Gjendja e lëngshme, duke zënë një pozicion të ndërmjetëm midis gazeve dhe kristaleve, kombinon disa veçori të të dyja këtyre gjendjeve. Në veçanti, lëngjet, si trupat kristalorë, karakterizohen nga prania e një vëllimi të caktuar, dhe në të njëjtën kohë, lëngu, si një gaz, merr formën e enës në të cilën ndodhet. Më tej, gjendja kristalore karakterizohet nga një rregullim i renditur i grimcave (atomeve ose molekulave në gaze, në këtë kuptim mbretëron kaos i plotë). Sipas studimeve me rreze x, lëngjet gjithashtu zënë një pozicion të ndërmjetëm në lidhje me natyrën e renditjes së grimcave. Në renditjen e grimcave të lëngshme vërehet i ashtuquajturi rendi me rreze të shkurtër. Kjo do të thotë që në lidhje me çdo grimcë, është renditur vendndodhja e fqinjëve të saj më të afërt. Sidoqoftë, ndërsa largoheni nga një grimcë e caktuar, renditja e grimcave të tjera në lidhje me të bëhet gjithnjë e më pak e renditur dhe shumë shpejt rendi në renditjen e grimcave zhduket plotësisht. Rendi me rreze të gjatë ndodh në kristale: një rregullim i renditur i grimcave në lidhje me çdo grimcë vërehet brenda një vëllimi të konsiderueshëm.
Prania e rendit me rreze të shkurtër në lëngje është arsyeja pse struktura e lëngjeve quhet kuazikristaline (si kristal).
Për shkak të mungesës së rendit me rreze të gjatë, lëngjet, me disa përjashtime, nuk shfaqin anizotropinë karakteristike të kristaleve me rregullimin e tyre të rregullt të grimcave. Në lëngjet me molekula të zgjatura, vërehet i njëjti orientim i molekulave brenda një vëllimi të konsiderueshëm, i cili përcakton anizotropinë e vetive optike dhe të disa vetive të tjera. Lëngjet e tilla quhen kristale të lëngëta. Në to, vetëm orientimi i molekulave është i renditur, rregullimi i ndërsjellë i molekulave, si në lëngjet e zakonshme, nuk zbulon rendin me rreze të gjatë.
Pozicioni i ndërmjetëm i lëngjeve është për faktin se gjendja e lëngshme rezulton të jetë veçanërisht komplekse në vetitë e saj. Prandaj, teoria e tij është shumë më pak e zhvilluar sesa teoria e gjendjeve kristalore dhe të gazta. Nuk ka ende një teori plotësisht të kompletuar dhe të pranuar përgjithësisht të lëngjeve. Arritjet e rëndësishme në zhvillimin e një sërë problemesh në teorinë e gjendjes së lëngshme i përkasin shkencëtarit sovjetik Ya I. Frenkel.
Sipas. Frenkel, lëvizja termike në lëngje ka karakterin e mëposhtëm. Çdo molekulë lëkundet rreth një pozicioni të caktuar ekuilibri për ca kohë. Herë pas here, një molekulë ndryshon vendin e saj të ekuilibrit, duke lëvizur befas në një pozicion të ri, të ndarë nga ai i mëparshmi nga një distancë e rendit të madhësisë së vetë molekulave. Kështu, molekulat lëvizin ngadalë brenda lëngut, duke mbetur një pjesë e kohës pranë vendeve të caktuara. Sipas shprehjes figurative të Ya I. Frenkel, molekulat enden në të gjithë vëllimin e lëngut, duke udhëhequr një mënyrë jetese nomade, në të cilën lëvizjet afatshkurtra zëvendësohen nga periudha relativisht të gjata të jetës së ulur. Kohëzgjatjet e këtyre ndalesave janë shumë të ndryshme dhe alternojnë rastësisht me njëra-tjetrën, por kohëzgjatja mesatare e lëkundjeve rreth të njëjtit pozicion ekuilibri rezulton të jetë një vlerë e caktuar për çdo lëng, duke u ulur ndjeshëm me rritjen e temperaturës. Në këtë drejtim, me rritjen e temperaturës, lëvizshmëria e molekulave rritet shumë, e cila nga ana tjetër sjell një ulje të viskozitetit të lëngjeve.
Ka lëndë të ngurta që janë në shumë aspekte më afër lëngjeve sesa kristaleve. Trupa të tillë, të quajtur amorfë, nuk shfaqin anizotropi. Në rregullimin e grimcave të tyre, si lëngjet, ekziston vetëm rend me rreze të shkurtër. Kalimi nga një i ngurtë amorf në një lëng pas ngrohjes ndodh vazhdimisht, ndërsa kalimi nga një kristal në një lëng ndodh papritur (më shumë për këtë do të diskutohet në § 125). E gjithë kjo jep arsye për të konsideruar trupat e ngurtë amorfë si lëngje të superftohura, grimcat e të cilave, për shkak të viskozitetit të tyre shumë të rritur, kanë lëvizshmëri të kufizuar.
Një shembull tipik i një trupi të ngurtë amorf është qelqi. Në trupat amorfë bëjnë pjesë edhe rrëshirat, bitumi etj.
Struktura e gazeve, e lengjeve dhe e solideve.
Parimet themelore të teorisë kinetike molekulare:
Të gjitha substancat përbëhen nga molekula, dhe molekulat përbëhen nga atome,
atomet dhe molekulat janë në lëvizje të vazhdueshme,
Ekzistojnë forca tërheqëse dhe zmbrapsëse midis molekulave.
NË gazrat molekulat lëvizin në mënyrë kaotike, distancat midis molekulave janë të mëdha, forcat molekulare janë të vogla, gazi zë të gjithë vëllimin që i jepet.
