Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой. Каждая молекула жидкости, также как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако, время от времени любая молекула может переместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах, и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей. Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком (рис. 1).

Рис. 2 иллюстрирует отличие газообразного вещества от жидкости на примере воды. Молекула воды H2O состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, расположенных под углом 104°. Среднее расстояние между молекулами пара в десятки раз превышает среднее расстояние между молекулами воды. В отличие от рис. 1, где молекулы воды изображены в виде шариков, рис. 2 даёт представление о структуре молекулы воды.

Вследствие плотной упаковки молекул сжимаемость жидкостей, то есть изменение объема при изменении давления, очень мала; она в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем в газах. Жидкости, как и твердые тела, изменяют свой объем при изменении температуры. Тепловое расширение воды имеет интересную и важную для жизни на Земле аномалию. При температуре ниже 4 °С вода расширяется при понижении температуры. Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С. При замерзании вода расширяется, поэтому лед остается плавать на поверхности замерзающего водоема. Температура замерзающей воды подо льдом равна 0 °С. В более плотных слоях воды у дна водоема температура оказывается порядка 4 °С. Благодаря этому может существовать жизнь в воде замерзающих водоемов. Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности . Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Молекулы в пограничном слое жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же жидкости не со всех сторон. Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимно скомпенсированы. Любая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости (силами, действующими на данную молекулу жидкости со стороны молекул газа (или пара) можно пренебречь). В результате появляется некоторая равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости. Коэффициент σ называется коэффициентом поверхностного натяжения (σ > 0). Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу. В СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м 2) или в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м 2). Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией . Потенциальная энергия E p поверхности жидкости пропорциональна ее площади:

E p = A внеш = σS.

Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения. Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (то есть от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости. Некоторые жидкости, как, например, мыльная вода, обладают способностью образовывать тонкие пленки. Всем хорошо известные мыльные пузыри имеют правильную сферическую форму – в этом тоже проявляется действие сил поверхностного натяжения. Если в мыльный раствор опустить проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна, то вся она затянется пленкой жидкости (рис. 3).

Силы поверхностного натяжения стремятся сократить поверхность пленки. Для равновесия подвижной стороны рамки к ней нужно приложить внешнюю силу ${\vec{F}}_{внеш}=-\vec{{F}_{н}}$. Если под действием силы ${\vec{F}}_{внеш}$ перекладина переместиться на Δx, то будет произведена работа ΔA внеш = F внеш Δx = ΔE p = σΔS, где ΔS = 2LΔx – приращение площади поверхности обеих сторон мыльной пленки. Так как модули сил ${\vec{F}}_{внеш}$ и $\vec{{F}_{н}}$ одинаковы, можно записать:

$$ {F}_{н}\Delta x=\sigma 2L\Delta x \: или \: \sigma =\frac{{F}_{н}}{2L}$$

Вблизи границы между жидкостью, твердым телом и газом форма свободной поверхности жидкости зависит от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела (взаимодействием с молекулами газа (или пара) можно пренебречь). Если эти силы больше сил взаимодействия между молекулами самой жидкости, то жидкость смачивает поверхность твердого тела. В этом случае жидкость подходит к поверхности твердого тела под некоторым острым углом θ, характерным для данной пары жидкость – твердое тело. Угол θ называется краевым углом. Если силы взаимодействия между молекулами жидкости превосходят силы их взаимодействия с молекулами твердого тела, то краевой угол θ оказывается тупым (рис. 4). В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность твердого тела. При полном смачивании θ = 0, при полном несмачивании θ = 180°.

Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра – капиллярах . Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, несмачивающие – опускаются. На рис. 5 изображена капиллярная трубка некоторого радиуса r, опущенная нижним концом в смачивающую жидкость плотности ρ. Верхний конец капилляра открыт. Подъем жидкости в капилляре продолжается до тех пор, пока сила тяжести действующая на столб жидкости в капилляре, не станет равной по модулю результирующей F н сил поверхностного натяжения, действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра: F т = F н, где F т = mg = ρhπr2g, F н = σ2πr cos θ. Отсюда следует:

$$ h=\frac{2\sigma \cos \theta }{\rho gr} $$

При полном смачивании θ = 0, cos θ = 1. В этом случае

$$ h=\frac{2\sigma }{\rho gr} $$

При полном несмачивании θ = 180°, cos θ = –1 и, следовательно, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр. Вода практически полностью смачивает чистую поверхность стекла. Наоборот, ртуть полностью не смачивает стеклянную поверхность. Поэтому уровень ртути в стеклянном капилляре опускается ниже уровня в сосуде.

