Væske
Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 8. juni 2022; checks kræver 10 redigeringer .Væske - et stof , der er i en flydende aggregeringstilstand , der indtager en mellemposition mellem den faste og gasformige tilstand [1] .
Samtidig kondenseres en væskes aggregeringstilstand, ligesom et fast legemes aggregeringstilstand, det vil sige en, hvori partikler (atomer, molekyler, ioner) er forbundet med hinanden.
En væskes hovedegenskab, som adskiller den fra stoffer i andre aggregeringstilstande, er evnen til ubegrænset at ændre form under påvirkning af tangentielle mekaniske spændinger , selv vilkårligt små, mens de praktisk talt bibeholder volumen.
Generel information
Den flydende tilstand betragtes normalt som mellemliggende mellem et fast legeme og en gas : en gas bevarer hverken volumen eller form, mens et fast stof bevarer begge dele [2] .
Formen på flydende legemer kan helt eller delvist bestemmes af, at deres overflade opfører sig som en elastisk membran. Så vand kan samle sig i dråber. Men væsken er i stand til at flyde selv under dens ubevægelige overflade, og det betyder også, at formen (af de indre dele af væskelegemet) ikke bevares.
En væskes molekyler har ikke en bestemt position, men samtidig har de ikke fuldstændig bevægelsesfrihed. Der er en tiltrækning mellem dem, stærk nok til at holde dem tæt på.
Et stof i flydende tilstand eksisterer i et bestemt temperaturområde , under hvilket det går over i en fast tilstand ( krystallisation sker eller transformation til en fast amorf tilstand - glas ), over - til en gasformig tilstand (fordampning forekommer). Grænserne for dette interval afhænger af trykket .
Som regel har stof i flydende tilstand kun én modifikation (de vigtigste undtagelser er kvantevæsker og flydende krystaller ). Derfor er væsken i de fleste tilfælde ikke kun en aggregeringstilstand, men også en termodynamisk fase (flydende fase).
Alle væsker opdeles normalt i rene væsker og blandinger . Visse blandinger af væsker er af stor betydning for livet: blod , havvand og andre. Væsker kan fungere som opløsningsmidler .
Fysiske egenskaber af væsker
Fluiditet
Fluiditet er hovedegenskaben ved væsker. Hvis en ydre kraft påføres en sektion af en væske i ligevægt, så opstår der en strøm af væskepartikler i den retning, som denne kraft påføres: væsken strømmer. Under påvirkning af ubalancerede ydre kræfter bevarer væsken således ikke formen og det relative arrangement af delene og tager derfor form af beholderen, hvori den er placeret.
I modsætning til plastiske faste stoffer har en væske ingen flydespænding : det er nok at påføre en vilkårligt lille ekstern kraft for at få væsken til at flyde.
Bevarelse af volumen
En af de karakteristiske egenskaber ved en væske er, at den har et vist volumen . En væske er ekstremt svær at komprimere mekanisk, fordi der i modsætning til en gas er meget lidt ledig plads mellem molekylerne. Trykket, der udøves på en væske indesluttet i en beholder, overføres uden ændring til hvert punkt i volumenet af denne væske ( Pascals lov , også gyldig for gasser). Denne funktion, sammen med meget lav kompressibilitet, bruges i hydrauliske maskiner.
Væsker øges typisk i volumen (ekspanderer), når de opvarmes og falder i volumen (kontrakter), når de afkøles. Der er dog undtagelser, for eksempel vand komprimerer ved opvarmning, ved normalt tryk og temperaturer fra 0 °C til cirka 4 °C.
Viskositet
Derudover er væsker (som gasser) karakteriseret ved viskositet . Det defineres som evnen til at modstå bevægelsen af den ene af delene i forhold til den anden - altså som indre friktion.
Når tilstødende lag af en væske bevæger sig i forhold til hinanden, sker der uundgåeligt en kollision af molekyler ud over det på grund af termisk bevægelse . Der er kræfter, der bremser den ordnede bevægelse. I dette tilfælde omdannes den kinetiske energi af ordnet bevægelse til termisk energi - energien fra den kaotiske bevægelse af molekyler.
Væsken i beholderen, sat i bevægelse og overladt til sig selv, vil gradvist stoppe, men dens temperatur vil stige.
