Nestemäinen

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 8.6.2022 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 10 muokkausta .

Neste  - aine , joka on aggregoituneena nestemäisessä tilassa ja joka sijaitsee kiinteän ja kaasumaisen tilan välissä [1] .

Samanaikaisesti nesteen aggregaatiotila, kuten kiinteän kappaleen aggregaatiotila, on kondensoitunut, eli sellainen, jossa hiukkaset (atomit, molekyylit, ionit) ovat yhteydessä toisiinsa.

Nesteen pääominaisuus, joka erottaa sen muissa aggregaatiotiloissa olevista aineista, on kyky muuttaa muotoaan rajoittamattomasti tangentiaalisten mekaanisten jännitysten vaikutuksesta , jopa mielivaltaisen pieninä, samalla kun tilavuus käytännössä säilyy.

Yleistä tietoa

Nestemäistä tilaa pidetään tavallisesti kiinteän kappaleen ja kaasun välissä : kaasu ei säilytä tilavuutta tai muotoa, kun taas kiinteä aine säilyttää molemmat [2] .

Nestekappaleiden muoto voi määräytyä kokonaan tai osittain sen perusteella, että niiden pinta käyttäytyy elastisen kalvon tavoin. Joten vesi voi kerääntyä pisaroihin. Mutta neste pystyy virtaamaan myös sen liikkumattoman pinnan alla, mikä tarkoittaa myös muodon (nestekappaleen sisäosien) säilymistä.

Nesteen molekyyleillä ei ole tiettyä asemaa, mutta samalla niillä ei ole täydellistä liikkumisvapautta. Heidän välillään on vetovoima, joka on tarpeeksi vahva pitääkseen heidät lähellä.

Nestemäisessä tilassa oleva aine esiintyy tietyllä lämpötila - alueella , jonka alapuolella se siirtyy kiinteään tilaan ( tapahtuu kiteytyminen tai muuttuminen kiinteäksi amorfiseksi - lasiksi ), yläpuolella - kaasumaiseen tilaan (haihtumista tapahtuu). Tämän intervallin rajat riippuvat paineesta .

Nestemäisessä tilassa olevalla aineella on yleensä vain yksi muunnos (tärkeimmät poikkeukset ovat kvanttinesteet ja nestekiteet ). Siksi useimmissa tapauksissa neste ei ole vain aggregaatiotila, vaan myös termodynaaminen faasi (nestefaasi).

Kaikki nesteet jaetaan yleensä puhtaisiin nesteisiin ja seoksiin . Tietyt nesteiden seokset ovat erittäin tärkeitä elämälle: veri , merivesi ja muut. Nesteet voivat toimia liuottimina .

Nesteiden fysikaaliset ominaisuudet

Sujuvuus

Sujuvuus on nesteiden tärkein ominaisuus. Jos tasapainossa olevan nesteen osaan kohdistetaan ulkoinen voima , nestehiukkasten virtaus tapahtuu suuntaan, johon tämä voima kohdistetaan: neste virtaa. Siten epätasapainoisten ulkoisten voimien vaikutuksesta neste ei säilytä osien muotoa ja suhteellista järjestelyä, ja siksi se on sen astian muodon, jossa se sijaitsee.

Toisin kuin muovikiintoaineilla, nesteellä ei ole myötörajaa : riittää, että kohdistaa mielivaltaisen pieni ulkoinen voima, jotta neste virtaa.

Tilavuuden säilyminen

Yksi nesteen tunnusomaisista ominaisuuksista on, että sillä on tietty tilavuus . Neste on erittäin vaikea puristaa mekaanisesti, koska toisin kuin kaasu , molekyylien välillä on hyvin vähän vapaata tilaa. Astiaan suljettuun nesteeseen kohdistuva paine välittyy muuttumattomana jokaiseen tämän nesteen tilavuuspisteeseen ( Pascalin laki , pätee myös kaasuille). Tätä ominaisuutta sekä erittäin alhaista kokoonpuristuvuutta käytetään hydraulisissa koneissa.

