液体の分子構造。気体、液体、固体の構造

液体状態は、気体と結晶の間の中間位置を占め、これら両方の状態のいくつかの特徴を組み合わせています。特に、液体は結晶体と同様、一定の体積を持っているという特徴があると同時に、気体と同様にその容器の形状をとります。さらに、結晶状態は気体中の粒子 (原子または分子) の規則正しい配置によって特徴付けられ、この意味では完全なカオスが支配します。 X線研究によると、液体は粒子の配置の性質に関して中間的な位置を占めています。液体粒子の配列には、いわゆる短距離秩序が観察されます。これは、任意の粒子に関して、最も近い粒子の位置が順序付けられることを意味します。ただし、特定の粒子から遠ざかるにつれて、その粒子に対する他の粒子の配置の秩序が失われ、すぐに粒子の配置の秩序が完全に消えてしまいます。結晶では長距離秩序が発生します。どの粒子に対しても、粒子の規則的な配置がかなりの体積内で観察されます。

液体中に短距離秩序が存在することが、液体の構造が準結晶（結晶に似た）と呼ばれる理由です。

長距離秩序がないため、液体は、少数の例外を除いて、粒子が規則的に配置された結晶に特徴的な異方性を示しません。細長い分子を含む液体では、かなりの体積内で同じ配向の分子が観察され、これが光学特性やその他の特性の異方性を決定します。このような液体を液晶といいます。それらにおいては、分子の配向のみが秩序化されており、通常の液体の場合のように、分子の相互配置は長距離の秩序を明らかにしない。

液体が中間的な位置にあるのは、液体の状態がその特性において特に複雑であることが判明しているという事実によるものです。したがって、彼の理論は結晶状態や気体状態の理論に比べてはるかに発展していません。完全に完成し、一般に受け入れられている液体の理論はまだありません。液体状態の理論における多くの問題の開発における重要な業績は、ソビエトの科学者 Ya I. Frenkel に帰属します。

によると。フレンケルによれば、液体中の熱運動は次のような性質を持っています。各分子は一定の平衡位置の周りでしばらく振動します。時々、分子は平衡の場所を変え、前の位置から分子自体のサイズ程度の距離だけ離れた新しい位置に突然移動します。したがって、分子は液体内でゆっくりと移動するだけで、時間の一部は特定の場所の近くに留まります。 Ya. I. Frenkel の比喩的表現によると、分子は液体全体をさまよって、短期間の移動が比較的長期間の座りっぱなしの生活に置き換わる遊牧生活を送っています。これらの停止の継続時間は非常に異なっており、互いにランダムに交互しますが、同じ平衡位置付近での振動の平均継続時間は、液体ごとに特定の値であることが判明し、温度の上昇とともに急激に減少します。これに関して、温度が上昇すると分子の移動度が大幅に増加し、液体の粘度が低下します。

多くの点で結晶よりも液体に近い固体があります。このような物体はアモルファスと呼ばれ、異方性を示しません。それらの粒子の配置には、液体と同様に、短距離の秩序しかありません。加熱による非晶質固体から液体への転移は連続的に起こりますが、結晶から液体への転移は突然起こります(これについては§125で詳しく説明します)。これらすべてのことから、非晶質固体を過冷却液体とみなす理由が得られます。過冷却液体の粒子は、粘度が大幅に上昇するため、移動性が制限されます。

アモルファス固体の代表的な例はガラスです。非晶質体には、樹脂、アスファルトなども含まれます。

気体、液体、固体の構造。

分子動力学理論の基本原理:

すべての物質は分子で構成されており、分子は原子で構成されています。

原子や分子は常に運動しており、

分子間には引力と反発力が存在します。

でガス分子は無秩序に動き、分子間の距離は大きく、分子力は小さく、ガスはそれに供給される体積全体を占めます。

で液体分子は短距離でのみ規則的に配置され、長距離では配置の秩序 (対称性) が崩れます。これが「短距離秩序」です。分子引力により、分子は互いに接近した状態に保たれます。分子の動きは、ある安定した位置から別の安定した位置へ (通常は 1 つの層内で) 「ジャンプ」します。この動きは液体の流動性を説明します。液体には形はありませんが、体積があります。