NË lëngjeve molekulat janë rregulluar në mënyrë të rregullt vetëm në distanca të shkurtra, dhe në distanca të mëdha shkelet rendi (simetria) e rregullimit - "rendi me rreze të shkurtër". Forcat e tërheqjes molekulare i mbajnë molekulat afër njëra-tjetrës. Lëvizja e molekulave është "kërcim" nga një pozicion i qëndrueshëm në tjetrin (zakonisht brenda një shtrese. Kjo lëvizje shpjegon rrjedhshmërinë e një lëngu. Një lëng nuk ka formë, por ka vëllim.
Lëndët e ngurta janë substanca që ruajnë formën e tyre, të ndara në kristalore dhe amorfe. Lëndët e ngurta kristalore trupat kanë një rrjetë kristalore, në nyjet e të cilave mund të ketë jone, molekula ose atome Ato lëkunden në lidhje me pozicionet e qëndrueshme të ekuilibrit.
Trupa amorfë ruajnë formën e tyre, por nuk kanë një rrjetë kristali dhe, si rezultat, nuk kanë një pikë shkrirjeje të theksuar. Ata quhen lëngje të ngrira, pasi ato, si lëngjet, kanë një rend "me rreze të shkurtër" të rregullimit molekular.
Forcat e ndërveprimit molekular
Të gjitha molekulat e një substance ndërveprojnë me njëra-tjetrën përmes forcave të tërheqjes dhe zmbrapsjes. Dëshmi e bashkëveprimit të molekulave: dukuria e lagështimit, rezistenca ndaj ngjeshjes dhe tensionit, kompresueshmëria e ulët e lëndëve të ngurta dhe gazeve, etj. Arsyeja e bashkëveprimit të molekulave është ndërveprimet elektromagnetike të grimcave të ngarkuara në një substancë. Si të shpjegohet kjo? Një atom përbëhet nga një bërthamë e ngarkuar pozitivisht dhe një shtresë elektronike e ngarkuar negativisht. Ngarkesa e bërthamës është e barabartë me ngarkesën totale të të gjitha elektroneve, kështu që atomi në tërësi është elektrikisht neutral. Një molekulë e përbërë nga një ose më shumë atome është gjithashtu elektrikisht neutrale. Le të shqyrtojmë ndërveprimin midis molekulave duke përdorur shembullin e dy molekulave të palëvizshme. Forcat gravitacionale dhe elektromagnetike mund të ekzistojnë midis trupave në natyrë. Meqenëse masat e molekulave janë jashtëzakonisht të vogla, forcat e papërfillshme të ndërveprimit gravitacional midis molekulave mund të injorohen. Në distanca shumë të mëdha gjithashtu nuk ka ndërveprim elektromagnetik midis molekulave. Por, ndërsa distanca ndërmjet molekulave zvogëlohet, molekulat fillojnë të orientohen në atë mënyrë që anët e tyre përballë njëra-tjetrës do të kenë ngarkesa të shenjave të ndryshme (në përgjithësi, molekulat mbeten neutrale), dhe forcat tërheqëse lindin midis molekulave. Me një ulje edhe më të madhe të distancës midis molekulave, forcat refuzuese lindin si rezultat i bashkëveprimit të predhave elektronike të ngarkuara negativisht të atomeve të molekulave. Si rezultat, molekula veprohet nga shuma e forcave të tërheqjes dhe zmbrapsjes. Në distanca të mëdha, forca e tërheqjes mbizotëron (në një distancë prej 2-3 diametrash të molekulës, tërheqja është maksimale), në distanca të shkurtra mbizotëron forca e zmbrapsjes. Ekziston një distancë midis molekulave në të cilën forcat tërheqëse bëhen të barabarta me forcat refuzuese. Ky pozicion i molekulave quhet pozicioni i ekuilibrit të qëndrueshëm. Molekulat e vendosura në një distancë nga njëra-tjetra dhe të lidhura me forca elektromagnetike kanë energji potenciale. Në një pozicion të qëndrueshëm ekuilibri, energjia potenciale e molekulave është minimale. Në një substancë, çdo molekulë ndërvepron njëkohësisht me shumë molekula fqinje, gjë që ndikon gjithashtu në vlerën e energjisë minimale potenciale të molekulave. Përveç kësaj, të gjitha molekulat e një lënde janë në lëvizje të vazhdueshme, d.m.th. kanë energji kinetike. Kështu, struktura e një substance dhe vetitë e saj (trupat e ngurtë, të lëngët dhe të gaztë) përcaktohen nga marrëdhënia midis energjisë potenciale minimale të bashkëveprimit të molekulave dhe rezervës së energjisë kinetike të lëvizjes termike të molekulave.
Struktura dhe vetitë e trupave të ngurtë, të lëngët dhe të gaztë
Struktura e trupave shpjegohet nga bashkëveprimi i grimcave të trupit dhe natyra e lëvizjes së tyre termike.
Të ngurta
Lëndët e ngurta kanë formë dhe vëllim konstant dhe janë praktikisht të pakompresueshëm. Energjia minimale potenciale e bashkëveprimit të molekulave është më e madhe se energjia kinetike e molekulave. Ndërveprim i fortë i grimcave. Lëvizja termike e molekulave në një trup të ngurtë shprehet vetëm nga dridhjet e grimcave (atomeve, molekulave) rreth një pozicioni të qëndrueshëm ekuilibri.
Për shkak të forcave të mëdha të tërheqjes, molekulat praktikisht nuk mund të ndryshojnë pozicionin e tyre në materie, kjo shpjegon pandryshueshmërinë e vëllimit dhe formës së trupave të ngurtë. Shumica e trupave të ngurtë kanë një rregullim hapësinor të grimcave që formojnë një rrjetë të rregullt kristal. Grimcat e materies (atomet, molekulat, jonet) ndodhen në kulmet - nyjet e rrjetës kristalore. Nyjet e rrjetës kristalore përkojnë me pozicionin e ekuilibrit të qëndrueshëm të grimcave. Trupat e tillë quhen kristalorë.