Fri overfladedannelse og overfladespænding
På grund af volumenbevaring er væsken i stand til at danne en fri overflade. En sådan overflade er fasegrænsefladen for et givet stof: på den ene side er der en flydende fase, på den anden side - en gasformig (damp) og muligvis andre gasser, såsom luft.
Hvis væske- og gasfaserne af det samme stof er i kontakt, opstår der kræfter, der har tendens til at reducere grænsefladearealet - overfladespændingskræfter. Grænsefladen opfører sig som en elastisk membran, der har tendens til at krympe.
Overfladespænding kan forklares ved tiltrækningen mellem væskemolekyler. Hvert molekyle tiltrækker andre molekyler, søger at "omgive" sig med dem og derfor forlade overfladen. Følgelig har overfladen en tendens til at falde.
Derfor har sæbebobler og bobler under kogning en tendens til at antage en sfærisk form: for et givet volumen har en kugle en minimumsoverflade. Hvis kun overfladespændingskræfter virker på en væske, vil den nødvendigvis antage en sfærisk form - for eksempel vanddråber i vægtløshed.
Små genstande med en densitet større end en væskes tæthed er i stand til at "svæve" på væskens overflade, da tyngdekraften er mindre end den kraft, der forhindrer stigningen i overfladearealet. (Se overfladespænding .)
Fordampning og kondensering
Fordampning er den gradvise overgang af et stof fra en væske til en gasformig fase (damp).
Under termisk bevægelse forlader nogle molekyler væsken gennem dens overflade og bliver til damp. Samtidig går nogle af molekylerne tilbage fra dampen til væsken. Hvis flere molekyler forlader væsken, end der kommer ind, sker der fordampning.
Kondensation er den omvendte proces, overgangen af et stof fra en gasformig tilstand til en flydende tilstand. I dette tilfælde passerer flere molekyler fra dampen ind i væsken end ind i dampen fra væsken.
Fordampning og kondensering er ikke -ligevægtsprocesser , de finder sted, indtil lokal ligevægt er etableret (hvis etableret), og væsken kan fuldstændigt fordampe eller komme i ligevægt med sin damp, når lige så mange molekyler forlader væsken som retur.
Kog
Kogning er processen med fordampning inde i en væske. Ved en tilstrækkelig høj temperatur bliver damptrykket højere end trykket inde i væsken, og der begynder at dannes dampbobler, som (under tyngdekraften) flyder til toppen.
Befugtning
Befugtning er et overfladefænomen, der opstår, når en væske kommer i kontakt med en fast overflade i nærværelse af damp, det vil sige ved grænsefladerne mellem tre faser.
Befugtning karakteriserer "klæbning" af en væske til overfladen og spredning over den (eller omvendt frastødning og ikke-spredning). Der er tre tilfælde: ikke-vædning, begrænset befugtning og fuldstændig befugtning.
Blandbarhed
Blandbarhed er væskers evne til at opløses i hinanden. Et eksempel på blandbare væsker: vand og ethylalkohol , et eksempel på ikke-blandbare væsker: vand og flydende olie .
Diffusion
Når to blandbare væsker er i en beholder, begynder molekylerne, som følge af termisk bevægelse , gradvist at passere gennem grænsefladen, og væskerne blandes således gradvist. Dette fænomen kaldes diffusion (det forekommer også i stoffer i andre aggregeringstilstande).
Overophedning og hypotermi
En væske kan opvarmes over kogepunktet på en sådan måde, at kogning ikke opstår. Dette kræver ensartet opvarmning, uden væsentlige temperaturforskelle i volumenet og uden mekaniske påvirkninger såsom vibrationer. Hvis noget smides i en overophedet væske , koger det øjeblikkeligt. Overophedet vand er nemt at få i mikroovnen .
Underkøling - afkøling af en væske under frysepunktet uden at blive til en fast aggregeringstilstand . Som med overophedning kræver underkøling fravær af vibrationer og betydelige temperaturudsving.
Tæthedsbølger
Selvom en væske er ekstremt svær at komprimere, ændres dens volumen og tæthed, når trykket ændres. Det sker ikke med det samme; så hvis en sektion er komprimeret, så overføres en sådan komprimering til andre sektioner med en forsinkelse. Det betyder, at elastiske bølger , mere specifikt tæthedsbølger , er i stand til at forplante sig inde i væsken . Sammen med massefylden ændrer også andre fysiske størrelser, for eksempel temperatur.
