Kasdieniame gyvenime nuolat susiduriame su trimis materijos būsenomis – skysta, dujine ir kieta. Turime gana aiškų supratimą apie tai, kas yra kietosios medžiagos ir dujos. Dujos yra molekulių, kurios atsitiktinai juda visomis kryptimis, rinkinys. Visos kieto kūno molekulės išlaiko savo tarpusavio išsidėstymą. Jie tik šiek tiek svyruoja.
Skystos medžiagos savybės
O kas yra skystos medžiagos? Pagrindinis jų bruožas yra tas, kad, užimdami tarpinę padėtį tarp kristalų ir dujų, jie sujungia tam tikras šių dviejų būsenų savybes. Pavyzdžiui, skysčiams, taip pat kietiems (kristaliniams) kūnams būdingas tūris. Tačiau tuo pačiu metu skystos medžiagos, kaip ir dujos, įgauna indo, kuriame jos yra, formą. Daugelis iš mūsų mano, kad jie neturi savo formos. Tačiau taip nėra. Natūrali bet kokio skysčio forma -kamuolys. Gravitacija paprastai neleidžia jam įgyti tokios formos, todėl skystis arba įgauna indo formą, arba plonai pasklinda paviršiumi.
Pagal savo savybes skysta medžiagos būsena yra ypač sudėtinga dėl jos tarpinės padėties. Ji pradėta tyrinėti nuo Archimedo laikų (prieš 2200 metų). Tačiau skystos medžiagos molekulių elgesio analizė vis dar yra viena sunkiausių taikomojo mokslo sričių. Vis dar nėra visuotinai priimtos ir visiškai pilnos skysčių teorijos. Tačiau apie jų elgesį galime pasakyti neabejotinai.
Molekulių elgesys skystyje
Skystis yra kažkas, kas gali tekėti. Trumpojo nuotolio tvarka stebima jo dalelių išsidėstymui. Tai reiškia, kad yra užsakyta arčiausiai jo esančių kaimynų vieta bet kurios dalelės atžvilgiu. Tačiau tolstant nuo kitų jos padėtis jų atžvilgiu tampa vis mažiau tvarkinga, o tada tvarka visai išnyksta. Skystos medžiagos yra sudarytos iš molekulių, kurios juda daug laisviau nei kietosiose medžiagose (ir dar laisviau dujose). Kiekvienas iš jų tam tikrą laiką skuba iš pradžių į vieną pusę, paskui į kitą, nenutoldamas nuo kaimynų. Tačiau skysčio molekulė kartas nuo karto išsiveržia iš aplinkos. Į naują vietą ji patenka persikeldama į kitą vietą. Čia vėl tam tikrą laiką ji daro svyruojančius judesius.
Y. I. Frenkelio indėlis į skysčių tyrimą
Aš. I. Frenkelis, sovietų mokslininkas, turi didelių nuopelnų kuriant daugybęproblemų tokia tema kaip skystos medžiagos. Dėl jo atradimų chemija labai pažengė į priekį. Jis tikėjo, kad šiluminis judėjimas skysčiuose turi tokį pobūdį. Tam tikrą laiką kiekviena molekulė svyruoja aplink pusiausvyros padėtį. Tačiau jis karts nuo karto keičia savo vietą, staigiai pereidamas į naują padėtį, kurią nuo ankstesnės skiria maždaug šios molekulės dydžio atstumas. Kitaip tariant, skysčio viduje molekulės juda, bet lėtai. Dalį laiko jie būna šalia tam tikrų vietų. Vadinasi, jų judėjimas yra panašus į judesių dujose ir kietame kūne mišinį. Svyravimai vienoje vietoje po kurio laiko pakeičiami laisvu perėjimu iš vienos vietos į kitą.
