Płyn - Liquid

Powstawanie kulistej kropli wody w cieczy minimalizuje pole powierzchni , co jest naturalnym wynikiem napięcia powierzchniowego w cieczach.

Ciecz jest prawie nieściśliwy płyn , który dopasowuje się do jego kształtu pojemnika, lecz zachowuje się (prawie) niezależnie stałej objętości ciśnieniem. Jako taki, jest to jeden z czterech podstawowych stanów materii (pozostałe to ciało stałe , gaz i plazma ) i jest jedynym stanem o określonej objętości, ale bez ustalonego kształtu. Ciecz składa się z maleńkich wibrujących cząstek materii, takich jak atomy, połączonych wiązaniami międzycząsteczkowymi . Podobnie jak gaz, ciecz może płynąć i przybierać kształt pojemnika. Większość cieczy jest odporna na ściskanie, chociaż inne można ściskać. W przeciwieństwie do gazu ciecz nie rozprasza się, aby wypełnić każdą przestrzeń pojemnika i utrzymuje dość stałą gęstość. Charakterystyczną właściwością stanu ciekłego jest napięcie powierzchniowe , prowadzące do zjawiska zwilżania . Woda jest zdecydowanie najpowszechniejszym płynem na Ziemi.

Gęstości cieczy jest zazwyczaj zbliżony do ciała stałego i o wiele wyższe niż w gazie. Dlatego ciecze i ciała stałe są określane jako materia skondensowana . Z drugiej strony, ponieważ ciecze i gazy mają wspólną zdolność przepływu, oba są nazywane płynami . Chociaż woda w stanie ciekłym jest obfita na Ziemi, ten stan materii jest w rzeczywistości najmniej powszechny w znanym wszechświecie, ponieważ płyny wymagają stosunkowo wąskiego zakresu temperatury/ciśnienia. Większość znanej materii we wszechświecie ma postać gazową (ze śladami wykrywalnej materii stałej) jako obłoki międzygwiazdowe lub plazmę z wnętrza gwiazd.

Wstęp

Obraz termiczny zlewu pełnego gorącej wody z dodaną zimną wodą, pokazujący, jak woda gorąca i zimna przepływają na siebie.

Ciecz to jeden z czterech podstawowych stanów materii , pozostałe to stan stały, gaz i plazma . Ciecz to płyn . W przeciwieństwie do ciała stałego cząsteczki w cieczy mają znacznie większą swobodę ruchu. Siły wiążące cząsteczki w ciele stałym są tylko tymczasowe w cieczy, umożliwiając przepływ cieczy, podczas gdy ciało stałe pozostaje sztywne.

Ciecz, podobnie jak gaz, wykazuje właściwości płynu. Ciecz może płynąć, przybierać kształt pojemnika i, jeśli zostanie umieszczona w szczelnie zamkniętym pojemniku, będzie równomiernie rozprowadzać przyłożone ciśnienie na każdą powierzchnię pojemnika. Jeśli płyn zostanie umieszczony w woreczku, można go wycisnąć w dowolny kształt. W przeciwieństwie do gazu ciecz jest prawie nieściśliwa, co oznacza, że ​​zajmuje prawie stałą objętość w szerokim zakresie ciśnień; na ogół nie rozszerza się, aby wypełnić dostępną przestrzeń w pojemniku, ale tworzy własną powierzchnię i nie zawsze może łatwo mieszać się z inną cieczą. Te właściwości sprawiają, że ciecz nadaje się do zastosowań takich jak hydraulika .

Cząsteczki cieczy są mocno, ale nie sztywno związane. Mogą swobodnie poruszać się wokół siebie, co skutkuje ograniczonym stopniem ruchliwości cząstek. Wraz ze wzrostem temperatury zwiększone drgania cząsteczek powodują wzrost odległości między cząsteczkami. Kiedy ciecz osiąga punkt wrzenia , siły kohezyjne, które wiążą cząsteczki blisko siebie, pękają i ciecz przechodzi w stan gazowy (chyba że nastąpi przegrzanie ). Jeśli temperatura spada, odległości między cząsteczkami stają się mniejsze. Gdy ciecz osiągnie punkt zamarzania, cząsteczki zwykle zamykają się w bardzo określonym porządku, zwanym krystalizacją, a wiązania między nimi stają się bardziej sztywne, zmieniając ciecz w stan stały (chyba że nastąpi przechłodzenie ).

