Жидкость как агрегатное состояние вещества¶

Жидкость — агрегатное состояние вещества, промежуточное между твёрдым и газообразным, для которого характерны сохранение объёма при отсутствии собственной формы, текучесть и способность принимать форму сосуда под действием силы тяжести. В физике и химии жидкости относят к конденсированному состоянию: частицы в них расположены близко друг к другу, как в твёрдых телах, но обладают подвижностью, допускающей перестройку структуры. Наряду с газами жидкости изучает гидродинамика, а их равновесие и молекулярную структуру — физика конденсированного состояния и физическая химия.

¶Основные свойства

Жидкости обладают рядом характерных признаков:

• Текучесть — способность неограниченно деформироваться под действием сколь угодно малых касательных напряжений. Именно поэтому жидкость не сохраняет форму.
• Сохранение объёма — в отличие от газа, жидкость практически несжимаема: её плотность слабо меняется с давлением.
• Наличие свободной поверхности — границы раздела с газом или другой жидкостью, обладающей поверхностным натяжением.
• Вязкость — внутреннее трение, определяющее сопротивление течению.
• Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся жидкостей.

Плотность жидкостей обычно на три порядка выше плотности газов и близка к плотности соответствующих твёрдых фаз. Например, плотность воды при 4 °C составляет около 1000 кг/м³.

¶Молекулярное строение

В отличие от кристаллов, в жидкостях отсутствует дальний порядок в расположении частиц, но сохраняется ближний порядок — упорядоченность на расстояниях нескольких молекулярных диаметров. Молекулы совершают колебания около временных положений равновесия, периодически перескакивая на новые места. Среднее время «оседлой» жизни молекулы в воде при комнатной температуре оценивается в 10⁻¹¹–10⁻¹⁰ с.

Эта модель, развитая Яковом Френкелем, объясняет сочетание текучести и квазикристаллических черт. Теория жидкости остаётся сложной областью: строгого аналитического описания, аналогичного уравнению состояния идеального газа, для неё не существует.

¶Классификация

Жидкости подразделяют по нескольким признакам:

Ньютоновскими называют жидкости, вязкость которых не зависит от скорости сдвига (вода, большинство масел). Неньютоновские жидкости (кровь, растворы полимеров, краски) меняют вязкость при деформации; некоторые из них способны затвердевать при резком ударе.

¶Фазовые переходы

Жидкость возникает при плавлении твёрдого тела и при конденсации пара. Обратные переходы — кристаллизация (затвердевание) и испарение (парообразование). Температуры плавления и кипения зависят от давления и являются важнейшими характеристиками вещества.

Особый случай — критическая точка: выше критической температуры и давления граница между жидкостью и газом исчезает, вещество переходит в сверхкритическое состояние. Для воды критические параметры составляют около 374 °C и 22,1 МПа.

Существует также явление переохлаждённой жидкости — состояния, при котором вещество остаётся жидким ниже температуры плавления. Стекло и янтарь рассматривают как примеры веществ, застывших в стеклообразном, аморфном состоянии, близком к переохлаждённой жидкости.

¶Поверхностные явления

Молекулы на поверхности жидкости испытывают несимметричное притяжение со стороны соседей, что создаёт поверхностное натяжение — стремление сократить площадь поверхности. Из-за этого капли принимают сферическую форму, а в узких капиллярах наблюдается подъём или опускание жидкости (капиллярность). Смачивание и несмачивание определяют поведение жидкости на твёрдых поверхностях: вода смачивает стекло, но не смачивает парафин, ртуть не смачивает стекло.

¶Применение и значение

Жидкости играют ключевую роль в природе и технике:

• Вода — универсальный растворитель, основа жизни; её аномальные свойства (высокая теплоёмкость, расширение при замерзании) определяют климат и биологические процессы.
• Гидравлика — передача усилий через несжимаемые жидкости в прессах, тормозных системах, гидроприводах.
• Смазочные материалы снижают трение в механизмах.
• Теплоносители (вода, масла, расплавы) используются в системах охлаждения и энергетике.
• Растворители применяются в химической, лакокрасочной, фармацевтической промышленности.
• Жидкие топлива (бензин, дизельное топливо, керосин) — основа транспорта и авиации.

В металлургии расплавленные металлы служат для литья; жидкие кристаллы, сочетающие текучесть и анизотропию оптических свойств, применяются в дисплеях.

¶Интересные факты

• Вода расширяется при замерзании — редкое среди веществ свойство, благодаря которому лёд плавает и водоёмы не промерзают до дна.
• Жидкий гелий при температурах ниже 2,17 К переходит в сверхтекучее состояние с нулевой вязкостью (явление открыто Петром Капицей).
• Ртуть — единственный металл, жидкий при комнатной температуре.
• Некоторые жидкости, например кремнийорганические, сохраняют текучесть в широком диапазоне температур.

¶Источники

• Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Гидродинамика.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том II. Термодинамика и молекулярная физика.
• Энциклопедия «Физика» (Большая российская энциклопедия).