Katika nadharia ya kisasa ya kinetic ya molekuli ya jambo, hali mbalimbali za mkusanyiko wa dutu huhusishwa na viwango tofauti vya utaratibu katika mpangilio wa chembe zake. Hali ya gesi ina sifa ya utaratibu usiofaa kabisa, wa machafuko wa molekuli. Kinyume chake, katika kioo bora chembe hupangwa kwa utaratibu mkali unaoenea katika kioo kizima. Mpangilio sahihi wa chembe katika vitu vikali vya fuwele huthibitishwa kimajaribio na majaribio ya kueneza mionzi ya X kwa fuwele.
Majaribio haya yalifanya iwezekanavyo, kwa mfano, kuanzisha kwamba atomi katika idadi ya fuwele huunda kinachojulikana kama kimiani cha kioo cha ujazo (Mchoro 58, a). Atomi ziko kwenye maeneo ya kimiani vile kioo ziko katika umbali maalum sana kutoka atomi iliyochaguliwa kiholela (O - katika Mchoro 58). Lati ya kioo inayozingatiwa ina sifa ya ukweli kwamba kuna atomi 8 kwa umbali kutoka kwa atomi iliyochaguliwa, kwa umbali wa atomi, nk.
Usambazaji wa anga ulioonyeshwa wa atomi kwenye kimiani unaweza kuonyeshwa kwa michoro kwa kupanga umbali kwenye mhimili wa abscissa na kwenye mhimili wa kuratibu thamani sawa na idadi ya atomi iliyoko kwenye sentimita moja ya mraba ya uso wa duara na radius iliyoelezewa karibu na atomi ya O. iliyochaguliwa kama asili.
Grafu iliyojengwa kulingana na kanuni hii imeonyeshwa kwenye Mchoro 58, b.
Mchele. 58 Muundo wa kimiani cha kioo na utegemezi wa idadi ya atomi za jirani kwenye kimiani kwenye umbali ulioonyeshwa katika angstroms.
Njia ya X-ray inaruhusu, kulingana na matokeo ya majaribio, kuhesabu na kuunda grafu sawa kwa dutu zote zinazojifunza.
Utumiaji wa njia hii katika utafiti wa muundo wa vimiminiko rahisi zaidi (za atomiki) kwenye joto karibu na halijoto ya fuwele ilisababisha kuanzishwa kwa ukweli ambao ni muhimu sana kwa nadharia ya hali ya kioevu. Ilibadilika kuwa chini ya hali hizi, utaratibu katika mpangilio wa chembe za tabia ya kioo huhifadhiwa kwa kiasi kikubwa katika kioevu. Mifumo ya X-ray ya vimiminika vya atomiki hufanana na mifumo ya X-ray iliyopatikana kwa mango ya fuwele ya unga. Majaribio sawa yalifunua kwamba kwa kuongezeka kwa joto la utaratibu huu hupungua, mpangilio wa chembe za kioevu hukaribia tabia ya mpangilio wa chembe za gesi. Nadharia nyingi zimependekezwa kueleza matokeo ya majaribio haya. Kulingana na mmoja wao, kioevu kina fuwele ndogo ndogo zilizotenganishwa na filamu nyembamba za dutu katika hali ya amorphous, inayojulikana na mpangilio wa nasibu wa chembe. Fuwele ndogo ndogo ziliitwa mikoa ya cybotactic. Tofauti na fuwele halisi, mikoa ya cibotactic haijaainishwa kwa ukali;
mpito kwa urahisi katika maeneo ya mpangilio usio na utaratibu wa chembe. Kwa kuongeza, mikoa ya cibotactic sio ya kudumu; Uwepo wa mikoa ya mpangilio ulioamuru wa chembe husababisha ukweli kwamba kwa molekuli nyingi za kioevu, chembe zilizo karibu nao ziko kwa mpangilio fulani, tabia ya kioevu kilichopewa. Hata hivyo, kutokana na mwelekeo wa machafuko wa makundi ya kibinafsi ya cybotactic kuhusiana na kila mmoja, mpangilio ulioamuru wa molekuli huenea tu kwa majirani karibu na molekuli fulani.
Mchele. 59. Ulinganisho wa muundo wa kioo bora na kioevu.
Kwa umbali wa kipenyo cha molekuli tatu hadi nne, utaratibu hupungua kwa nguvu sana kwamba haina maana kuzungumza juu ya utaratibu sahihi katika mpangilio wa chembe za suala.
Sasa inakubaliwa kwa ujumla kuwa kioevu kina sifa ya utaratibu wa muda mfupi katika mpangilio wa chembe zake, tofauti na fuwele, ambazo zina sifa ya utaratibu wa muda mrefu.
Tofauti katika muundo wa dhabiti ya fuwele na kioevu imeonyeshwa schematically katika Mchoro 59. Upande wa kushoto katika takwimu ni muundo wa fuwele bora ya dhahania. Chembe zake za kimuundo popote kwenye fuwele huchukua nafasi iliyoainishwa madhubuti kuhusiana na kila mmoja. Walakini, katika vimiminika (katika mchoro ulio kulia), karibu na molekuli ya O iliyochaguliwa kiholela, molekuli za jirani zinaweza kuwa na mpangilio karibu sana na fuwele (mwelekeo na tofauti nayo (mwelekeo). Kwa hali yoyote, katika a. kioevu kuna mpangilio wa karibu wa "fuwele" wa molekuli za jirani ("utaratibu wa masafa mafupi") na ukiukaji wa utaratibu mkali katika mpangilio wa molekuli za masafa marefu (ukosefu wa "utaratibu wa masafa marefu").
Inapaswa pia kuzingatiwa kuwa katika takwimu inayozingatiwa idadi ya chembe zilizopangwa kwa utaratibu (Mchoro 59, a)
sawa na idadi ya chembe ambazo zimepangwa kwa utaratibu (Mchoro 59, b). Ulinganisho wa maeneo yanayolingana hutuhakikishia kwamba kwa mpangilio usio na utaratibu wa chembe za tabia ya kioevu, inachukua kiasi kikubwa zaidi kuliko kilichopangwa, cha fuwele.