Nesteiden tilavuus kasvaa (laajenee) tyypillisesti kuumennettaessa ja pienenee (supistuu) jäähdytettäessä. Poikkeuksia on kuitenkin, esimerkiksi vesi tiivistyy kuumennettaessa, normaalipaineessa ja lämpötiloissa 0 °C - noin 4 °C.

Viskositeetti

Lisäksi nesteille (kuten kaasuille) on ominaista viskositeetti . Se määritellään kyvyksi vastustaa yhden osan liikettä suhteessa toiseen - eli sisäisenä kitkana.

Kun nesteen vierekkäiset kerrokset liikkuvat suhteessa toisiinsa, syntyy väistämättä molekyylien törmäys lämpöliikkeen lisäksi . On voimia, jotka hidastavat määrättyä liikettä. Tässä tapauksessa järjestetyn liikkeen kineettinen energia muunnetaan lämpöenergiaksi - molekyylien kaoottisen liikkeen energiaksi.

Astiassa oleva neste, joka on asetettu liikkeelle ja jätetty itseensä, pysähtyy vähitellen, mutta sen lämpötila nousee.

Vapaa pinnanmuodostus ja pintajännitys

Tilavuuden säilymisen ansiosta neste pystyy muodostamaan vapaan pinnan. Tällainen pinta on tietyn aineen faasirajapinta : toisella puolella on nestefaasi, toisella - kaasumainen (höyry) ja mahdollisesti muita kaasuja, kuten ilmaa.

Jos saman aineen neste- ja kaasufaasit ovat kosketuksissa, syntyy voimia, jotka pyrkivät pienentämään rajapinta-alaa - pintajännitysvoimat. Rajapinta käyttäytyy kuin elastinen kalvo, joka pyrkii kutistumaan.

Pintajännitys voidaan selittää nestemolekyylien välisellä vetovoimalla. Jokainen molekyyli vetää puoleensa muita molekyylejä, pyrkii "ympäröimään" itsensä niillä ja siten poistumaan pinnalta. Vastaavasti pinnalla on taipumus pienentyä.

Siksi saippuakuplat ja -kuplat keittämisen aikana pyrkivät ottamaan pallomaisen muodon: tietyllä tilavuudella pallolla on vähimmäispinta. Jos vain pintajännitysvoimat vaikuttavat nesteeseen, se saa välttämättä pallomaisen muodon - esimerkiksi vesipisaroita painottomuudessa.

Pienet esineet, joiden tiheys on suurempi kuin nesteen tiheys, pystyvät "kellumaan" nesteen pinnalla, koska painovoima on pienempi kuin voima, joka estää pinta-alan kasvun. (Katso pintajännitys .)

Haihtuminen ja kondensaatio

Haihtuminen  on aineen asteittaista siirtymistä nesteestä kaasufaasiin (höyry).

Lämpöliikkeen aikana jotkut molekyylit poistuvat nesteestä sen pinnan läpi ja muuttuvat höyryksi. Samaan aikaan osa molekyyleistä siirtyy takaisin höyrystä nesteeseen. Jos nesteestä poistuu enemmän molekyylejä kuin tulee sisään, tapahtuu haihtumista.

Kondensaatio  on käänteinen prosessi, aineen siirtyminen kaasumaisesta tilasta nestemäiseen tilaan. Tässä tapauksessa enemmän molekyylejä siirtyy höyrystä nesteeseen kuin nesteen höyryyn.

Haihtuminen ja kondensaatio ovat epätasapainoprosesseja , ne tapahtuvat, kunnes paikallinen tasapaino on saavutettu (jos muodostuu), ja neste voi täysin haihtua tai joutua tasapainoon höyrynsä kanssa, kun niin monta molekyyliä poistuu nesteestä kuin palautuu.

Keitä

Kiehuminen  on höyrystymisprosessi nesteen sisällä. Riittävän korkeassa lämpötilassa höyrynpaine nousee korkeammaksi kuin paine nesteen sisällä ja sinne alkaa muodostua höyrykuplia, jotka (painovoiman vaikutuksesta) kelluvat ylös.

