Жидкое состояние

При переходе из твердого состояния в жидкое увеличивает­ся энергия частиц, но при этом их потенциальная энергия не­сколько уменьшается, а кинетическая - заметно возрастает. Жидкости имеют промежуточную природу между твердыми ве­ществами и газами. Как и в твердом состоянии, в жидкости частицы из-за достаточно сильного взаимодействия удержива­ются вместе в определенном объеме, но для их взаимного рас­положения характерен только ближний порядок. В то же время частицы жидкости, подобно частицам газообразных веществ, перемещаются относительно друг друга, хотя в жидкости сво­бодный объем, доступный для поступательного движения час­тиц, составляет всего около 3 % от ее полного объема, а в га­зе - более 99,8 % при давлении 1 атм. Поскольку доля свобод­ного объема в жидкости мала, то жидкости, в отличие от газа, практически несжимаемы. Вследствие подвижности частиц в их расположении отсутствует дальний порядок, поэтому жид­кости не имеют определенной формы. Жидкости можно пере­ливать, при этом они принимают форму сосуда, в который их наливают. Благодаря отсутствию дальнего порядка в располо­жении частиц жидкости изотропны.

Для описания жидкого состояния веществ в настоящее вре­мя разрабатывается несколько теорий, базирующихся на раз­ных моделях. Наибольший интерес представляет модель мер­цающего ассоциата (агрегата, кластера). В жидкости частицы в основном связаны межмолекулярными взаимодействиями в не­большие ассоциаты, содержащие различное число частиц. Внут­ри ассоциатов и между ними имеются свободные полости и от­дельные частицы. Эти одиночные частицы, перемещаясь в полостях и взаимодействуя с ассоциатами, способствуют отщепле­нию от них других отдельных частиц или распаду на еще более мелкие ассоциаты. Таким образом, жидкость характеризуется наличием несвязанных частиц, небольших ассоциатов, состоя­щих из них, и свободных полостей, причем размеры ассоциатов и полостей все время меняются (время жизни молекул в ассоциатах 10^-5- 10^-10 с), что обуславливает чрезвычайно динамичный характер жидкого состояния. Учитывая перечисленные особен­ности структуры жидкости, ее неоднородность и текучесть, жидкое состояние с позиции фазового состояния можно охарактеризовать как высокодинамичную мезофазу.

Свойства жидких веществ или систем зависят не только от свойств частиц, числа свободных и связанных частиц, размеров, формы и структуры их ассоциатов, но и от соотношения между размерами ассоциатов и свободных полостей, а также от того, на­сколько быстро эти величины меняются во времени. Вследствие подвижности частиц для жидкого состояния характерны бро­уновское движение, диффузия и летучесть частиц. Важным свойством жидкости является вязкость, которая характеризует межассоциатные силы, препятствующие свободному течению жид­кости. Интенсивность проявления этих свойств зависит прежде всего от силы взаимодействия между частицами, т. е. от их природы, а также от температуры. Структура жидкости очень чувствительна к изменениям температуры. С повышением температу­ры размеры свободных полостей увеличиваются, а размеры ассо­циатов уменьшаются, что, естественно, повышает интенсивность проявления всех перечисленных свойств.

При температурах, близких к T_КИП, упорядоченность располо­жения частиц и размеры ассоциатов заметно уменьшаются, и про­исходит интенсивное испарение. Когда жидкость кипит, посту­пающая теплота расходуется на испарение, а средняя кинетиче­ская энергия остающихся в жидкости частиц не увеличивается, поэтому температура системы остается постоянной и равной T кип. Следует отметить, что интенсивность процесса испарения при дан­ной температуре (Т < Т_кип.) возрастает при снижении внешнего дав­ления вплоть до устойчивого кипения.

При температурах, близких к Т_зам, строение жидкости при­ближается к твердому состоянию, так как вследствие уменьше­ния подвижности частиц увеличиваются размеры их ассоциатов и степень упорядоченности расположения в них частиц, поэтому определенные ассоциаты становятся зародышами и центрами кристаллизации вещества.