, наиболее характерным свойством жидкостей, отличающим их от твердых тел, является низкая вязкость (высокая текучесть). Благодаря ей они принимают форму сосуда, в который налиты. На молекулярном уровне высокая текучесть означает относительно большую свободу частиц жидкости. В этом жидкости напоминают газы, хотя силы межмолекулярного взаимодействия жидкостей больше, молекулы расположены теснее и более ограничены в своем движении. К сказанному можно подойти и иначе - с точки зрения представления о дальнем и ближнем порядке. Дальний порядок существует в кристаллических твердых телах, атомы которых расположены строго упорядоченно, образуя трехмерные структуры, которые можно получить многократным повторением элементарной ячейки. Пример двумерного дальнего порядка представлен на рис. 1,а. В жидкости и стекле дальний порядок отсутствует. Это, однако, не означает, что они вообще не упорядочены. Для жидкости характерна картина, подобная изображенной на рис. 1,б. Число ближайших соседей у всех атомов практически одинаково, но расположение атомов по мере их удаления от какой-либо выделенной позиции становится все более и более хаотичным. Таким образом, упорядоченность существует лишь на малых расстояниях, отсюда и название: ближний порядок.
Адекватное математическое описание структуры жидкости может быть дано лишь с помощью статистической физики. Например, если жидкость состоит из одинаковых сферических молекул, то ее структуру можно описать радиальной функцией распределения g(r), которая дает вероятность обнаружения какой-либо молекулы на расстоянии r от данной, выбранной в качестве точки отсчета. Экспериментально эту функцию можно найти, исследуя дифракцию рентгеновских лучей или нейтронов, а с появлением быстродействующих компьютеров ее стали вычислять методом компьютерного моделирования, основываясь на имеющихся данных о природе сил, действующих между молекулами, или на предположениях об этих силах, а также на законах механики Ньютона. Сравнивая радиальные функции распределения, полученные теоретически и экспериментально, можно проверить правильность предположений о природе межмолекулярных сил.
Рис. 1. ДАЛЬНИЙ И БЛИЖНИЙ ПОРЯДОК. а - двумерная модель твердого тела, иллюстрирующая наличие дальнего порядка; б - двумерная модель жидкости, иллюстрирующая наличие только ближнего порядка.
В органических веществах, молекулы которых имеют удлиненную форму, в том или ином интервале температур иногда обнаруживаются области жидкой фазы с дальним ориентационным порядком, который проявляется в тенденции к параллельному выстраиванию длинных осей молекул. При этом ориентационная упорядоченность может сопровождаться координационной упорядоченностью центров молекул. Жидкие фазы такого типа обычно называют жидкими кристаллами; для понимания их структурных свойств тоже весьма полезно компьютерное моделирование.
См. также ЖИДКИЙ КРИСТАЛЛ. В газах никакой упорядоченности в расположении молекул нет. Таким образом, жидкости занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и газами, т.е. между полностью упорядоченными и полностью неупорядоченными молекулярными системами. Именно поэтому теория жидкостей оказывается столь сложной. Ниже мы рассмотрим связь между твердыми телами, жидкостями и газами, а также между различными свойствами жидкостей, пользуясь простыми молекулярными моделями.