E lëngshme
Lëngjet kanë një vëllim të caktuar, por nuk kanë formën e tyre, ato marrin formën e enës në të cilën ndodhen. Energjia minimale potenciale e bashkëveprimit ndërmjet molekulave është e krahasueshme me energjinë kinetike të molekulave. Ndërveprim i dobët i grimcave. Lëvizja termike e molekulave në një lëng shprehet me dridhje rreth një pozicioni të qëndrueshëm ekuilibri brenda vëllimit që i jepet molekulës nga fqinjët e saj. Molekulat nuk mund të lëvizin lirshëm në të gjithë vëllimin e një substance, por kalimet e molekulave në vendet fqinje janë të mundshme. Kjo shpjegon rrjedhshmërinë e lëngut dhe aftësinë për të ndryshuar formën e tij.
Në lëngje, molekulat janë mjaft të lidhura fort me njëra-tjetrën nga forcat e tërheqjes, gjë që shpjegon pandryshueshmërinë e vëllimit të lëngut. Në një lëng, distanca midis molekulave është afërsisht e barabartë me diametrin e molekulës. Kur distanca midis molekulave zvogëlohet (ngjeshja e lëngut), forcat refuzuese rriten ndjeshëm, kështu që lëngjet janë të pakompresueshme. Për sa i përket strukturës së tyre dhe natyrës së lëvizjes termike, lëngjet zënë një pozicion të ndërmjetëm midis trupave të ngurtë dhe gazrave. Edhe pse ndryshimi midis një lëngu dhe një gazi është shumë më i madh sesa midis një lëngu dhe një të ngurtë. Për shembull, gjatë shkrirjes ose kristalizimit, vëllimi i një trupi ndryshon shumë herë më pak sesa gjatë avullimit ose kondensimit.
Gazrat nuk kanë vëllim konstant dhe zënë të gjithë vëllimin e enës në të cilën ndodhen. Energjia minimale potenciale e bashkëveprimit ndërmjet molekulave është më e vogël se energjia kinetike e molekulave. Grimcat e materies praktikisht nuk ndërveprojnë. Gazrat karakterizohen nga çrregullim i plotë në renditjen dhe lëvizjen e molekulave.
Distanca midis molekulave të gazit është shumë herë më e madhe se madhësia e molekulave. Forcat e vogla tërheqëse nuk mund t'i mbajnë molekulat afër njëra-tjetrës, kështu që gazrat mund të zgjerohen pa kufi. Gazrat kompresohen lehtësisht nën ndikimin e presionit të jashtëm, sepse distancat midis molekulave janë të mëdha dhe forcat e ndërveprimit janë të papërfillshme. Presioni i gazit në muret e enës krijohet nga ndikimet e molekulave të gazit në lëvizje.
Tërheqja dhe zmbrapsja e grimcave përcaktojnë pozicionin e tyre relativ në materie. Dhe vetitë e substancave varen ndjeshëm nga rregullimi i grimcave. Pra, duke parë një diamant (diamant) transparent, shumë të fortë (Fig. 111, a) dhe grafit të zi të butë (Fig. 111, b) (prej tij bëhen plumbat e lapsit), nuk kuptojmë se të dyja substancat përbëhen saktësisht nga të njëjtat atome të karbonit. Vetëm se këto atome janë të renditura ndryshe në grafit sesa në diamant.
Oriz. 111
Vini re se fotografitë nuk përshkruajnë vetë atomet, por modelet e tyre - topa, dhe në realitet nuk ka shufra lidhëse ose tela midis tyre. Ky është një imazh konvencional i renditjes së atomeve në një substancë.
Ndërveprimi i grimcave të një substance çon në faktin se ajo mund të jetë në tre gjendje: e ngurtë, e lëngshme dhe e gaztë. Për shembull, akull, ujë, avull (Fig. 112). Çdo substancë mund të jetë në tre gjendje, por kjo kërkon disa kushte: presion, temperaturë. Për shembull, oksigjeni në ajër është një gaz, por kur ftohet nën -193°C ai kthehet në një lëng dhe në një temperaturë prej -219°C oksigjeni është i ngurtë. Hekuri në presion normal dhe temperaturë dhome është në gjendje të ngurtë. Në temperaturat mbi 1539°C, hekuri bëhet i lëngshëm dhe në temperatura mbi 3050°C, bëhet i gaztë. Merkuri i lëngshëm, i përdorur në termometrat mjekësorë, bëhet i ngurtë kur ftohet në temperatura nën -39°C. Në temperaturat mbi 357°C, merkuri shndërrohet në avull (gaz).
Oriz. 112
Duke e kthyer argjendin metalik në gaz, ai spërkatet në xhami për të krijuar gota "pasqyrë".
Çfarë veti kanë substancat në gjendje të ndryshme?
Le të fillojmë me gazrat në të cilët sjellja e molekulave (Fig. 113) i ngjan lëvizjes së bletëve në një tufë. Sidoqoftë, bletët në një tufë ndryshojnë në mënyrë të pavarur drejtimin e lëvizjes dhe praktikisht nuk përplasen me njëra-tjetrën. Në të njëjtën kohë, për molekulat në një gaz, përplasje të tilla jo vetëm që janë të pashmangshme, por ndodhin pothuajse vazhdimisht. Si rezultat i përplasjeve, drejtimet dhe shpejtësitë e molekulave ndryshojnë.
Oriz. 113
Rezultati i një lëvizjeje të tillë dhe mungesa e ndërveprimit ndërmjet grimcave gjatë lëvizjes është se gazi nuk ruan as vëllim dhe as formë, por zë të gjithë vëllimin e dhënë për të. Secili prej jush do t'i konsiderojë pohimet e mëposhtme si absurditet të plotë: "Ajri zë gjysmën e vëllimit të dhomës" dhe "Unë pompova ajrin në dy të tretat e vëllimit të një topi gome". Ajri, si çdo gaz, zë të gjithë vëllimin e dhomës dhe të gjithë vëllimin e topit.