Kastelu

Kastuminen  on pintailmiö, joka tapahtuu, kun neste koskettaa kiinteää pintaa höyryn läsnä ollessa, eli kolmen faasin rajapinnalla.

Kastuminen luonnehtii nesteen "tarttumista" pintaan ja leviämistä sen päälle (tai päinvastoin hylkimistä ja leviämättömyyttä). Tapauksia on kolme: ei-kastuva, rajoitettu kostutus ja täydellinen kostutus.

Sekoitettavuus

Sekoittuvuus  on nesteiden kyky liueta toisiinsa. Esimerkki sekoittuvista nesteistä: vesi ja etyylialkoholi , esimerkki sekoittumattomista nesteistä: vesi ja nestemäinen öljy .

Diffuusio

Kun astiassa on kaksi sekoittuvaa nestettä, molekyylit alkavat lämpöliikkeen seurauksena vähitellen kulkea rajapinnan läpi ja siten nesteet vähitellen sekoittuvat. Tätä ilmiötä kutsutaan diffuusioksi (se esiintyy myös muissa aggregaatiotiloissa olevissa aineissa).

Ylikuumeneminen ja hypotermia

Neste voidaan kuumentaa kiehumispisteen yläpuolelle siten, että kiehumista ei tapahdu. Tämä vaatii tasaista lämmitystä ilman merkittäviä lämpötilaeroja tilavuuden sisällä ja ilman mekaanisia vaikutuksia, kuten tärinää. Jos jotain heitetään tulistettuun nesteeseen , se kiehuu välittömästi. Tulistettua vettä on helppo saada mikroaaltouunissa .

Alijäähdytys - nesteen jäähdytys jäätymispisteen alapuolelle muuttumatta kiinteäksi aggregaatioksi . Kuten tulistus, alijäähdytys vaatii tärinän puuttumista ja merkittäviä lämpötilanvaihteluita.

Tiheysaallot

Vaikka nestettä on erittäin vaikea puristaa, sen tilavuus ja tiheys muuttuvat paineen muuttuessa. Se ei tapahdu hetkessä; joten jos yksi osa pakataan, tällainen pakkaus välitetään viiveellä muihin osiin. Tämä tarkoittaa, että elastiset aallot , tarkemmin sanottuna tiheysaallot , pystyvät etenemään nesteen sisällä . Tiheyden mukana muuttavat myös muut fysikaaliset suureet, esimerkiksi lämpötila.

Jos aallon etenemisen aikana tiheys muuttuu melko heikosti, sellaista aaltoa kutsutaan ääniaaltoksi tai ääneksi .

Jos tiheys muuttuu tarpeeksi voimakkaasti, tällaista aaltoa kutsutaan shokkiaaltoksi . Iskuaaltoa kuvataan muilla yhtälöillä.

Tiheysaallot nesteessä ovat pitkittäisiä, eli tiheys muuttuu aallon etenemissuunnassa. Nesteessä ei ole poikittaisia ​​elastisia aaltoja, koska muoto ei säily.

Nesteessä olevat elastiset aallot vaimenevat ajan myötä, niiden energia muuttuu vähitellen lämpöenergiaksi. Vaimennuksen syyt ovat viskositeetti, " klassinen absorptio ", molekyylirelaksaatio ja muut. Tässä tapauksessa niin kutsuttu toinen tai bulkkiviskositeetti toimii - sisäinen kitka tiheyden muutoksella. Vaimennuksen seurauksena iskuaalto muuttuu jonkin ajan kuluttua ääniaalloksi.

Nesteessä olevat elastiset aallot ovat myös alttiita molekyylien satunnaisesta lämpöliikkeestä johtuvien epähomogeenisuuksien sirontalle.