Жидкость, газ и межмолекулярные силы. В 1 см3 газа при температуре 0° С и нормальном давлении содержится примерно 2,7*10 19 молекул, так что среднее расстояние между ними составляет около 30Ч10-8 см, или 30 . Поскольку диаметр самих молекул всего лишь несколько ангстрем, логично предположить, что взаимодействие между молекулами газа пренебрежимо мало всегда, кроме моментов их столкновений. Таким образом, мы приходим к модели газа, в которой молекулы представляются движущимися независимо друг от друга шариками, сталкивающимися друг с другом и со стенками сосуда, в который газ заключен. При температуре 0° С скорость молекул составляет несколько сотен метров в секунду, и их столкновения со стенками сосуда создают ощутимое давление. Более детальное рассмотрение указанной модели дает соотношение между давлением P, объемом V и термодинамической температурой T (T = °С + 273) (1) PV/T = const (для данного количества газа). Это соотношение - так называемое уравнение состояния идеального газа - представляет собой обобщенную запись законов Бойля - Мариотта, Гей-Люссака и Шарля, и поведение большинства газов описывается им с хорошей точностью. Уравнение (1) выполнялось бы всегда, если бы газ оставался газом независимо от понижения температуры или повышения давления. Однако хорошо известно, что все газы можно перевести в жидкое состояние, если достаточно сильно сжать их или охладить. Для каждого газа есть так называемая критическая температура Tc, ниже которой он всегда может быть ожижен путем повышения давления; выше Tc газ не может быть ожижен ни при каких условиях. Это означает, что модель независимо движущихся молекул в условиях, когда температура выше Tc, является лишь приближенной, а ниже Tc при высоких давлениях и плотностях она вообще неверна. Существование жидкого состояния ниже Tc наводит на мысль, что между молекулами действуют силы притяжения, поскольку иначе вообще нельзя понять, почему они остаются вблизи друг от друга. Однако помимо притяжения молекулы испытывают и взаимное отталкивание - мы убеждаемся в этом, когда пытаемся уменьшить объем жидкости (или твердого тела). Силы притяжения действуют на больших расстояниях, чем силы отталкивания, но и те и другие имеют электростатическую природу. Если ввести в модель идеального газа поправки на сцепление молекул и их объем, то получается уравнение, вообще говоря, отличное от (1). Одно из таких уравнений, выведенное Я.Ван-дер-Ваальсом, имеет вид (2) (P + a/V2) (V - b)/T = const. Здесь a и b - константы, характерные для данного газа. Это уравнение также предсказывает существование критической температуры Tc и качественно описывает наблюдаемый переход между газообразной и жидкой фазами. Рассмотрим некоторые практические следствия из уравнения (2). На рис. 2 представлен график зависимости давления газа от объема. Пусть некоторое количество газа занимает объем V1 при температуре T1 и давлении P1. При уменьшении объема давление возрастает и состояние газа изменяется: из точки A он переходит в точку B. Здесь газ начинает конденсироваться, причем дальнейшее уменьшение объема уже не приводит к изменению давления. При движении вдоль прямой BC количество жидкости возрастает до тех пор, пока в точке C газ не будет ожижен полностью. Постоянное давление, соответствующее этому процессу, называется давлением насыщенного пара при данной температуре T1. Во всех точках отрезка BC между жидкостью и газом существует равновесие (термодинамическое). Это означает, что число молекул, испаряющихся с поверхности жидкости в 1 с, в точности равно числу молекул, конденсирующихся из пара в жидкость. Для дальнейшего уменьшения объема необходимо создать очень высокое давление, чтобы преодолеть силы взаимного отталкивания молекул жидкости. Этой ситуации отвечает вертикальная прямая CD. Кривая ABCD называется изотермой, поскольку всем ее точкам соответствует одна и та же температура. Если такой же опыт проводить при более высокой температуре, то в соответствии с уравнением Ван-дер-Ваальса мы получим изотерму с таким же ходом, лишь отрезок BC станет короче. И наконец, при критической температуре Tc этот отрезок вообще стянется в точку с координатами Tc и Pc. В этой точке жидкость и газ неразличимы. При температурах, превышающих Tc, уравнение Ван-дер-Ваальса (2) переходит в уравнение (1) (кривая, соответствующая температуре T2 на рис. 2). Значения критических температур и соответствующих им давлений приведены в следующей таблице:
Рис. 2. ИЗОТЕРМА ABCD иллюстрирует связь между давлением газа и его объемом при постоянной температуре.
Поверхностное натяжение. Как мы видели, учет межмолекулярных сил позволяет правильно объяснить процесс конденсации газа. Попытаемся теперь с учетом этих сил описать некоторые физические свойства жидкостей. Представим себе каплю ртути. Мы можем слегка расплющить ее пальцем, но стоит убрать палец, и капля снова соберется в шарик. Она ведет себя так, как будто ее обтягивает эластичная пленка. Это и есть проявление эффекта поверхностного натяжения. Его природа станет ясна, если мы обратимся к рис. 3. Здесь A и B - две молекулы жидкости, первая в объеме, вторая на поверхности. В обоих случаях на них действуют силы притяжения со стороны других молекул, но лишь тех, которые находятся внутри сферы диаметром в несколько ангстрем, поскольку эти силы быстро убывают с расстоянием. Для молекулы A такая сфера лежит полностью внутри жидкости, поэтому равнодействующая всех сил равна нулю. Молекула B, находящаяся на поверхности, будет втягиваться внутрь жидкости, поскольку на нее действуют только силы притяжения со стороны молекул, находящихся в нижней полусфере. Такие же силы, перпендикулярные поверхности и направленные внутрь жидкости, действуют на все молекулы вблизи поверхности; они и создают поверхностное натяжение.
