در زندگی روزمره، ما دائماً با سه حالت ماده روبرو هستیم - مایع، گاز و جامد. ما ایده نسبتاً روشنی از اینکه جامدات و گازها چیست داریم. گاز مجموعه ای از مولکول ها است که به طور تصادفی در همه جهات حرکت می کنند. تمام مولکول های یک جسم جامد آرایش متقابل خود را حفظ می کنند. آنها فقط کمی نوسان می کنند.
ویژگی های یک ماده مایع
و مواد مایع چیست؟ ویژگی اصلی آنها این است که با اشغال یک موقعیت میانی بین کریستال ها و گازها، ویژگی های خاصی از این دو حالت را با هم ترکیب می کنند. به عنوان مثال، برای مایعات، و همچنین برای اجسام جامد (کریستالی)، وجود حجم مشخص است. با این حال، در همان زمان، مواد مایع، مانند گازها، شکل ظرفی را که در آن قرار دارند، به خود می گیرند. بسیاری از ما معتقدیم که آنها شکل خاص خود را ندارند. با این حال، اینطور نیست. شکل طبیعی هر مایع -توپ گرانش معمولاً از به خود گرفتن این شکل جلوگیری می کند، بنابراین مایع یا شکل یک ظرف را به خود می گیرد یا به صورت نازک روی سطح پخش می شود.
از نظر خواص، حالت مایع یک ماده به دلیل موقعیت میانی آن بسیار پیچیده است. مطالعه آن از زمان ارشمیدس (2200 سال پیش) آغاز شد. با این حال، تجزیه و تحلیل نحوه رفتار مولکول های یک ماده مایع هنوز یکی از دشوارترین حوزه های علم کاربردی است. هنوز هیچ نظریه پذیرفته شده و کاملاً کاملی در مورد مایعات وجود ندارد. با این حال، می‌توانیم به طور کاملاً قطعی در مورد رفتار آنها چیزی بگوییم.
رفتار مولکولها در مایع
مایع چیزی است که می تواند جریان داشته باشد. ترتیب برد کوتاه در چینش ذرات آن رعایت می شود. این بدان معنی است که مکان نزدیکترین همسایگان به آن، نسبت به هر ذره، مرتب شده است. با این حال، با دور شدن او از دیگران، موقعیت او در رابطه با آنها کمتر و کمتر مرتب می شود و سپس نظم به کلی از بین می رود. مواد مایع از مولکول هایی تشکیل شده اند که بسیار آزادتر از جامدات (و حتی در گازها) آزادتر حرکت می کنند. برای مدت معینی، هر یک از آنها ابتدا به یک جهت، سپس به سمت دیگر، بدون اینکه از همسایگان خود دور شوند، می شتابند. با این حال، هر از گاهی یک مولکول مایع از محیط خارج می شود. او با نقل مکان به مکان دیگری به مکان جدیدی می رسد. در اینجا دوباره، برای مدت معینی، او حرکات تلوتلو مانند انجام می دهد.
Y. I. سهم فرنکل در مطالعه مایعات
I. I. Frenkel، دانشمند شوروی، شایستگی زیادی در توسعه تعدادی ازمشکلات مربوط به موضوعی مانند مواد مایع. شیمی به لطف اکتشافات او بسیار پیشرفت کرد. او معتقد بود که حرکت حرارتی در مایعات دارای ویژگی زیر است. برای مدت معینی، هر مولکول حول موقعیت تعادل در نوسان است. با این حال، هر از گاهی جای خود را تغییر می دهد و به طور ناگهانی به موقعیت جدیدی می رود که با فاصله ای تقریباً به اندازه خود این مولکول از موقعیت قبلی جدا می شود. به عبارت دیگر، در داخل مایع، مولکول ها حرکت می کنند، اما به کندی. بعضی اوقات آنها در نزدیکی مکان های خاصی می مانند. در نتیجه حرکت آنها چیزی شبیه مخلوطی از حرکات در گاز و جسم جامد است. نوسانات در یک مکان پس از مدتی با یک انتقال آزاد از مکانی به مکان دیگر جایگزین می‌شوند.