Slėgis skystyje
Kai kurios skystųjų medžiagų savybės mums žinomos dėl nuolatinės sąveikos su jomis. Taigi iš kasdienio gyvenimo patirties žinome, kad ji veikia su juo besiliečiančių kietų kūnų paviršių tam tikromis jėgomis. Jos vadinamos skysčio slėgio jėgomis.
Pavyzdžiui, atidarydami vandens čiaupą pirštu ir užsukdami vandenį, pajuntame, kaip jis spaudžia pirštą. O į didžiulę gelmę išniręs plaukikas neatsitiktinai pajunta skausmą ausyse. Tai paaiškinama tuo, kad ausies būgnelį veikia slėgio jėgos. Vanduo yra skysta medžiaga, todėl turi visas savo savybes. Norint išmatuoti vandens temperatūrą jūros gylyje, labai stipritermometrai, kad jų nesutraiškytų skysčio slėgis.
Šis slėgis atsiranda dėl suspaudimo, ty dėl skysčio tūrio pasikeitimo. Jis turi elastingumo šio pokyčio atžvilgiu. Slėgio jėgos yra elastingumo jėgos. Todėl, jei skystis veikia su juo besiliečiančius kūnus, jis suspaudžiamas. Kadangi suspaudimo metu medžiagos tankis didėja, galime manyti, kad skysčiai turi elastingumą tankio pokyčio atžvilgiu.
Išgaravimas
Tęsdami svarstymą apie skystos medžiagos savybes, pereiname prie garinimo. Prie jo paviršiaus, taip pat ir tiesiai paviršiniame sluoksnyje, veikia jėgos, užtikrinančios patį šio sluoksnio egzistavimą. Jie neleidžia jame esančioms molekulėms išeiti iš skysčio tūrio. Tačiau dėl šiluminio judėjimo kai kurie iš jų išvysto gana didelius greičius, kurių pagalba tampa įmanoma įveikti šias jėgas ir palikti skystį. Šį reiškinį vadiname garavimu. Jį galima stebėti esant bet kokiai oro temperatūrai, tačiau jai didėjant garavimo intensyvumas didėja.
Kondensacija
Jei molekulės, palikusios skystį, pašalinamos iš erdvės šalia jo paviršiaus, visa tai galiausiai išgaruoja. Jei jį palikusios molekulės nepašalinamos, jos sudaro garą. Garų molekulės, patekusios į sritį, esančią šalia skysčio paviršiaus, yra įtraukiamos į jį traukos jėgomis. Šis procesas vadinamas kondensacija.
Taigi,jei molekulės nepašalinamos, garavimo greitis laikui bėgant mažėja. Jei garų tankis toliau didėja, pasiekiama situacija, kai per tam tikrą laiką iš skysčio išeinančių molekulių skaičius bus lygus molekulių, grįžtančių į jį per tą patį laiką, skaičiui. Tai sukuria dinaminės pusiausvyros būseną. Jame esantys garai vadinami sočiaisiais. Jo slėgis ir tankis didėja didėjant temperatūrai. Kuo jis didesnis, tuo daugiau skysčio molekulių turi pakankamai energijos išgaruoti ir tuo didesnis turi būti garų tankis, kad kondensacija būtų lygi garavimui.
Virimas
Kai skystų medžiagų kaitinimo procese pasiekiama tokia temperatūra, kuriai esant sočiųjų garų slėgis yra toks pat kaip išorinės aplinkos, susidaro pusiausvyra tarp sočiųjų garų ir skysčio. Jei skystis skleidžia papildomą šilumos kiekį, atitinkama skysčio masė iš karto paverčiama garais. Šis procesas vadinamas virimu.
Virimas – tai intensyvus skysčio išgarinimas. Jis atsiranda ne tik iš paviršiaus, bet ir apima visą jo tūrį. Skysčio viduje atsiranda garų burbuliukai. Kad iš skysčio patektų į garus, molekulės turi įgyti energijos. Tai reikalinga norint įveikti patrauklias jėgas, kurios juos laiko skystyje.
