Властивості рідин

Реферат склав: студент 1 курсу Овсянников А. В.

Національний університет Узбекистану

Фізичний факультет

Ташкент - 2004

Об'ємні властивості рідин

Стисливість рідин

Молекули в рідинах знаходяться близько один до одного, приблизно на відстанях рівних розмірами самих молекул. Це є причиною високого молекулярного ван дер Ваальсових тиску, який одно. Для води, наприклад, він дорівнює близько 11000 атм. Питома кількість рідини в тисячі разів менше ніж газів, отже, ставлення в рідинах в мільйони разів більше, ніж в газах. Тому можна знехтувати зовнішнім тиском, і рівняння Ван-дер-Ваальса візьме вид

         

p                 A       

         V                 B                 Рис.1        Великий величиною молекулярного тиску пояснюється мізерно мала стискальність рідин. Це відразу видно з рівняння кривої Ван-дер-Ваальса, на якій рідкому станом відповідає ділянка AB (див. рис. 1). Коефіцієнт стисливості c рідини - відносна зміна обсягу dV при зміні тиску на одиницю тобто

Досвід показує, що коефіцієнт стисливості більшості рідин лежить у межах від 10-4 до 10-5 .

Коефіцієнт стисливості рідини залежить від тиску. Він зростає з підвищенням температури. До цього результату можна прийти і дослідним шляхом, і виходячи з рівняння Ван-дер-Ваальса. Оскільки це рівняння пов'язує температуру, об'єм і тиск, то з нього можна обчислити величину. При розрахунку необхідно враховувати, що постійні a і b насправді залежать від температури. Сукупність досвідчених даних дозволила отримати емпіричну формулу для коефіцієнта стисливості рідини:

де A - Деяка функція, зростаюча з температурою, p - Зовнішній тиск і pT - тиск, пов'язаний з силами Ван-дер-Ваальса (a/V2) при температурі T. Ця формула показує, що коефіцієнт стисливості зростає з підвищенням температури і зменшується зі зростанням тиску.

Серед всіх рідин найбільшою стискальність має рідкий гелій, у якого при тиску в кілька атмосфер коефіцієнт дорівнює c. Коефіцієнт стисливості води рівний, а ртуті -.

Теплове розширення рідини

Теплове розширення речовини характеризується коефіцієнтом об'ємного розширення

,

тобто відносним зміною об'єму V при зміні температури T на 1 К.

Числові значення коефіцієнта a сильно залежать від температури і тиску. Для різних рідин значення a при однакових температурах можуть мінятися досить значно. Так, наприклад, для води, для бензолу, для рідкої вуглекислоти, гліцерину і т.д. При підвищенні температури a сильно зростає. Так для рідкої вуглекислоти при підвищенні температури від 0 ° до 20 ° коефіцієнт теплового розширення зростає вдвічі. Збільшення тиску дещо знижує значення a.

Вода володіє аномальним тепловим розширенням. В інтервалі від 0 ° до 3,98 ° коефіцієнт a від'ємний: при нагріванні об'єм води зменшується і найбільшої щільності вода досягає при 3,98 ° C. При цій температурі a = 0.

Причиною цього явища є те, що молекули води мають різний склад: не тільки H2O, але 2H2O і 3H2O. Відносні кількості цих молекул змінюються з температурою і тиском.

Теплоємність рідин

Внутрішня енергія рідин визначається не тільки кінетичної енергією теплових рухів частинок, але і їх Тому закономірності, отримані для теплоємність ідеальних газів з рівнянь кінетичної теорії, не можуть бути справедливі для рідин.

Досвід показує, що теплоємність рідин залежить від температури, причому вид залежності у різних рідин різний. У більшості з них теплоємність з підвищенням температури збільшується, але є і такі в яких, навпаки, - зменшується. У деяких рідин теплоємність з підвищенням температури спочатку падає, а потім, пройшовши через мінімум, починає рости. Такий хід теплоємності спостерігається у води. Рідини з великою молекулярною вагою зазвичай мають великі значення теплоємність. Особливо це проявляється у органічних рідин.