Çfarë veti kanë lëngjet? Le të bëjmë një eksperiment.
Oriz. 114
Hidhni ujë nga gota 1 në gotën 2. Forma e lëngut ka ndryshuar, Por vëllimi ujë mbeti e njëjtë(Fig. 114). Molekulat nuk u shpërndanë në të gjithë vëllimin, siç do të ishte rasti me një gaz. Kjo do të thotë që tërheqja e ndërsjellë e molekulave të lëngshme ekziston, por ajo nuk i mban në mënyrë të ngurtë molekulat fqinje. Ato lëkunden dhe kërcejnë nga një vend në tjetrin (Fig. 115), gjë që shpjegon rrjedhshmërinë e lëngjeve.
Fig. 115
Ndërveprimi më i fortë është midis grimcave në një trup të ngurtë. Nuk lejon që grimcat të shpërndahen. Grimcat kryejnë vetëm lëvizje osciluese kaotike rreth pozicioneve të caktuara (Fig. 116). Kjo është arsyeja pse trupat e ngurtë ruajnë vëllimin dhe formën. Një top gome do të ruajë formën dhe vëllimin e tij, pavarësisht se ku vendoset: në një kavanoz, në një tavolinë, etj.
Oriz. 116
Mendoni dhe përgjigjuni
- Cilat janë vetitë kryesore të gazit?
- Pse lëngu nuk e mban formën e tij?
- Si ndryshon gjendja e ngurtë e materies nga ajo e lëngët dhe e gaztë?
- A janë molekulat e ujit të ndryshme nga molekulat e akullit?
- Cilat nga substancat e mëposhtme në kushte normale (në temperaturë dhome dhe presion normal) janë në gjendje të gaztë, dhe cilat janë në gjendje të lëngët ose të ngurtë: kallaji, benzina, oksigjeni, hekuri, zhiva, ajri, qelqi, plastika?
- A mund të jetë mërkuri në gjendje të ngurtë dhe ajri në gjendje të lëngët? Në çfarë kushtesh?
Detyrë shtëpie
- Mbushni një shishe plastike (0,5 l) me ujë deri në majë dhe mbylleni fort me kapak. Provoni të shtrydhni ujë në një shishe. Më pas derdhni ujin dhe mbyllni përsëri shishen. Tani ngjesh ajrin në të. Bazuar në rezultatet eksperimentale, formuloni një hipotezë për strukturën e gazeve dhe lëngjeve.
- Detyra e konkurrencës: bëni një tabelë në të cilën krahasoni natyrën e lëvizjes, bashkëveprimin e grimcave, si dhe vetitë e materies në gjendje të gaztë, të ngurtë dhe të lëngët. Fitues i konkursit do të jetë ai, tabela e të cilit përmban informacionin më të plotë dhe të saktë.
Le të përsërisim gjënë kryesore në atë që kemi mësuar
- Të gjitha substancat përbëhen nga grimca individuale (atome, molekula), midis të cilave ka distanca.
- Grimcat e substancave lëvizin vazhdimisht dhe në mënyrë kaotike.
- Sa më e lartë të jetë temperatura e trupit, aq më e madhe është shpejtësia e lëvizjes së grimcave.
- Difuzioni është fenomeni i depërtimit të ndërsjellë të substancave në njëra-tjetrën. Difuzioni ndodh veçanërisht shpejt në gaze, më ngadalë në lëngje dhe shumë ngadalë në trupat e ngurtë. Me rritjen e temperaturës, difuzioni ndodh më shpejt.
- Në distanca më të mëdha se madhësia e vetë grimcave, mbizotëron tërheqja e grimcave. Në distanca më të vogla se madhësia e vetë grimcave, ka zmbrapsje. Tërheqja e grimcave dobësohet shumë shpejt ndërsa ato largohen nga njëra-tjetra.
- Ndryshimi i madhësisë së një trupi kur ai nxehet quhet zgjerim termik.
- Zgjerimi termik i lëndëve të ngurta dhe lëngjeve të ndryshme është i ndryshëm, por ai i të gjithë gazeve është i njëjtë.
Vetitë fizike të lëngjeve.
Metoda e analizës dimensionale
Hyrje
Pjesa e shënimeve të leksioneve të paraqitura këtu është e para, duke filluar nga e cila zbulohet në mënyrë sekuenciale rrjedha kryesore e hidraulikës. Prezantimi i lëndës së hidraulikës në këtë formë u drejtohet kryesisht studentëve të rregullt, por me disa rregullime mund të shërbejë si tekst kryesor për studentët në mbrëmje, me kohë të pjesshme dhe me kohë të pjesshme.
Kjo pjesë, si të gjitha të tjerat, përbëhet nga dy seksione - kryesore dhe shtesë. Seksioni kryesor është i detyrueshëm për të gjithë, dhe seksioni shtesë (zakonisht më kompleks) studiohet me rekomandimin e mësuesit.
Pjesa e parë e kësaj pjese të shënimeve të leksionit përshkruan vetitë themelore fizike të lëngjeve dhe gazeve, të njohura nga kursi i fizikës. Shqyrtimi i vetive fizike të lëngjeve dhe gazeve kryhet nga pikëpamja inxhinierike në lidhje me dukuritë hidraulike; bën përjashtim paraqitja e vetive sipërfaqësore të lëngjeve (tensioni sipërfaqësor, kapilariteti). Proceset termodinamike në gaze nuk merren parasysh në pjesën përkatëse të lëndës (“Dinamika e Gazit”).
Seksioni i dytë i kushtohet bazave të metodës së analizës dimensionale siç zbatohet për problemet hidraulike. Sipas mendimit tonë, çdo inxhinier duhet të ketë një ide të analizës dimensionale, pasi kjo metodë është jashtëzakonisht universale. E veçanta e tij është se ai zbatohet sa më me sukses, aq më mirë kuptohet natyra e dukurive; Në këtë drejtim, kur merren parasysh shembujt dhe problemet, vëmendje e veçantë i është kushtuar kuptimit fizik - kështu që ia vlen të shikojmë shembujt dhe problemet edhe një herë.