Przykłady

Tylko dwa pierwiastki są ciekłe w standardowych warunkach temperatury i ciśnienia : rtęć i brom . Cztery inne pierwiastki mają temperaturę topnienia nieco powyżej temperatury pokojowej : frans , cez , gal i rubid . Stopy metali, które są płynne w temperaturze pokojowej, obejmują NaK , metaliczny stop sodowo-potasowy, galinstan , topliwy ciekły stop oraz niektóre amalgamaty (stopy zawierające rtęć).

Czyste substancje, które w normalnych warunkach są płynne, to woda, etanol i wiele innych rozpuszczalników organicznych. Woda w stanie ciekłym ma kluczowe znaczenie w chemii i biologii; uważa się, że jest to konieczność do istnienia życia.

Ciecze nieorganiczne obejmują wodę, magmę, nieorganiczne rozpuszczalniki niewodne i wiele kwasów .

Do ważnych płynów codziennego użytku należą roztwory wodne, takie jak wybielacz domowy , inne mieszaniny różnych substancji, takie jak olej mineralny i benzyna, emulsje, takie jak vinaigrette lub majonez , zawiesiny, takie jak krew, oraz koloidy, takie jak farba i mleko.

Wiele gazów można upłynnić przez chłodzenie, wytwarzając ciecze, takie jak ciekły tlen , ciekły azot , ciekły wodór i ciekły hel . Jednak nie wszystkie gazy można upłynnić pod ciśnieniem atmosferycznym. Na przykład dwutlenek węgla można upłynnić tylko pod ciśnieniem powyżej 5,1 atm .

Niektórych materiałów nie można zaklasyfikować do klasycznych trzech stanów skupienia; posiadają właściwości przypominające ciało stałe i płynne. Przykładami są ciekłe kryształy , stosowane w wyświetlaczach LCD i membrany biologiczne .

Aplikacje

Lampa lawa składa się z dwóch niemieszających się cieczy (stopiony wosk i roztwór wodniste), które dodawane ruchu ze względu na konwekcję. Oprócz górnej powierzchni, między płynami tworzą się również powierzchnie, które wymagają łamacza naprężeń, aby ponownie połączyć krople wosku na dole.

Ciecze mają wiele zastosowań, jako smary, rozpuszczalniki i chłodziwa. W układach hydraulicznych do przenoszenia mocy wykorzystywana jest ciecz.

W trybologii bada się ciecze pod kątem ich właściwości jako smarów . Smary, takie jak olej, są dobierane pod kątem lepkości i charakterystyki przepływu, które są odpowiednie w całym zakresie temperatur roboczych elementu. Oleje są często stosowane w silnikach, skrzyniach biegów , obróbce metali i układach hydraulicznych ze względu na ich dobre właściwości smarne.

Wiele cieczy jest używanych jako rozpuszczalniki do rozpuszczania innych cieczy lub ciał stałych. Rozwiązania można znaleźć w wielu różnych zastosowaniach, w tym w farbach , uszczelniaczach i klejach . Benzyna i aceton są często używane w przemyśle do czyszczenia części i maszyn z oleju, smaru i smoły. Płyny ustrojowe to roztwory na bazie wody.

Surfaktanty są powszechnie spotykane w mydłach i detergentach . Jako środki przeciwdrobnoustrojowe często stosuje się rozpuszczalniki, takie jak alkohol . Znajdują się one w kosmetykach, tuszach i ciekłych laserach barwnikowych . Wykorzystywane są w przemyśle spożywczym, w procesach takich jak ekstrakcja oleju roślinnego .