У рідин, як і газів, слід розрізняти теплоємність при постійному обсязі і при постійному тиску. Різниця молярних теплоємність дорівнює Cp -- CV дорівнює роботі розширення pdV (P - молекулярне тиск) благаючи рідини при його нагріванні на один градус, тому чисельне значення цієї різниці залежить від значення коефіцієнта об'ємного теплового розширення рідини. На відміну від ідеальних газів значення Cp - CV у рідини не одно постійної R, а може бути і більше і менше в залежно від значення коефіцієнта об'ємного розширення і від величини внутрішніх сил взаємодії частинок рідини, проти яких здійснюється робота розширення (тиск p у виразі pdV пов'язано саме з цими силами).

Так, у рідкого аргону при 140 К теплоємність, а й, отже. У води ж при температурі близько 0 ° C теплоємність, а, так що.

Таким чином, чисельні значення теплоємність рідини можуть бути найрізноманітнішими. Виключення складають рідкі метали, у яких молярна теплоємність зазвичай близька до значенням.

Явища переносу в рідинах

У рідинах, як і в газах, спостерігаються явища дифузії, теплопровідності та в'язкості. Але механізм цих процесів в рідинах інший, ніж в газах.

На відміну від газів, в рідинах відсутнє поняття довжини вільного пробігу. Це пов'язано з тим, що в рідинах середня відстань між молекулами такого ж порядку, як і розміри самих молекул. Молекули рідини можуть здійснювати лише малі коливання в межах, обмежених міжмолекулярними відстанями.

Такі коливання молекул час від часу змінюються стрибками на деяку відстань d, що відбуваються через одержання молекулою в результаті флуктуації надлишкової енергії від сусідніх молекул. Коливання, що змінюються стрибками, - і є теплові руху молекул рідини.

Дифузія

Для явища дифузії у рідині справедливий закон Фіка. Він говорить:

,

де I - Дифузійний потік в напрямку осі X, D - коефіцієнт дифузії, а - градієнт концентрації по осі X.

Позначимо час між стрибками молекул через t, тоді величина - швидкості молекули. Це дає можливість порівняти з середньою довжиною вільного пробігу, а - з середньою швидкістю молекул. Тоді за аналогією з ідеальними газами коефіцієнт дифузії (точніше самодифузії) рідини дорівнює:

.

Коефіцієнт самодифузії сильно залежить від температури, тобто з підвищенням температури він збільшується.

Вираз коефіцієнта дифузії можна переписати у вигляді

,

де, причому n - Частота вищеописаних коливань, а w - енергія, необхідна для стрибка молекули, що називається енергією активації молекули.

Чисельне значення коефіцієнта дифузії у рідин багато менше ніж у газів. Наприклад коефіцієнт дифузії NaCl у воді дорівнює 1,1 · 10-9 м2/с, в той час як для дифузії аргону в гелій він дорівнює 7.10 -5 м2/с.

В'язкість Внутрішнє

тертя рідин виникає при русі рідини через перенесення імпульсу в напрямку, перпендикулярно до напрямку руху. Перенесення імпульсу з одного шару в інший здійснюється при перегонах молекул, про які йшлося вище.

Очевидно, що рідина буде тим менш в'язкою, чим менше час t між стрибками молекул, і виходить, чим частіше відбуваються скачки. Виходячи з цього, можна написати вираз для коефіцієнта в'язкості, що зветься рівнянням Френкеля - Андраде:

.

Множник C, що входить в це рівняння залежить від дальності стрибка, частоти коливань n і температури. Проте температурний хід в'язкості визначається множником ew/kT. Як випливає з цієї формули, з підвищенням температури в'язкість швидко зменшується.