Рис. 3. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА МОЛЕКУЛУ в объеме жидкости (A) и вблизи ее поверхности (В).
Поверхностное натяжение S количественно определяется как сила, действующая на единицу длины линии на поверхности жидкости. Рассмотрим мыльную пленку, натянутую на вертикальную рамку из двух тонких проволочек TUV и PQ (рис. 4). Проволочка PQ не закреплена и может свободно передвигаться. Она будет смещаться вниз под действием силы тяжести, пока последняя не уравновесится силой, обусловленной поверхностным натяжением. Поскольку пленка имеет две поверхности, на проволочку будет действовать сила 2SL, где L - длина участка проволочки PQ, контактирующего с пленкой.
Рис. 4. ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ S мыльной пленки в проволочной рамке TUV удерживает в равновесии свободно движущуюся проволочку PQ.
Из-за наличия поверхностного натяжения любое увеличение площади поверхности жидкости сопряжено с затратами энергии. Именно поэтому небольшие капли жидкости принимают сферическую форму: отношение площади их поверхности к объему становится минимальным, а вслед за этим минимизируется и потенциальная энергия. Большие капли деформируются под действием силы тяжести.
Капиллярные явления. Капля воды на чистой стеклянной пластинке теряет свою сферическую форму и растекается, образуя тонкую пленку. Происходит это потому, что силы сцепления между молекулами воды и стекла превышают аналогичные силы между молекулами воды - вода смачивает стекло. Капля ртути на той же пластинке остается сферической: силы сцепления между молекулами ртути больше сил сцепления между молекулами ртути и стекла - ртуть стекло не смачивает. Именно этим объясняются так называемые капиллярные явления, наблюдаемые в тонкой стеклянной трубке-капилляре (рис. 5). Если опустить капилляр в сосуд с водой, то вода поднимется по нему выше уровня в сосуде, причем ее поверхность (мениск) будет иметь вогнутую форму. Уровень ртути в таком же капилляре, напротив, будет ниже уровня в самом сосуде, а мениск будет выпуклым. Поскольку сцепление между молекулами воды и стекла сильнее, чем между самими молекулами воды, вода как бы "взбирается" по стенкам капилляра, пока давление ее столбика в капилляре не уравновесится давлением, обусловленным межмолекулярными силами. Вогнутый мениск образуется потому, что на молекулы воды вблизи стенок капилляра действует отличная от нуля сила, направленная к стенке. Для ртути наблюдается обратная картина.
Рис. 5. СМАЧИВАНИЕ стенок стеклянного капилляра водой проявляется в подъеме жидкости и вогнутости мениска; ртуть не смачивает стенки капилляра и у нее мениск выпуклый и уровень жидкости в капилляре ниже, чем в сосуде.
Кипение жидкостей. При кипении жидкости в открытом сосуде давление внутри пузырьков пара, образующихся в жидкости, должно быть по меньшей мере равно атмосферному давлению - иначе пузырьки просто будут схлопываться. Следовательно, в точке кипения давление паров жидкости равно атмосферному. На достаточно большой высоте температура кипения жидкости ниже, чем на уровне моря, поскольку барометрическое давление понижается с высотой. Так, температура кипения воды на высоте 4000 м составляет лишь около 85° С, тогда как на уровне моря она равна 100° С. Кипение - это интенсивное испарение жидкости, происходящее не только с поверхности, но и во всем ее объеме, внутрь образующихся пузырьков пара. Чтобы перейти из жидкости в пар, молекулы должны приобрести энергию, необходимую для преодоления сил притяжения, удерживающих их в жидкости. Например, для испарения 1 г воды при температуре 100° С и давлении, соответствующем атмосферному давлению на уровне моря, требуется затратить 2258 Дж, из которых 1880 идут на отделение молекул от жидкости, а остальные - на работу по увеличению объема, занимаемого системой, против сил атмосферного давления (1 г водяных паров при 100° С и нормальном давлении занимает объем 1,673 см3, тогда как 1 г воды при тех же условиях - лишь 1,04 см3). Температура кипения раствора нелетучего вещества, как правило, выше, чем чистого растворителя. Поскольку жидкость закипает, когда давление ее паров становится равным атмосферному, указанная закономерность означает, что давление паров раствора нелетучего вещества при данной температуре ниже, чем у чистого растворителя.
