Структура жидкостей

Молекулы в жидкостях находятся значительно ближе друг к другу, чем в газах. Силы Ван-дер-Ваальса действуют в них во всем интервале давлений и температур области существования жидкого состояния. В расположении частиц жидкости наблюдается ближний порядок. Это означает, что по отношению к любой частице расположение ближайших частиц является упорядоченным. На фоне хаотического перемещения молекул относительно друг друга в жидкостях могут образовываться и существовать в течение продолжительных промежутков времени агрегаты молекул. Эти структурные образования по своим свойствам близки твердому телу. Сочетание у жидкостей свойств газа и твердого тела делает их теоретическое описание весьма затруднительным. В жидкостях с удлиненными молекулами (особенно в органических) наблюдается одинаковая ориентация их в пределах значительного объема, что приводит к появлению анизотропии ряда свойств. Возникает некоторое промежуточное состояние между жидкостью и твёрдым телом, которое называется жидким кристаллом.

Жидкие кристаллы обладают очень важными оптическими свойствами, что обеспечило их многочисленные применения и большой интерес к их изучению. На свойства жидких кристаллов сильное влияние оказывают электрические и магнитные поля, что открывает возможности управления световыми потоками с помощью этих кристаллов. Широко известны цифровые указатели на жидких кристаллах, а также дисплеи. Большим преимуществом жидкокристаллических пленок являются их относительная дешевизна и малые величины используемых электрических мощностей и напряжений.

Несмотря на отсутствие теории жидкостей, некоторые их свойства изучены достаточно полно, например, поверхностное натяжение и связанные с ним явления. Предлагаемый курс лекций не содержит данную тему, хотя она заявлена в программе дисциплины. Её самостоятельное изучение вами предусматривается в физическом практикуме по молекулярной физике, содержащем две лабораторные работы по данной теме. В описании этих работ достаточно подробно излагается теория поверхностных явлений, там же даны ссылки на учебную литературу.

Теперь мы обратимся к изучению процесса перехода из газообразного состояния в жидкое, что, безусловно, может расширить наши представления об этих состояниях вещества.

13.3. Переход из газообразного состояния в жидкое.

Экспериментальные изотермы

Голландский ученый Ван Марум еще в XVIII веке, занимаясь проверкой применимости закона Бойля-Мариотта к газу аммиаку в широком диапазоне температур и давлений, установил удивительную закономерность. Производя изотермическое сжатие газа в сосуде под поршнем, он обнаружил, что достигая некоторого определенного давления (в его опыте около 7 атм), изотермический процесс сжатия становится также и изобарическим: , . Изотерма на диаграмме образует «полочку» (рис. 13.3). Все точки этой полочки за исключением самых крайних соответствуют двухфазному состоянию. В них газ и жидкость сосуществуют в состоянии термодинамического равновесия. В точке 1 и при более низких давлениях всё вещество находится в газообразной фазе, а в точке 2 и при более высоких давлениях всё вещество находится в жидкой фазе.

В XIX веке экспериментальными исследованиями перехода вещества из газообразного состояния в жидкое занимались многие ученые, из них наиболее успешно Каньяр де ля Тур, Дмитрий Иванович Менделеев, Томас Эндрюс, Майкл Фарадей, Хейке Камерлинг Оннес. Эксперименты с самыми разными веществами показали следующее.

В семействе изотерм для одного и того же вещества наблюдается уменьшение изобарного участка с ростом температуры пока при некоторой температуре, называемой критической температурой, изобарный участок графика («полочка») не превратится в точку (на рис. 13.3 она обозначена буквой К). Эта точка называется критической точкой. Она соответствует критическому состоянию вещества при давлении и объеме . Изотерма , разумеется, называется критической изотермой. Заметим, что понятие критической температуры было введено Менделеевым в 1860 году.

В критическом состоянии вещества нет различий между жидкостью и газом. Это состояние в научной литературе иногда называют флюидным. Оно обладает многими интересными свойствами, в дальнейшем мы их подробно обсудим. Сейчас же отметим, что при все изотермы идут монотонно (на рис. 13.3 это и ) и соответствуют исключительно газообразному состоянию. Последнее означает, что невозможно перевести газ в жидкое состояние с помощью изотермического сжатия, если его температура выше .

Рис. 13.3.

По графику изотермы двухфазного состояния (рис. 13.3) можно определить массы и жидкой и газообразной фаз в любой точке 3 на изобаре 2-3-1, используя правило рычага и закон сохранения массы . Правило рычага выражается равенством

Понимание всех закономерностей, наблюдающихся в экспериментах по сжижению газов возможно только на основе термического уравнения состояния реального газа.