Aallot pinnalla

Jos nestepinnan osa siirtyy tasapainoasennosta, pinta alkaa palautuvien voimien vaikutuksesta siirtyä takaisin tasapainoasentoon. Tämä liike ei kuitenkaan pysähdy, vaan muuttuu värähteleväksi liikkeeksi lähellä tasapainoasemaa ja leviää muille alueille. Näin aallot ilmestyvät nesteen pinnalle .

Jos palauttava voima on pääasiassa painovoima, niin tällaisia ​​aaltoja kutsutaan gravitaatioaaltoiksi (ei pidä sekoittaa painovoima-aaltoiksi ). Veden gravitaatioaaltoja voi nähdä kaikkialla.

Jos palautusvoima on pääasiassa pintajännitysvoima, niin tällaisia ​​aaltoja kutsutaan kapillaarisiksi .

Jos nämä voimat ovat vertailukelpoisia, tällaisia ​​aaltoja kutsutaan kapillaaripainovoima- aaltoiksi .

Nesteen pinnalla olevia aaltoja vaimentavat viskositeetti ja muut tekijät.

Rinnakkaiselo muiden vaiheiden kanssa

Muodollisesti ottaen nestefaasin tasapainoiseen rinnakkaiseloon saman aineen muiden faasien kanssa - kaasumaisen tai kiteisen - tarvitaan tiukasti määritellyt olosuhteet. Joten tietyssä paineessa tarvitaan tiukasti määritelty lämpötila. Siitä huolimatta luonnossa ja tekniikassa kaikkialla neste esiintyy höyryn kanssa tai myös kiinteässä aggregaatiotilassa - esimerkiksi vesi vesihöyryn ja usein jään kanssa (jos tarkastellaan höyryä erillisenä faasina, joka on läsnä ilman mukana). Tämä johtuu seuraavista syistä:

Teoria

Mekaniikka

Nesteiden ja kaasujen liikkeen ja mekaanisen tasapainon sekä niiden keskinäisen ja kiinteiden kappaleiden vuorovaikutuksen tutkiminen on mekaniikan osan, jota kutsutaan hydroaeromekaniikaksi (jota kutsutaan usein myös hydrodynamiikaksi), aiheena. Nestemekaniikka on osa yleisempää mekaniikan haaraa, jatkumomekaniikkaa .

Nestemekaniikka on nestemekaniikan haara, joka käsittelee kokoonpuristumattomia nesteitä. Koska nesteiden kokoonpuristuvuus on hyvin pieni, se voidaan monissa tapauksissa jättää huomiotta. Kaasudynamiikka on omistettu kokoonpuristuvien nesteiden ja kaasujen tutkimukselle .

Hydromekaniikka on jaettu hydrostatiikkaan , joka tutkii kokoonpuristumattomien nesteiden tasapainoa, ja hydrodynamiikkaan (kapeassa merkityksessä), joka tutkii niiden liikettä.

Sähköä johtavien ja magneettisten nesteiden liikettä tutkitaan magnetohydrodynamiikassa . Hydrauliikkaa käytetään sovellettavien ongelmien ratkaisemiseen .

Hydrostaattisen peruslaki on Pascalin laki .

Ihanteellisen kokoonpuristumattoman nesteen liikettä kuvaa Eulerin yhtälö . Tällaisen nesteen kiinteälle virtaukselle Bernoullin laki täyttyy . Nesteen ulosvirtaus rei'istä kuvataan Torricellin kaavalla .

Viskoosin nesteen liikettä kuvaa Navier-Stokes-yhtälö , jossa myös puristuvuus voidaan ottaa huomioon.

Joustavia värähtelyjä ja aaltoja nesteessä (ja muissa väliaineissa) tutkitaan akustiikassa . Hydroakustiikka  on akustiikan osa, joka tutkii ääntä todellisessa vesiympäristössä vedenalaista sijaintia , viestintää jne.