Ciecze mają zwykle lepszą przewodność cieplną niż gazy, a zdolność do przepływu sprawia, że ​​ciecz jest odpowiednia do usuwania nadmiaru ciepła z elementów mechanicznych. Ciepło można usuwać przez kierowanie cieczy przez wymiennik ciepła , taki jak grzejnik , lub można je usuwać wraz z cieczą podczas parowania . Chłodziwa wodne lub glikolowe służą do ochrony silników przed przegrzaniem. Chłodziwa stosowane w reaktorach jądrowych obejmują wodę lub ciekłe metale, takie jak sód lub bizmut . Warstwy na paliwo ciekłe są wykorzystywane do chłodzenia komór oporowych rakiet . W obróbce skrawaniem woda i oleje są używane do usuwania nadmiaru wytwarzanego ciepła, co może szybko zniszczyć zarówno obrabiany przedmiot, jak i oprzyrządowanie. Podczas pocenia pot usuwa ciepło z ludzkiego ciała poprzez parowanie. W branży grzewczej, wentylacyjnej i klimatyzacyjnej (HVAC) do przenoszenia ciepła z jednego obszaru do drugiego wykorzystuje się ciecze, takie jak woda.

Podobnie płyny są często używane do gotowania ze względu na ich lepsze właściwości przenoszenia ciepła. Oprócz lepszej przewodności, ponieważ cieplejsze ciecze rozszerzają się i unoszą, podczas gdy chłodniejsze obszary kurczą się i opadają, ciecze o niskiej lepkości kinematycznej mają tendencję do przenoszenia ciepła przez konwekcję w dość stałej temperaturze, dzięki czemu ciecz nadaje się do blanszowania , gotowania lub smażenia . Jeszcze wyższe szybkości wymiany ciepła można osiągnąć poprzez kondensację gazu w ciecz. W punkcie wrzenia cieczy cała energia cieplna jest wykorzystywana do spowodowania zmiany fazy z cieczy w gaz bez towarzyszącego wzrostu temperatury i jest magazynowana jako chemiczna energia potencjalna . Kiedy gaz skrapla się z powrotem do cieczy, nadmiar energii cieplnej jest uwalniany w stałej temperaturze. Zjawisko to jest wykorzystywane w procesach takich jak gotowanie na parze . Ponieważ ciecze często mają różne temperatury wrzenia, mieszaniny lub roztwory cieczy lub gazów można zazwyczaj rozdzielić przez destylację , stosując ciepło, zimno, próżnię , ciśnienie lub innymi sposobami. Destylację można znaleźć we wszystkim, od produkcji napojów alkoholowych , przez rafinerie ropy naftowej , po kriogeniczną destylację gazów takich jak argon , tlen , azot , neon lub ksenon poprzez skraplanie (schładzanie ich poniżej ich indywidualnych punktów wrzenia).

Ciecz jest podstawowym składnikiem układów hydraulicznych , które wykorzystują prawo Pascala do dostarczania mocy płynów . Urządzenia, takie jak pompy i koła wodne , były używane od czasów starożytnych do zmiany ruchu cieczy w pracę mechaniczną . Oleje tłoczone są przez pompy hydrauliczne , które przenoszą tę siłę na cylindry hydrauliczne . Hydraulika znajduje zastosowanie w wielu zastosowaniach, takich jak hamulce i przekładnie samochodowe , ciężki sprzęt i systemy sterowania samolotami. Różne prasy hydrauliczne są szeroko stosowane w naprawach i produkcji, do podnoszenia, prasowania, zaciskania i formowania.

Ciecze są czasami używane w urządzeniach pomiarowych. Termometr często wykorzystuje się rozszerzalność cieplną cieczy, takich jak rtęć , w połączeniu z ich zdolnością do przepływu do wskazywania temperatury. Manometr wykorzystuje ciężar płynu, który wskazuje ciśnienie .