Virimo temperatūra
Virimo temperatūra yra ta, kuriojeyra dviejų slėgių lygybė – išorinių ir sočiųjų garų. Jis didėja, kai slėgis didėja, ir mažėja, kai slėgis mažėja. Dėl to, kad slėgis skystyje kinta priklausomai nuo kolonėlės aukščio, virimas jame vyksta skirtingu lygiu, esant skirtingoms temperatūroms. Tik sotieji garai, kurie virimo metu yra virš skysčio paviršiaus, turi tam tikrą temperatūrą. Tai lemia tik išorinis slėgis. Tai mes turime omenyje, kai kalbame apie virimo temperatūrą. Jis skiriasi įvairiems skysčiams, kurie plačiai naudojami inžinerijoje, ypač distiliuojant naftos produktus.
Latentinė garavimo šiluma – tai šilumos kiekis, reikalingas izotermiškai apibrėžtam skysčio kiekiui paversti garais, jei išorinis slėgis yra toks pat kaip sočiųjų garų slėgis.
Skystų plėvelių savybės
Visi žinome, kaip gauti putų, ištirpinant muilą vandenyje. Tai ne kas kita, kaip daug burbuliukų, kuriuos riboja ploniausia skysčio plėvelė. Tačiau iš putojančio skysčio galima gauti ir atskirą plėvelę. Jo savybės yra labai įdomios. Šios plėvelės gali būti labai plonos: jų storis ploniausiose vietose neviršija šimtatūkstantosios milimetro dalies. Tačiau, nepaisant to, jie kartais yra labai stabilūs. Muilo plėvelė gali būti deformuojama ir tempiama, pro ją gali prasiskverbti vandens srovė jos nesuardant. Kaip paaiškinti tokį stabilumą? Kad atsirastų plėvelė, į gryną skystį reikia įpilti joje tirpstančių medžiagų. Bet ne bet koks, o toks,kurios žymiai sumažina paviršiaus įtempimą.
Skystos plėvelės gamtoje ir technologijose
Technologijoje ir gamtoje daugiausia susitinkame ne su atskiromis plėvelėmis, o su putplasčiu, kuris yra jų derinys. Jį dažnai galima pastebėti upeliuose, kur nedideli upeliai patenka į ramų vandenį. Vandens gebėjimas putoti šiuo atveju yra susijęs su organinių medžiagų buvimu jame, kurią išskiria augalų šaknys. Tai pavyzdys, kaip putoja natūralios skystos medžiagos. Bet kaip su technologija? Pavyzdžiui, statybos metu naudojamos specialios medžiagos, kurių akytoji struktūra primena putas. Jie lengvi, pigūs, pakankamai tvirti, prastai praleidžia garsą ir šilumą. Norint juos gauti, į specialius tirpalus dedama putojančių medžiagų.
Išvada
Taigi, sužinojome, kokios medžiagos yra skystos, išsiaiškinome, kad skystis yra tarpinė materijos būsena tarp dujinės ir kietos. Todėl jis turi abiems būdingų savybių. Skystieji kristalai, kurie šiandien plačiai naudojami technologijose ir pramonėje (pavyzdžiui, skystųjų kristalų ekranai), yra puikus šios materijos būsenos pavyzdys. Jie sujungia kietųjų medžiagų ir skysčių savybes. Sunku įsivaizduoti, kokias skystas medžiagas mokslas išras ateityje. Tačiau akivaizdu, kad šioje materijos būsenoje yra didelis potencialas, kurį galima panaudoti žmonijos labui.
Ypatingas susidomėjimas vykstančių fizinių ir cheminių procesų svarstymuskystoje būsenoje, dėl to, kad pats žmogus susideda iš 90% vandens, kuris yra labiausiai paplitęs skystis Žemėje. Būtent jame vyksta visi gyvybiniai procesai tiek augalų, tiek gyvūnų pasaulyje. Todėl mums visiems svarbu tirti skystą medžiagos būseną.