فشار در مایع
برخی از خواص ماده مایع به دلیل تعامل مداوم با آنها برای ما شناخته شده است. بنابراین، از تجربه زندگی روزمره، می دانیم که بر روی سطح اجسام جامدی که با آن در تماس هستند، با نیروهای خاصی عمل می کند. آنها نیروهای فشار سیال نامیده می شوند.
مثلاً وقتی شیر آب را با انگشت باز می کنیم و آب را باز می کنیم، احساس می کنیم که چگونه روی انگشت فشار می آورد. و شناگری که تا اعماق زیاد شیرجه رفته است به طور تصادفی در گوش خود احساس درد نمی کند. این با این واقعیت توضیح داده می شود که نیروهای فشار روی پرده گوش عمل می کنند. آب یک ماده مایع است، بنابراین تمام خواص خود را دارد. به منظور اندازه گیری دمای آب در عمق دریا، بسیار قوی استدماسنج‌هایی که نمی‌توانند توسط فشار سیال خرد شوند.
این فشار به دلیل فشرده سازی، یعنی تغییر حجم مایع است. نسبت به این تغییر خاصیت ارتجاعی دارد. نیروهای فشار، نیروهای کشسانی هستند. بنابراین، اگر مایعی بر روی اجسام در تماس با آن اثر بگذارد، فشرده می شود. از آنجایی که چگالی یک ماده در طول فشرده سازی افزایش می یابد، می توانیم فرض کنیم که مایعات نسبت به تغییر چگالی خاصیت ارتجاعی دارند.
تبخیر
در ادامه بررسی خواص یک ماده مایع، به تبخیر روی می آوریم. در نزدیکی سطح آن و همچنین مستقیماً در لایه سطحی، نیروهایی عمل می کنند که وجود این لایه را تضمین می کند. آنها اجازه نمی دهند مولکول های موجود در آن از حجم مایع خارج شوند. با این حال، به دلیل حرکت حرارتی، برخی از آنها سرعت نسبتاً بالایی دارند، که با کمک آنها می توان بر این نیروها غلبه کرد و مایع را ترک کرد. ما این پدیده را تبخیر می نامیم. می توان آن را در هر دمای هوا مشاهده کرد، اما با افزایش آن، شدت تبخیر افزایش می یابد.
تراکم
اگر مولکول هایی که مایع را ترک کرده اند از فضای نزدیک سطح آن جدا شوند، در نهایت همه آن تبخیر می شود. اگر مولکول هایی که آن را ترک کرده اند حذف نشوند، بخار تشکیل می دهند. مولکول های بخار که در ناحیه نزدیک سطح مایع افتاده اند توسط نیروهای جاذبه به داخل آن کشیده می شوند. این فرآیند تراکم نامیده می شود.
بنابراین،اگر مولکول ها حذف نشوند، سرعت تبخیر در طول زمان کاهش می یابد. اگر چگالی بخار بیشتر شود، وضعیتی حاصل می شود که در آن تعداد مولکول هایی که در یک زمان معین از مایع خارج می شوند، برابر با تعداد مولکول هایی است که در همان زمان به آن باز می گردند. این حالت تعادل دینامیکی ایجاد می کند. بخار موجود در آن را اشباع می گویند. فشار و چگالی آن با افزایش دما افزایش می یابد. هر چه بیشتر باشد، تعداد مولکول های مایع بیشتر است که انرژی کافی برای تبخیر دارند و چگالی بخار باید بیشتر باشد تا تراکم تبخیر برابر شود.
جوش
هنگامی که در فرآیند حرارت دادن مواد مایع، دمایی به دست می آید که در آن بخارهای اشباع فشاری برابر با محیط خارجی دارند، بین بخار اشباع و مایع تعادل برقرار می شود. اگر مایع مقدار بیشتری گرما وارد کند، جرم مربوطه از مایع بلافاصله به بخار تبدیل می شود. این فرآیند جوشاندن نامیده می شود.
جوش تبخیر شدید یک مایع است. این نه تنها از سطح رخ می دهد، بلکه به کل حجم آن نیز مربوط می شود. حباب های بخار در داخل مایع ظاهر می شوند. برای اینکه مولکول ها از مایع به بخار بروند، نیاز به کسب انرژی دارند. برای غلبه بر نیروهای جذابی که آنها را در مایع نگه می دارد، مورد نیاز است.