Właściwości mechaniczne

Tom

Ilości płynów są mierzone w jednostkach objętości . Należą do nich metr sześcienny układu SI (m 3 ) i jego podziały, w szczególności decymetr sześcienny, zwany popularniej litrem (1 dm 3 = 1 L = 0,001 m 3 ) oraz centymetr sześcienny, zwany też mililitrem (1 cm). 3 = 1 ml = 0,001 l = 10-6 m 3 ).

Objętość pewnej ilości cieczy jest określona przez jej temperaturę i ciśnienie . Ciecze na ogół rozszerzają się po podgrzaniu i kurczą po schłodzeniu. Godnym uwagi wyjątkiem jest woda o temperaturze od 0 °C do 4 °C.

Z drugiej strony ciecze mają niewielką ściśliwość . Na przykład woda spręży się tylko o 46,4 części na milion na każdą jednostkę wzrostu ciśnienia atmosferycznego (bar). Przy ciśnieniu około 4000 bar (400 megapaskali lub 58 000 psi ) w temperaturze pokojowej woda ma tylko 11% spadek objętości. Nieściśliwość sprawia, że ​​ciecze nadają się do przenoszenia mocy hydraulicznej , ponieważ zmiana ciśnienia w jednym punkcie cieczy jest przekazywana w sposób niezmniejszony na każdą drugą część cieczy, a bardzo mało energii jest tracone w postaci ściskania.

Jednak znikoma ściśliwość prowadzi do innych zjawisk. Uderzenie rur, zwane uderzeniem wodnym , występuje, gdy zawór zostaje nagle zamknięty, tworząc ogromny skok ciśnienia na zaworze, który przemieszcza się do tyłu przez system z prędkością nieco poniżej prędkości dźwięku. Innym zjawiskiem spowodowanym nieściśliwością cieczy jest kawitacja . Ponieważ ciecze mają niewielką elastyczność , można je dosłownie rozerwać w obszarach o dużych turbulencjach lub dramatycznych zmianach kierunku, takich jak krawędź spływu śruby napędowej łodzi lub ostry narożnik rury. Ciecz w obszarze niskiego ciśnienia (próżnia) odparowuje i tworzy bąbelki, które następnie zapadają się, gdy wchodzą w obszary wysokiego ciśnienia. Powoduje to, że płyn wypełnia wnęki pozostawione przez pęcherzyki z ogromną siłą zlokalizowaną, powodując erozję sąsiedniej powierzchni ciała stałego.

Ciśnienie i wyporność

W polu grawitacyjnym ciecze wywierają nacisk na boki pojemnika, a także na wszystko w samej cieczy. To ciśnienie jest przenoszone we wszystkich kierunkach i wzrasta wraz z głębokością. Jeżeli ciecz znajduje się w spoczynku w jednorodnym polu grawitacyjnym, ciśnienie na głębokości wyraża się wzorem

gdzie:

jest ciśnienie na powierzchni
jest gęstością cieczy, przyjętą jednolitą z głębokością
jest przyspieszenie grawitacyjne

Dla akwenu otwartego na powietrze byłoby ciśnienie atmosferyczne .

Ciecze statyczne w jednorodnych polach grawitacyjnych wykazują również zjawisko wyporu , w którym obiekty zanurzone w cieczy doświadczają siły wypadkowej ze względu na zmiany ciśnienia wraz z głębokością. Wielkość siły jest równa ciężarowi cieczy wypartej przez obiekt, a kierunek siły zależy od średniej gęstości zanurzonego obiektu. Jeśli gęstość jest mniejsza niż cieczy, siła wyporu jest skierowana do góry i obiekt unosi się, natomiast jeśli gęstość jest większa , siła wyporu jest skierowana w dół i obiekt tonie. Jest to znane jako zasada Archimedesa .