Matokeo ya masomo ya diffraction ya X-ray ya vinywaji yanaweza pia kuelezewa kulingana na dhana ya muundo wa quasicrystalline wa kioevu. Ili kueleza hili, hebu tugeukie mpangilio wa atomi katika kioo bora. Ikiwa kiakili utachagua chembe yoyote kwenye fuwele kama hiyo na kujaribu kuamua ni uwezekano gani wa kukutana na atomi ya jirani kwa umbali kutoka kwa ile ya kwanza, basi kwa kukosekana kwa mwendo wa joto, uwezekano unaotaka utakuwa sawa na sifuri kwa umbali chini ya. umbali ambao ungekuwa sawa na umoja. Hii ina maana kwamba katika mwelekeo fulani, atomi ya jirani daima ingekutana kwa umbali sawa na ile ya awali.
Kwa umbali mkubwa lakini mdogo, uwezekano unaotaka ungekuwa sawa na sifuri, na kwa umbali hadi moja. Hali hii ingerudiwa katika kioo chote: uwezekano wa kukutana na atomi ungekuwa sawa na umoja kwa umbali wote ambao ni zidishio.
Mwendo wa joto wa vibrational wa atomi katika kioo husababisha ukweli kwamba uwezekano wa kukutana na atomi ya jirani hautakuwa sawa na sifuri pia kwa umbali tofauti kidogo kutoka ambayo inahesabiwa, na katika kesi nyingine - itafutwa. Kimchoro, mabadiliko ya uwezekano wa kukutana na atomi kulingana na umbali kati yake na atomi iliyochaguliwa kama sehemu ya marejeleo inaonyeshwa na mkunjo wa tabia (sehemu ya juu ya Mchoro 60).
Kipengele tofauti cha grafu ni uthabiti wa upana wa sehemu za curve zenye umbo la kengele. Ni uthabiti huu ambao unaonyesha uhifadhi wa utaratibu katika fuwele nzima.
Picha tofauti inazingatiwa kwenye kioevu (Mchoro 60, chini). Kimaadili, uwezekano wa kukutana na atomi kwa umbali wowote kutoka kwa chembe asili hubadilika, kama inavyofanya katika kioo. Walakini, katika kesi hii, sehemu ya kwanza tu ya umbo la kengele inaonyeshwa kama upeo wazi. Sehemu zinazofuata zenye umbo la kengele, zinazopanuka, zinaingiliana, ili upeo wa juu wa curve upotee haraka.
Kwa hivyo, mpangilio wa chembe karibu na kila mmoja katika kioevu unafanana na mpangilio wa chembe katika fuwele.
mwili imara Unapoondoka kwenye atomi ya awali, kuhusiana na ambayo hesabu inafanywa, nafasi ya chembe inakuwa zaidi na zaidi iliyoharibika. Uwezekano wa kukutana na chembe kwa umbali wowote unakuwa takriban sawa, kama ilivyo katika gesi.
Bila shaka, ongezeko la kutokuwa na uhakika katika eneo la atomi haifafanuliwa na ongezeko la amplitude ya vibrations zao za joto, lakini kwa usumbufu wa random katika mpangilio wa chembe za kioevu.
Inapaswa kusisitizwa kuwa kwa vinywaji, hata upeo wa kwanza kwenye curve ya uwezekano (Mchoro 60) haujatatuliwa kabisa, yaani, curve haina kugusa mhimili wa abscissa kwa haki ya kiwango cha juu.
Mchele. 60. Uwezekano wa usambazaji wa atomi katika kioo bora na katika kioevu
Kimwili, hii inamaanisha kuwa katika kioevu idadi ya chembe zilizo karibu na ile iliyopeanwa sio thabiti kabisa, kama kwenye fuwele.
Katika kioevu, ni sahihi zaidi kuzungumza tu juu ya uthabiti wa idadi ya wastani ya majirani wa karibu.
Matokeo ya tafiti za mgawanyiko wa X-ray ya maji ambayo tunayo sasa yanaweza kuelezewa kwa msingi wa dhana ya vikundi vya cibotactic na kwa msingi wa dhana ya muundo wa quasicrystalline wa kioevu. Ikumbukwe kwamba tofauti kati ya nadharia ya microcrystalline na quasicrystalline ya kioevu ni ndogo. Ikiwa tunasoma mpangilio wa wastani wa chembe za kioevu kwa muda mrefu zaidi au chini, basi nadharia zote mbili zitasababisha matokeo sawa.
Nadharia zote mbili zina ubaya kwamba, wakati wa kuelezea sifa sahihi za muundo wa kioevu, hazifanyi iwezekanavyo kuashiria sifa zake kwa kiasi.
Nadharia mbalimbali za "fuwele" za hali ya kioevu ni nadharia inayoitwa "shimo".
vimiminika. Kulingana na nadharia hii, kioevu ni kama fuwele ambayo idadi kubwa ya atomi huhamishwa kutoka kwa nafasi zao za asili za usawa. Wakati atomi inapohamishwa kutoka kwa nafasi yake ya usawa, aina ya nafasi huru inabaki, ambayo inaitwa "shimo."
Kulingana na nadharia, "mashimo" katika kioevu ni zaidi au chini ya nafasi zilizopanuliwa kati ya molekuli zinazojitokeza kwa hiari, kupanua, na kisha kupungua na kutoweka tena.
Equation ya hali katika nadharia ya "shimo" ya kioevu ina, kulingana na Ya I. Frenkel, fomu ifuatayo:
Hapa V ni kiasi cha molar ya kioevu kwenye joto, kiasi cha chini ambacho kioevu kinaweza kuchukua; nishati ya malezi ya shimo; Boltzmann mara kwa mara; Nambari ya Avogadro; kiasi cha chini cha shimo.