Ответьте на вопросы:

1. Почему жидкость обладает свойством текучести?

2. Как зависит тепловое расширение жидкости от температуры?

3. За счет чего возникают силы поверхностного натяжения?

4. Почему капли дождя имеют форму шара?

5. Что такое капиллярное явление?

6. Почему жидкость поднимается по капилляру?

7. Когда жидкость поднимается по капилляру, а когда опускается?

Жидкости занимают промежуточное положение между газо­образными и твердыми веществами. При температурах, близких к температурам кипения, свойства жидкостей приближаются к свойствам газов; при температурах, близких к температурам плавления, свойства жидкостей приближаются к свойствам твер­дых веществ. Если для твердых веществ характерна строгая упо­рядоченность частиц, распространяющаяся на расстояния до со­тен тысяч межатомных или межмолекулярных радиусов, то в жидком веществе обычно бывает не более нескольких десятков упорядоченных частиц — объясняется это тем, что упорядоченность между частицами в разных местах жидкого вещества так же быстро возникает, как и вновь «размывается» тепловым колебанием частиц. Вместе с тем общая плотность упаковки частиц жидкого вещества мало отличается от твердого вещества — поэтому их плотность близка к плотности твердых тел, а сжимаемость очень мала. Например, чтобы уменьшить объем, занимаемый жидкой водой, на 1%, требуется приложить давление ~ в 200 атм, тогда как для такого же уменьшения объема газов требуется давление порядка 0,01 атм. Следовательно, сжимаемость жид­костей примерно и 200: 0,01 = 20000 раз меньше сжимаемости газов.

Выше отмечалось, что жидкости имеют определенный собственный объем и принимают форму сосуда, в котором находятся; эти их свойства значительно ближе к свойствам твердого, чем газообразного вещества. Большая близость жидкого состояния к твердому подтверждается также данными по стандартным энтальпиям испарения ∆Н° исп и стандартным энтальпиям плавления ∆Н° пл. Стандартной энтальпией испарения называют количество теплоты, необходимое для превращения 1 моль жидкости в пар при 1 атм (101,3 кПа). То же количество теплоты выделяется при конденсации 1 моль пара в жидкость при 1 атм. Количество теплоты, расходуемое на превращение 1 моль твердого тела в жидкость при 1 атм, называют стандартной энтальпией плавления (то же количество теплоты высвобождается при «замерзании» («отвердевании») 1 моль жидкости при 1 атм). Известно, что ∆Н° пл намного меньше соответствующих значений ∆Н° исп, что легко понять, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притя­жения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.

Ряд других важных свойств жидкостей больше напоминает свойства газов. Так, подобно газам жидкости могут течь — это их свойство называется текучестью . Сопротивляемость течению определяется вязкостью . На текучесть и вязкость влияют силы притяжения между молекулами жидкости, их относительная мо­лекулярная масса, а также целый ряд других факторов. Вязкость жидкостей ~ в 100 раз больше, чем у газов. Так же, как и газы, жидкости способны диффундировать, хотя и гораздо медленнее, поскольку частицы жидкости упакованы гораздо плотнее, чем частицы газа.

Одно из важнейших свойств именно жидкости — ее поверхностное натяжение (это свойство не присуще ни газам, ни твер­дым веществам). На молекулу, находящуюся в жидкости, со всех сторон равномерно действуют межмолекулярные силы. Однако на поверхности жидкости баланс этих сил нарушается, и вследст­вие этого «поверхностные» молекулы оказываются под действием некой результирующей силы, направленной внутрь жидкости. По этой причине поверхность жидкости оказывается в состоянии натяжения. Поверхностное натяжение — это минимальная сила, сдерживающая движение частиц жидкости в глубину жидкости и тем самым удерживающая поверхность жидкости от сокращения. Именно поверхностным натяжением объясняется «каплевидная» форма свободно падающих частиц жидкости.