Për të mësuar se si të aplikoni metodën e analizës dimensionale, është e nevojshme të zgjidhni sa më shumë probleme me ndihmën e saj dhe të analizoni shembuj, prandaj pjesa e dytë përbëhet kryesisht nga shembuj dhe probleme (sasia minimale, më e nevojshme e materialit teorik jepet). Shembujt, si rregull, paraqiten në detaje, dhe detyrat janë më koncize, megjithëse jepen shpjegime për secilën prej tyre. Rekomandohet që të gjitha problemet të zgjidhen në mënyrë të pavarur dhe më pas të krahasohet zgjidhja që rezulton me atë të dhënë në tekst. Disa probleme nuk janë zgjidhur plotësisht - disa prej tyre tradicionalisht nuk janë zgjidhur duke përdorur metodën e analizës dimensionale (çekiç hidraulik), ndërsa të tjerët ende nuk janë zgjidhur plotësisht (larja në mbështetëset e urës). Autori shpreson që me një numër të madh problemesh të zgjidhura duke përdorur metodën e analizës dimensionale, sasia do të kthehet në cilësi të zotërimit të kësaj metode universale.
Vetitë fizike të lëngjeve dhe gazeve
1. Objekti i studimit
Një lëng (ose gaz) është një trup fizik, grimcat e të cilit kanë lëvizshmëri shumë të lartë në raport me njëra-tjetrën.
Në të ardhmen, studiohet ekuilibri dhe lëvizja e lëngjeve dhe gazeve, të shkaktuara vetëm nga shkaqe të jashtme (graviteti, presioni i jashtëm etj.).
2. Struktura fizike e lëngjeve dhe gazeve
Çdo trup është një numër i madh i molekulave që lëvizin dhe ndërveprojnë me njëra-tjetrën. Duket krejt e natyrshme që kur ndërveprimi i molekulave me njëra-tjetrën është i dobët, molekulat duhet të formojnë një gaz; përndryshe, kur ndërveprimi është i fortë, ai është një trup i ngurtë në rastin e ndërmjetëm, ai është një lëng; Për të përcaktuar ndërveprimet e dobëta dhe të forta, energjia e ndërveprimit të molekulave duhet të krahasohet me energjinë e tyre kinetike. Nga teoria kinetike molekulare dihet se energjia kinetike mesatare e lëvizjes kaotike të molekulave E të lidhura drejtpërdrejt me temperaturën T sistemet:
E = 2/3kT,
Ku k– konstante; T- temperaturë absolute.
Lëngjet në strukturën molekulare zënë një pozicion të ndërmjetëm midis trupave të ngurtë dhe gazrave. Besohet se molekulat e lëngjeve janë të vendosura aq dendur sa molekulat e trupave të ngurtë. Për të konfirmuar këtë fakt, le të kujtojmë se kur ngrihet, uji shndërrohet në një substancë të fortë - akull, dendësia e të cilit është edhe më e vogël se uji. Sipas një modeli të thjeshtuar, por në dukje cilësisht korrekt, lëvizjet termike të molekulave të lëngshme përfaqësojnë dridhje të parregullta në lidhje me qendra të caktuara; Karakteristikat e tilla të strukturës fizike janë shkaqet e vetive specifike, për shembull, rrjedhshmëria.
Fluiditeti është aftësia e një lëngu për të ndryshuar formën e tij pa u thyer në pjesë, nën ndikimin e forcave edhe të vogla, në veçanti, për të marrë formën e enës në të cilën ndodhet.
Lëngjet e vazhdueshme nga pikëpamja e vetive mekanike ndahen në dy klasa: me kompresim të ulët (pikal) dhe të ngjeshshëm (të gaztë). Nga këndvështrimi i fizikës, një lëng pikëzues është dukshëm i ndryshëm nga një gaz; Nga pikëpamja e mekanikës së lëngjeve, ndryshimi midis tyre nuk është aq i madh. Shpesh, ligjet që janë të vlefshme për lëngjet e pikave mund të zbatohen edhe për gazet në rastet kur kompresueshmëria e tyre nuk mund të merret parasysh (për shembull, kur llogariten kanalet e ventilimit). Për shkak të mungesës së një termi të veçantë që do të tregonte lëng në kuptimin e gjerë të fjalës, në vijim do të përdorim termat "lëng pikash", "gaz" dhe "lëng", duke përdorur këtë të fundit në një kuptim të gjerë, duke mbuluar si lëngu pikëzues ashtu edhe gazi (t Domethënë me lëng nënkuptojmë çdo mjedis që ka vetinë e rrjedhshmërisë). Lëngjet e pikave kanë vëllime të përcaktuara mirë, madhësia e të cilave praktikisht nuk ndryshon nën ndikimin e forcave. Vetia më tipike e një lëngu është izotropia e tij, d.m.th. veti identike në të gjitha drejtimet: e njëjta përçueshmëri termike, veti mekanike, shpejtësia e përhapjes së valëve të ndryshme, etj.
Gazrat, duke zënë të gjithë hapësirën që u është dhënë, mund të ndryshojnë ndjeshëm vëllimin, duke u ngjeshur dhe zgjeruar nën ndikimin e forcave; në veçanti, ato mund të ekzistojnë vetëm nën presion. Në mungesë të presionit, gazi do të zgjerohej pa kufi; Prandaj, është e nevojshme të supozohet se në kushte normale presioni brenda gazit është i ndryshëm nga zero.