Molekyylikineettiset näkökohdat

Aineen kokonaistilan määräävät ulkoiset olosuhteet, pääasiassa paine ja lämpötila . Ominaiset parametrit ovat molekyylin keskimääräinen kineettinen energia ja molekyylien keskimääräinen vuorovaikutuksen energia (yhtä molekyyliä kohti) . Nesteiden osalta nämä energiat ovat suunnilleen yhtä suuret: kiinteillä aineilla vuorovaikutusenergia on paljon suurempi kuin kineettinen energia, kaasuilla paljon pienempi.

Nesteiden luokitus

Nesteen rakenne ja fysikaaliset ominaisuudet riippuvat niiden hiukkasten kemiallisesta identiteetistä ja niiden välisen vuorovaikutuksen luonteesta ja laajuudesta. Useita nesteiden ryhmiä voidaan erottaa lisääntyvän monimutkaisuuden järjestyksessä.

  1. Atominesteet tai atomien tai pallomaisten molekyylien nesteet, jotka ovat sitoutuneet van der Waalsin keskusvoimiin (nestemäinen argon , nestemäinen metaani ).
  2. Diatomisten molekyylien nesteet, jotka koostuvat identtisistä atomeista (nestemäinen vety ) tai ioneista (nestemäinen natrium , elohopea ), joissa hiukkaset ( ionit ) sitoutuvat pitkän kantaman Coulombin voimiin .
  3. Nesteet, jotka koostuvat polaarisista molekyyleistä, jotka ovat liittyneet toisiinsa dipoli-dipoli-vuorovaikutuksella (nestemäinen vetybromidi ).
  4. Liittyvät nesteet tai nesteet, joissa on vetysidoksia ( vesi , glyseriini ).
  5. Suurista molekyyleistä koostuvat nesteet, joille sisäiset vapausasteet ovat välttämättömiä .

Kahden ensimmäisen ryhmän (joskus kolme) nesteitä kutsutaan yleensä yksinkertaisiksi. Yksinkertaisia ​​nesteitä on tutkittu paremmin kuin muita, ei-yksinkertaisista nesteistä vesi on tutkittu parhaiten. Tämä luokitus ei sisällä kvanttinesteitä ja nestekiteitä , jotka ovat erikoistapauksia ja joita on tarkasteltava erikseen.

Nestedynamiikassa nesteet jaetaan newtonilaisiin ja ei-newtonilaisiin . Newtonin nesteen virtaus noudattaa Newtonin viskositeetin lakia , eli leikkausjännitys ja nopeusgradientti ovat lineaarisesti riippuvaisia . Näiden suureiden välinen suhteellinen kerroin tunnetaan viskositeetina [3] [4] [5] . Ei-newtonisessa nesteessä viskositeetti riippuu nopeusgradientista. [6] [7]

Tilastoteoria

Nesteiden rakennetta ja termodynaamisia ominaisuuksia tutkitaan parhaiten Percus-Yevickin yhtälön avulla .

Jos käytämme kiinteiden pallojen mallia, eli tarkastelemme nestemolekyylejä palloina, joiden halkaisija on , niin Percus-Yevickin yhtälö voidaan ratkaista analyyttisesti ja saadaan nesteen tilayhtälö:

missä  on hiukkasten lukumäärä tilavuusyksikköä kohti,  on mittaton tiheys. Pienillä tiheyksillä tästä yhtälöstä tulee ihanteellisen kaasun tilayhtälö : . Erittäin suurille tiheyksille saadaan kokoonpuristumattoman nesteen tilayhtälö: .

Kova pallomalli ei ota huomioon molekyylien välistä vetovoimaa, joten nesteen ja kaasun välillä ei ole terävää siirtymää ulkoisten olosuhteiden muuttuessa.

Jos halutaan saada tarkempia tuloksia, paras kuvaus nesteen rakenteesta ja ominaisuuksista saadaan käyttämällä häiriöteoriaa . Tässä tapauksessa kovapallomallia pidetään nollan approksimaationa, ja molekyylien välisiä vetovoimia pidetään häiriöinä ja ne antavat korjauksia.