Kama ilivyosisitizwa mara kwa mara, joto linapoongezeka, kufanana kwa vimiminika na vitu vikali hupungua na kufanana kwao na gesi zinazolingana huongezeka. Kwa hivyo, haishangazi kwamba wakati wa kuelezea mali ya vinywaji, pamoja na mifano ya "fuwele" ya kioevu iliyojadiliwa hapo juu, nadharia ambazo kioevu kinafananishwa na gesi iliyokandamizwa sana zimeenea. Katika nadharia hizi, jukumu muhimu linachezwa na wazo la kiasi cha bure cha kioevu, ambayo ni ngumu kuamua kwa usahihi. Hivi sasa, njia zilizopo za kuhesabu kiasi cha bure cha kioevu ni takriban na, kama sheria, husababisha maadili ambayo yanatofautiana kutoka kwa kila mmoja.
Kati ya nadharia za kiasi cha bure, iliyokuzwa zaidi ni nadharia inayoitwa "seli" ya kioevu.
Kwa sababu ya ukweli kwamba molekuli za kioevu ziko karibu na kila mmoja, kila moja inaweza kuzingatiwa kuwa imefungwa kwenye seli, kuta zake ambazo zinaundwa na majirani zake wa karibu. Molekuli zinaweza kubadilisha mahali, ili molekuli iliyo katikati ya seli iliyochaguliwa kiakili inaweza, baada ya muda fulani, kuhamia kwenye seli iliyo karibu. Walakini, uhamaji wa chembe kama hizo hufanyika mara chache, na molekuli hutumia wakati mwingi ndani ya seli fulani.
Harakati ya molekuli kwenye seli hutokea kwenye uwanja wa nguvu unaoundwa na majirani zake wa karibu, idadi ambayo kwa vinywaji rahisi inachukuliwa kuwa 12.
Kwa kuwa nadharia hii inatumika kwa vimiminika kwenye joto la juu, wakati athari ya muundo wa dutu haiathiriki, uwanja wa nguvu ambao chembe husogea inaweza kuzingatiwa kuwa linganifu.
Kuchukua zaidi aina fulani ya utegemezi wa nishati inayoweza kutokea ya mwingiliano wa Masi kwenye umbali kati ya chembe na kufanya mawazo kadhaa ya kurahisisha, mtu anaweza kupata usemi wa nishati inayoweza kutokea ya chembe iliyo kwenye seli ya kitengo. Usemi huu kawaida hupewa fomu ifuatayo:
ambapo V ni ujazo wa seli ya duara kwa kila chembe, na viunga.
Equation ya hali ya kioevu katika kesi hii inaweza kuandikwa kwa fomu ifuatayo:
Hapa ni shinikizo, mara kwa mara ya Boltzmann na joto. Kwa kubadilisha thamani katika usemi wa mwisho, inawezekana kuhesabu sifa nyingi za kimwili na kemikali za vinywaji vya mtu binafsi. Kwa mfano, kwa kutumia nadharia ya seli ya vinywaji, inawezekana kuhesabu vigezo muhimu vya vitu mbalimbali rahisi. Thamani zilizohesabiwa za joto muhimu katika kesi ya gesi rahisi zaidi ziligeuka kuwa sawa kwa kiwango kamili cha hidrojeni 41 °, neon 47 °, nitrojeni 128 ° na argon 160 °, wakati maadili ya majaribio ni kwa mtiririko huo. 33 °, 44 °, 126 ° na 150 ° K. Katika iliyotolewa Katika mfano huu, makubaliano kati ya maadili yaliyohesabiwa kinadharia na maadili yaliyopatikana kwa majaribio ni ya kuridhisha kabisa.
Ikumbukwe, hata hivyo, kwamba usemi ulioandikwa hapo juu kwa shinikizo, kwa ukali, ni halali kwa gesi halisi, na si kwa kioevu, na kwa hiyo hakuna sababu ya kutarajia makubaliano mazuri sana kati ya nadharia na majaribio. Licha ya maoni haya, nadharia ya kiasi cha bure ina faida zake, kati ya ambayo tunapaswa kutambua unyenyekevu wa mifano ya kimwili inayotumiwa na uwezekano wa kulinganisha kwa kiasi cha nadharia na majaribio.
Nadharia ya seli hufanya iwezekane kuelezea kwa urahisi mali ya vinywaji na kuhesabu, kwa makadirio ya kwanza, baadhi ya sifa zao.
Kinadharia, nadharia ya takwimu ya maji ni kali zaidi. Katika nadharia hii, kiasi mbili za kimwili zina jukumu kubwa. Ya kwanza ya kiasi hiki inaitwa kazi ya usambazaji wa radnal, ya pili - uwezo wa kati ya molekuli. Radi
kipengele cha kukokotoa cha usambazaji huamua uwezekano wa kukutana na jozi ya chembe zilizochaguliwa kiholela katika kioevu kwa umbali fulani uliotolewa, ulio katika safu kutoka kwa uwezo wa kati wa molekuli huamua mwingiliano wa molekuli kioevu. Ujuzi wa idadi hizi mbili huruhusu mtu kuandika milinganyo ya kinadharia ya hali na nishati ya kioevu na kuelezea kwa kiasi sifa zake mbalimbali za kimwili na kemikali.
Chaguo za kukokotoa za usambazaji wa radial kwa idadi ya vimiminika vinaweza kubainishwa kwa majaribio kulingana na data ya uchanganuzi wa muundo wa X-ray. Hata hivyo, matatizo makubwa katika kubainisha na kukokotoa uwezo wa kati wa molekuli kwa vimiminika mahususi hutulazimisha kutatua milinganyo inayotokana takriban.