Në teorinë kinetike molekulare moderne të materies, gjendje të ndryshme të grumbullimit të një substance shoqërohen me shkallë të ndryshme të rendit në rregullimin e grimcave të saj. Gjendja e gaztë karakterizohet nga një rregullim krejtësisht i çrregullt, kaotik i molekulave. Në të kundërt, në një kristal ideal grimcat janë të rregulluara në një mënyrë strikte që shtrihet në të gjithë kristalin. Rregullimi i saktë i grimcave në trupat e ngurtë kristalorë konfirmohet eksperimentalisht nga eksperimentet mbi shpërndarjen e rrezeve X nga kristalet.
Këto eksperimente bënë të mundur, për shembull, të vërtetohej se atomet në një numër kristalesh formojnë një të ashtuquajtur rrjetë kristalore kubike të përqendruar (Fig. 58, a). Atomet e vendosura në vendet e një rrjete të tillë kristalore janë të vendosura në distanca shumë specifike nga një atom i zgjedhur në mënyrë arbitrare (O - në Fig. 58). Rrjeta kristalore në shqyrtim karakterizohet nga fakti se janë 8 atome në një distancë nga atomi i zgjedhur, në një distancë atomesh etj.
Shpërndarja hapësinore e treguar e atomeve në rrjetë mund të përshkruhet grafikisht duke vizatuar distanca në boshtin e abscisës dhe në boshtin e ordinatave një vlerë të barabartë me numrin e atomeve të vendosura në një centimetër katror të një sipërfaqe sferike me një rreze të përshkruar rreth atomit O zgjedhur si origjinë.
Një grafik i ndërtuar sipas këtij parimi është paraqitur në Figurën 58, b.
Oriz. 58 Struktura e rrjetës kristalore dhe varësia e numrit të atomeve fqinje në rrjetë nga distanca e shprehur në angstromë.
Metoda me rreze X lejon, bazuar në rezultatet eksperimentale, të llogariten dhe ndërtohen grafikët e ngjashëm për të gjitha substancat në studim.
Zbatimi i kësaj metode në studimin e strukturës së lëngjeve më të thjeshta (atomike) në temperatura afër temperaturës së kristalizimit të tyre çoi në konstatimin e një fakti jashtëzakonisht të rëndësishëm për teorinë e gjendjes së lëngshme. Doli se në këto kushte, rendi në rregullimin e grimcave karakteristike për një kristal ruhet kryesisht në lëng. Modelet me rreze X të lëngjeve atomike ngjajnë me modelet e rrezeve X të marra për lëndët e ngurta kristalore pluhur. Eksperimente të ngjashme zbuluan se me rritjen e temperaturës kjo renditje zvogëlohet, rregullimi i grimcave të lëngshme i afrohet rregullimit karakteristik të grimcave të gazit. Janë propozuar disa teori për të shpjeguar rezultatet e këtyre eksperimenteve. Sipas njërit prej tyre, lëngu përbëhet nga kristale nën mikroskopike të ndara nga filma të hollë të një substance në një gjendje amorfe, të karakterizuar nga një rregullim i rastësishëm i grimcave. Kristalet submikroskopike quheshin rajone cibotaktike. Ndryshe nga kristalet reale, rajonet cibotaktike nuk janë të theksuara;
kalojnë pa probleme në zonat e rregullimit të çrregullt të grimcave. Përveç kësaj, rajonet cibotaktike nuk janë të përhershme, ato shkatërrohen dhe rishfaqen vazhdimisht. Prania e rajoneve të rregullimit të rregulluar të grimcave çon në faktin se për shumicën e molekulave të një lëngu, grimcat ngjitur me to janë të vendosura në një rend të caktuar, karakteristik për një lëng të caktuar. Sidoqoftë, për shkak të orientimit kaotik të grupeve individuale cibotaktike në raport me njëri-tjetrin, rregullimi i renditur i molekulave shtrihet vetëm tek fqinjët më të afërt me një molekulë të caktuar.
Oriz. 59. Krahasimi i strukturës së një kristali dhe lëngu ideal.
Në një distancë prej tre deri në katër diametra molekularë, rendi zvogëlohet aq fuqishëm sa nuk ka kuptim të flasim për rendin e saktë në rregullimin e grimcave të materies.
Tani pranohet përgjithësisht se një lëng karakterizohet nga renditja me rreze të shkurtër në rregullimin e grimcave të tij, në ndryshim nga kristalet, të cilat karakterizohen nga renditja me rreze të gjatë.
Dallimi në strukturën e një të ngurtë kristalor dhe një lëngu është paraqitur skematikisht në figurën 59. Në të majtë në figurë është struktura e një kristali hipotetik ideal. Grimcat e saj strukturore kudo në kristal zënë një pozicion të përcaktuar rreptësisht në lidhje me njëra-tjetrën. Megjithatë, në lëngje (në figurën në të djathtë), në afërsi të një molekule O të zgjedhur në mënyrë arbitrare, molekulat fqinje mund të kenë një rregullim shumë të afërt me kristalin (drejtim dhe të ndryshëm nga ai (drejtimi). Në çdo rast, në një lëngu ka një rregullim pothuajse "kristalor" të molekulave fqinje ("rend me rreze të shkurtër") dhe shkelje të rendit të rreptë në rregullimin e molekulave me rreze të gjatë (mungesa e "rendit me rreze të gjatë").
Duhet të theksohet gjithashtu se në figurën në shqyrtim numri i grimcave të renditura në mënyrë të rregullt (Fig. 59, a)
e njëjta gjë me numrin e grimcave që janë të renditura në mënyrë të çrregullt (Fig. 59, b). Krahasimi i zonave përkatëse na bind se me rregullimin e çrregullt të grimcave karakteristike të një lëngu, ai zë një vëllim më të madh se sa me një të renditur, kristalor.
