Жидкое состояние вещества

Жидкое состояние, являясь промежуточным между твер­дым и газообразным, обладает свойствами газа и твердого тела. Область существования жидкости со стороны низких температур ограничена переходом в твердое, а со стороны вы­соких — в газообразное состояние. Изменение температуры жидкости, ее плотности соответственно приближает ее свой­ства к свойствам газов или твердых тел.

Так, уравнение Ван-дер-Ваальса (16.17) не только описы­вает реальный газ, но и, качественно, некоторые свойства жидкостей.

На рис. 21.1 изображены несколько изотерм, соответству­ющих температурам T₁<T₂<T_K<T, уравнения (16.17) и от­мечены области существования газа и жидкости. Как видно, с повышением температуры «горбатые участки» изотерм, со­ответствующие переходу жидкость — пар, сокращаются и при критической температуре Т_к вырождаются в точку перегиба k. При температурах выше критической образование жидкости невозможно, вещество может существовать только в газообразной фазе.

Вблизи критической температуры исчезает различие ме­жду паром и жидкостью. Действительно, как видно из рис. 21.1, возможен непрерывный переход (помимо изотерми­ческого сжатия 1—3—4—2) из газообразного состояния 1, взятого при температуре ниже критической, в жидкое состоя­ние 4 в обход критической точки k произвольным процессом 1—а—2, минуя стадию существования двух фаз (жидкость— пар). Возможность такого перехода подчеркивает, что между жидкостью и газом нет принципиального качественного раз­личия. С другой стороны, плотность жидкости примерно в 10³ раз больше плотности газа. Соответственно концентрация молекул жидкости 10²⁰...10²¹ см ^-3 приближается к концен­трации твердого тела 10²²... 10²³ см ^-3.

Сравнение энергии взаимодействия молекул, находящихся в различных фазах, показывает, что при переходе жидкости в пар силы взаимодействия меняются значительно больше, чем при переходе кристалла в жидкость. В качестве иллю­страции приведена табл. 20.1 значений теплоты плавления q_пл и теплоты испарения q_иc для некоторых веществ при атмо­сферном давлении, из которой видно, что теплота плавления в десятки раз меньше теплоты парообразования.

Таблица 20.1

Существенно различен характер движения молекул газа, где они непрерывно, хаотично движутся, и твердого тела, в котором молекулы только колеблются около узлов кристал­лической решетки. Молекулы жидкости, согласно теории Я. И. Френкеля, большую часть времени колеблются с ча­стотами 10²...10¹³ Гц около фиксированных в пространстве положений равновесия и лишь изредка, «скачком», меняют свое «место жительства».

Время пребывания молекулы жидкости вблизи данного центра колебания, т. е. среднее время между двумя после­довательными скачками, — время релаксации, сильно зависит от температуры. При высоких температурах, приближающихся к критической, время релаксации порядка 10^-6 с, при низких температурах достигает значительных величин.

Непосредственные «соседи» каждой молекулы располо­жены более или менее закономерно, образуя подобие кристаллической решетки, далее этот порядок нарушается. Поэтому говорят, что жидкостям присущ только ближний поря­док в отличие от кристаллических тел, характеризующихся еще и дальним порядком. Рентгенограммы подтверждают наличие в жидкостях множества микрообластей (размером 10^-7 ... 10^-8 см), в которых молекулы расположены законо­мерно. В каждое мгновение ∆t (∆t≤ ) жидкость как бы состоит из множества кристаллов, различным образом ориен­тированных друг относительно друга. Тепловое движение приводит к тому, что в последующий момент времени картина меняется: меняются центры кристалликов, их взаимная ориентация.