Hali hii hufanya iwe vigumu kulinganisha kwa kiasi nadharia ya takwimu ya vimiminika na majaribio. Hatupaswi kusahau, hata hivyo, kwamba nadharia hii inatabiri kwa usahihi mali nyingi za vinywaji na mifumo yao ya asili.
Ni uwezo wa kutabiri kwa usahihi mali mbalimbali za dutu ambayo ni moja ya faida za nadharia ya takwimu ya hali ya kioevu.
Katika siku zijazo, wakati usemi mkali wa kinadharia wa uwezo kati ya molekuli hupatikana na matatizo ya kikokotozi yanapotatuliwa, nadharia ya takwimu itafanya iwezekane kuelewa vyema vipengele vya hali ya kioevu ya jambo.
Muundo wa gesi, kioevu na yabisi.
Kanuni za msingi za nadharia ya kinetic ya Masi:
Dutu zote huundwa na molekuli, na molekuli zimeundwa na atomi,
atomi na molekuli ziko katika mwendo wa kudumu,
Kuna nguvu za kuvutia na kukataa kati ya molekuli.
KATIKA gesi molekuli hutembea kwa machafuko, umbali kati ya molekuli ni kubwa, nguvu za Masi ni ndogo, gesi inachukua kiasi kizima kilichotolewa kwake.
KATIKA vimiminika molekuli hupangwa kwa utaratibu tu kwa umbali mfupi, na kwa umbali mkubwa utaratibu (ulinganifu) wa mpangilio unakiukwa - "utaratibu wa masafa mafupi". Nguvu za mvuto wa molekuli huweka molekuli karibu pamoja. Mwendo wa molekuli ni "kuruka" kutoka nafasi moja thabiti hadi nyingine (kawaida ndani ya safu moja. Mwendo huu unaelezea umajimaji wa kioevu. Kioevu hakina umbo, lakini kina kiasi.
Solids ni vitu vinavyohifadhi sura yao, imegawanywa katika fuwele na amorphous. Mango ya fuwele miili ina kimiani ya kioo, katika nodi ambazo kunaweza kuwa na ioni, molekuli au atomi Zinazunguka kwa nafasi za usawa .. Lati za kioo zina muundo wa kawaida kwa kiasi kizima - "utaratibu wa masafa marefu" ya mpangilio.
Miili ya Amorphous kuhifadhi umbo lao, lakini usiwe na kimiani cha kioo na, kwa sababu hiyo, usiwe na kiwango cha kuyeyuka kilichotamkwa. Wanaitwa vimiminika vilivyogandishwa, kwani wao, kama vile vimiminiko, wana mpangilio wa "masafa mafupi" wa mpangilio wa Masi.
Nguvu za mwingiliano wa molekuli
Molekuli zote za dutu huingiliana kupitia nguvu za mvuto na kukataliwa. Ushahidi wa mwingiliano wa molekuli: hali ya wetting, upinzani dhidi ya compression na mvutano, chini compressibility ya yabisi na gesi, nk Sababu ya mwingiliano wa molekuli ni mwingiliano wa sumakuumeme ya chembe chaji katika dutu. Jinsi ya kuelezea hili? Atomi ina kiini chenye chaji chanya na ganda la elektroni lililo na chaji hasi. Chaji ya kiini ni sawa na malipo ya jumla ya elektroni zote, hivyo atomi kwa ujumla haina umeme. Molekuli inayojumuisha atomi moja au zaidi pia haina umeme. Wacha tuchunguze mwingiliano kati ya molekuli kwa kutumia mfano wa molekuli mbili zilizosimama. Nguvu za mvuto na sumakuumeme zinaweza kuwepo kati ya miili katika asili. Kwa kuwa wingi wa molekuli ni ndogo sana, nguvu zisizo na maana za mwingiliano wa mvuto kati ya molekuli zinaweza kupuuzwa. Katika umbali mkubwa sana pia hakuna mwingiliano wa sumakuumeme kati ya molekuli. Lakini, wakati umbali kati ya molekuli hupungua, molekuli huanza kujielekeza kwa njia ambayo pande zao zinakabiliwa na kila mmoja zitakuwa na malipo ya ishara tofauti (kwa ujumla, molekuli hubakia neutral), na nguvu za kuvutia hutokea kati ya molekuli. Kwa kupungua zaidi kwa umbali kati ya molekuli, nguvu za kuchukiza huibuka kama matokeo ya mwingiliano wa makombora ya elektroni yenye chaji hasi ya atomi za molekuli. Matokeo yake, molekuli inafanywa na jumla ya nguvu za kuvutia na kukataa. Kwa umbali mkubwa, nguvu ya kivutio inatawala (kwa umbali wa kipenyo cha 2-3 cha molekuli, kivutio ni cha juu), kwa umbali mfupi nguvu ya kukataa. Kuna umbali kati ya molekuli ambazo nguvu za kuvutia huwa sawa na nguvu za kukataa. Nafasi hii ya molekuli inaitwa nafasi ya usawa thabiti. Molekuli ziko umbali kutoka kwa kila mmoja na kuunganishwa na nguvu za sumakuumeme zina nishati inayowezekana. Katika nafasi ya usawa thabiti, nishati inayowezekana ya molekuli ni ndogo. Katika dutu, kila molekuli huingiliana kwa wakati mmoja na molekuli nyingi za jirani, ambayo pia huathiri thamani ya nishati ya chini kabisa ya molekuli. Kwa kuongeza, molekuli zote za dutu ziko katika mwendo unaoendelea, i.e. kuwa na nishati ya kinetic. Kwa hivyo, muundo wa dutu na mali zake (miili imara, kioevu na gesi) imedhamiriwa na uhusiano kati ya nishati ya chini ya mwingiliano wa molekuli na hifadhi ya nishati ya kinetic ya mwendo wa joto wa molekuli.
Muundo na mali ya miili imara, kioevu na gesi
Muundo wa miili unaelezewa na mwingiliano wa chembe za mwili na asili ya harakati zao za joto.