Powierzchnie

O ile objętość cieczy nie odpowiada dokładnie objętości pojemnika, obserwuje się jedną lub więcej powierzchni. Obecność powierzchni wprowadza nowe zjawiska, które nie występują w cieczy luzem. Dzieje się tak, ponieważ cząsteczka na powierzchni posiada wiązania z innymi cząsteczkami cieczy tylko po wewnętrznej stronie powierzchni, co oznacza siłę wypadkową przyciągającą cząsteczki powierzchniowe do wewnątrz. Równoważnie siłę tę można opisać w kategoriach energii: istnieje stała ilość energii związana z formowaniem powierzchni danego obszaru. Ta wielkość jest właściwością materiału zwaną napięciem powierzchniowym , w jednostkach energii na jednostkę powierzchni (jednostki SI: J / m 2 ). Ciecze o silnych siłach międzycząsteczkowych mają zwykle duże napięcia powierzchniowe.

Praktyczną konsekwencją napięcia powierzchniowego jest to, że ciecze mają tendencję do minimalizowania swojej powierzchni, tworząc kuliste krople i pęcherzyki, chyba że występują inne ograniczenia. Napięcie powierzchniowe jest również odpowiedzialne za szereg innych zjawisk, w tym fale powierzchniowe , działanie kapilarne , zwilżanie i zmarszczki . W cieczach zamkniętych w nanoskali efekty powierzchniowe mogą odgrywać dominującą rolę, ponieważ – w porównaniu z makroskopową próbką cieczy – znacznie większa część cząsteczek znajduje się w pobliżu powierzchni.

Napięcie powierzchniowe cieczy bezpośrednio wpływa na jej zwilżalność . Najczęściej cieczy ma napięcie wynoszące w dziesiątkach mJ / m 2 , aby kropelki oleju, wody lub kleju można łatwo połączyć i przywierają do innych powierzchni, natomiast ciekłych metali takich jak rtęć może napięcia w przedziale setek mJ / m 2 , dlatego kropelki nie łączą się łatwo, a powierzchnie mogą zamoczyć się tylko w określonych warunkach.

Napięcia powierzchniowe zwykłych cieczy zajmują stosunkowo wąski zakres wartości, co silnie kontrastuje z ogromną zmiennością innych właściwości mechanicznych, takich jak lepkość.

Pływ

Symulacja lepkości . Płyn po lewej stronie ma niższą lepkość i zachowanie newtonowskie, podczas gdy płyn po prawej ma wyższą lepkość i zachowanie nienewtonowskie.

Ważną właściwością fizyczną charakteryzującą przepływ cieczy jest lepkość . Intuicyjnie lepkość opisuje oporność cieczy na przepływ.

Bardziej technicznie, lepkość mierzy odporność cieczy na odkształcenia przy danej szybkości, na przykład podczas ścinania ze skończoną prędkością. Konkretnym przykładem jest ciecz przepływająca przez rurę: w tym przypadku ciecz ulega odkształceniu ścinającemu, ponieważ płynie wolniej przy ściankach rury niż w pobliżu środka. W rezultacie wykazuje lepki opór płynięcia. Aby utrzymać przepływ, należy przyłożyć siłę zewnętrzną, taką jak różnica ciśnień między końcami rury.

Lepkość cieczy spada wraz ze wzrostem temperatury.

Precyzyjna kontrola lepkości jest ważna w wielu zastosowaniach, zwłaszcza w przemyśle smarowniczym. Jednym ze sposobów osiągnięcia takiej kontroli jest zmieszanie dwóch lub więcej cieczy o różnych lepkościach w precyzyjnych proporcjach. Ponadto istnieją różne dodatki, które mogą modulować zależność lepkości olejów smarowych od temperatury. Ta zdolność jest ważna, ponieważ maszyny często pracują w różnych temperaturach (patrz także wskaźnik lepkości ).

