MolFiz_2012_v2

Свойства и структура жидкостей

Каждая молекула пребывает в потенциальной яме около своего положения равновесия. Однако для жидкости средняя энергия (1/2)kT не на много меньше глубины ямы u, в результате чего кинетическая энергия отдельной молекулы, благодаря наличию флуктуации, иногда оказывается достаточной, чтобы молекула выскочила из потенциальной ямы и заняла новое место между другой парой молекул.

Указанный характер движения молекул в жидкостях объясняет как медленность диффузии в жидкостях, так и большую, по сравнению с газами, вязкость жидкостей.

281

Парная функция распределения

Количественной характеристикой упорядоченности структуры может служить парная функция распределения g(r), которая определяется следующим образом. Пусть некоторый наблюдатель находится в месте положения некоторой молекулы и наблюдает среднюю плотность других молекул в различных малых областях пространства, характеризуемых радиус-вектором r. Распределение этой плотности характеризуется функцией g(r).

В случае кристаллической решетки твердого тела

плотность отлична от нуля лишь вблизи узлов кристаллической решетки. В твердых кристаллических телах наблюдается дальний порядок.

282

Парная функция распределения

Уидеального газа распределение молекул одинаково по всем направлениям и на всех расстояниях от начальной точки, т.е. для газа g(r)=const.

Ужидкости парная функция распределения изотропна, но зависит от расстояния. Плотность g(r) колеблется вокруг средней плотности и на достаточно больших расстояниях становится равной средней плотности.

Жидкость упорядочена в

ближнем порядке.

283

Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы проявляют упорядоченность, которая является промежуточной между упорядоченностью жидкости и твердых тел, приводящей к соответствующей анизотропии их свойств. В соответствии с этим жидкие кристаллы делятся на две группы.

Первая группа жидких кристаллов, называемых смектиками, характеризуется одномерной пространственной упорядоченностью. Жидкость представляется состоящей из параллельных жидких слоев, регулярно следующих друг за другом и отличающихся друг от друга упорядоченностью структуры.

Вторая группа жидких кристаллов, называемых нематиками, не имеет пространственной упорядоченности, а характеризуется ориентационной упорядоченностью их молекул. Их молекулы сильно вытянуты, и ориентационная упорядоченность возникает из-за преимущественной ориентации этих длинных молекул. У смектиков молекулы также сильно вытянуты. Поэтому можно сказать, что особенностью жидких кристаллов с молекулярной точки зрения является вытянутая структура их молекул, приводящая к анизотропии свойств.

284

Жидкие кристаллы

Смектики

285

Жидкие кристаллы

Нематики

Холестерики

286

Теплоемкость жидкостей

Внутренняя энергия жидкостей определяется не только кинетической энергией тепловых движений молекул, но и их потенциальной энергией взаимодействия. Опыт показывает, что теплоемкость жидкостей зависит от температуры, причем вид зависимости у разных жидкостей различный. У большинства из них теплоемкость с повышением температуры увеличивается, но есть и такие, у которых, наоборот, - уменьшается.

У воды удельная теплоемкость с повышением температуры сначала падает, а затем, пройдя через минимум, начинает расти.

287

Поверхностное натяжение

Потенциальная энергия молекулы внутри жидкости меньше потенциальной энергии молекулы вне жидкости. Поверхностный слой жидкости находится в иных условиях, чем весь объем жидкости. Для перевода молекулы из жидкости наружу необходимо преодолеть определенный потенциальный барьер, т.е. совершить определенную работу. Средняя энергия теплового движения молекул недостаточная, чтобы совершить эту работу, в результате чего жидкость сохраняет объем.

288

Поверхностное натяжение

Результирующая сила, действующая на молекулу внутри жидкости со стороны других молекул, в среднем равна нулю. Иначе обстоит дело с молекулами, находящимися у поверхности жидкости. На молекулу в поверхностном слое действует с разных сторон неодинаковое число молекул. Силы, с которыми они действуют на молекулу вблизи поверхности, в среднем не будут скомпенсированы,

возникнет результирующая сила, направленная внутрь жидкости. Таким образом, на каждую молекулу в поверхностном слое со стороны других молекул действует сила, направленная внутрь жидкости. На весь слой, лежащий у поверхности жидкости, действуют силы, направленные нормально к поверхности внутрь жидкости. Поверхностный слой оказывает на всю жидкость некоторое давление.

289

Поверхностное натяжение

Если на жидкость не действуют никакие другие силы, то равновесным окажется такое положение поверхности, при котором эти силы нормальны к поверхности. Жидкость, на которую не действуют внешние силы, должна под влиянием сил молекулярного давления принять сферическую форму. Малые капли жидкости, для которых роль силы тяжести относительно мала, действительно принимают вид правильных сфер.

Из всех геометрических тел сфера имеет при данном объеме наименьшую поверхность. Поэтому переход данной массы жидкости от какой-либо несферической формы к сферической связан с уменьшением ее поверхности. Следовательно,

действие сил молекулярного давления, под влиянием которых жидкость принимает сферическую форму, аналогично действию, которое возникло бы, если поверхность жидкости представляла бы собою растянутую пленку, стремящуюся сжаться.

290