Hvis tætheden under udbredelsen af en bølge ændrer sig ret svagt, kaldes en sådan bølge en lydbølge eller lyd .
Hvis tætheden ændres kraftigt nok, kaldes en sådan bølge en chokbølge . Chokbølgen er beskrevet af andre ligninger.
Tæthedsbølger i en væske er langsgående, det vil sige, at tætheden ændres langs bølgeudbredelsesretningen. Der er ingen tværgående elastiske bølger i væsken på grund af manglende bevarelse af formen.
Elastiske bølger i en væske henfalder med tiden, deres energi omdannes gradvist til termisk energi. Årsagerne til dæmpning er viskositet, " klassisk absorption ", molekylær afslapning og andre. I dette tilfælde virker den såkaldte anden eller bulkviskositet - intern friktion med en ændring i tæthed. Som følge af dæmpning forvandles chokbølgen til en lydbølge efter nogen tid.
Elastiske bølger i en væske er også udsat for spredning af inhomogeniteter som følge af molekylers tilfældige termiske bevægelse.
Bølger på overfladen
Hvis en sektion af væskeoverfladen forskydes fra ligevægtspositionen, begynder overfladen under påvirkning af genoprettelseskræfter at bevæge sig tilbage til ligevægtspositionen. Denne bevægelse stopper dog ikke, men bliver til en oscillerende bevægelse nær ligevægtspositionen og spreder sig til andre områder. Sådan opstår bølger på overfladen af en væske .
Hvis genoprettelseskraften overvejende er tyngdekraften, kaldes sådanne bølger gravitationsbølger (ikke at forveksle med tyngdekraftsbølger ). Gravitationsbølger på vandet kan ses overalt.
Hvis genopretningskraften overvejende er en overfladespændingskraft, kaldes sådanne bølger kapillær .
Hvis disse kræfter er sammenlignelige, kaldes sådanne bølger kapillar-tyngdekraftsbølger .
Bølger på overfladen af en væske dæmpes af viskositet og andre faktorer.
Sameksistens med andre faser
Formelt set er det nødvendigt med strengt definerede betingelser for at opnå ligevægt sameksistens af en flydende fase med andre faser af det samme stof - gasformige eller krystallinske. Så ved et givet tryk er der behov for en strengt defineret temperatur. Ikke desto mindre, i naturen og teknologien, eksisterer væske overalt sammen med damp, eller også med en fast aggregeringstilstand - for eksempel vand med vanddamp og ofte med is (hvis vi betragter damp som en separat fase til stede sammen med luft). Dette skyldes følgende årsager:
- Ubalanceret tilstand. Det tager tid for væsken at fordampe, indtil væsken er fuldstændig fordampet, den sameksisterer med dampen. I naturen fordamper vand konstant, såvel som den omvendte proces - kondens.
- lukket volumen. Væsken i en lukket beholder begynder at fordampe, men da volumen er begrænset, stiger damptrykket, den bliver mættet, allerede inden væsken er helt fordampet, hvis dens mængde var stor nok. Når mætningstilstanden er nået, er mængden af fordampet væske lig med mængden af kondenseret væske, systemet kommer i ligevægt. I et begrænset volumen kan de nødvendige betingelser for ligevægtens sameksistens mellem væske og damp etableres.
- Atmosfærens tilstedeværelse under betingelserne for terrestrisk tyngdekraft. Atmosfærisk tryk virker på en væske (luft og damp), mens det for damp praktisk talt kun skal tages hensyn til dets partialtryk . Derfor svarer væsken og dampen over dens overflade til forskellige punkter på fasediagrammet, henholdsvis i området for eksistensen af væskefasen og i området for eksistensen af den gasformige. Dette annullerer ikke fordampning, men fordampning tager tid, hvor begge faser eksisterer side om side. Uden denne betingelse ville væsker koge og fordampe meget hurtigt.
Teori
Mekanik
Studiet af væskers og gassers bevægelse og mekaniske ligevægt og deres vekselvirkning med hinanden og med faste legemer er genstand for et afsnit af mekanikken kaldet hydroaeromekanik (ofte også kaldet hydrodynamik). Væskemekanik er en del af en mere generel gren af mekanik, kontinuummekanik .
Væskemekanik er en gren af væskemekanik, der beskæftiger sig med inkompressible væsker. Da væskers kompressibilitet er meget lille, kan den i mange tilfælde negligeres. Gasdynamik er afsat til studiet af komprimerbare væsker og gasser .
