1 Молекулярно-кинетическая теория жидкого состояния

Жидкое состояние является промежуточным между газообразным и твердым. Жидкость состоит из микрогруппировок с упорядоченным расположением атомов и разупорядоченной зоны (с хаотическим и, как правило, более рыхлым расположением частиц, образующих в расплавах непрерывную трехмерную ячеистую сеть).

Жидкости, как и твердые тела, обладают в противоположность газам малой сжимаемостью. При больших давлениях (300-500МПа) жидкости становятся как бы твердоподобными.

При механическом воздействии на жидкость необходимо считаться с ее большой текучестью, т.е. способностью под достаточно длительным влиянием внешних сил перемещаться в соответствующем направлении.

При быстрых деформациях возможно хрупкое разрушение жидкости. Так, при ударе струя жидкости ломается, а «обломки», как показывает фотосъемка, имеют форму излома, характерного для хрупкого разрушения. Точно также при высоких скоростях нагружения жидкость обладает твердостью. Например, если выстрелить в сосуд с жидкостью, то в силу ее малой сжимаемости и большой скорости пули в жидкости возникают огромные напряжения. Стенки сосуда не выдерживают и разрушаются жидкостью. Таким образом, жидкостям, как и твердым телам, свойственны малая сжимаемость, хрупкость и твердость.

1. Коэффициент самодиффузии и диффузии в жидких телах

Элементарное перемещение атомов, т.е. среднее расстояние δ между соседними положениями равновесия, должно иметь в случае расплавленных металлов (которые являются простыми жидкостями) такой же порядок величины, как и промежуточные расстояния, т.е. δ ≈ 10^-10 .

Средняя скорость блуждания частиц жидкости оказывается равной δ/τ. Коэффициент диффузии или самодиффузии определяется формулой:

Зависимость его от температуры определяется зависимостью от температуры величины τ, т.е. времени оседлой жизни, которая имеет такой же характер, как и в случае твердого тела.

Таким образом мы получаем:

Разница по сравнению с твердыми телами заключается только в том, что энергия активации в случае жидкостей значительно меньше, чем у твердых тел. Это объясняется гораздо большей рыхлостью жидкостей, относительно большей величиной их свободного объема. Коэффициент диффузии в жидкостях выражается сотыми долями квадратного сантиметра в сутки, т.е. имеет порядок 10^-11 м²/с, присеем он не очень сильно варьирует для разных жидкостей, тогда как в случае твердых тел он может варьировать очень сильно и при комнатной температуре оказывается очень малым, например 10^-11 - 10^-12 м²/сутки. коэффициент δ²/2 равен 10^-7м²/с или ~ 10^-2м²/сутки.

Множитель имеет порядок 0,01-0,0001 для комнатной температуры.

Это значит, что каждый атом совершает примерно 100-10000 колебаний около одного и того же положения, прежде чем переменить место. Поэтому на теплоемкости эта постоянная смена места не отражается.

2. Модельные теории жидких металлов

В настоящее время имеется достаточно большое число модельных теорий. Отличительной чертой всех моделей являются определенные допущения о предпочтительности или непредпочтительности какого-либо размещения атомов в пространстве вокруг избранного атома или об их движении. Ценность модельных теорий заключается в том, что они дают наглядное представление о строении жидкости и изменении структуры под влиянием температуры, дополнительно вводимых примесей или внешних воздействий (электрические или магнитные поля, ультразвук, перемешивание и т.п.).

Модель структуры жидких металлов – важная ступень в понимании ее природы, способ дальнейшего изучения и эффективного использования свойств жидкости. Все металлические расплавы обладают определенными общими свойствами: 1) вклад межчастичных сил в полную энергию системы примерно на порядок превышает вклад теплового движения составляющих расплав частиц; 2) отсутствие дальнего порядка в их расположении; 3) текучесть (количественно неодинаковая для разных жидкостей). Однако этого единства оказывается недостаточно, чтобы создать универсальную модель жидкого состояния.

Жидкостные модели можно разделить на две основных группы - квазигазовые и квазикристаллические (в зависимости от того, насколько они учитывают соотношение между кинетической и потенциальной энергиями составляющих частиц).

К квазигазовым относятся модели, в которых предпочтение отдается трансляционному движению атомов, а межчастичное взаимодействие сведено к упругим столкновениям. В этих моделях притяжение между частицами фактически игнорируется, хотя существование конденсированного вещества возможно только при условии межчастичного притяжения. К квазигазовым теориям жидкости относят теорию реального газа Ван-дер-Ваальса, а также в какой-то мере модель жестких сфер, модель Дж. Бернала и др.

Общим для квазикристаллических моделей является попытка учесть специфику сил межатомного взаимодействия внутри локальных областей расплавов, размеры которых соизмеримы с эффективным радиусом притяжения.

Силовое поле каждого иона при переходе через точку плавления не испытывает радикальных изменений. Поскольку ближний порядок жидкости формируется как в кристалле, при взаимодействии этого силового поля и теплового движения, которое качественно не изменяется при плавлении, то вблизи температуры кристаллизации металлические расплавы могут иметь некоторые элементы упорядочения соответствующего твердого состояния. Однако отсюда не следует тот факт о наличии в жидкости микрокристаллов. Имеется ввиду лишь тенденция к упорядочению, обусловленная симметрией силового поля частиц, составляющих данную жидкость. К квазикристаллическим моделям жидкостей относят сиботаксическую, квазиполикристаллическую, квазихимическую, кластерную и др. модели. Некоторые модели металлических жидкостей постулируют их микронеоднородное строение, проявляющееся в наличии в расплаве различных структурных областей (дырок, сиботаксисов, кластеров, группировок).