Imara
Mango yana sura ya mara kwa mara na kiasi na ni kivitendo incompressible. Nishati ya chini inayowezekana ya mwingiliano wa molekuli ni kubwa kuliko nishati ya kinetic ya molekuli. Mwingiliano wenye nguvu wa chembe. Mwendo wa joto wa molekuli katika imara huonyeshwa tu na vibrations ya chembe (atomi, molekuli) karibu na nafasi ya usawa imara.
Kwa sababu ya nguvu kubwa za kivutio, molekuli kivitendo haziwezi kubadilisha msimamo wao katika suala, hii inaelezea kutobadilika kwa kiasi na sura ya vitu vikali. Yabisi nyingi zina mpangilio wa chembe zilizopangwa kwa anga zinazounda kimiani ya kioo ya kawaida. Chembe za maada (atomi, molekuli, ioni) ziko kwenye vipeo - nodi za kimiani za kioo. Nodi za kimiani za kioo zinapatana na nafasi ya msawazo thabiti wa chembe. Mango kama hayo huitwa fuwele.
Kioevu
Vioevu vina kiasi fulani, lakini hawana sura yao wenyewe; Nishati ya chini inayowezekana ya mwingiliano kati ya molekuli inalinganishwa na nishati ya kinetic ya molekuli. Mwingiliano dhaifu wa chembe. Mwendo wa joto wa molekuli katika kioevu unaonyeshwa na vibrations karibu na msimamo wa usawa wa utulivu ndani ya kiasi kilichotolewa kwa molekuli na majirani zake. Molekuli haziwezi kusonga kwa uhuru katika kiasi kizima cha dutu, lakini mabadiliko ya molekuli hadi maeneo ya jirani yanawezekana. Hii inaelezea fluidity ya kioevu na uwezo wa kubadilisha sura yake.
Katika vinywaji, molekuli zimefungwa kwa nguvu kwa kila mmoja na nguvu za kivutio, ambayo inaelezea kutofautiana kwa kiasi cha kioevu. Katika kioevu, umbali kati ya molekuli ni takriban sawa na kipenyo cha molekuli. Wakati umbali kati ya molekuli hupungua (mgandamizo wa kioevu), nguvu za kukataa huongezeka kwa kasi, hivyo maji hayawezi kupunguzwa. Kwa upande wa muundo wao na asili ya harakati za joto, vinywaji huchukua nafasi ya kati kati ya vitu vikali na gesi. Ingawa tofauti kati ya kioevu na gesi ni kubwa zaidi kuliko kati ya kioevu na ngumu. Kwa mfano, wakati wa kuyeyuka au fuwele, kiasi cha mwili hubadilika mara nyingi chini kuliko wakati wa uvukizi au condensation.
Gesi hazina kiasi cha mara kwa mara na huchukua kiasi kizima cha chombo ambacho ziko. Nishati ya chini inayowezekana ya mwingiliano kati ya molekuli ni chini ya nishati ya kinetic ya molekuli. Chembe za jambo kivitendo haziingiliani. Gesi zina sifa ya usumbufu kamili katika mpangilio na harakati za molekuli.
Umbali kati ya molekuli za gesi ni mara nyingi zaidi kuliko ukubwa wa molekuli. Nguvu ndogo za kuvutia haziwezi kuweka molekuli karibu na kila mmoja, hivyo gesi zinaweza kupanua bila kikomo. Gesi zinasisitizwa kwa urahisi chini ya ushawishi wa shinikizo la nje, kwa sababu umbali kati ya molekuli ni kubwa, na nguvu za mwingiliano hazizingatiwi. Shinikizo la gesi kwenye kuta za chombo huundwa na athari za kusonga molekuli za gesi.
Kwa mujibu wa nadharia ya kinetic ya molekuli, miili yote inajumuisha molekuli. Michakato iliyosomwa katika mitambo ya maji na gesi ni matokeo ya hatua ya idadi kubwa ya molekuli. Kwa mfano, haina maana kuzungumza juu ya joto la molekuli moja. Wakati umbali kati ya molekuli ni kubwa mara nyingi kuliko saizi ya molekuli zenyewe, husogea kwa kujitegemea, na kama matokeo ya mgongano, kasi yao na mwelekeo wa harakati hubadilika kila wakati. Dutu kama hizo huitwa gesi. Wakati umbali kati ya molekuli inalingana na ukubwa wa molekuli, basi ushawishi wa pande zote wa molekuli kwa kila mmoja unakuwa muhimu. Molekuli hufanya harakati za oscillatory kuzunguka nafasi ya usawa kwa muda fulani, kisha huenda kwa ghafla kwenye nafasi mpya ya usawa (nadharia ya Ya.I. Frenkel). Kipengele hiki cha kimuundo kina msingi wa mali kama vile mnato na mvutano wa uso.
Katika mechanics, vinywaji na gesi hazijasomwa kutoka kwa mtazamo wa muundo wao wa molekuli. Kioevu na gesi huzingatiwa kama njia inayoendelea, isiyo na molekuli na nafasi za intermolecular.
Ili kutathmini uhalali wa kutumia modeli ya kuendelea kwa gesi, kigezo cha Knudsen kinatumika:
Wapi l- njia ya bure ya molekuli, m; L- ukubwa wa tabia ya mtiririko wa kioevu (gesi), m Kn < 0,01 гипотеза сплошности справедлива, при Kn> 0.01, mtiririko wa gesi adimu na nadharia ya mwendelezo haiwezi kutumika.
Dhana hii imethibitishwa na majaribio mengi. Kwa hivyo, ni busara kabisa kuzingatia hypothesis endelevu kama nadharia ya msingi ya mechanics ya maji na gesi.
Kioevu na gesi. Dhana ya mwendelezo.
Tabia kuu za kimwili za kioevu na gesi.