نقطه جوش
نقطه جوش نقطه ای است که در آنبرابری دو فشار وجود دارد - بخارهای خارجی و اشباع. با افزایش فشار افزایش می یابد و با کاهش فشار کاهش می یابد. با توجه به این که فشار در مایع با ارتفاع ستون تغییر می کند، جوش در آن در سطوح مختلف در دماهای مختلف اتفاق می افتد. فقط بخار اشباع شده که در طی فرآیند جوشش بالای سطح مایع است، دمای معینی دارد. تنها با فشار خارجی تعیین می شود. وقتی از نقطه جوش صحبت می کنیم، منظور ما این است. این برای مایعات مختلف متفاوت است، که به طور گسترده در مهندسی استفاده می شود، به ویژه در هنگام تقطیر فرآورده های نفتی.
گرمای نهان تبخیر مقدار گرمای مورد نیاز برای تبدیل یک مقدار همدما از مایع به بخار است اگر فشار خارجی با فشار بخار اشباع یکسان باشد.
خواص فیلم های مایع
همه ما می دانیم که چگونه با حل کردن صابون در آب کف ایجاد کنیم. این چیزی نیست جز تعداد زیادی حباب که توسط نازک ترین لایه متشکل از مایع محدود می شوند. با این حال، یک فیلم جداگانه نیز می تواند از مایع کف کننده به دست آید. خواص آن بسیار جالب است. این فیلم ها می توانند بسیار نازک باشند: ضخامت آنها در نازک ترین قسمت ها از صد هزارم میلی متر تجاوز نمی کند. با این حال، با وجود این، گاهی اوقات بسیار پایدار هستند. فیلم صابون می تواند در معرض تغییر شکل و کشش قرار گیرد، یک جت آب می تواند بدون از بین بردن آن از آن عبور کند. چگونه می توان چنین ثباتی را توضیح داد؟ برای اینکه یک فیلم ظاهر شود، لازم است موادی را که در آن حل می شوند به یک مایع خالص اضافه کنید. اما نه هیچ، بلکه چنین،که کشش سطحی را به طور قابل توجهی کاهش می دهد.
فیلم های مایع در طبیعت و فناوری
در فناوری و طبیعت، ما عمدتاً نه با فیلم‌های منفرد، بلکه با فوم روبرو می‌شویم که ترکیب آنهاست. اغلب می توان آن را در نهرها مشاهده کرد، جایی که نهرهای کوچک به آب آرام می ریزند. قابلیت کف کردن آب در این حالت با وجود مواد آلی در آن مرتبط است که از ریشه گیاهان ترشح می شود. این نمونه ای از نحوه کف کردن مواد مایع طبیعی است. اما در مورد تکنولوژی چطور؟ به عنوان مثال در طول ساخت و ساز از مواد خاصی استفاده می شود که ساختار سلولی شبیه فوم دارند. آنها سبک، ارزان، به اندازه کافی قوی هستند، صدا و گرما را هدایت نمی کنند. برای به دست آوردن آنها، مواد کف کننده را به محلول های مخصوص اضافه می کنند.
نتیجه گیری
بنابراین، ما آموختیم که چه موادی مایع هستند، متوجه شدیم که مایع یک حالت میانی ماده بین گاز و جامد است. بنابراین، دارای خواص مشخصه هر دو است. کریستال های مایع که امروزه به طور گسترده در فناوری و صنعت مورد استفاده قرار می گیرند (مثلاً نمایشگرهای کریستال مایع) نمونه بارز این حالت ماده هستند. آنها خواص جامدات و مایعات را با هم ترکیب می کنند. تصور اینکه علم در آینده چه مواد مایعی را اختراع خواهد کرد دشوار است. با این حال، واضح است که در این حالت پتانسیل زیادی وجود دارد که می توان از آن به نفع بشریت استفاده کرد.
علاقه ویژه به در نظر گرفتن فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی در حال وقوعدر حالت مایع، با توجه به این واقعیت که خود شخص از 90٪ آب تشکیل شده است که رایج ترین مایع روی زمین است. در آن است که تمام فرآیندهای حیاتی هم در دنیای گیاهان و هم در دنیای حیوانات انجام می شود. بنابراین، مطالعه وضعیت مایع ماده برای همه ما مهم است.
