Жидкости
Жидкости — это вещества в состоянии, промежуточном между твердым и газообразным. Для них характерна большая подвижность частиц и малое свободное пространство между ними. Отсюда — два основных свойства жидкостей: в отличие от твердых тел они легко меняют форму, но, как и твердые тела, обладают весьма малой сжимаемостью.
Жидкое состояние промежуточное между газообразным и твердым по многим признакам. Вязкость жидкостей намного меньше вязкости твердых тел и намного больше вязкости газов. Расстояние между молекулами газа в несколько раз превышает размеры молекул; в жидкости молекулы размещаются вплотную друг к другу. Поэтому плотность жидкости на несколько порядков больше плотности газов (при нормальном давлении) и почти не отличается от плотности твердых тел; так, плотность металлов при плавлении меняется в среднем на 3%. По величине внутренней энергии жидкость обычно значительно ближе к твердому телу, чем к газу; теплота плавления, как правило, не превышает 10% от теплоты испарения. Теплоемкость жидкости вблизи температуры плавления также близка к теплоемкости твердого тела.
Однако форма жидкого тела, как и газа, определяется формой сосуда.
В отличие от кристаллов в жидкости нет дальнего порядка, а имеется только ближний. Это значит, что определенный порядок в расположении молекул имеется, но если в кристаллах этот порядок один и тот же во всех областях кристалла, то в жидкости он может быть в различных областях различным. Прямым следствием отсутствия дальнего порядка является то, что свойства жидкости по всем направлениям одинаковы; говорят, что она изотропна в отличие от кристалла, который анизотропен (греческие слова «изос» означают «равный», «одинаковый», «анизос» — «неравный», «тропос» — «направление»). Жидкости — это очень широкий класс веществ: от простых, которые действительно изотропны и в которых отсутствует дальний порядок, до сложных, полимерных, в которых есть элементы дальнего порядка и анизотропии.
Наиболее характерное молекулярное свойство жидкости — поверхностное натяжение. Оно обусловлено тем, что молекулы в поверхностном слое находятся в особом состоянии по сравнению с молекулами внутри жидкости. Последние равномерно окружены со все* сторон соседями, а молекулы на поверхности — нет. Поэтому равнодействующая сил сцепления стремится втянуть внутрь молекулы поверхностного слоя, и для увеличения поверхности, например для растягивания жидкой пленки, надо затрачивать работу на извлечение молекул изнутри на поверхность. Работа образования единицы поверхности называется поверхностным натяжением. Численно поверхностное натяжение равно силе, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность жидкости и стремящейся уменьшить эту поверхность. Под действием поверхностного натяжения жидкость принимает форму шара, обладающего при данном объеме наименьшей поверхностью. В знаменитом опыте Плато капля одной жидкости, помещенная в другую жидкость той же плотности, не смешивающуюся с первой, принимала сферическую форму. Такова же форма маленьких капелек ртути на стеклянной пластинке или капелек воды на покрытой парафином поверхности стекла. Ртуть не взаимодействует со стеклом, не смачивает его, а вода не смачивает парафин. Силы взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела вызывают растекание, например, капли воды по обезжиренному стеклу, сила тяжести сплющивает каплю, и тем сильнее, чем больше ее размеры. Подробно об этом можно прочитать в книге Я. Е. Гегузина «Капля» (М.: Наука, 1973).
Вязкость жидкости увеличивается с уменьшением температуры и скачком возрастает при кристаллизации. При переохлаждении жидкости ниже температуры плавления вязкость также сильно увеличивается, что замедляет кристаллизацию и способствует возникновению аморфного стеклообразного состояния. При нагревании жидкости обычно расширяются, за исключением воды (в интервале от 0 до 4°С).
Как показал нидерландский ученый Я. Вант-Гофф, молекулы растворенного вещества в жидком растворе ведут себя подобно газу в таком же объеме и оказывают специфическое давление, которое он назвал осмотическим. Осмотическоедавление впервые наблюдал в 1748 г. французский физик Нолле в известном опыте с полупроницаемой перегородкой из бычьего пузыря. Пузырь затягивал нижний конец сосуда А с раствором сахара в воде, погруженного в сосуд В с чистой водой. Молекулы воды могут проходить через пузырь, а значительно большие по размеру молекулы сахара — нет. В результате уровень раствора в сосуде А повышается, пока гидростатическое давление поднявшегося столба жидкости не окажется равным осмотическому давлению растворенного сахара.
Осмотическое давление велико и достигает в разбавленных растворах десятков тысяч атмосфер. Эффекты, связанные с осмотическим давлением, играют большую роль в природе (проникновение питательных веществ из почвы в растения, обмен веществ в живых организмах).
