Στην καθημερινή ζωή, συναντάμε συνεχώς τρεις καταστάσεις ύλης - υγρή, αέρια και στερεά. Έχουμε μια αρκετά σαφή ιδέα για το τι είναι τα στερεά και τα αέρια. Ένα αέριο είναι μια συλλογή μορίων που κινούνται τυχαία προς όλες τις κατευθύνσεις. Όλα τα μόρια ενός στερεού σώματος διατηρούν την αμοιβαία διάταξη τους. Ταλαντώνονται ελάχιστα.
Χαρακτηριστικά μιας υγρής ουσίας
Και τι είναι οι υγρές ουσίες; Το κύριο χαρακτηριστικό τους είναι ότι, καταλαμβάνοντας μια ενδιάμεση θέση μεταξύ κρυστάλλων και αερίων, συνδυάζουν ορισμένες ιδιότητες αυτών των δύο καταστάσεων. Για παράδειγμα, για υγρά, καθώς και για στερεά (κρυσταλλικά) σώματα, η παρουσία όγκου είναι χαρακτηριστική. Ωστόσο, ταυτόχρονα, οι υγρές ουσίες, όπως τα αέρια, παίρνουν το σχήμα του δοχείου στο οποίο βρίσκονται. Πολλοί από εμάς πιστεύουμε ότι δεν έχουν τη δική τους μορφή. Ωστόσο, δεν είναι. Η φυσική μορφή οποιουδήποτε υγρού -μπάλα. Η βαρύτητα συνήθως το εμποδίζει να πάρει αυτό το σχήμα, επομένως το υγρό είτε παίρνει το σχήμα ενός δοχείου είτε απλώνεται αραιά στην επιφάνεια.
Όσον αφορά τις ιδιότητές της, η υγρή κατάσταση μιας ουσίας είναι ιδιαίτερα πολύπλοκη, λόγω της ενδιάμεσης θέσης της. Άρχισε να μελετάται από την εποχή του Αρχιμήδη (πριν από 2200 χρόνια). Ωστόσο, η ανάλυση του πώς συμπεριφέρονται τα μόρια μιας υγρής ουσίας εξακολουθεί να είναι ένας από τους πιο δύσκολους τομείς της εφαρμοσμένης επιστήμης. Δεν υπάρχει ακόμα γενικά αποδεκτή και πλήρως πλήρης θεωρία για τα υγρά. Ωστόσο, μπορούμε να πούμε κάτι για τη συμπεριφορά τους με βεβαιότητα.
Συμπεριφορά μορίων σε υγρό
Ένα υγρό είναι κάτι που μπορεί να ρέει. Η σειρά μικρής εμβέλειας παρατηρείται στη διάταξη των σωματιδίων του. Αυτό σημαίνει ότι διατάσσεται η θέση των γειτόνων που βρίσκονται πιο κοντά σε αυτό, σε σχέση με οποιοδήποτε σωματίδιο. Ωστόσο, καθώς απομακρύνεται από τους άλλους, η θέση της σε σχέση με αυτούς γίνεται όλο και λιγότερο τακτοποιημένη και τότε η τάξη εξαφανίζεται τελείως. Οι υγρές ουσίες αποτελούνται από μόρια που κινούνται πολύ πιο ελεύθερα από ότι στα στερεά (και ακόμη πιο ελεύθερα στα αέρια). Για ένα ορισμένο χρονικό διάστημα, το καθένα από αυτά ορμάει πρώτα προς τη μία κατεύθυνση, μετά προς την άλλη, χωρίς να απομακρύνεται από τους γείτονές του. Ωστόσο, ένα υγρό μόριο ξεσπά από το περιβάλλον από καιρό σε καιρό. Φτάνει σε ένα νέο μέρος μετακομίζοντας σε άλλο μέρος. Εδώ πάλι, για ένα ορισμένο χρονικό διάστημα, κάνει κινήσεις σαν ταλαντεύσεις.
