Глава 5. Жидкости

5.1. Общие свойства

Жидкости по своим свойствам занимают промежуточное положение между твердым (кристаллическим) и газообразным состояниями. Область существования жидкости со стороны низких температур ограничена фазовым переходом в твердое состояние (кристаллизация), а со стороны высоких – в газообразное (кипение).

Плотность вещества в жидком состоянии примерно в тысячу раз больше, чем в газообразном, и, всего лишь на 10 % меньше, чем в твердом. Плотная упаковка молекул жидкости, по сравнению с газами, свидетельствует о существенной роли, которую должны играть силы взаимодействия между молекулами при изучении любых ее свойств. Так, например, теплота плавления твердых кристалли­ческих тел оказывается значительно меньше теплоты парообразования, что свидетельствует о небольшом изменении сил взаимодействия между молекулами при переходе из твердого в жидкое состояние по сравнению с переходом из жидкого в газообразное состояние (см. табл. 5.1.1).

Таблица 5.1.1

Вещество	H2	N2	O2	Cu	Sn	H2O
Теплота плавления qпл, Дж/моль, P = 1 атм.	117	721	446	1083	7200	6013
Теплота кипения qкип, Дж/моль, P = 1 атм.	900	5590	6833	302000	926100	40683

Также из экспериментальных данных видно (табл. 5.1.2), что изобарная теплоемкость веществ незначительно меняется при плавлении, что свидетельствует об очень близком характере теплового движения молекул в твердом и жидком состоянии: молекулы жидкости в основном колеблются около положений равновесия, как это имеет место в твердом теле.

Таблица 5.1.2

Вещество	Hg	Pb	Zn	Na	Cl2	HaCl
Твердое, Сp, Дж/кг∙К	138	146	461	1328	1620	1405
Жидкое, Cp, Дж/ кг∙К	138,5	155	542	1386	1800	1800

Однако известно, что в жидкостях эти положения равновесия молекул не фиксированы в пространстве, как у кристаллов. Это связано с тем, что некоторая часть молекул жидкости может получить дополнительную энергию от близлежащих молекул, достаточную, чтобы перейти в новое положение равновесия, возле которого эти молекулы будут снова совершать колебания. С ростом температуры плотность жидкости уменьшается, жидкость разрыхляется, и вероятность таких переходов возрастает. Таким образом, у молекул жидкости наряду с колебательными имеются и поступательные степени свободы, тогда как молекулы твердого тела обладают только колебательными степенями свободы. Поэтому теплоемкость жидкого состояния вещества несколько больше теплоемкости твердого, что хорошо видно из табл. 5.1.2.

Большая вязкость жидкостей по сравнению с газами объясняется наличием сильных взаимодействий между молекулами. Так как молекулы жидкости большую часть времени находятся около положений равновесия, то движущиеся слои жидкости увлекают соседние слои в основном за счет сил сцепления. С ростом температуры жидкость расширяется, увеличиваются расстояния между молекулами, вследствие этого уменьшаются силы притяжения между ними и, следовательно, уменьшается коэффициент вязкости. При этом с ростом температуры, как показывает опыт, вязкость жидкости быстро (экспоненциально) падает, а вязкость пара этой жидкости, как мы знаем, должна медленно ( ) расти и при критической температуре, когда различие между жидкостью и паром пропадают, они равны друг другу (рис. 68).

Р и с. 68

Теплопроводность жидкостей существенно больше, чем газов, в основном, за счет большей плотности. Передача энергии в процессе теплопроводности в жидкостях происходит, главным образом, при столкновении колеблющихся молекул, в то время как в газах передача энергии осуществляется при соударениях поступательно движущихся молекул.

Все приведенные экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что физические свойства жидкостей определяются силами взаимодействия между молекулами, а также характером их теплового движения. При этом вид этих сил взаимодействия существенным образом зависит от рода взаимодействующих молекул. Поэтому установление общих закономерностей для разных жидкостей, если это возможно принципиально, представляет значительно большие трудности, чем для газов.