Klusteriteoria

Yksi nykyajan teorioista on "klusteriteoria". Se perustuu ajatukseen, että neste esitetään kiinteän aineen ja kaasun yhdistelmänä. Tässä tapauksessa kiinteän faasin hiukkaset (lyhyitä matkoja liikkuvat kiteet) sijaitsevat kaasupilvessä muodostaen klusterirakenteen. Hiukkasenergia vastaa Boltzmann-jakaumaa , kun taas järjestelmän keskimääräinen energia pysyy vakiona (sen eristyksen ehdoissa). Hitaat hiukkaset törmäävät klustereihin ja tulevat osaksi niitä. Joten klusterien kokoonpano muuttuu jatkuvasti, järjestelmä on dynaamisen tasapainon tilassa . Ulkoista vaikutusta luodessaan järjestelmä käyttäytyy Le Chatelier -periaatteen mukaisesti . Näin ollen vaihemuunnos on helppo selittää:

Toisen näkemyksen mukaan [9] [10] klusteriteoria nesteestä aineena, joka on kondensoituneessa (sitoutuneessa) tilassa (tilavuuden säilyminen) eikä "kaasutiiviissä" häiriötilassa, on perustuu ajatukseen klustereista jäännöksenä sen jälkeen, kun ne ovat läpäisseet kvasikiteisten dynaamisten rakenteiden sulamispisteen, ja joissa on vakio (tietylle lämpötilalle) keskimääräinen murtuvien ja palautuvien klusterien ja klusterin sisäisten atomien välisten sidosten lukumäärä, mikä varmistaa tilavuuden säilymisen ja määrittää nesteen liikkuvuuden (fluiditeetin) ja kemiallisen aktiivisuuden. Lämpötilan noustessa atomien määrä klustereissa vähenee katkenneiden sidosten lisääntymisen vuoksi. Syntyvät vapaat atomit (molekyylit) haihtuvat nesteen pinnalta tai jäävät klusteritilaan liuenneena kaasuna (höyrynä). Kiehumispisteessä aine siirtyy yksiatomiseen (monomolekulaariseen) kaasumaiseen (höyry) tilaan.

Kokeelliset tutkimusmenetelmät

Nesteiden rakennetta tutkitaan röntgenrakenneanalyysillä , elektronidiffraktio- ja neutronidiffraktiomenetelmillä .

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Fluid - artikkeli Physical Encyclopediasta
  2. ↑ Teknisessä hydromekaniikassa kaasua kutsutaan joskus myös nesteeksi sanan laajassa merkityksessä; tässä tapauksessa nestettä sanan suppeassa merkityksessä kutsutaan pisaranesteeksi .
  3. ↑ "Fyysinen tietosanakirja". 5 osassa. M.: "Neuvostoliiton tietosanakirja", 1988
  4. ↑ Päätoimittaja A. M. Prokhorov. Newtonin neste // Fyysinen tietosanakirja. - M.: Neuvostoliiton tietosanakirja . – 1983.
  5. ↑ Newtonin neste - artikkeli Physical Encyclopediasta
  6. ↑ Wilkinson W. L., Ei-newtonilaiset nesteet, käänn. Englannista, M., 1964
  7. ↑ Astarita J., Marrucci J., Ei-newtonilaisten nesteiden hydromekaniikan perusteet, käänn. Englannista, M., 1978
  8. ↑ Andreev V.D. Valitut teoreettisen fysiikan ongelmat . - Kiova: Outpost-Prim,. – 2012.
  9. ↑ Andreev V. D. Timantin kovalenttisen hilan törmäys (törmäys)-konformaatiokinematiikka sulamisen aikana // Journal of Structural Chemistry . - 2001. - Nro 3 . - S. 486-495 .
  10. ↑ Andreev V. D. "Sulatustekijä" atomien välisissä vuorovaikutuksissa timanttihilassa // Kemiallinen fysiikka . - 2002. - Nro 8, v.21 . - S. 35-40 .

Kirjallisuus

Linkit

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Temaattiset sivustot
Sanakirjat ja tietosanakirjat