Жидкостями называют вещества, находящиеся в жидком агрегатном состоянии при обычных условиях. По внешним признакам это состояние характеризуется наличием постоянного объема для данной порции жидкости, текучестью, способностью постепенно испаряться. Собственной формой жидкости является шар (капля), который образует жидкость под действием силы поверхностного натяжения. Это возможно при отсутствии силы тяжести. Капли образуются при свободном падении жидкости, а в пространстве космического корабля, в условиях невесомости, форму шара может принять значительный объем жидкости. В спокойном состоянии жидкость растекается но поверхности или заполняет объем любого сосуда. Среди неорганических веществ к жидкостям относятся вода, бром, ртуть, немногочисленные устойчивые безводные кислоты (серная, фтороводородная и др.). Очень много жидкостей среди органических соединений: углеводороды, спирты, кислоты и т.д. Практически во всех гомологических рядах органических соединений есть жидкости. При охлаждении в жидкое состояние переходят газы, а при нагревании - металлы, устойчивые соли, оксиды металлов.

Жидкости можно классифицировать по природе составляющих их частиц на атомные (сжиженные благородные газы), молекулярные (большинство обычных жидкостей), металлические (расплавленные металлы), ионные (расплавленные соли, оксиды металлов). Кроме индивидуальных веществ, в жидком состоянии находятся смеси жидкостей и растворы самых разнообразных веществ в жидкостях. Наибольшее практическое значение среди жидкостей имеет вода, что определяется ее уникальной ролью как биологического растворителя. В химии и прикладных областях жидкости наряду с газами наиболее важны как среда для проведения всевозможных процессов превращения веществ. Жидкости используются также для передачи тепла по трубам, в гидравлических устройствах - как рабочее тело, в качестве смазки движущихся деталей машин.

В жидком состоянии вещества частицы находятся на расстояниях, близких к сумме их вандерваальсовых радиусов. Потенциальная энергия молекул становится отрицательной по отношению к их энергии в газе. Для ее преодоления при переходе в газообразное состояние молекулам необходима кинетическая энергия, приблизительно равная потенциальной энергии. Поэтому вещество находится в жидком состоянии в таком температурном интервале, в котором средняя кинетическая энергия приблизительно равна потенциальной энергии взаимодействия или ниже нее, но не падает до нуля.

Среди молекул как газа, так и жидкости имеются как более быстрые, так и более медленные молекулы относительно средней скорости их движения. Быстрые молекулы преодолевают притяжение и переходят в газовую фазу при наличии свободного объема. При испарении за счет потери более быстрых молекул жидкость охлаждается. Над поверхностью жидкости в замкнутом объеме устанавливается определенное давление ее пара, зависящее от природы жидкости и от температуры. Зависимость выражается экспоненциальным уравнением

где е - основание натуральных логарифмов; R - универсальная газовая постоянная; ДЯ ИСП - молярная теплота испарения жидкости; Л - постоянная, зависящая от свойств жидкости.

Анализ уравнения показывает, что давление пара жидкости быстро возрастает с повышением температуры, так как температура находится в знаменателе отрицательного показателя степени. Уравнение (7.13) достаточно точно выполняется при условии, что температура значительно ниже критической температуры пара данного вещества.

При достижении температуры, при которой давление пара жидкости становится равным атмосферному давлению, жидкость закипает. При этом подразумевается, что над поверхностью жидкости находится воздух. Если же заключить жидкость в закрытый сосуд, например в цилиндр, с поршнем, производящим давление, равное атмосферному (101,3 кПа), то при нагревании жидкости до температуры кипения пар над жидкостью еще не образуется. При превышении температуры кипения появится пар, т.е. газовая фаза, и поршень начнет подниматься по мере подвода теплоты и увеличения объема пара (рис. 7.4).

Рис. 7.4.

Жидкости, кипящие при температуре ниже температуры кипения воды, обычно называют летучими. Из открытого сосуда они довольно быстро улетучиваются. При температуре кипения 20-22 °С вещество фактически оказывается пограничным между летучей жидкостью и легко сжижающимся газом. Примерами таких веществ являются ацетальдегид СН 3 СНО (? кип = 21°С) и фтороводород HF (? кип = 19,4°С).

Практически важными физическими характеристиками жидкостей, кроме температуры кипения, являются температура замерзания, цвет, плотность, коэффициент вязкости, показатель преломления. Для однородных сред, какими являются жидкости, показатель преломления легко измеряется и служит для идентификации жидкости. Некоторые константы жидкостей приведены в табл. 7.3.