Rezultatet e studimeve të difraksionit me rreze X të lëngjeve mund të shpjegohen gjithashtu bazuar në konceptin e strukturës pothuajse kristalore të lëngut. Për ta shpjeguar këtë, le t'i drejtohemi renditjes së atomeve në një kristal ideal. Nëse zgjidhni mendërisht ndonjë atom në një kristal të tillë dhe përpiqeni të përcaktoni se cila është probabiliteti i takimit me një atom fqinj në një distancë nga i pari, atëherë në mungesë të lëvizjes termike probabiliteti i dëshiruar do të ishte i barabartë me zero në distanca më të vogla se distanca në të cilën do të bëhej e barabartë me unitet. Kjo do të thotë se në një drejtim të caktuar, një atom fqinj do të takohej gjithmonë në të njëjtën distancë nga ai origjinal.
Në distanca më të mëdha por më të vogla, probabiliteti i dëshiruar do të ishte përsëri i barabartë me zero, dhe në një distancë me një. Kjo situatë do të përsëritej në të gjithë kristalin: probabiliteti i takimit me një atom do të ishte i barabartë me unitetin për të gjitha distancat që janë shumëfish të
Lëvizja vibruese termike e atomeve në një kristal çon në faktin se probabiliteti i takimit me një atom fqinj nuk do të jetë i barabartë me zero edhe në distanca paksa të ndryshme nga në një rast, atomi fqinj, duke u lëkundur, do t'i afrohet pak atij nga i cili numërohet, dhe në një rast tjetër - do të fshihet. Grafikisht, ndryshimi në probabilitetin e takimit me një atom në varësi të distancës midis tij dhe atomit të zgjedhur si pikë referimi përshkruhet nga një kurbë karakteristike (pjesa e sipërme e figurës 60).
Një tipar dallues i grafikut është qëndrueshmëria e gjerësisë së seksioneve individuale në formë zile të kurbës. Është kjo qëndrueshmëri që tregon ruajtjen e rendit në të gjithë kristalin.
Një pamje e ndryshme vërehet në lëng (Fig. 60, më poshtë). Nga pikëpamja cilësore, probabiliteti për të hasur një atom në çdo distancë nga atomi origjinal ndryshon, ashtu siç ndodh në një kristal. Megjithatë, në këtë rast, vetëm pjesa e parë në formë zile e kurbës shprehet si një maksimum i qartë. Seksionet e mëvonshme në formë zile, duke u zgjeruar, mbivendosen me njëra-tjetrën, në mënyrë që maksimumi në kurbë të zhduket relativisht shpejt.
Kështu, rregullimi i grimcave afër njëra-tjetrës në një lëng i ngjan renditjes së grimcave në një kristalor
trup i fortë Ndërsa largoheni nga atomi origjinal, në lidhje me të cilin është bërë llogaritja, pozicioni i grimcave bëhet gjithnjë e më i çrregullt. Probabiliteti për t'u përballur me një grimcë në çdo distancë bëhet afërsisht i njëjtë, siç është rasti me gazrat.
Sigurisht, rritja e pasigurisë në vendndodhjen e atomeve nuk shpjegohet me një rritje të amplitudës së dridhjeve të tyre termike, por me shqetësime të rastësishme në rregullimin e grimcave të lëngshme.
Duhet theksuar se për lëngjet, edhe maksimumi i parë në lakoren e probabilitetit (Fig. 60) nuk zgjidhet plotësisht, pra kurba nuk prek boshtin e abshisës në të djathtë të maksimumit.
Oriz. 60. Shpërndarja e mundshme e atomeve në një kristal ideal dhe në një lëng
Fizikisht, kjo do të thotë që në një lëng, numri i grimcave më të afërta me një të dhënë nuk është rreptësisht konstant, si në një kristal.
Në një lëng, është më e saktë të flasim vetëm për qëndrueshmërinë e numrit mesatar të fqinjëve më të afërt.
Rezultatet e studimeve të difraksionit me rreze X të lëngjeve që kemi aktualisht mund të shpjegohen si në bazë të konceptit të grupeve cibotaktike ashtu edhe në bazë të konceptit të strukturës thuajse kristalore të lëngut. Duhet të theksohet se ndryshimi midis teorive mikrokristaline dhe kuazikristaline të lëngut është i vogël. Nëse studiojmë rregullimin mesatar të grimcave të lëngshme për një periudhë pak a shumë të gjatë kohore, atëherë të dyja teoritë do të çojnë në të njëjtat rezultate.
Të dyja teoritë kanë disavantazhin se, ndërsa përshkruajnë veçoritë cilësore të sakta të strukturës së një lëngu, ato nuk bëjnë të mundur karakterizimin sasior të vetive të tij.
Një shumëllojshmëri e teorive "kristaline" të gjendjes së lëngshme është e ashtuquajtura teoria e "vrimës".
lëngjeve. Sipas kësaj teorie, një lëng është si një kristal në të cilin një numër i madh atomesh janë zhvendosur nga pozicionet e tyre të qenësishme të ekuilibrit. Kur një atom zhvendoset nga pozicioni i tij ekuilibër, mbetet një lloj hapësire e lirë, e cila quhet "vrimë".
Sipas teorisë, "vrimat" në një lëng janë hapësira pak a shumë të zgjeruara midis molekulave që lindin spontanisht, zgjerohen dhe pastaj tkurren dhe zhduken përsëri.
Ekuacioni i gjendjes në teorinë e "vrimës" së lëngut ka, sipas Ya I. Frenkel, formën e mëposhtme:
Këtu V është vëllimi molar i lëngut në temperaturë, vëllimi minimal që lëngu mund të zërë; energjia e formimit të vrimave; konstanta e Boltzmann-it; numri i Avogadros; vëllimi minimal i vrimës.