Затвердевание жидкостей. Обычно при затвердевании жидкостей их объем несколько уменьшается (примерно на 10%), хотя существуют и исключения из этого правила. Например, вода, галлий и висмут при затвердевании расширяются, так что затвердевшее вещество плавает на поверхности жидкости. Поведение жидкостей вблизи температуры затвердевания может обнаруживать и другие аномалии, например при повышении температуры в интервале от 0 до 4° С вода сжимается. Чтобы объяснить эти экспериментальные факты, рассмотрим сначала переход от жидкого состояния к твердому для "нормальных" веществ, например алюминия. Как показывает рентгеноструктурный анализ, алюминий кристаллизуется с образованием гранецентрированной кубической решетки (рис. 6), в которой каждый атом окружен двенадцатью ближайшими соседями, находящимися от него на расстоянии 2,86 (2,86Ч10-8 см). Если атомы считать сферами, то такое расположение соответствует наиболее плотной их упаковке ("плотноупакованная" структура). В алюминии, находящемся в жидком состоянии, дальний порядок отсутствует, однако какой-то ближний порядок все же остается. По данным рентгеновской дифракции каждый атом в нем окружен 10-11 ближайшими соседями, расположенными на расстоянии 2,96 от него, т.е. структура жидкого алюминия вблизи температуры затвердевания сходна со структурой твердого алюминия, но несколько более "рыхлая". Для воды, галлия и висмута наблюдается обратная картина: вблизи температуры затвердевания более "рыхлой" является их структура не в жидком, а в твердом состоянии. Ответ на вопрос о причинах такой аномалии следует искать в особенностях строения их молекул и связей между ними в разных агрегатных состояниях. Рассмотрим, например, воду и лед. Оба они построены из одних и тех же молекул, которые состоят из дважды ионизованных отрицательных ионов кислорода (О2-) и двух однократно ионизованных положительных ионов водорода (H+). В молекуле воды эти три иона образуют треугольник с двумя протонами в основании и кислородом в вершине (соответственно два малых кружка и один большой на рис. 7); угол между связями O-H равен 104°. В структуре льда молекулы H2O расположены так, что каждый атом кислорода находится в окружении четырех водородных атомов, располагающихся в вершинах тетраэдра. Это обеспечивает максимальный выигрыш в энергии благодаря притяжению между положительными и отрицательными ионами, но структура становится значительно более "рыхлой". При плавлении льда такая довольно неэкономичная упаковка молекул H2O постепенно сменяется более плотной, и в интервале от 0 до 4° С объем вещества постепенно уменьшается. Рыхлая структура твердых галлия и висмута тоже обусловливается особенностями взаимодействий между атомами, однако характер этих связей гораздо сложнее, чем у льда.
Рис. 6. ГРАНЕЦЕНТРИРОВАННАЯ КУБИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА кристаллов алюминия.
Рис. 7. В МОЛЕКУЛАХ ЛЬДА каждый атом кислорода окружен четырьмя атомами водорода, занимающими вершины тетраэдра; треугольная структура молекул жидкой воды обеспечивает более плотную упаковку.