Равновесие между жидкой, твердой и газообразной фазами данного вещества изображается в виде диаграммы состояния. На рис. 7.5 показана диаграмма состояния воды. Диаграмма состояния представляет собой график, на котором нанесены зависимости давления насыщенного пара от температуры для жидкой воды и льда (кривые ОА и ОВ) и зависимость температуры плавления воды от давления (кривая ОС). Наличие небольшого давления пара над льдом (кривая ОВ) означает, что лед может испаряться (сублимировать), если давление паров воды в воздухе меньше равновесного давления над льдом. Пунктир, продолжающий кривую ОА влево от точки О, соответствует давлению пара над переохлажденной водой. Это давление превышает давление пара над льдом при той же температуре. Поэтому переохлажденная вода неустойчива и может спонтанно превратиться в лед. Иногда в холодную погоду наблюдается явление выпадения дождя, капли которого превращаются в лед при ударе о твердую поверхность. На поверхности возникает ледяная корка. Следует отметить, что и другие жидкости могут находиться в неустойчивом переохлажденном состоянии.

Некоторые практически важные жидкости

Рис. 75.

Кривые делят диаграмму на три поля - воды, льда и пара. Каждая точка на диаграмме означает определенное состояние системы. Точки внутри полей соответствуют существованию воды только в одной из трех фаз. Например, при 60 °С и давлении 50 к11а вода существует только в жидком состоянии. Точки, лежащие на кривых ОА, ОВ и ОС, соответствуют равновесию между двумя фазами. Например, при температурах и давлениях вдоль кривой ОА в равновесии находятся вода и пар. Точка пересечения О трех кривых с координатами 0,61 кПа и 0,01 °С соответствует равновесию между тремя фазами воды - льдом, жидкой водой и ее паром. Это так называемая тройная точка воды . Указанная температура на 0,01 °С выше, чем нормальная температура замерзания воды 0 °С, относящаяся к давлению 101,3 кПа. Из этого следует вывод, что при повышении внешнего давления температура замерзания воды понижается. Приведем еще одну точку: при давлении 615 атм (6,23-10 4 кПа) температура замерзания воды понижается до -5 °С.

По способности смешиваться между собой жидкости резко отличаются от газов. В жидкостях, в противоположность газам, важную роль играет межмолекулярное взаимодействие. Поэтому смешиваются между собой в любых соотношениях лишь такие жидкости, которые достаточно близки по энергии межмолекулярного взаимодействия. Например, между молекулами воды не только действуют ваидерваальсовы силы, но и образуются водородные связи. Поэтому смешиваются с водой разные жидкости, молекулы которых также могут давать с водой водородные связи: фтороводо- род, многие кислородсодержащие кислоты, низшие члены гомологического ряда спиртов, ацетон и др. Жидкости, не образующие водородные связи или препятствующие образованию таких связей между молекулами воды, с водой не смешиваются, но могут в той или иной мере, т.е. ограниченно, растворяться. Так, спирты с радикалами, состоящими из четырех и более атомов углерода, ограниченно растворимы в воде, так как радикалы, оказываясь между молекулами воды, мешают образованию водородных связей и выталкиваются из объема воды.

Внутреннее строение жидкостей характеризуется как относительно свободным взаимным перемещением молекул, так и возникновением структуры, сближающей жидкость с твердым состоянием. Выше говорилось о том, что в кристаллах на упорядоченно расположенных атомах происходит рассеяние рентгеновских лучей. Максимумы интенсивности рассеивания возникают при определенных углах падения исходного луча на плоскости, образуемые атомами внутри кристалла. В жидкостях также происходит рассеяние рентгеновского излучения. При небольшом угле падения, соответствующем рассеянию на близко расположенных атомах, возникает максимум, указывающий па наличие упорядоченности в ближайшем окружении атома. Но при увеличении угла падения максимумы быстро затухают, что указывает на отсутствие закономерного расположения для удаленных атомов. Таким образом, про жидкости можно сказать, что в них обнаруживается ближний порядок, при отсутствии дальнего порядка.