Y. I. Frenkel στη μελέτη των υγρών
I. Ο I. Frenkel, ένας Σοβιετικός επιστήμονας, έχει μεγάλη αξία στην ανάπτυξη πολλώνπροβλήματα σε ένα τέτοιο θέμα όπως οι υγρές ουσίες. Η χημεία προχώρησε πολύ χάρη στις ανακαλύψεις του. Πίστευε ότι η θερμική κίνηση στα υγρά έχει τον εξής χαρακτήρα. Για ορισμένο χρόνο, κάθε μόριο ταλαντώνεται γύρω από τη θέση ισορροπίας. Ωστόσο, κατά καιρούς αλλάζει θέση, μετακινούμενος απότομα σε μια νέα θέση, η οποία χωρίζεται από την προηγούμενη με μια απόσταση που είναι περίπου όσο το μέγεθος αυτού του μορίου. Με άλλα λόγια, μέσα στο υγρό, τα μόρια κινούνται, αλλά αργά. Μερικές φορές μένουν κοντά σε ορισμένα μέρη. Κατά συνέπεια, η κίνησή τους είναι κάτι σαν μείγμα κινήσεων στο αέριο και στο στερεό σώμα. Οι διακυμάνσεις σε ένα μέρος μετά από λίγο αντικαθίστανται από μια ελεύθερη μετάβαση από μέρος σε μέρος.
Πίεση σε υγρό
Ορισμένες ιδιότητες της υγρής ύλης είναι γνωστές σε εμάς λόγω της συνεχούς αλληλεπίδρασης μαζί τους. Έτσι, από την εμπειρία της καθημερινής ζωής, γνωρίζουμε ότι δρα στην επιφάνεια στερεών σωμάτων που έρχονται σε επαφή μαζί του, με ορισμένες δυνάμεις. Ονομάζονται δυνάμεις πίεσης ρευστού.
Για παράδειγμα, όταν ανοίγουμε μια βρύση νερού με το δάχτυλο και ανοίγουμε το νερό, νιώθουμε πώς πιέζει το δάχτυλο. Και ένας κολυμβητής που έχει βουτήξει σε μεγάλα βάθη δεν αισθάνεται τυχαία πόνο στα αυτιά του. Εξηγείται από το γεγονός ότι οι δυνάμεις πίεσης δρουν στο τύμπανο. Το νερό είναι υγρή ουσία, άρα έχει όλες τις ιδιότητές του. Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας του νερού στο βάθος της θάλασσας, πολύ ισχυρήθερμόμετρα ώστε να μην μπορούν να συνθλίβονται από την πίεση του υγρού.
Αυτή η πίεση οφείλεται σε συμπίεση, δηλαδή αλλαγή στον όγκο του υγρού. Έχει ελαστικότητα σε σχέση με αυτή την αλλαγή. Οι δυνάμεις της πίεσης είναι οι δυνάμεις της ελαστικότητας. Επομένως, εάν ένα ρευστό δρα σε σώματα που έρχονται σε επαφή με αυτό, τότε συμπιέζεται. Δεδομένου ότι η πυκνότητα μιας ουσίας αυξάνεται κατά τη συμπίεση, μπορούμε να υποθέσουμε ότι τα υγρά έχουν ελαστικότητα σε σχέση με μια αλλαγή στην πυκνότητα.
Εξάτμιση
Συνεχίζοντας να εξετάζουμε τις ιδιότητες μιας υγρής ουσίας, στραφούμε στην εξάτμιση. Κοντά στην επιφάνειά του, καθώς και απευθείας στο επιφανειακό στρώμα, δρουν δυνάμεις που διασφαλίζουν την ίδια την ύπαρξη αυτού του στρώματος. Δεν επιτρέπουν στα μόρια σε αυτό να φύγουν από τον όγκο του υγρού. Ωστόσο, λόγω της θερμικής κίνησης, μερικά από αυτά αναπτύσσουν μάλλον υψηλές ταχύτητες, με τη βοήθεια των οποίων καθίσταται δυνατό να ξεπεραστούν αυτές οι δυνάμεις και να φύγουν από το υγρό. Αυτό το φαινόμενο ονομάζουμε εξάτμιση. Μπορεί να παρατηρηθεί σε οποιαδήποτε θερμοκρασία αέρα, ωστόσο, με την αύξηση της, η ένταση της εξάτμισης αυξάνεται.