固体はその形状を保持する物質であり、結晶と非晶質に分けられます。結晶性固体物体には結晶格子があり、そのノードにはイオン、分子、または原子が存在します。それらは安定した平衡位置に対して振動します。結晶格子は、体積全体にわたって規則的な構造、つまり「長距離秩序」の配列を持っています。

アモルファス体形状は保たれますが、結晶格子を持たないため、顕著な融点がありません。これらは液体と同様に分子配列の「短距離」秩序を持っているため、凍結液体と呼ばれます。

分子相互作用力

物質のすべての分子は、引力と反発力によって相互作用します。分子の相互作用の証拠: 湿潤現象、圧縮と張力に対する耐性、固体と気体の低圧縮性など。分子の相互作用の理由は、物質内の荷電粒子の電磁相互作用です。これをどう説明すればいいでしょうか？原子は、正に帯電した原子核と負に帯電した電子殻で構成されます。原子核の電荷はすべての電子の電荷の合計に等しいため、原子全体は電気的に中性です。 1 つ以上の原子からなる分子も電気的に中性です。 2 つの静止分子を例にして、分子間の相互作用を考えてみましょう。自然界では物体間に重力と電磁力が存在することがあります。分子の質量は極めて小さいため、分子間の重力相互作用による無視できる力は無視できます。非常に長い距離では、分子間の電磁相互作用も存在しません。しかし、分子間の距離が縮まると、分子は互いに向き合った面が異なる符号の電荷を持つように配向し始め（一般に、分子は中性のままです）、分子間に引力が生じます。分子間の距離がさらに小さくなると、分子の原子の負に帯電した電子殻の相互作用の結果として斥力が発生します。その結果、分子には引力と反発力の合計が作用します。遠距離では引力が優勢となり（分子の直径の 2 ～ 3 倍の距離で引力が最大になります）、近距離では反発力が優勢になります。分子間には、引力と斥力が等しくなる距離が存在します。分子のこの位置は安定平衡位置と呼ばれます。互いに離れたところにあり、電磁力によって結合されている分子は位置エネルギーを持っています。安定した平衡位置では、分子の位置エネルギーは最小になります。物質内では、各分子は隣接する多くの分子と同時に相互作用し、これは分子の最小位置エネルギーの値にも影響を与えます。さらに、物質のすべての分子は連続的に運動しています。運動エネルギーを持っています。したがって、物質の構造とその特性（固体、液体、気体）は、分子間の相互作用の最小位置エネルギーと分子の熱運動の運動エネルギーの蓄えとの関係によって決まります。

固体、液体、気体の構造と性質

物体の構造は、物体の粒子の相互作用とその熱運動の性質によって説明されます。

固体

固体は一定の形状と体積を持ち、実質的に非圧縮性です。分子の相互作用の最小位置エネルギーは、分子の運動エネルギーよりも大きくなります。強力な粒子相互作用。固体中の分子の熱運動は、安定した平衡位置付近の粒子（原子、分子）の振動によってのみ表現されます。

大きな引力のため、分子は実質的に物質内での位置を変えることができず、これが固体の体積と形状の不変性を説明しています。ほとんどの固体は、規則的な結晶格子を形成する粒子が空間的に規則正しく配置されています。物質の粒子（原子、分子、イオン）は、結晶格子の頂点、つまりノードに位置します。結晶格子の節は粒子の安定平衡の位置と一致します。このような固体は結晶と呼ばれます。

液体

液体は一定の体積を持っていますが、それ自体の形状はなく、液体が入っている容器の形状になります。分子間の相互作用の最小位置エネルギーは、分子の運動エネルギーに匹敵します。粒子相互作用が弱い。液体中の分子の熱運動は、隣接する分子によって分子に与えられる体積内の安定した平衡位置の周りの振動によって表現されます。分子は物質の体積全体を自由に移動することはできませんが、分子が隣接する場所に移動することは可能です。これは、液体の流動性とその形状を変える能力を説明します。