MUHADHARA WA 3
Somo la utafiti wa mitambo ya maji na gesi ni mwili wa kimwili ambao nafasi ya jamaa ya vipengele vyake hubadilika kwa kiasi kikubwa wakati nguvu ndogo za kutosha za mwelekeo unaofanana zinatumika. Kwa maneno mengine, mali kuu ya mwili wa kioevu (au kioevu tu) ni majimaji. Vimiminika vyote viwili vya matone (kioevu chenyewe, kama vile, kwa mfano, maji, petroli, mafuta ya kiufundi) na gesi (hewa, nitrojeni, hidrojeni, dioksidi kaboni) vina mali ya ugiligili. Tofauti kubwa katika tabia ya vinywaji na gesi, iliyoelezewa kutoka kwa mtazamo wa muundo wa Masi, itadhamiriwa na uwepo wa uso wa bure wa kioevu kinachopakana na gesi, uwepo wa mvutano wa uso, uwezekano wa awamu. mpito, nk.
Miili yote ya nyenzo, bila kujali hali yao ya mkusanyiko: dhabiti, kioevu au gesi, ina muundo wa ndani wa Masi (atomiki) na tabia ya joto ya ndani; hadubini harakati za molekuli. Kwa kuzingatia utegemezi wa uhusiano wa kiasi kati ya nishati ya kinetic ya mwendo wa molekuli na nishati ya uwezo wa mwingiliano wa nguvu za intermolecular, miundo mbalimbali ya molekuli na aina za mwendo wa ndani wa molekuli hutokea.
KATIKA yabisi ni ya umuhimu wa kwanza nishati ya mwingiliano wa molekuli molekuli, kwa sababu hiyo, chini ya ushawishi wa nguvu za kushikamana, molekuli hupangwa katika lati za kawaida za kioo na nafasi za usawa za usawa kwenye nodes za latiti hii. Mwendo wa joto katika kigumu ni mitetemo ya molekuli zinazohusiana na nodi za kimiani zenye mzunguko wa mpangilio wa 10 12 Hz na amplitude sawia na umbali kati ya nodi za kimiani.
Tofauti na mwili imara, katika gesi hakuna nguvu za kushikamana kati ya molekuli. Molekuli za gesi hufanya harakati za nasibu, na mwingiliano wao hupunguzwa tu kwa migongano. Katika vipindi kati ya migongano, mwingiliano kati ya molekuli unaweza kupuuzwa, ambayo inalingana na udogo wa nishati inayoweza kutokea ya mwingiliano wa nguvu wa molekuli ikilinganishwa na nishati ya kinetic ya mwendo wao wa machafuko. Umbali wa wastani kati ya migongano miwili mfululizo ya molekuli huamua urefu wa njia ya bure. Kasi ya wastani ya mwendo wa joto wa molekuli inalinganishwa na kasi ya uenezi wa usumbufu mdogo (kasi ya sauti) katika hali fulani ya gesi.
Miili ya kioevu katika muundo wao wa Masi na harakati ya mafuta ya molekuli huchukua hali ya kati kati ya miili imara na ya gesi. Kulingana na maoni yaliyopo karibu na baadhi, kati, molekuli zimeunganishwa na molekuli za jirani, hufanya vibrations ndogo na mzunguko karibu na mzunguko wa vibrations ya molekuli katika kimiani ya imara na amplitude ya utaratibu wa umbali wa wastani kati ya molekuli. Molekuli ya kati ama (kioevu kikiwa kimepumzika) inabaki bila kusonga au kuhamia kwa kasi ambayo kwa thamani na mwelekeo inalingana na kasi ya wastani ya harakati ya macroscopic ya kioevu. Katika kioevu, nishati inayowezekana ya mwingiliano wa molekuli kulinganishwa kwa mpangilio na nishati ya kinetic ya mwendo wao wa joto. Ushahidi wa kuwepo kwa mitetemo ya molekuli katika vimiminika ni "mwendo wa Kikahawia" wa chembe ndogo zaidi zilizo ngumu zinazoletwa kwenye kioevu. Mitetemo ya chembe hizi huzingatiwa kwa urahisi kwenye uwanja wa darubini na inaweza kuzingatiwa kama matokeo ya mgongano wa chembe ngumu na molekuli za kioevu. Uwepo wa mwingiliano wa intermolecular katika vinywaji huamua kuwepo kwa mvutano wa uso wa kioevu kwenye kiolesura chake na chombo kingine chochote, ambacho kinailazimisha kuchukua fomu ambayo uso wake ni mdogo. Kiasi kidogo cha kioevu kawaida huwa na umbo la tone la duara. Kwa sababu ya hili, maji katika majimaji huitwa dripu.
Ikumbukwe kwamba mpaka kati ya solids na liquids si mara zote hufafanuliwa wazi. Kwa hivyo, wakati nguvu kubwa zinatumiwa kwa kioevu cha droplet (kwa mfano, mkondo wa kioevu), kwa muda mfupi wa kuingiliana, mwisho hupata mali karibu na mali ya brittle imara. Jet ya kioevu kwenye shinikizo la juu mbele ya shimo ina mali karibu na yale ya mwili imara. Kwa hiyo, kwa shinikizo zaidi ya 10 8 Pa, ndege ya maji hupunguza sahani ya chuma; kwa shinikizo la karibu 5 · 10 7 Pa hukata granite, kwa shinikizo la 1.5 · 10 7 - 2 · 10 7 Pa huharibu makaa ya mawe. Shinikizo (1.5 - 2) 10 6 Pa inatosha kuharibu udongo mbalimbali.