Растворение жидкостей. Хорошо известно, что вода растворяет спирт в любом количестве, тогда как с ртутью и нефтью она вообще не смешивается. Точно так же бензол растворяет углеводороды, но не растворяет воду. В чем причина этого феномена? Здесь можно дать такой общий ответ: жидкости смешиваются, если сходны их электронные структуры, а различия в электронной структуре затрудняют смешение. Чтобы пояснить, что мы понимаем под "электронной структурой", вновь рассмотрим воду. При образовании молекулы воды происходит перераспределение заряда между составляющими ее атомами: атомы водорода отдают свои валентные электроны, а атом кислорода принимает их. Таким образом, молекула воды имеет ненулевой электрический дипольный момент, т.е. является полярной. Этим объясняется, в частности, то, что вода обладает очень большой диэлектрической проницаемостью и соли хорошо растворяются в ней, диссоциируя на ионы. Диполь-дипольное взаимодействие удерживает молекулы воды вместе, вследствие чего повышается ее температура кипения. Другой пример полярной жидкости - спирт C2H5OH; он легко смешивается с водой, поскольку дипольный момент его молекул сходен с дипольным моментом молекул воды. Наряду с полярными жидкостями, молекулы которых в значительной степени связаны между собой, существуют и неполярные с более слабыми межмолекулярными связями. Примером таких жидкостей могут служить углеводороды - бензол, нафталин и др. Молекулы этих жидкостей построены из атомов углерода и водорода, которые обобществляют свои валентные электроны вместо того, чтобы отдавать или присоединять их. Об относительной слабости связей между молекулами углеводородов свидетельствует низкая температура их кипения. Между жидкостями с четко выраженными полярными свойствами (вода) и абсолютно неполярными (углеводороды) находится целый спектр классов жидкостей, так что не всегда можно заранее сказать, будут две данные жидкости смешиваться или нет. Но в большинстве случаев выполняется правило, сформулированное в начале раздела. Кроме электронной структуры, смешиваемость жидкостей может существенным образом зависеть от размера молекул, а также от температуры. Например, никотин смешивается с водой в любой пропорции ниже 60° С и выше 208° С; при промежуточных же температурах взаимная растворимость никотина и воды весьма ограничена.
Осмос. В 1748 Ж. Нолле обнаружил, что некоторые растительные клетки в концентрированном солевом растворе сжимаются - вода уходит из них через клеточную мембрану. Если те же клетки перенести затем в воду, то они разбухают и восстанавливают свой размер. Такое перемещение вещества (диффузия) через полупроницаемую перегородку, разделяющую раствор и чистый растворитель или два раствора разной концентрации, называется осмосом. Это явление можно объяснить тем, что молекулы растворителя, как правило, меньше молекул растворенного вещества, а потому легче проходят сквозь поры в перегородке. Поскольку в разбавленном растворе (или чистом растворителе) число молекул растворителя больше, чем в концентрированном, происходит диффузионный перенос этих молекул в сторону последнего.
См. также ОСМОС.
Жидкости и твердые тела. Ранее мы говорили о взаимоотношениях жидкостей и их паров вблизи критической температуры Tc. Аналогичные взаимоотношения существуют между жидкостями и твердыми телами - по крайней мере вблизи температуры плавления Tm. Обычно при расплавлении твердого тела его объем увеличивается примерно на 10%, т.е. среднее расстояние между соседними молекулами в твердом и жидком состояниях почти одинаково. Сцепление между атомами или молекулами в твердом и жидком состояниях различается не очень сильно, и пластичность твердых тел можно считать аналогом текучести жидкостей. Таким образом, по своим физическим свойствам твердые тела и жидкости различаются не столь радикально, как это кажется. Соответственно существуют два типа теорий жидкого состояния: одни опираются на представления современной теории твердого тела, а другие - на представления, заимствованные из теории газов. Теории первого типа более адекватны вблизи точки плавления Tm, а второго - вблизи критической точки Tc.
Жидкие металлы. Многие физические свойства твердых металлов мало меняются при плавлении. В связи с этим разрабатываются более общие теории, в которых свойства жидких и твердых металлов рассматриваются с единых позиций. В этих теориях важную роль играет структурный фактор, определяемый взаимным расположением атомов. Оказывается, что вследствие довольно сильных колебаний атомов твердого тела при повышенных температурах структурный фактор твердого тела вблизи точки плавления не очень сильно отличается от такового для жидкости. Металлы с низкой температурой плавления, например натрий, применяются в качестве охлаждающих теплоносителей в ядерных реакторах АЭС.
ЛИТЕРАТУРА
Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Л., 1975 Крокстон К. Физика жидкого состояния. М., 1987