液体では、分子は引力によって互いに非常にしっかりと結合しており、これが液体の体積の不変性を説明しています。液体中では、分子間の距離は分子の直径にほぼ等しくなります。分子間の距離が近づくと（液体が圧縮されると）、反発力が急激に増加するため、液体は非圧縮性になります。液体は、その構造と熱運動の性質の点で、固体と気体の中間的な位置を占めます。ただし、液体と気体の違いは、液体と固体の違いよりもはるかに大きくなります。たとえば、融解または結晶化中の物体の体積変化は、蒸発または凝縮中の何倍も小さくなります。

気体の体積は一定ではなく、気体が存在する容器の体積全体を占めます。分子間の相互作用の最小位置エネルギーは、分子の運動エネルギーよりも小さくなります。物質の粒子は実際には相互作用しません。ガスは、分子の配置と運動が完全に無秩序であることが特徴です。

気体分子間の距離は、分子のサイズよりも何倍も大きくなります。小さな引力では分子を互いに近づけることができないため、気体は際限なく膨張する可能性があります。気体は外部圧力の影響で容易に圧縮されます。分子間の距離は大きく、相互作用力は無視できます。容器の壁にかかるガス圧力は、移動するガス分子の衝撃によって発生します。

粒子の引力と反発により、物質内での粒子の相対位置が決まります。そして物質の性質は粒子の配列に大きく依存します。したがって、透明で非常に硬いダイヤモンド（ダイヤモンド）（図111、a）と柔らかい黒いグラファイト（図111、b）（鉛筆の芯はそれから作られています）を見ても、両方の物質が正確に構成されているとは気づきません。同じ炭素原子です。ただ、これらの原子の配置がグラファイトとダイヤモンドでは異なるだけです。

米。 111

写真は原子そのものではなく、そのモデルであるボールを描いていることに注意してください。実際には、それらの間に接続ロッドやワイヤはありません。これは物質中の原子の配置の従来のイメージです。

物質の粒子の相互作用により、物質は固体、液体、気体の 3 つの状態になる可能性があります。たとえば、氷、水、蒸気などです(図112)。どのような物質でも 3 つの状態をとることができますが、それには圧力、温度などの特定の条件が必要です。たとえば、空気中の酸素は気体ですが、-193°C 以下に冷却すると液体になり、-219°C の温度では固体になります。常圧、室温でのアイロンは固体状態です。 1539℃以上の温度では鉄は液体になり、3050℃以上の温度では気体になります。医療用体温計に使用される液体水銀は、-39°C 以下の温度に冷却されると固体になります。 357°C を超える温度では、水銀は蒸気 (気体) に変わります。

米。 112

金属銀を気体に変えてガラスに吹き付け、「鏡」ガラスを作ります。

物質はさまざまな状態でどのような性質を持っていますか?

分子の動作（図113）が群れの中のミツバチの動きに似ているガスから始めましょう。ただし、群れ内のミツバチは独立して移動方向を変更し、実際には互いに衝突しません。同時に、気体中の分子の場合、そのような衝突は避けられないだけでなく、ほぼ継続的に発生します。衝突の結果、分子の方向と速度が変化します。

米。 113

このような動きと、動き中の粒子間の相互作用の欠如の結果、 気体は体積も形状も保持しない、ただし、提供されたボリューム全体を占めます。皆さんはそれぞれ、「空気が部屋の体積の半分を占める」や「ゴムボールの体積の 3 分の 2 に空気を送り込んだ」といった発言をまったくの不条理だと考えるでしょう。空気は、他の気体と同様に、部屋の全体積とボールの全体積を占めます。