Структурирование жидкостей обнаруживается при изучении различных физических свойств. Известно, например, что вода при охлаждении до 4°С уплотняется, а при дальнейшем охлаждении снова начинает расширяться. Это объясняется образованием более ажурной структуры, соответствующей направленности водородных связей между молекулами. После замерзания эти связи окончательно стабилизируются, что следует из уменьшения плотности льда.

Аморфные твердые вещества - это довольно интересная подгруппа хорошо известного твердого состояния. В обычном твердом объекте молекулы хорошо организованы и не особо имеют пространство для движения. Это дает твердому веществу высокую вязкость, что является мерой сопротивления текучести. Жидкости, с другой стороны, имеют неорганизованную молекулярную структуру, что позволяет им течь, растекаться, изменять форму и принимать форму сосуда, в котором они находятся. Аморфные твердые вещества находятся где-то между этими двумя состояниями. В процессе витрификации жидкости остывают и их вязкость увеличивается до момента, когда вещество уже не течет подобно жидкости, но его молекулы остаются неупорядоченными и не принимают кристаллическую структуру, как обычные твердые вещества.

Наиболее распространенным примером аморфного твердого вещества является стекло. В течение тысяч лет люди делали стекло из диоксида кремния. Когда стеклоделы охлаждают кремнезем из жидкого состояния, он на самом деле не затвердевает, когда опускается ниже точки плавления. Когда температура падает, вязкость растет, вещество кажется тверже. Однако его молекулы по-прежнему остаются неупорядоченными. И тогда стекло становится аморфным и твердым одновременно. Этот переходный процесс позволил ремесленникам создавать красивые и сюрреалистические стеклянные структуры.

Каково же функциональное различие между аморфными твердыми веществами и обычным твердым состоянием? В повседневной жизни оно не особо заметно. Стекло кажется совершенно твердым, пока вы не изучите его на молекулярном уровне. И миф о том, что стекло стекает с течением времени, не стоит ломаного гроша. Чаще всего этот миф подкрепляется доводами о том, что старое стекло в церквях кажется толще в нижнем части, но обусловлено это несовершенством стеклодувного процесса на момент создания этих стекол. Впрочем, изучать аморфные твердые вещества вроде стекла интересно с научной точки зрения для исследования фазовых переходов и молекулярной структуры.

Сверхкритические жидкости (флюиды)

Большинство фазовых переходов происходит при определенной температуре и давлении. Общеизвестно, что повышение температуры в конечном счете превращает жидкость в газ. Тем не менее когда давление увеличивается вместе с температурой, жидкость совершает прыжок в царство сверхкритических жидкостей, у которых есть свойства как газа, так и жидкости. К примеру, сверхкритические жидкости могут проходить через твердые тела как газ, но также могут выступать в качестве растворителя, как жидкость. Интересно, что сверхкритическую жидкость можно сделать больше похожей на газ или на жидкость, в зависимости от комбинации давления и температуры. Это позволило ученым найти множество применений для сверхкритических жидкостей.

Хотя сверхкритические жидкости не так распространены, как аморфные твердые вещества, вы, вероятно, взаимодействуете с ними так же часто, как со стеклом. Сверхкритический диоксид углерода любят пивоваренные компании за его способность выступать в качестве растворителя при взаимодействии с хмелем, а кофе-компании используют его для производства лучшего кофе без кофеина. Сверхкритические жидкости также использовались для более эффективного гидролиза и чтобы электростанции работали при более высоких температурах. В общем, вы, вероятно, используете побочные продукты сверхкритических жидкостей каждый день.

Вырожденный газ

Хотя аморфные твердые вещества хотя бы встречаются на планете Земля, вырожденное вещество встречается лишь в определенных типах звезд. Вырожденный газ существует, когда внешнее давление вещества определяется не температурой, как на Земле, а сложными квантовыми принципами, в частности принципом Паули. Из-за этого внешнее давление вырожденного вещества будет сохраняться, даже если температура вещества упадет до абсолютного нуля. Известны два основных типа вырожденного вещества: электронно-вырожденное и нейтронно-вырожденное вещество.

Электронно-вырожденное вещество существует в основном в белых карликах. Оно образуется в ядре звезды, когда масса вещества вокруг ядра пытается сжать электроны ядра до низшего энергетического состояния. Однако в соответствии с принципом Паули, две одинаковых частицы не могут быть в одном энергетическом состоянии. Таким образом, частицы «отталкивают» вещество вокруг ядра, создавая давление. Это возможно только если масса звезды меньше 1,44 массы Солнца. Когда звезда превышает этот предел (известный как предел Чандрасекара), она просто коллапсирует в нейтронную звезду или в черную дыру.