Hydromekanik er underopdelt i hydrostatik , som studerer ligevægten af inkompressible væsker, og hydrodynamik (i snæver forstand), som studerer deres bevægelse.
Bevægelsen af elektrisk ledende og magnetiske væsker studeres i magnetohydrodynamik . Hydraulik bruges til at løse anvendte problemer .
Hydrostatikkens grundlæggende lov er Pascals lov .
Bevægelsen af en ideel inkompressibel væske er beskrevet af Euler-ligningen . For en stationær strøm af en sådan væske er Bernoullis lov opfyldt . Væskeudstrømning fra huller er beskrevet af Torricellis formel .
Bevægelsen af en tyktflydende væske er beskrevet af Navier-Stokes-ligningen , hvor kompressibilitet også kan tages i betragtning.
Elastiske vibrationer og bølger i en væske (og i andre medier) studeres i akustik . Hydroakustik er en sektion af akustik, der studerer lyd i et rigtigt vandmiljø med henblik på undervandsplacering , kommunikation osv.
Molekylær kinetiske overvejelser
Stoffets aggregerede tilstand bestemmes af ydre forhold, primært tryk og temperatur . De karakteristiske parametre er den gennemsnitlige kinetiske energi af et molekyle og den gennemsnitlige energi af interaktion mellem molekyler (pr. et molekyle) . For væsker er disse energier omtrent lige store: for faste stoffer er interaktionsenergien meget større end den kinetiske energi, for gasser meget mindre.
Klassificering af væsker
En væskes struktur og fysiske egenskaber afhænger af den kemiske identitet af deres bestanddele og af arten og størrelsen af interaktionen mellem dem. Flere grupper af væsker kan skelnes efter stigende kompleksitet.
- Atomvæsker eller væsker af atomer eller sfæriske molekyler bundet af centrale van der Waals-kræfter (flydende argon , flydende metan ).
- Væsker af diatomiske molekyler bestående af identiske atomer (flydende brint ) eller ioner (flydende natrium , kviksølv ), hvori partikler ( ioner ) er bundet af langtrækkende Coulomb-kræfter .
- Væsker bestående af polære molekyler forbundet med en dipol-dipol-interaktion (flydende hydrogenbromid ).
- Tilknyttede væsker eller væsker med hydrogenbindinger ( vand , glycerin ).
- Væsker bestående af store molekyler, for hvilke indre frihedsgrader er essentielle .
Væsker fra de to første grupper (nogle gange tre) kaldes normalt simple. Simple væsker er blevet undersøgt bedre end andre; af ikke-simple væsker har vand været den mest velundersøgte. Denne klassificering omfatter ikke kvantevæsker og flydende krystaller , som er særlige tilfælde og skal overvejes separat.
I væskedynamik er væsker opdelt i newtonsk og ikke-newtonsk . Strømmen af en newtonsk væske overholder Newtons viskositetslov , dvs. forskydningsspænding og hastighedsgradient er lineært afhængige . Proportionalitetsfaktoren mellem disse mængder er kendt som viskositeten [3] [4] [5] . I en ikke-newtonsk væske afhænger viskositeten af hastighedsgradienten. [6] [7]
-
Smeltet bronze
Statistisk teori
Strukturen og termodynamiske egenskaber af væsker er mest succesfuldt undersøgt ved hjælp af Percus-Yevick-ligningen .
Hvis vi bruger modellen af faste kugler, det vil sige, vi betragter flydende molekyler som kugler med en diameter , så kan Percus-Yevick-ligningen løses analytisk, og væskens tilstandsligning kan opnås:
hvor er antallet af partikler pr. volumenenhed, er den dimensionsløse densitet. Ved lave tætheder bliver denne ligning tilstandsligningen for en ideel gas : . For ekstremt høje tætheder, , opnås tilstandsligningen for en inkompressibel væske: .
Hardball-modellen tager ikke højde for tiltrækningen mellem molekyler, så der er ingen skarp overgang mellem væske og gas, når ydre forhold ændrer sig.
Hvis der skal opnås mere nøjagtige resultater, opnås den bedste beskrivelse af væskens struktur og egenskaber ved hjælp af perturbationsteori . I dette tilfælde betragtes den hårde bold-model som den nulte tilnærmelse, og de tiltrækkende kræfter mellem molekyler betragtes som forstyrrelser og giver korrektioner.