液体にはどのような性質があるのでしょうか? 実験をしてみましょう。

米。 114

ビーカー 1 からビーカー 2 に水を注ぎます。 液体の形が変わった、しかし音量水 同じままだった(図114)。気体の場合のように、分子は体積全体に散乱しませんでした。これは、液体分子の相互引力は存在するが、隣接する分子をしっかりと保持していないことを意味します。それらは振動し、ある場所から別の場所にジャンプします(図115)。これは液体の流動性を説明します。

図115

最も強い相互作用は固体内の粒子間です。粒子が分散することはありません。粒子は特定の位置の周囲でのみカオス的な振動運動を実行します (図 116)。それが理由です 固体は体積と形状の両方を保持します。ゴムボールは、瓶の中やテーブルの上など、どこに置いてもボールの形と体積を保ちます。

米。 116

考えて答えてください

ガスの主な性質は何ですか?
なぜ液体は形を保てないのでしょうか？
物質の固体状態は液体や気体とどう違うのでしょうか?
水の分子は氷の分子とは違うのでしょうか？
スズ、ガソリン、酸素、鉄、水銀、空気、ガラス、プラスチックのうち、通常の状態（室温、常圧）で気体の状態にあるもの、液体または固体の状態にあるものはどれですか?
水銀は固体状態、空気は液体状態になる可能性はありますか? どのような条件下で?

宿題

ペットボトル（0.5リットル）に水を上まで入れ、しっかりと蓋をします。ペットボトルに水を絞ってみてください。その後、水を注ぎ、再びボトルの蓋を閉めます。今度は中の空気を圧縮します。実験結果に基づいて、気体と液体の構造に関する仮説を立てます。
競技課題: 動きの性質、粒子の相互作用、気体、固体、液体の状態における物質の特性を比較する表を作成します。コンテストの勝者は、テーブルに最も完全かつ正確な情報が含まれている人になります。

学んだことの主要なことを繰り返しましょう

すべての物質は個々の粒子（原子、分子）で構成されており、それらの間には距離があります。
物質の粒子は連続的かつ無秩序に運動します。
体温が高いほど、粒子の移動速度は速くなります。
拡散とは、物質が相互に浸透する現象です。拡散は、気体では特に速く起こり、液体では遅く、固体では非常にゆっくりと起こります。温度が上昇すると、拡散がより速く起こります。
粒子自体のサイズよりも大きな距離では、粒子の引力が優勢になります。粒子自体のサイズよりも小さい距離では、反発が発生します。粒子の引力は、粒子が互いに遠ざかるにつれて急速に弱まります。
物体を加熱したときの寸法の変化を熱膨張といいます。
固体と液体の熱膨張は異なりますが、すべての気体の熱膨張は同じです。

液体の物理的性質。

次元解析手法

導入

ここで紹介する講義ノートは最初の部分であり、そこから順に水力学の本筋が明らかになります。この形式の水力学コースのプレゼンテーションは、主にフルタイムの学生を対象としていますが、いくつかの調整を加えれば、夜間、パートタイム、およびパートタイムの学生のための主要な教科書として機能することができます。

この部分は、他の部分と同様に、メインセクションと追加セクションの 2 つのセクションで構成されます。メインセクションは全員に必須であり、追加の（通常はより複雑な）セクションは教師の推奨に基づいて学習します。

講義ノートのこの部分の最初のセクションでは、物理コースで知られている液体と気体の基本的な物理的性質の概要を説明します。液体と気体の物理的特性の考察は、水力現象に関連した工学的な観点から行われます。例外は、液体の表面特性 (表面張力、毛細管現象) の表現です。気体の熱力学プロセスは考慮されません。これはコースの関連部分 (「気体力学」) で行われます。

2 番目のセクションでは、水力学の問題に適用される次元解析法の基本について説明します。私たちの意見では、この方法は非常に普遍的なため、すべてのエンジニアは次元解析のアイデアを持っている必要があります。その特徴は、適用すればするほど、現象の性質がよりよく理解されることです。この点で、例と問題を検討する際には、物理的な意味に特別な注意が払われました。そのため、例と問題をもう一度見てみる価値があります。

