Рідина

Структура та фізичні властивості рідини залежать від хімічної індивідуальності складових їх частинок та від характеру і величини взаємодії між ними. Можна виділити кілька груп рідин в порядку зростання складності.

• Атомарні рідини або рідини з атомів або сферичних молекул, які пов'язані центральними міжмолекулярним силами (силами Ван дер Ваальса). До цього типу рідин належать, наприклад, рідкий аргон та рідкий метан.
• Рідини з двоатомних молекул, які складаються з однакових атомів (рідкий водень, рідкий азот). Такі молекули мають квадрупольний момент.
• Рідкі неперехідні метали (натрій, ртуть), в яких зв'язок між частинками (іонами) має металічний характер.
• Рідини, що складаються з полярних молекул, пов'язаних диполь-дипольною взаємодією (рідкий бромистий водень).
• Асоційовані рідини, або рідини з водневими зв'язками (вода, гліцерин).
• Рідини, що складаються з великих молекул, для яких найважливішими є внутрішні ступені вільності.

Рідини перших двох груп (іноді трьох) зазвичай називають простими. Прості рідини вивчені краще від інших, з непростих рідин добре вивчена вода. У цю класифікацію не входять квантові рідини і рідкі кристали, які є особливими випадками і повинні розглядатися окремо.

У рідині молекули здебільшого зберігають свою цілісність, хоча чимало рідин є розчинниками, в яких молекули до певної міри дисоціюють. При дисоціації в рідинах утворюються позитивно й негативно заряджені йони. Такі рідини проводять електричний струм (див. Електроліти).

З мікроскопічної точки зору рідини відрізняються від твердих тіл відсутністю далекого порядку, а від газів — ближнім порядком. Це означає, що атоми й молекули рідин здебільшого перебувають щодо своїх сусідів у тих же положеннях, що й у твердому стані, однак цей порядок зберігається для наступного шару сусідів гірше, а надалі зовсім зникає. Ближній порядок у рідинах характеризують радіальною кореляційною функцією.

Молекули рідин здебільшого коливаються навколо тимчасового положення рівноваги, яке утворюється завдяки взаємодії з іншими молекулами. Для рідин потенціальна енергія взаємодії молекули з сусідами більша, ніж кінетична енергія теплового руху. Однак рідини характеризуються також високим коефіцієнтом самодифузії — з часом кожна молекула віддаляється від свого початкового положення. Середній квадрат зміщення від початкового положення молекули пропорційний часу.

Завдяки взаємодії молекули в рідині розташовані не зовсім хаотично. Для характеристики взаємного положення молекул використовується поняття радіальної функції розподілу, яка пропорційна ймовірністі того, що на певній віддалі від якоїсь довільно-вибраної молекули, перебуватиме інша молекула. Для ідеального газу радіальна функція розподілу не залежить від віддалі і всюди дорівнює одиниці — рух молекул газу нескорельований, ймовірність знайти іншу молекулу на певній віддалі однакова. Для кристалу така функція розподілу складається із виразних максимумів, висота яких практично не зменшується з віддаллю. Говорять, що в кристалах зберігається далекий порядок. В рідинах радіальна функція розподілу має кілька максимумів, висота яких зменшується з віддаллю і через кілька середніх міжмолекулярних віддалей стає рівною одиниці. Говорять, що в рідинах зберігається ближній порядок, і не зберігається дальній порядок. Таким чином, рідини відносяться до конденсованих невпорядкованих систем.

Експериментально радіальну функцію розподілу можна одержати, проаналізувавши дані експериментів із розсіяння рентгенівських променів чи нейтронів.

Мала стисливість рідин пояснюється значним зростанням сил відштовхування між частинками рідини при незначному наближенні одної частинки до другої.

Всі реальні рідини у тій чи іншій мірі стискаються, тобто під дією зовнішнього тиску зменшують свій об'єм. Стисливість — це здатність рідини змінювати свій об'єм при зміні тиску.

Стисливість рідини визначається рівнянням стану і, як правило, мала за величиною. Мала стисливість рідини обумовлена тим, що рідина характеризується сильною молекулярною взаємодією, а зміни величин тиску в технічних процесах порівняно невеликі.

Враховуючи відносну малість тисків, що зустрічаються в реаліях допускають, що рідина стискається за законом Гука (по лінійній залежності). Мірою стисливості рідин служить коефіцієнт об'ємного стиснення рідини β_S, що являє собою відносне зменшення об'єму V при підвищенні тиску p на одиницю:

${\displaystyle \beta _{S}=-{\frac {1}{V}}\left({\frac {\partial V}{\partial p}}\right)_{S}}$

Знак «мінус» у формулі означає, що при збільшенні тиску об'єм зменшується. Якщо вважати, що одиницею тиску є Паскаль, то коефіцієнт об'ємного стиску буде вимірюватись у Па⁻¹ (м²/Н).

Пружність — це здатність рідини відновлювати свій об'єм після припинення дії зовнішніх силових впливів.

Для якісної характеристики пружних властивостей використовують поняття модуля об'ємної пружності К, який, по суті, є оберненою величиною до коефіцієнта стисливості, тобто К=1/β_S. Наприклад, для води β_S=0,51·10⁻⁹ Па⁻¹, що вказує на досить малу стисливість води.

Гіпотетичну рідину, для якої β_S=0, називають нестисливою.