Теплопровідність

Теплопровідність в рідинах має місце при наявності градієнта температури. При цьому енергія в рідинах передається в процесі зіткнення тих, хто вагається частинок. Частинки з більш високою енергією здійснюють коливання з більшою амплітудою, і при зіткненнях з іншими частками як би розгойдують їх, передаючи їм енергію. Такий механізм передачі енергії не забезпечує її швидкого перенесення. Тому теплопровідність рідин дуже мала.

Наприклад, коефіцієнт теплопровідності етилового спирту становить 1,76 Вт/м К. Виняток становлять рідкі метали, коефіцієнти теплопровідності яких близькі до значень для твердих металів. Це пояснюється тим, що тепло в рідких металах переноситься не тільки разом з передачею коливань від одних частинок до інших, але і при допомоги електронів, які є в металах, але відсутні в інших рідинах.

пароутворення і кипіння

Випаровування

У поверхневому шарі і поблизу поверхні рідини діють сили, які забезпечують існування поверхні і не дозволяють молекул залишати об'єм рідини. Завдяки теплового руху деяка частина молекул має досить великі швидкості, щоб подолати сили, що утримують молекули в рідині, і покинути рідина. Це явище називається випаровуванням. Воно спостерігається при будь-якій температурі, але його інтенсивність зростає зі збільшенням температури.

Якщо покинули рідина молекули видаляються з простору поблизу поверхні рідини, то, врешті - -решт, вся рідина випарується. Якщо ж молекули, що покинули рідина не видаляються, то вони утворюють пар. Молекули пара, що потрапили в область поблизу поверхні рідини, силами тяжіння втягуються в рідину. Цей процес називається конденсацією.

Таким чином, у разі неудаленія швидкість молекул випаровування зменшується з часом. При подальшому збільшення щільності пари досягається така ситуація, коли число молекул, що залишають рідину за деякий час, буде дорівнює кількості молекул, що повертаються в рідину за той же час. Настає стан динамічного рівноваги. Пар в стані динамічної рівноваги з рідиною називається насиченим.

З підвищенням температури щільність і тиск насиченої пари збільшуються. Чим вища температура, тим більше число молекул рідини володіє енергією, достатньою для випаровування, і тим більшою, повинна бути щільність пари, щоб з'явитися могла зрівнятися з випаровуванням.

Кипіння

Коли при нагріванні рідини досягається температура, при якій тиск насичених парів одно зовнішньому тиску, встановлюється рівновага між рідиною та її насиченим паром. При повідомленні рідини додаткової кількості теплоти відбувається негайне перетворення відповідної маси рідини в пару. Цей процес називається кипінням.

температурою кипіння є та тиску. При збільшенні тиску температура кипіння збільшується, а при зменшенні - Зменшується.

Через зміни тиску в рідини з висотою її стовпа, кипіння на різних рівнях в рідині відбувається, строго кажучи, при різній температурі. Певну температуру має лише насичений пар над поверхнею киплячій рідини. Його температура визначається тільки зовнішнім тиском. Саме ця температура мається на увазі, коли говорять про температуру кипіння.

Кількість тепла, яке необхідно підвести, для того щоб ізотермічні перетворити на пару певний кількість рідини, при зовнішньому тиску, рівному тиску її насиченої пари, називається прихованою теплотою пароутворення. Зазвичай цю величину співвідносять до одному граму, або одному молю. Кількість теплоти, необхідне для ізотермічного випаровування благаючи рідини називається молярній прихованою теплотою паротворення. Якщо цю величину поділити на молекулярну вагу, то вийде питома прихована теплота пароутворення.

Список літератури

А. К. Кикоин, І. К. Кикоин, Молекулярна фізика, «Наука», 1976.

Телеснін Р. В., Молекулярна фізика, «Вища школа», 1973.

Матвєєв А. Н., Молекулярна фізика, «Вища школа», 1987.