次元解析の方法を適用する方法を学ぶには、その助けを借りてできるだけ多くの問題を解決し、例を分析する必要があります。そのため、2 番目のセクションは主に例と問題 (最小限で最も必要な量の理論資料) で構成されています。が与えられます）。原則として、例は詳細に示されており、タスクはより簡潔ですが、それぞれについて説明が与えられています。すべての問題を個別に解決し、その結果得られた解決策をテキストに記載されている解決策と比較することをお勧めします。いくつかの問題は完全に解決されていません。その一部は伝統的に寸法解析法 (油圧ハンマー) を使用して解決されていませんが、その他の問題はまだ完全に解決されていません (橋支持部のウォッシュアウト)。著者は、次元解析手法を使用して多数の問題を解決することで、この普遍的な手法を習得する量が質に変わることを期待しています。

液体と気体の物理的性質

1. 研究対象

液体 (または気体) は、粒子が相互に非常に高い移動度をもつ物理体です。

将来的には、外部要因（重力、外部圧力など）のみによって引き起こされる液体と気体の平衡と運動が研究されます。

2. 液体と気体の物理構造

どのような物体であっても、膨大な数の分子が動き、相互に作用し合っています。分子間の相互作用が弱い場合、分子が気体を形成するのはごく自然なことのように思えます。それ以外の場合、相互作用が強い場合は固体、中間の場合は液体です。弱い相互作用と強い相互作用を判断するには、分子の相互作用エネルギーをその運動エネルギーと比較する必要があります。分子運動理論から、分子のカオス運動の平均運動エネルギーは次のように知られています。 E温度に直接関係する Tシステム:

E = 2/3kT,

どこ k- 絶え間ない; T- 絶対温度。

液体は分子構造上、固体と気体の中間的な位置を占めます。液体の分子は固体の分子と同じくらい密に配置されていると考えられています。この事実を確認するために、水は凍ると固体物質、つまり密度が水よりもさらに小さい氷に変わることを思い出してください。単純化された、しかし明らかに定性的に正しいモデルによると、液体分子の熱運動は特定の中心に対する不規則な振動を表します。このような物理構造の特徴は、流動性などの特定の特性の原因となります。

流動性とは、たとえ小さな力の影響下でも、部品に分解することなく液体がその形状を変える能力、特に液体が存在する容器の形状をとる能力のことです。

連続流体は、機械的特性の観点から、低圧縮性 (液滴) と圧縮性 (気体) の 2 つのクラスに分類されます。物理学の観点から見ると、液滴は気体とは大きく異なります。流体力学の観点から見ると、両者の間にはそれほど大きな違いはありません。多くの場合、液滴液体に有効な法則は、圧縮率を考慮できない場合 (たとえば、換気ダクトを計算する場合)、気体にも適用できます。広義の液体を表す特別な用語がないため、以下では「液滴液体」、「気体」、および「液体」という用語を使用し、後者を広義の意味で使用します。液滴と気体の両方（つまり、液体とは、流動性の性質を持つあらゆる媒体を意味します）。液滴の体積は明確に定義されており、そのサイズは力の影響下でも実質的に変化しません。液体の最も典型的な性質は等方性です。すべての方向で同一の特性: 同じ熱伝導率、機械的特性、さまざまな波の伝播速度など。

気体は与えられたすべての空間を占有しており、力の影響下で圧縮および膨張して体積を大きく変化させることができます。特に、それらは圧力の下でのみ存在できます。圧力がなければ、ガスは際限なく膨張します。したがって、通常の状態では、ガス内の圧力はゼロではないと仮定する必要があります。

現代の物質の分子動力学理論では、物質のさまざまな凝集状態は、その粒子の配置におけるさまざまな程度の秩序と関連付けられています。気体状態は、分子が完全に無秩序で無秩序に配置されていることが特徴です。対照的に、理想的な結晶では、粒子は結晶全体に広がる厳密な順序で配置されます。結晶固体中の粒子の正しい配置は、結晶による X 線の散乱に関する実験によって実験的に確認されます。