Cluster theory
En af de moderne teorier er "Cluster Theory". Det er baseret på ideen om, at en væske er repræsenteret som en kombination af et fast stof og en gas. I dette tilfælde er partikler af den faste fase (krystaller, der bevæger sig over korte afstande) placeret i en sky af gas, der danner en klyngestruktur. Partikelenergien svarer til Boltzmann-fordelingen , mens systemets gennemsnitlige energi forbliver konstant (under betingelse af dets isolation). Langsomme partikler kolliderer med klynger og bliver en del af dem. Så konfigurationen af klynger ændrer sig konstant, systemet er i en tilstand af dynamisk ligevægt . Når der skabes en ekstern påvirkning, vil systemet opføre sig efter Le Chatelier-princippet . Det er således let at forklare fasetransformationen:
- Når det opvarmes, vil systemet gradvist blive til en gas ( kogende )
- Når det er afkølet, vil systemet gradvist blive til en fast krop ( frysning ).
Ifølge et andet synspunkt [9] [10] er klyngeteorien om en væske, som et stof, der er i en kondenseret (bundet) tilstand (bevarelse af volumen), og ikke i en tilstand af "gastæt" lidelse, baseret på ideen om klynger som rester efter at have passeret gennem smeltepunktet af -krystallinske dynamiske strukturer med et konstant (for en given temperatur) gennemsnitligt antal brydende og genoprette intercluster og intracluster interatomiske bindinger, som sikrer bevarelsen af volumen og bestemme væskens mobilitet (fluiditet) og kemiske aktivitet. Når temperaturen stiger, falder antallet af atomer i klynger på grund af en stigning i brudte bindinger. De resulterende frie atomer (molekyler) fordamper fra væskens overflade eller forbliver i intercluster-rummet som en opløst gas (damp). Ved kogepunktet går stoffet over i en monoatomisk (monomolekylær) gasformig (damp) tilstand.
Eksperimentelle undersøgelsesmetoder
Strukturen af væsker studeres ved hjælp af røntgenstrukturanalyse , elektrondiffraktion og neutrondiffraktionsmetoder .
Se også
Noter
- ↑ Fluid - artikel fra Physical Encyclopedia
- ↑ I teknisk hydromekanik kaldes gas også nogle gange for en væske i ordets brede betydning; i dette tilfælde kaldes en væske i ordets snævre betydning en dråbevæske .
- ↑ "Fysisk encyklopædi". I 5 bind. M.: "Sovjetisk encyklopædi", 1988
- ↑ Chefredaktør A. M. Prokhorov. Newtonsk væske // Physical Encyclopedic Dictionary. — M.: Sovjetisk Encyklopædi . - 1983.
- ↑ Newtonsk væske - artikel fra Physical Encyclopedia
- ↑ Wilkinson W. L., Non-Newtonian fluids, trans. fra engelsk, M., 1964
- ↑ Astarita J., Marrucci J., Fundamentals of hydromechanics of non-newtonian fluids, trans. fra engelsk, M., 1978
- ↑ Andreev V.D. Udvalgte problemer inden for teoretisk fysik . - Kyiv: Outpost-Prim,. – 2012.
- ↑ Andreev V. D. Crash (crash)-konformationel kinematik af det kovalente gitter af diamant under smeltning // Journal of Structural Chemistry . - 2001. - Nr. 3 . - S. 486-495 .
- ↑ Andreev V. D. "Smeltefaktor" i interatomiske interaktioner i et diamantgitter // Chemical Physics . - 2002. - Nr. 8, v.21 . - S. 35-40 .
Litteratur
- Croxton, K. Fluid State Physics. Statistisk introduktion. — M .: Mir , 1984. — 400 s.
Links
- Artikel "Væske" - i Physical Encyclopedia.
- Liquids // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron : i 86 bind (82 bind og 4 yderligere). - Sankt Petersborg. , 1890-1907.
 Tematiske steder | ||||
|---|---|---|---|---|
| Ordbøger og encyklopædier |
| |||
| ||||
| Materiens termodynamiske tilstande | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fasetilstande |
| ||||||||||||||||
| Faseovergange |
| ||||||||||||||||
| Spred systemer | |||||||||||||||||
| se også | |||||||||||||||||