Когда звезда коллапсирует и становится нейтронной звездой, у нее больше нет электронно-вырожденного вещества, она состоит из нейтронно-вырожденного вещества. Поскольку нейтронная звезда тяжелая, электроны сливаются с протонами в ее ядре, образуя нейтроны. Свободные нейтроны (нейтроны не связаны в атомном ядре) имеют период полураспада в 10,3 минуты. Но в ядре нейтронной звезды масса звезды позволяет нейтронам существовать за пределами ядер, образуя нейтронно-вырожденное вещество.

Другие экзотические формы вырожденного вещества также могут существовать, в том числе и странная материя, которая может существовать в редкой форме звезд - кварковых звезд. Кварковые звезды - это стадия между нейтронной звездой и черной дырой, где кварки в ядре развязаны и образуют бульон из свободных кварков. Мы пока не наблюдали такой тип звезд, но физики допускают их существование.

Сверхтекучесть

Вернемся на Землю, чтобы обсудить сверхтекучие жидкости. Сверхтекучесть - это состояние вещества, которое существует у определенных изотопов гелия, рубидия и лития, охлажденных до почти абсолютного нуля. Это состояние похоже на конденсат Бозе — Эйнштейна (бозе-эйнштейновский конденсат, БЭК), за несколькими отличиями. Некоторые БЭК сверхтекучи, а некоторые сверхтекучие состояния являются БЭК, но не все они идентичны.

Жидкий гелий известен своей сверхтекучестью. Когда гелий охлажден до «точки лямбда» в -270 градусов по Цельсию, часть жидкости становится сверхтекучей. Если охладить большую часть веществ до определенной точки, притяжение между атомами превосходит тепловые вибрации в веществе, позволяя им образовать твердую структуру. Но атомы гелия взаимодействуют между собой так слабо, что могут оставаться жидкими при температуре почти абсолютного нуля. Получается, при такой температуре характеристики отдельных атомов перекрываются, порождая странные свойства сверхтекучести.

У сверхтекучих веществ нет внутренней вязкости. Сверхтекучие вещества, помещенные в пробирку, начинают ползти вверх по бокам пробирки, казалось бы, нарушая законы гравитации и поверхностного натяжения. Жидкий гелий легко утекает, поскольку может проскользнуть даже через микроскопические отверстия. Сверхтекучесть также обладает странными термодинамическими свойствами. В таком состоянии вещества обладают нулевой термодинамической энтропией и бесконечной теплопроводностью. Это означает, что два сверхтекучих вещества не могут быть термально различны. Если добавить в сверхтекучее вещество тепла, оно проведет его так быстро, что образуются тепловые волны, не свойственные для обычных жидкостей.

Конденсат Бозе — Эйнштейна

Конденсат Бозе — Эйнштейна - это, наверное, одна из самых известных непонятных форм материи. Во-первых, нам нужно понять, что такое бозоны и фермионы. Фермион - это частица с полуцелым спином (например, электрон) или композитная частица (вроде протона). Эти частицы подчиняются принципу Паули, который позволяет существовать электронно-вырожденной материи. Бозон, однако, обладает полным целым спином, и одно квантовое состояние могут занимать несколько бозонов. Бозоны включают любые частицы-переносчики силы (вроде фотонов), а также некоторые атомы, включая гелий-4 и другие газы. Элементы в этой категории известны как бозонные атомы.

Говоря о последнем состоянии вещества в этом списке, рассмотрим состояние, с которого все началось: кварк-глюонная плазма. В ранней Вселенной состояние материи существенно отличалось от классического. Для начала немного предыстории.

Кварки - это элементарные частицы, которые мы находим внутри адронов (например, протонов и нейтронов). Адроны состоят либо из трех кварков, либо из одного кварка и одного антикварка. Кварки имеют дробные заряды и скрепляются глюонами, которые являются частицами обмена сильного ядерного взаимодействия.