Chini ya hali fulani, kunaweza pia kuwa hakuna mpaka kati ya miili ya kioevu na gesi. Gesi hujaza kiasi chote kilichotolewa kwao; wiani wao unaweza kutofautiana sana kulingana na nguvu zinazotumiwa. Vioevu, kujaza chombo kwa kiasi kikubwa zaidi kuliko kiasi cha kioevu, huunda uso wa bure - interface kati ya kioevu na gesi. Chini ya hali ya kawaida, kiasi cha kioevu kinategemea kidogo juu ya nguvu zinazotumiwa kwake. Karibu na hali mbaya, tofauti kati ya kioevu na gesi inakuwa vigumu kuonekana. Hivi karibuni, dhana ya hali ya maji imeonekana, wakati chembe za kioevu zilizo na vipimo vya nanometers kadhaa zimechanganywa sawasawa na mvuke wao. Katika kesi hii, hakuna tofauti ya kuona kati ya kioevu na mvuke.
Mvuke hutofautiana na gesi kwa kuwa hali yake wakati wa harakati iko karibu na hali ya kueneza. Kwa sababu hii, inaweza, chini ya hali fulani, kupunguza sehemu na kuunda kati ya awamu mbili. Kwa upanuzi wa haraka, mchakato wa condensation umechelewa, na kisha, wakati supercooling fulani inapofikiwa, hutokea kama maporomoko ya theluji. Katika kesi hiyo, sheria za mtiririko wa mvuke zinaweza kutofautiana kwa kiasi kikubwa na sheria za mtiririko wa kioevu na gesi.
Sifa ya vitu vikali, vimiminika na gesi imedhamiriwa na miundo yao tofauti ya Masi . Wakati huo huo, hypothesis kuu ya mechanics ya maji na gesi ni hypothesis ya kati inayoendelea, kulingana na ambayo giligili inawakilishwa kama dutu inayosambazwa kila wakati (inaendelea), kujaza nafasi bila voids.
Kutokana na vifungo dhaifu kati ya molekuli ya kioevu na gesi (ndiyo sababu ni maji), nguvu iliyojilimbikizia haiwezi kutumika kwenye nyuso zao, lakini tu mzigo uliosambazwa. Harakati iliyoelekezwa ya kioevu inaundwa na harakati ya idadi kubwa ya molekuli zinazosonga kwa nasibu katika pande zote zinazohusiana na kila mmoja. Katika mitambo ya vinywaji na gesi, ambayo inasoma mwendo wao ulioelekezwa, usambazaji wa sifa zote za kioevu katika nafasi inayozingatiwa inachukuliwa kuwa ya kuendelea. Muundo wa molekuli huzingatiwa tu wakati wa kuelezea sifa za kimwili za kioevu au gesi hisabati, ambayo ni nini kilichofanyika wakati wa kuzingatia michakato ya usafiri katika gesi.
Mfano wa kati inayoendelea ni muhimu sana katika kusoma mwendo wake, kwani inaruhusu matumizi ya vifaa vya hisabati vilivyotengenezwa vizuri vya kazi zinazoendelea.
Kwa kiasi kikubwa, mipaka ya utumiaji wa vifaa vya hisabati vya mechanics ya kuendelea kwa gesi imeanzishwa na thamani ya kigezo cha Knudsen - uwiano wa njia ya bure ya molekuli za gesi. l kwa saizi ya mtiririko wa tabia L
Katika kesi Kn< 0.01, basi mtiririko wa gesi unaweza kuzingatiwa kama mtiririko wa kati unaoendelea. Wakati chombo kigumu kinapita karibu na uso thabiti, molekuli zake hushikamana nayo (dhahania ya kushikilia ya Prandtl) na, kuhusiana na hili, kasi ya kioevu kwenye uso wa vitu vikali huwa sawa na kasi ya uso huu, na hali ya joto. ya kioevu kwenye ukuta ni sawa na joto la ukuta.
Katika kesi Kn> 0.01, basi harakati ya gesi adimu inazingatiwa kwa kutumia vifaa vya hisabati vya nadharia ya kinetiki ya Masi.
Katika uhandisi wa mitambo, hypothesis inayoendelea haiwezi kutimizwa wakati wa kuhesabu mtiririko wa kioevu au gesi katika mapungufu nyembamba. Molekuli zina vipimo vya utaratibu wa 10 -10 m; katika mapengo ya mpangilio wa 10 -9 m, tabia ya nanoteknolojia, upotovu mkubwa wa data iliyohesabiwa iliyopatikana kwa kutumia mienendo ya kawaida ya mienendo ya maji inaweza kuzingatiwa.
Tabia za kimwili za kioevu.
Njia ya Uchambuzi wa Dimensional
Utangulizi
Sehemu ya maelezo ya mihadhara iliyowasilishwa hapa ni ya kwanza, kuanzia ambayo kozi kuu ya majimaji imefunuliwa kwa mtiririko. Uwasilishaji wa kozi ya hydraulics katika fomu hii inashughulikiwa kimsingi kwa wanafunzi wa wakati wote, lakini kwa marekebisho kadhaa inaweza kutumika kama kitabu kikuu cha wanafunzi wa jioni, wa muda na wa muda.
Sehemu hii, kama zingine zote, ina sehemu mbili - kuu na za ziada. Sehemu kuu ni ya lazima kwa kila mtu, na sehemu ya ziada (kawaida ngumu zaidi) inasomwa kwa pendekezo la mwalimu.
Sehemu ya kwanza ya sehemu hii ya maelezo ya mihadhara inaelezea sifa za kimsingi za kimiminika na gesi, zinazojulikana kutoka kwa kozi ya fizikia. Kuzingatia mali ya kimwili ya vinywaji na gesi hufanyika kutoka kwa mtazamo wa uhandisi kuhusiana na matukio ya majimaji; Isipokuwa ni uwasilishaji wa mali ya uso wa vinywaji (mvuto wa uso, capillarity). Michakato ya thermodynamic katika gesi haizingatiwi; hii inafanywa katika sehemu husika ya kozi ("Gesi Dynamics").