Συμπύκνωση
Αν τα μόρια που έφυγαν από το υγρό αφαιρεθούν από τον χώρο κοντά στην επιφάνειά του, τότε όλα τελικά εξατμίζονται. Αν δεν αφαιρεθούν τα μόρια που το άφησαν, σχηματίζουν ατμό. Τα μόρια ατμού που έχουν πέσει στην περιοχή κοντά στην επιφάνεια του υγρού έλκονται σε αυτό από τις δυνάμεις έλξης. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται συμπύκνωση.
Επομένως,εάν τα μόρια δεν αφαιρεθούν, ο ρυθμός εξάτμισης μειώνεται με την πάροδο του χρόνου. Εάν η πυκνότητα των ατμών αυξηθεί περαιτέρω, επιτυγχάνεται μια κατάσταση στην οποία ο αριθμός των μορίων που εγκαταλείπουν το υγρό σε ορισμένο χρόνο θα είναι ίσος με τον αριθμό των μορίων που επιστρέφουν σε αυτό την ίδια στιγμή. Αυτό δημιουργεί μια κατάσταση δυναμικής ισορροπίας. Ο ατμός σε αυτό ονομάζεται κορεσμένος. Η πίεση και η πυκνότητά του αυξάνονται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Όσο μεγαλύτερος είναι, τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των υγρών μορίων που έχουν επαρκή ενέργεια για εξάτμιση και τόσο μεγαλύτερη πρέπει να είναι η πυκνότητα του ατμού προκειμένου η συμπύκνωση να είναι ίση με την εξάτμιση.
Βράσιμο
Όταν, κατά τη διαδικασία θέρμανσης υγρών ουσιών, επιτυγχάνεται μια θερμοκρασία στην οποία οι κορεσμένοι ατμοί έχουν την ίδια πίεση με το εξωτερικό περιβάλλον, δημιουργείται μια ισορροπία μεταξύ κορεσμένου ατμού και υγρού. Εάν το υγρό προσδίδει επιπλέον ποσότητα θερμότητας, η αντίστοιχη μάζα του υγρού μετατρέπεται αμέσως σε ατμό. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται βρασμός.
Βράσιμο είναι η έντονη εξάτμιση ενός υγρού. Εμφανίζεται όχι μόνο από την επιφάνεια, αλλά αφορά ολόκληρο τον όγκο του. Φυσαλίδες ατμού εμφανίζονται μέσα στο υγρό. Για να μεταβούν στον ατμό από ένα υγρό, τα μόρια πρέπει να αποκτήσουν ενέργεια. Χρειάζεται για να ξεπεραστούν οι ελκτικές δυνάμεις που τα κρατούν στο υγρό.
Σημείο βρασμού
Το σημείο βρασμού είναι αυτό στο οποίουπάρχει ισότητα δύο πιέσεων - εξωτερικών και κορεσμένων ατμών. Αυξάνεται όσο αυξάνεται η πίεση και μειώνεται καθώς μειώνεται η πίεση. Λόγω του γεγονότος ότι η πίεση στο υγρό αλλάζει με το ύψος της στήλης, ο βρασμός σε αυτό συμβαίνει σε διαφορετικά επίπεδα σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Μόνο ο κορεσμένος ατμός, ο οποίος βρίσκεται πάνω από την επιφάνεια του υγρού κατά τη διαδικασία βρασμού, έχει μια ορισμένη θερμοκρασία. Καθορίζεται μόνο από εξωτερική πίεση. Αυτό εννοούμε όταν μιλάμε για το σημείο βρασμού. Διαφέρει για διαφορετικά υγρά, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως στη μηχανική, ιδιαίτερα κατά την απόσταξη προϊόντων πετρελαίου.
Λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης είναι η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για τη μετατροπή μιας ισοθερμικά καθορισμένης ποσότητας υγρού σε ατμό, εάν η εξωτερική πίεση είναι ίδια με την πίεση των κορεσμένων ατμών.