Оскільки габаритні розміри рідин визначаються розмірами посудини, тому теплове розширення для рідин розглядається лише в об'ємному плані:

${\displaystyle V=V_{0}(1+\alpha _{V}\Delta T)\,}$

де:

${\displaystyle V\,}$ — об'єм рідини після зміни температури,

${\displaystyle V_{0}\,}$ — початковий об'єм рідини,

${\displaystyle \alpha _{V}\,}$ — температурний коефіцієнт об'ємного розширення.

Коефіцієнт теплового розширення вказує на скільки зміниться початковий об'єм 1 м³ рідини при зростанні температури на 1 K або 1 °C). Коефіцієнт теплового розширення води при 20 °C становить α_V = 2,07·10⁻⁴°C⁻¹.

Рідина здатна утворювати вільну поверхню. Така поверхня є поверхнею розділу фаз даної речовини: по один бік знаходиться рідка фаза, по інший — газоподібна (пара), і, можливо, інші гази, наприклад, повітря.

Поверхневий натяг — фізичне явище, суть якого в прагненні рідини скоротити площу своєї поверхні за незмінного об'єму. Своєю появою сили поверхневого натягу завдячують поверхневій енергії. Поверхневий натяг може бути пояснений притяганням між молекулами рідини. Він виникає як у випадку поверхні розділу між рідиною й газом, так і у випадку поверхні розділу двох різних рідин.

Поверхнева енергія пропорційна площі поверхні поділу двох фаз S:

E_п = σ · S.

Коефіцієнт пропорційності σ, називають коефіцієнтом поверхневого натягу. Його значення залежить від природи дотичних середовищ. Цей коефіцієнт можна подати у вигляді

${\displaystyle \sigma =-{\frac {F}{l}}}$

де F — сила поверхневого натягу;

l — довжина лінії, що обмежує поверхню поділу.

Краплі води на поверхні твердого тіла за умови слабкого змочування

Крайовий кут θ для змочувальної рідини (a) та незмочувальної рідини (c)

Капілярний ефект у тонких трубках різної товщини

Поверхневий натяг рідини чутливий до її чистоти, складу і температури. Речовини, здатні значною мірою знизити сили поверхневого натягу, називаються поверхнево-активними речовинами (ПАР). При підвищенні температури величина сил поверхневого натягу зменшується, а в критичній точці кипіння рідини прямує до нуля.

На межі поділу вода — повітря за t=20°С коефіцієнт поверхневого натягу σ=0,073 Дж/м², а для межі поділу ртуть — повітря коефіцієнт σ=0,48 Дж/м².

На поверхні поділу трьох фаз, наприклад, твердої стінки, рідини і газу між поверхнею рідини і твердою стінкою утворюється так званий крайовий кут θ. Величина крайового кута залежить від природи дотичних середовищ (від поверхневих натягів на їхніх межах) і не залежить ні від форми посудини, ні від дії сили ваги. Якщо край рідини піднятий, її поверхня має увігнуту форму — крайовий кут гострий. У цьому разі рідина змочує тверду поверхню. Чим гірша змочувальна здатність рідини, тим більшим є крайовий кут. При θ>90° рідина вважається незмочувальною, при повному незмочуванні θ=180°. Краплі такої рідини немов би підгортаються, намагаючись зменшити площу контакту з твердою поверхнею.

Від явища змочування залежить поведінка рідини в тонкій (капілярній) трубці, зануреній у неї. У разі змочування рідина в трубці піднімається над рівнем вільної поверхні, у протилежному випадку — опускається. Висоту капілярного підняття (опускання) рідини знаходять за формулою

${\displaystyle \Delta h={\frac {2\sigma }{\gamma r}}\cos \theta ,}$

де γ — питома вага рідини;

r — радіус трубки.

Випаровування — це вид пароутворення в процесі поступового переходу речовини з рідкої в газоподібну фазу (пару) через вільну поверхню.

При тепловому русі деякі молекули покидають рідину з її поверхні і переходять в пару. Разом з тим, частина молекул переходить назад з пари в рідину. Якщо з рідини виходить більше молекул, ніж приходить, то має місце випаровування. Випаровування супроводжується зниженням температури, оскільки з рідини вилітають молекули з енергією, яка перевищує середню. Кількісно калориметрія випаровування характеризується питомою теплотою пароутворення — фізичною величиною, яка визначає кількість теплоти, що необхідна для випаровування 1 кг рідини за незмінної температури. Для води при 0 °C питома теплота пароутворення становить L = 2413 Дж/г. Тоді кількість теплоти, що поглинається при випаровування рідини масою m може бути визначена за формулою:

Q_п = L·m

Конденсація — зворотний до випаровування процес, перехід речовини з газоподібного стану в рідкий. При цьому в рідину переходить з пари більше молекул, ніж у пару з рідини. На відміну від випаровування, під час якого теплота поглинається, при конденсації теплота виділяється. ЇЇ кількість визначають за тією ж формулою, що і теплоту пароутворення. Питома теплота конденсації за значенням така сама, як і питома теплота пароутворення.

Кипіння — процес переходу рідини в пару, який характеризується, на відміну від випаровування, тим, що утворення пари відбувається не тільки на поверхні, але й в усій масі рідини.

Кипіння можливе, якщо тиск насиченої пари рідини дорівнює внутрішньому тиску. Тому дана рідина, знаходячись під цим зовнішнім тиском, кипить за цілком визначеної температури. Зазвичай температуру кипіння приводять за атмосферного тиску. Наприклад, за атмосферного тиску вода кипить при 373 К або 100°С.