Lepkość cieczy może być albo newtonowska, albo nienewtonowska . Ciecz newtonowska wykazuje liniową krzywą odkształcenia/naprężenia, co oznacza, że ​​jej lepkość jest niezależna od czasu, szybkości ścinania lub historii szybkości ścinania. Przykłady płynów newtonowskich obejmują wodę, glicerynę , olej silnikowy , miód lub rtęć. Ciecz nienewtonowska to taka, w której lepkość nie jest niezależna od tych czynników i albo gęstnieje (wzrost lepkości) albo rozrzedza (zmniejsza lepkość) pod wpływem ścinania. Przykłady nienewtonowskich płynów obejmują ketchup , majonez , żele do włosów , Play-Doh lub roztwory skrobi .

Elastyczność pod zamknięciem

Ciecze zamknięte mogą wykazywać inne właściwości mechaniczne w porównaniu do płynów luzem. Na przykład ciecze w zamknięciu poniżej milimetra (np. w szczelinie między sztywnymi ściankami) wykazują reakcję mechaniczną podobną do ciała stałego i mają zaskakująco duży moduł sprężystości ścinania przy niskiej częstotliwości , który skaluje się z odwrotnością mocy sześciennej długości ograniczenia.

Propagacja dźwięku

Prędkość dźwięku w cieczy jest określona przez gdzie jest moduł objętościowy cieczy i gęstość. Na przykład, woda ma moduł nasypowej około 2,2 GPa , a gęstość 1000 kg / m 3 , która daje c = 1,5 km / s.

Termodynamika

Przejścia fazowe

Typowy diagram fazowy . Linia przerywana przedstawia anomalne zachowanie wody. Zielone linie pokazują, jak temperatura zamarzania może się zmieniać pod wpływem ciśnienia, a niebieska pokazuje, jak temperatura wrzenia może się zmieniać pod wpływem ciśnienia. Czerwona linia pokazuje granicę, na której może wystąpić sublimacja lub osadzanie .

W temperaturze poniżej temperatury wrzenia każda materia w postaci ciekłej będzie odparowywać aż do osiągnięcia równowagi z odwrotnym procesem kondensacji jej pary. W tym momencie para będzie się skraplać z taką samą szybkością, z jaką paruje ciecz. Tak więc ciecz nie może istnieć na stałe, jeśli odparowana ciecz jest stale usuwana. Ciecz w temperaturze wrzenia lub powyżej niej normalnie wrze, chociaż przegrzanie może temu zapobiec w pewnych okolicznościach.

W temperaturze poniżej punktu zamarzania ciecz będzie miała tendencję do krystalizacji , zmieniając się w stałą postać. W przeciwieństwie do przejścia w gaz, w tym przejściu pod stałym ciśnieniem nie ma równowagi, więc jeśli nie nastąpi przechłodzenie , ciecz ostatecznie całkowicie skrystalizuje. Jednak dzieje się tak tylko przy stałym ciśnieniu, tak że (na przykład) woda i lód w zamkniętym, mocnym pojemniku mogą osiągnąć równowagę, w której obie fazy współistnieją. Odwrotne przejście ze stanu stałego do ciekłego, patrz topienie .

Płyny w kosmosie

Diagram fazowy wyjaśnia, dlaczego ciecze nie istnieją w kosmosie ani w żadnej innej próżni. Ponieważ ciśnienie jest zerowe (z wyjątkiem powierzchni lub wnętrz planet i księżyców), woda i inne ciecze wystawione na działanie kosmosu albo natychmiast się zagotują, albo zamarzną, w zależności od temperatury. W rejonach kosmosu w pobliżu ziemi woda zamarznie, jeśli słońce nie będzie na nią świecić, i wyparuje (wzniesie się), gdy tylko znajdzie się w świetle słonecznym. Jeśli woda istnieje na Księżycu jako lód, może istnieć tylko w zacienionych dziurach, gdzie słońce nigdy nie świeci i gdzie otaczająca ją skała nie nagrzewa jej zbyt mocno. W pewnym momencie w pobliżu orbity Saturna światło słoneczne jest zbyt słabe, aby przekształcić lód w parę wodną. Wynika to z długowieczności lodu, z którego składają się pierścienie Saturna.

Rozwiązania

Ciecze mogą tworzyć roztwory z gazami, ciałami stałymi i innymi cieczami.