これらの実験により、たとえば、多くの結晶内の原子がいわゆる中心立方結晶格子を形成していることを確立することができました（図58、a）。このような結晶格子のサイトに位置する原子は、任意に選択された原子 (図 58 の O -) から非常に特定の距離に位置します。考慮中の結晶格子は、選択した原子から離れたところ、原子の距離などに 8 個の原子があるという事実によって特徴付けられます。

格子内の原子の指定された空間分布は、横軸に距離をプロットし、O 原子の周りに記述された半径を持つ球面の 1 平方センチメートル上にある原子の数に等しい値を縦軸にプロットすることによってグラフで表すことができます。原点として選ばれました。

この原理に従って作成されたグラフを図 58 の b に示します。

米。 58 結晶格子の構造と、オングストロームで表される距離に対する格子内の隣接する原子の数の依存性。

X 線法を使用すると、実験結果に基づいて、研究対象のすべての物質について同様のグラフを計算および構築できます。

この方法を結晶化温度に近い温度での最も単純な（原子）液体の構造の研究に適用すると、液体状態の理論にとって非常に重要な事実が確立されました。このような条件下では、結晶に特徴的な粒子の配列の秩序が液体中でほぼ保存されていることがわかりました。原子液体の X 線パターンは、粉末状の結晶固体で得られる X 線パターンに似ています。同様の実験により、温度が上昇するとこの秩序が減少し、液体粒子の配置が気体粒子の配置特性に近づくことが明らかになりました。これらの実験結果を説明するために、いくつかの理論が提案されています。そのうちの 1 つによると、液体は非晶質状態の物質の薄膜で分離された超顕微鏡レベルの結晶で構成されており、粒子がランダムに配置されているのが特徴です。超顕微鏡レベルの結晶はサイボタクティック領域と呼ばれました。実際の結晶とは異なり、シボタクティック領域の輪郭ははっきりしていません。

粒子が無秩序に配置された領域にスムーズに移行します。さらに、サイボタクティック領域は永続的なものではなく、継続的に破壊され、再出現します。粒子が規則的に配置された領域の存在は、液体のほとんどの分子において、それらに隣接する粒子が特定の液体の特徴である特定の順序で配置されるという事実につながります。ただし、個々のサイボタクティックグループの相互関係の無秩序な配向により、分子の秩序だった配置は、特定の分子に最も近い隣接分子にのみ拡張されます。

米。 59. 理想的な結晶と液体の構造の比較。

分子直径が 3 ～ 4 個離れると、秩序は非常に大きく減少するため、物質の粒子の配置における正しい順序について話すのは意味がありません。

現在、液体はその粒子の配列における短距離秩序によって特徴づけられるのに対し、結晶は長距離秩序によって特徴づけられることが一般的に受け入れられている。

結晶固体と液体の構造の違いを図 59 に模式的に示します。図の左側は、理想的な仮想結晶の構造です。結晶内の任意の場所にあるその構造粒子は、互いに対して厳密に定義された位置を占めます。しかし、液体中（右図）では、任意に選んだ O 分子の近くで、隣接する分子が結晶に非常に近い（方向）配置と、結晶とは異なる（方向）配置の両方をとることができます。液体では、隣接する分子のほぼ「結晶性」の配置（「短距離秩序」）と、長距離分子の配置における厳密な秩序の違反（「長距離秩序」の欠如）が存在します。

また、考慮中の図では、規則的に配置された粒子の数にも注意してください (図 59、a)

乱雑に配置された粒子の数も同様です (図 59、b)。対応する面積を比較すると、液体の特徴である粒子が無秩序に配置されているため、規則正しい結晶質の液体よりも大きな体積を占めることがわかります。