Siç është theksuar në mënyrë të përsëritur, me rritjen e temperaturës, ngjashmëria e lëngjeve me trupat e ngurtë zvogëlohet dhe ngjashmëria e tyre me gazrat përkatës rritet. Prandaj, nuk është për t'u habitur që kur shpjegohen vetitë e lëngjeve, së bashku me modelet "kristaline" të lëngjeve të diskutuara më sipër, janë përhapur teoritë në të cilat lëngu krahasohet me një gaz shumë të ngjeshur. Në këto teori, një rol të rëndësishëm luan ideja e vëllimit të lirë të lëngut, e cila është e vështirë të përcaktohet me saktësi. Aktualisht, metodat ekzistuese për llogaritjen e vëllimit të lirë të lëngut janë afërsisht të përafërta dhe, si rregull, çojnë në vlera që ndryshojnë nga njëra-tjetra.
Nga teoritë e vëllimit të lirë, më e zhvilluara është e ashtuquajtura teoria "qelizore" e lëngut.
Për shkak të faktit se molekulat e lëngshme janë të vendosura afër njëra-tjetrës, secila prej tyre mund të konsiderohet e mbyllur në një qelizë, muret e së cilës formohen nga fqinjët e saj më të afërt. Molekulat mund të ndryshojnë vendet, kështu që një molekulë e vendosur në qendër të një qelize të zgjedhur mendërisht mund, pas një kohe, të lëvizë në një qelizë ngjitur. Sidoqoftë, migrime të tilla të grimcave ndodhin relativisht rrallë dhe molekula e kalon pjesën më të madhe të kohës brenda një qelize të caktuar.
Lëvizja e një molekule në një qelizë ndodh në një fushë force të formuar nga fqinjët e saj më të afërt, numri i të cilave për lëngjet e thjeshta supozohet të jetë 12.
Meqenëse kjo teori është e zbatueshme për lëngjet në temperatura të larta, kur ndikimi i strukturës së substancës praktikisht nuk ndikohet, fusha e forcës në të cilën lëviz grimca mund të konsiderohet sferikisht simetrike.
Duke marrë më tej një formë të caktuar të varësisë së energjisë potenciale të ndërveprimit molekular nga distanca midis grimcave dhe duke bërë një numër supozimesh thjeshtuese, mund të gjejmë një shprehje për energjinë potenciale të një grimce të vendosur në një qelizë njësi. Kësaj shprehjeje zakonisht i jepet forma e mëposhtme:
ku V është vëllimi i një qelize sferike për grimcë dhe konstante.
Ekuacioni i gjendjes së lëngut në këtë rast mund të shkruhet në formën e mëposhtme:
Këtu është presioni, konstantja dhe temperatura e Boltzmann-it. Duke zëvendësuar vlerën në shprehjen e fundit, është e mundur të përcaktohen sasia e shumë karakteristikave fizike dhe kimike të lëngjeve individuale. Për shembull, duke përdorur teorinë e qelizave të lëngjeve, është e mundur të llogariten parametrat kritikë të substancave të ndryshme të thjeshta. Vlerat e llogaritura të temperaturës kritike në rastin e gazrave më të thjeshtë rezultuan të jenë të barabarta në shkallën absolute për hidrogjenin 41°, neonin 47°, azotin 128° dhe argonin 160°, ndërsa vlerat eksperimentale janë përkatësisht 33°, 44°, 126° dhe 150° K. Në këtë shembull, marrëveshja midis vlerave të llogaritura teorikisht dhe vlerave të gjetura eksperimentalisht është mjaft e kënaqshme.
Sidoqoftë, duhet të theksohet se shprehja e shkruar më lart për presion, në mënyrë rigoroze, është e vlefshme për një gaz të vërtetë, dhe jo për një lëng, dhe për këtë arsye nuk ka arsye të pritet një marrëveshje shumë e mirë midis teorisë dhe eksperimentit. Me gjithë këtë vërejtje, teoria e vëllimit të lirë ka avantazhet e saj, ndër të cilat duhet theksuar thjeshtësia e modeleve fizike të përdorura dhe mundësia e krahasimit sasior të teorisë me eksperimentin.
Teoria e qelizave bën të mundur shpjegimin relativisht të thjeshtë të vetive të lëngjeve dhe llogaritjen, në një përafrim të parë, disa nga karakteristikat e tyre.
Teorikisht, teoria statistikore e lëngjeve është më rigoroze. Në këtë teori, dy sasi fizike luajnë një rol kryesor. E para nga këto sasi quhet funksioni i shpërndarjes radnal, e dyta - potenciali ndër-molekular. Radiale
Funksioni i shpërndarjes përcakton probabilitetin e takimit të një çifti të zgjedhur në mënyrë arbitrare në një lëng në një distancë të caktuar, të përmbajtur në intervalin nga deri në. Njohja e këtyre dy madhësive ju lejon të shkruani ekuacione teorikisht rigoroze të gjendjes dhe energjisë së një lëngu dhe të shprehni në mënyrë sasiore karakteristikat e ndryshme fizike dhe kimike të tij.
Funksioni i shpërndarjes radiale për një numër lëngjesh mund të përcaktohet në mënyrë eksperimentale bazuar në të dhënat e analizës strukturore me rreze X. Sidoqoftë, vështirësi të konsiderueshme në përcaktimin dhe llogaritjen e potencialit ndërmolekular për lëngje specifike na detyrojnë të zgjidhim ekuacionet që rezultojnë afërsisht.
Kjo rrethanë e bën të vështirë krahasimin sasior të teorisë statistikore të lëngjeve me eksperimentin. Sidoqoftë, nuk duhet të harrojmë se kjo teori parashikon në mënyrë cilësore saktë shumë veti të lëngjeve dhe modelet e tyre të qenësishme.
Është aftësia për të parashikuar saktë vetitë e ndryshme të një substance që është një nga avantazhet e teorisë statistikore të gjendjes së lëngshme.
Në të ardhmen, kur të gjendet një shprehje teorikisht rigoroze për potencialin ndërmolekular dhe të kapërcehen vështirësitë llogaritëse, teoria statistikore do të bëjë të mundur që të kuptohen më mirë tiparet e gjendjes së lëngshme të materies.