Mówi się, że dwie ciecze mieszają się, jeśli mogą tworzyć roztwór w dowolnej proporcji; w przeciwnym razie nie mieszają się. Na przykład woda i etanol (alkohol do picia) są mieszalne, podczas gdy woda i benzyna nie mieszają się. W niektórych przypadkach mieszaninę nie mieszających się w inny sposób cieczy można stabilizować, tworząc emulsję , w której jedna ciecz jest rozproszona w drugiej jako mikroskopijne kropelki. Zwykle wymaga to obecności środka powierzchniowo czynnego w celu stabilizacji kropelek. Znanym przykładem emulsji jest majonez , który składa się z mieszaniny wody i oleju stabilizowanej lecytyną , substancją znajdującą się w żółtkach jaj .

Opis mikroskopowy

Cząsteczki tworzące ciecze są nieuporządkowane i silnie oddziałują ze sobą , co utrudnia ścisłe opisanie cieczy na poziomie molekularnym. Kontrastuje to z pozostałymi dwoma powszechnymi fazami materii, gazami i ciałami stałymi. Chociaż gazy są nieuporządkowane, są wystarczająco rozcieńczone, aby można było zignorować interakcje między wieloma ciałami, a interakcje molekularne można zamiast tego modelować w kategoriach dobrze zdefiniowanych zdarzeń zderzeń binarnych. I odwrotnie, chociaż ciała stałe są gęste i silnie oddziałują ze sobą, ich regularna struktura na poziomie molekularnym (np. sieć krystaliczna) pozwala na znaczne uproszczenia teoretyczne. Z tych powodów mikroskopowa teoria cieczy jest mniej rozwinięta niż teoria gazów i ciał stałych.

Statyczny współczynnik struktury

Budowa klasycznej cieczy jednoatomowej. Atomy stykają się z wieloma najbliższymi sąsiadami, ale nie ma ładu dalekiego zasięgu.

W cieczy atomy nie tworzą sieci krystalicznej ani nie wykazują żadnej innej formy uporządkowania dalekiego zasięgu . Świadczy o tym brak pików Bragga w dyfrakcji rentgenowskiej i neutronowej . W normalnych warunkach obraz dyfrakcyjny ma symetrię kołową, wyrażającą izotropię cieczy. W kierunku promieniowym intensywność dyfrakcji płynnie oscyluje. Jest to zwykle opisywane przez współczynnik struktury statycznej S(q) , o liczbie falowej q =(4π/λ)sin θ określonej przez długość fali λ sondy (foton lub neutron) i kąt Bragga θ. Oscylacje S(q) wyrażają bliski rząd cieczy, tj. korelacje między atomem a kilkoma powłokami najbliższych, drugich najbliższych, ... sąsiadów.

Bardziej intuicyjny opis tych zależności jest przez funkcję rozprowadzania promieniowego g (r) , który jest w zasadzie transformaty Fouriera z S (Q) . Reprezentuje średnią przestrzenną chwilowej migawki korelacji par w cieczy.

Funkcja rozkładu radialnego płynu modelowego Lennarda-Jonesa .

Dyspersja dźwięku i relaksacja strukturalna

Powyższe wyrażenie na prędkość dźwięku zawiera moduł objętościowy K . Jeżeli K jest niezależne od częstotliwości, wówczas ciecz zachowuje się jak ośrodek liniowy , tak że dźwięk rozchodzi się bez rozpraszania i bez sprzężenia modów . W rzeczywistości każda ciecz wykazuje pewną dyspersję : wraz ze wzrostem częstotliwości K przechodzi od granicy przypominającej ciecz niskiej częstotliwości do granicy przypominającej ciało stałe wysokiej częstotliwości . W normalnych cieczach większość tego przejścia zachodzi na częstotliwościach między GHz i THz, czasami nazywanych hiperdźwiękami .