液体の X 線回折研究の結果は、液体の準結晶構造の概念に基づいて説明することもできます。これを説明するために、理想的な結晶における原子の配置に目を向けてみましょう。このような結晶内の任意の原子を頭の中で選択し、最初の原子からの距離で隣接する原子に出会う確率がどのくらいかを決定しようとすると、熱運動がない場合、距離が 100 未満の場合、望ましい確率はゼロに等しくなります。それが単一に等しくなる距離。これは、特定の方向では、隣接する原子が元の原子から常に同じ距離で出会うことを意味します。

距離が大きくても小さくても、望ましい確率は再び 0 に等しく、距離が 1 に近づくと、望ましい確率は再び 0 に等しくなります。この状況は結晶全体で繰り返されます。つまり、原子に遭遇する確率は、の倍数であるすべての距離について 1 に等しくなります。

結晶内の原子の熱振動運動は、隣接する原子との距離がわずかに異なる場合でも、隣接する原子に遭遇する確率がゼロに等しくないという事実につながります。場合によっては、隣接する原子が振動しながら、隣接する原子にわずかに近づきます。これはカウントされ、別の場合には削除されます。基準点として選択された原子と原子との間の距離に応じた原子に遭遇する確率の変化が特性曲線で示されています (図 60 の上部)。

このグラフの際立った特徴は、曲線の個々のベル型セクションの幅が一定であることです。この不変性は、結晶全体にわたって秩序が保たれていることを示しています。

液体中では別の様子が観察されます (図 60、下の)。定性的には、元の原子から任意の距離にある原子に遭遇する確率は、結晶内で起こるのと同様に変化します。ただし、この場合、曲線の最初のベル型セクションのみが明確な最大値として表現されます。後続のベル型セクションは拡大し、互いに重なり合うため、曲線上の最大値は比較的早く消えます。

したがって、液体中で互いに近接した粒子の配置は、結晶中の粒子の配置に似ています。

ソリッドボディ計算の対象となる元の原子から遠ざかるにつれて、粒子の位置はますます乱れていきます。気体の場合と同様、どの距離にある粒子に遭遇する確率もほぼ同じになります。

もちろん、原子の位置の不確実性の増加は、原子の熱振動の振幅の増加によってではなく、液体粒子の配置におけるランダムな乱れによって説明されます。

液体の場合、確率曲線 (図 60) の最初の最大値でさえ完全には解決されていないこと、つまり、曲線が最大値の右側の横軸に触れていないことを強調しておく必要があります。

米。 60. 理想的な結晶および液体における原子の確率分布

物理的に、これは、液体中では、特定の粒子に最も近い粒子の数が、結晶のように厳密には一定ではないことを意味します。

液体では、最近傍の平均数の一定性についてのみ話す方が正確です。

私たちが現在得ている液体の X 線回折研究の結果は、シボタクチック基の概念と液体の準結晶構造の概念の両方に基づいて説明できます。液体の微結晶理論と準結晶理論の違いは小さいことに注意してください。液体粒子の平均配置を多かれ少なかれ長期間にわたって研究すると、どちらの理論も同じ結果が得られます。

どちらの理論も、液体の構造の定性的に正しい特徴を説明する一方で、その特性を定量的に特徴付けることができないという欠点があります。

液体状態のさまざまな「結晶」理論は、いわゆる「ホール」理論です

液体。この理論によれば、液体は、多数の原子が本来の平衡位置からずれた結晶に似ています。原子が平衡位置からずれると、「ホール」と呼ばれる一種の自由空間が残ります。

この理論によると、液体中の「穴」は、多かれ少なかれ、自然発生的に発生し、膨張し、その後収縮して再び消滅する分子間の空間が拡大したものです。

Ya. I. Frenkel によれば、液体の「穴」理論における状態方程式は次のような形になります。

ここで、V は温度における液体のモル体積、つまり液体が占有することができる最小体積です。正孔形成エネルギー。ボルツマン定数。アボガドロ数。最小穴容積。

繰り返し強調されてきたように、温度が上昇するにつれて、液体と固体の類似性は減少し、対応する気体との類似性は増加します。したがって、液体の性質を説明する際に、上で議論した液体の「結晶」モデルとともに、液体を高度に圧縮された気体にたとえる理論が普及したことは驚くべきことではありません。これらの理論では、液体の自由体積の考え方が重要な役割を果たしますが、正確に決定するのは困難です。液体の自由体積を計算するための現在の既存の方法はおおよそ近似的であり、原則として、互いに異なる値が得られます。