Sehemu ya pili imejitolea kwa misingi ya njia ya uchambuzi wa dimensional kama inavyotumika kwa shida za majimaji. Kwa maoni yetu, kila mhandisi anapaswa kuwa na wazo la uchambuzi wa hali, kwani njia hii ni ya ulimwengu wote. Upekee wake ni kwamba inatumika kwa mafanikio zaidi, bora asili ya matukio inaeleweka; Katika suala hili, wakati wa kuzingatia mifano na shida, umakini maalum ulilipwa kwa maana ya mwili - kwa hivyo inafaa kutazama mifano na shida tena.
Ili kujifunza jinsi ya kutumia njia ya uchambuzi wa dimensional, inahitajika kutatua shida nyingi iwezekanavyo kwa msaada wake na kuchambua mifano, kwa hivyo sehemu ya pili ina mifano na shida (kiasi cha chini, muhimu zaidi cha nyenzo za kinadharia). imetolewa). Mifano, kama sheria, huwasilishwa kwa undani, na kazi ni mafupi zaidi, ingawa maelezo yanatolewa kwa kila mmoja wao. Inashauriwa kutatua matatizo yote kwa kujitegemea, na kisha kulinganisha ufumbuzi unaosababishwa na uliotolewa katika maandishi. Matatizo kadhaa hayajatatuliwa kabisa - baadhi yao hayajatatuliwa kwa jadi kwa kutumia njia ya uchambuzi wa dimensional (nyundo ya majimaji), wakati mengine bado hayajatatuliwa kabisa (washout kwenye vifaa vya daraja). Mwandishi anatarajia kwamba kwa idadi kubwa ya matatizo kutatuliwa kwa kutumia njia ya uchambuzi wa dimensional, wingi utageuka kuwa ubora wa ujuzi wa njia hii ya ulimwengu wote.
Tabia za kimwili za kioevu na gesi
1. Kitu cha kujifunza
Kioevu (au gesi) ni mwili wa kimwili ambao chembe zake zina uhamaji mkubwa sana kuhusiana na kila mmoja.
Katika siku zijazo, usawa na harakati za vinywaji na gesi, husababishwa tu na sababu za nje (mvuto, shinikizo la nje, nk), hujifunza.
2. Muundo wa kimwili wa vinywaji na gesi
Mwili wowote ni idadi kubwa ya molekuli zinazosonga na kuingiliana na kila mmoja. Inaonekana asili kabisa kwamba wakati mwingiliano wa molekuli na kila mmoja ni dhaifu, molekuli zinapaswa kuunda gesi; vinginevyo, wakati mwingiliano ni nguvu, ni mwili imara katika kesi ya kati, ni kioevu. Kuamua mwingiliano dhaifu na wenye nguvu, nishati ya mwingiliano wa molekuli lazima ilinganishwe na nishati yao ya kinetic. Kutoka kwa nadharia ya kinetic ya Masi inajulikana kuwa wastani wa nishati ya kinetic ya mwendo wa machafuko wa molekuli. E moja kwa moja kuhusiana na joto T mifumo:
E = 2/3kT,
Wapi k- mara kwa mara; T- joto kabisa.
Kioevu katika muundo wa molekuli huchukua nafasi ya kati kati ya vitu vikali na gesi. Inaaminika kuwa molekuli za kioevu ziko kwa wingi kama molekuli za vitu vikali. Ili kuthibitisha ukweli huu, hebu tukumbuke kwamba wakati waliohifadhiwa, maji hugeuka kuwa dutu imara - barafu, wiani ambao ni chini ya maji. Kulingana na kielelezo kilichorahisishwa, lakini kinachoonekana kuwa sahihi kimaelezo, mienendo ya joto ya molekuli za kioevu inawakilisha mitetemo isiyo ya kawaida kuhusiana na vituo fulani; Vipengele vile vya muundo wa kimwili ni sababu za mali maalum, kwa mfano, fluidity.
Fluidity ni uwezo wa kioevu kubadilisha sura yake bila kuvunja katika sehemu, chini ya ushawishi wa hata nguvu ndogo, hasa, kuchukua sura ya chombo ambacho iko.
Maji yanayoendelea kutoka kwa mtazamo wa mali ya mitambo imegawanywa katika madarasa mawili: chini-compressible (droplet) na compressible (gesi). Kutoka kwa mtazamo wa fizikia, kioevu cha droplet ni tofauti sana na gesi; Kwa upande wa mechanics ya maji, tofauti kati yao sio kubwa sana. Mara nyingi, sheria ambazo ni halali kwa maji ya droplet pia zinaweza kutumika kwa gesi katika hali ambapo ukandamizaji wao hauwezi kuzingatiwa (kwa mfano, wakati wa kuhesabu ducts za uingizaji hewa). Kwa sababu ya kukosekana kwa neno maalum ambalo lingemaanisha kioevu kwa maana pana ya neno, katika kile kinachofuata tutatumia maneno "kioevu cha matone", "gesi" na "kioevu", tukitumia mwisho kwa maana pana, kufunika. zote mbili majimaji ya matone na gesi (t Hiyo ni, kwa kioevu tunamaanisha chombo chochote ambacho kina sifa ya maji). Vimiminiko vya matone vina viwango vilivyofafanuliwa vizuri, saizi yake ambayo haibadilika chini ya ushawishi wa nguvu. Mali ya kawaida ya kioevu ni isotropy yake, i.e. mali zinazofanana kwa pande zote: conductivity sawa ya mafuta, mali ya mitambo, kasi ya uenezi wa mawimbi mbalimbali, nk.
Gesi, kuchukua nafasi yote iliyotolewa kwao, inaweza kubadilisha kiasi kikubwa, kukandamiza na kupanua chini ya ushawishi wa nguvu; hasa, wanaweza kuwepo tu chini ya shinikizo. Kwa kukosekana kwa shinikizo, gesi ingepanuka bila kikomo; Kwa hiyo, ni muhimu kudhani kuwa chini ya hali ya kawaida shinikizo ndani ya gesi ni tofauti na sifuri.