Przy częstotliwościach poniżej GHz normalna ciecz nie może wytrzymać fal ścinania : granica zerowej częstotliwości modułu ścinania wynosi . Czasami jest to postrzegane jako definiująca właściwość cieczy. Jednak, podobnie jak moduł objętościowy K , moduł ścinania G jest zależny od częstotliwości, a przy częstotliwościach hiperdźwiękowych wykazuje podobne przejście od granicy typu ciecz do granicy typu ciała stałego, niezerowej .

Zgodnie z relacją Kramersa-Kroniga dyspersja prędkości dźwięku (podanej przez część rzeczywistą K lub G ) idzie w parze z maksimum tłumienia dźwięku (rozproszenia, podanego przez część urojoną K lub G ). Zgodnie z teorią odpowiedzi liniowej transformata Fouriera K lub G opisuje, w jaki sposób układ powraca do równowagi po zewnętrznym zaburzeniu; z tego powodu etap dyspersji w obszarze GHz..THz jest również nazywany relaksacją strukturalną . Zgodnie z twierdzeniem wahania rozpraszania , złagodzenie do równowagi jest ściśle związane z wahaniami w równowadze. Fluktuacje gęstości związane z falami dźwiękowymi można doświadczalnie zaobserwować za pomocą rozpraszania Brillouina .

Po przechłodzeniu cieczy w kierunku przejścia w stan szklisty, zwrotnica od odpowiedzi typu ciecz do reakcji ciała stałego przesuwa się od GHz do MHz, kHz, Hz, ...; równoważnie, charakterystyczny czas relaksacji strukturalnej wzrasta od ns do μs, ms, s, ... Jest to mikroskopowe wyjaśnienie wyżej wspomnianego lepkosprężystego zachowania cieczy szkłotwórczych.

Skutki stowarzyszenia

Mechanizmy dyfuzji atomowej/molekularnej (lub przemieszczania cząstek ) w ciałach stałych są ściśle powiązane z mechanizmami przepływu lepkiego i krzepnięcia w materiałach ciekłych. Opisy lepkości w kategoriach „wolnej przestrzeni” molekularnej w cieczy zostały odpowiednio zmodyfikowane, aby uwzględnić ciecze, których cząsteczki są „związane” w stanie ciekłym w zwykłych temperaturach. Kiedy różne cząsteczki łączą się ze sobą, tworząc cząsteczkę zasocjowaną, zamykają w półsztywnym układzie pewną ilość przestrzeni, która wcześniej była dostępna jako wolna przestrzeń dla ruchomych cząsteczek. Zatem wzrost lepkości po ochłodzeniu z powodu tendencji większości substancji do łączenia się podczas ochładzania.

Podobne argumenty można wykorzystać do opisu wpływu ciśnienia na lepkość, gdzie można przyjąć, że lepkość jest głównie funkcją objętości dla cieczy o skończonej ściśliwości . Oczekuje się zatem wzrostu lepkości wraz ze wzrostem ciśnienia. Ponadto, jeśli objętość zostanie rozszerzona przez ciepło, ale ponownie zmniejszona przez ciśnienie, lepkość pozostaje taka sama.

Lokalna tendencja do orientacji cząsteczek w małe grupy nadaje cieczy (jak wspomniano wcześniej) pewien stopień asocjacji. Ta asocjacja powoduje znaczne „ciśnienie wewnętrzne” w cieczy, co jest prawie wyłącznie spowodowane tymi cząsteczkami, które z powodu ich chwilowo niskich prędkości (zgodnie z rozkładem Maxwella) połączyły się z innymi cząsteczkami. Ciśnienie wewnętrzne między kilkoma takimi cząsteczkami może odpowiadać ciśnieniu między grupą cząsteczek w postaci stałej.

Tabela

Przemiany fazowe materii ()
Do
Z
Solidny Płyn Gaz Osocze
Solidny Topienie Sublimacja
Płyn Zamrażanie Odparowanie
Gaz Zeznanie Kondensacja Jonizacja
Osocze Rekombinacja

Bibliografia