自由体積の理論の中で最も発展しているのは、液体のいわゆる「セル」理論です。

液体分子は互いに近接して配置されているという事実により、それぞれの液体分子はセル内に囲まれていると考えることができ、その壁は最も近い隣接する液体分子によって形成されます。分子は場所を変えることができるため、精神的に選択された細胞の中心にある分子は、しばらくすると隣接する細胞に移動する可能性があります。ただし、このような粒子の移動は比較的まれに発生し、分子はほとんどの時間を所定の細胞内で過ごします。

細胞内の分子の動きは、最も近い分子によって形成される力場で発生します。単純な液体の場合、その数は 12 であると想定されます。

この理論は高温の液体にも適用できるため、物質の構造の影響がほとんどない場合には、粒子が運動する力場は球対称であると考えることができます。

粒子間の距離に対する分子相互作用のポテンシャルエネルギーの依存性をさらに特定の形で取り上げ、いくつかの単純化した仮定を立てると、単位格子内に位置する粒子のポテンシャルエネルギーの式を見つけることができます。この式は通常、次の形式で与えられます。

ここで、V は粒子あたりの球状セルの体積と定数です。

この場合の液体の状態方程式は次の形で書くことができます。

ここに圧力、ボルツマン定数、温度があります。最後の式に値を代入することで、個々の液体の多くの物理的および化学的特性を定量化することができます。たとえば、液体のセル理論を使用すると、さまざまな単体物質の臨界パラメータを計算できます。最も単純なガスの場合の臨界温度の計算値は、水素 41°、ネオン 47°、窒素 128°、アルゴン 160°の絶対スケールで等しいことが判明しましたが、実験値はそれぞれ33°、44°、126°、および 150° K。この例では、理論的に計算された値と実験的に求められた値の間の一致は非常に満足です。

ただし、厳密に言えば、上記の圧力の式は実際の気体に対して有効であり、液体に対しては有効ではないため、理論と実験の間に非常に良好な一致を期待する理由はないことに注意してください。このような指摘にもかかわらず、自由体積理論には利点があり、特に、使用される物理モデルの単純さと理論と実験の定量的な比較の可能性に注目する必要があります。

細胞理論により、液体の特性を比較的簡単に説明し、その特性の一部を一次近似的に計算することが可能になります。

理論的には、流体の統計理論はより厳密です。この理論では、2 つの物理量が重要な役割を果たします。これらの量の 1 つ目はラドナル分布関数と呼ばれ、2 つ目は分子間ポテンシャルと呼ばれます。放射状の

分布関数は、液体内で任意に選択された粒子のペアがからまでの範囲に含まれる確率を決定します。分子間ポテンシャルは液体分子の相互作用を決定します。これら 2 つの量を知ることで、液体の状態方程式とエネルギーの理論的に厳密な方程式を記述し、液体のさまざまな物理的および化学的特性を定量的に表現することができます。

多くの液体の動径分布関数は、X 線構造解析データに基づいて実験的に決定できます。ただし、特定の液体の分子間ポテンシャルを決定および計算するのは非常に困難であるため、結果として得られる方程式を近似的に解く必要があります。

このような状況により、液体の統計理論と実験を定量的に比較することが困難になります。ただし、この理論は液体の多くの特性とその固有のパターンを定性的に正確に予測していることを忘れてはなりません。

液体状態の統計理論の利点の 1 つは、物質のさまざまな特性を正確に予測できることです。

将来、分子間ポテンシャルの理論的に厳密な式が発見され、計算上の困難が克服されれば、統計理論によって物質の液体状態の特徴をより深く理解できるようになるでしょう。