Ιδιότητες υγρών μεμβρανών
Όλοι ξέρουμε πώς να αποκτήσουμε αφρό διαλύοντας το σαπούνι στο νερό. Αυτό δεν είναι παρά πολλές φυσαλίδες, οι οποίες περιορίζονται από την πιο λεπτή μεμβράνη που αποτελείται από υγρό. Ωστόσο, ένα ξεχωριστό φιλμ μπορεί επίσης να ληφθεί από το αφριστικό υγρό. Οι ιδιότητες του είναι πολύ ενδιαφέρουσες. Αυτές οι μεμβράνες μπορεί να είναι πολύ λεπτές: το πάχος τους στα λεπτότερα μέρη δεν ξεπερνά το εκατό χιλιοστό του χιλιοστού. Ωστόσο, μερικές φορές είναι πολύ σταθερά, παρά αυτό. Το φιλμ σαπουνιού μπορεί να υποβληθεί σε παραμόρφωση και τέντωμα, ένας πίδακας νερού μπορεί να περάσει μέσα από αυτό χωρίς να το καταστρέψει. Πώς εξηγείται μια τέτοια σταθερότητα; Για να εμφανιστεί ένα φιλμ, είναι απαραίτητο να προσθέσετε ουσίες που διαλύονται σε αυτό σε ένα καθαρό υγρό. Αλλά όχι οποιαδήποτε, αλλά τέτοια,που μειώνουν σημαντικά την επιφανειακή τάση.
Υγρές μεμβράνες στη φύση και την τεχνολογία
Στην τεχνολογία και τη φύση, δεν συναντιόμαστε κυρίως με μεμονωμένες μεμβράνες, αλλά με αφρό, που είναι ο συνδυασμός τους. Συχνά μπορεί να παρατηρηθεί σε ρυάκια, όπου μικρά ρυάκια πέφτουν σε ήρεμα νερά. Η ικανότητα του νερού να αφρίζει σε αυτή την περίπτωση συνδέεται με την παρουσία οργανικής ουσίας σε αυτό, η οποία εκκρίνεται από τις ρίζες των φυτών. Αυτό είναι ένα παράδειγμα του πώς αφρίζουν οι φυσικές υγρές ουσίες. Τι γίνεται όμως με την τεχνολογία; Κατά την κατασκευή, για παράδειγμα, χρησιμοποιούνται ειδικά υλικά που έχουν κυτταρική δομή που μοιάζει με αφρό. Είναι ελαφριά, φθηνά, αρκετά δυνατά, κακής αγωγής ήχου και θερμότητας. Για τη λήψη τους, προστίθενται αφριστικοί παράγοντες σε ειδικά διαλύματα.
Συμπέρασμα
Λοιπόν, μάθαμε ποιες ουσίες είναι υγρές, ανακαλύψαμε ότι το υγρό είναι μια ενδιάμεση κατάσταση της ύλης μεταξύ αερίου και στερεού. Επομένως, έχει ιδιότητες χαρακτηριστικές και των δύο. Οι υγροί κρύσταλλοι, που χρησιμοποιούνται ευρέως σήμερα στην τεχνολογία και τη βιομηχανία (για παράδειγμα, οθόνες υγρών κρυστάλλων) αποτελούν χαρακτηριστικό παράδειγμα αυτής της κατάστασης της ύλης. Συνδυάζουν τις ιδιότητες στερεών και υγρών. Είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς ποιες υγρές ουσίες θα εφεύρει η επιστήμη στο μέλλον. Ωστόσο, είναι σαφές ότι υπάρχει μεγάλη δυνατότητα σε αυτή την κατάσταση της ύλης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί προς όφελος της ανθρωπότητας.
Ειδικό ενδιαφέρον για την εξέταση των φυσικών και χημικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρασε υγρή κατάσταση, λόγω του γεγονότος ότι το ίδιο το άτομο αποτελείται κατά 90% από νερό, το οποίο είναι το πιο κοινό υγρό στη Γη. Σε αυτό λαμβάνουν χώρα όλες οι ζωτικές διεργασίες τόσο στον φυτικό όσο και στον ζωικό κόσμο. Επομένως, είναι σημαντικό για όλους μας να μελετήσουμε την υγρή κατάσταση της ύλης.