Мы не видим свободные кварки в природе, но сразу после Большого Взрыва в течение миллисекунды свободные кварки и глюоны существовали. В течение этого времени температура Вселенной была настолько высокой, что кварки и глюоны двигались почти со скоростью света. Во время этого периода Вселенная состояла целиком и полностью из этой горячей кварк-глюонной плазмы. Спустя другую долю секунды Вселенная остыла достаточно, чтобы образовались тяжелые частицы вроде адронов, а кварки начали взаимодействовать между собой и глюонами. С этого момента началось образование известной нам Вселенной, и адроны начали связываться с электронами, создавая примитивные атомы.

Уже в современной Вселенной ученые пытались воссоздать кварк-глюонную плазму в больших ускорителях частиц. В процессе этих экспериментов тяжелые частицы вроде адронов сталкивались друг с другом, создавая температуру, при которой кварки отделялись на короткое время. В процессе этих экспериментов мы узнали много нового о свойствах кварк-глюонной плазмы, в которой совершенно отсутствовало трение и которая была больше похожа на жидкость, чем обычная плазма. Эксперименты с экзотическим состоянием материи позволяют нам узнавать много нового о том, как и почему наша Вселенная образовалась такой, какой мы ее знаем.

По материалам listverse.com

Как известно, вещество в жидком состоянии сохраняет свой объем, но принимает форму сосуда, в котором оно находится. Выясним, как это объясняет молекулярно-кинетическая теория.

Сохранение объема у жидкости доказывает, что между ее молекулами действуют силы притяжения. Следовательно, расстояния между молекулами жидкости должны быть меньше радиуса молекулярного действия. Итак, если вокруг молекулы жидкости описать сферу молекулярного действия, то внутри этой сферы окажутся центры многих других молекул, которые будут взаимодействовать с нашей молекулой.

Эти силы взаимодействия удерживают молекулу жидкости около ее временного положения равновесия примерно в течение 10 -12 -10 -10 с, после чего она перескакивает в новое временное положение равновесия приблизительно на расстояние своего диаметра. Молекулы жидкости между перескоками совершают колебательное движение около временного положения равновесия. Время между двумя перескоками молекулы из одного положения в другое называется временем оседлой жизни . Это время зависит от вида жидкости и от температуры. При нагревании жидкости среднее время оседлой жизни молекул уменьшается.

В течение времени оседлой жизни (порядка 10 -11 с) большинство молекул жидкости удерживается в своих положениях равновесия, и лишь небольшая часть их успевает за это время перейти в новые положения равновесия. За более длительное время уже большинство молекул жидкости успеет переменить свое местоположение. Поэтому жидкость обладает текучестью и принимает форму сосуда, в котором она находится.

Так как молекулы жидкости расположены почти вплотную друг к другу, то, получив достаточно большую кинетическую энергию, они хотя и могут преодолеть притяжение своих ближайших соседей и выйти из сферы их действия, но попадут в сферу действия других молекул и окажутся в новом временном положении равновесия. Лишь находящиеся на свободной поверхности жидкости молекулы могут вылететь за пределы жидкости, чем и объясняется процесс ее испарения.

Итак, если в жидкости выделить очень малый объем, то в течение времени оседлой жизни в нем существует упорядоченное расположение молекул, подобное их расположению в кристаллической решетке твердого тела. Затем оно распадается, но возникает в другом месте. Таким образом, все пространство, занятое жидкостью, как бы состоит из множества зародышей кристаллов, которые, однако, неустойчивы, т. е. распадаются в одних местах, но снова возникают в других.

Итак, в небольшом объеме жидкости наблюдается упорядоченное расположение ее молекул, а в большом объеме оно оказывается хаотическим. В этом смысле говорят, что в жидкости существует ближний порядок в расположении молекул и отсутствует дальний порядок. Такое строение жидкости называют квазикристаллическим (кристаллоподобным). Отметим, что при достаточно сильном нагревании время оседлой жизни становится очень маленьким и ближний порядок в жидкости практически исчезает.

Жидкость может обнаруживать механические свойства, присущие твердому телу. Если время действия силы на жидкость мало, то жидкость проявляет упругие свойства. Например, при резком ударе палкой о поверхность воды палка может вылететь из руки или сломаться; камень можно бросить так, что он при ударе о поверхность воды отскакивает от нее, и лишь совершив несколько скачков, тонет в воде. Если же время воздействия на жидкость велико, то вместо упругости проявляется текучесть жидкости. Например, рука легко проникает внутрь воды.

При кратковременном действии силы на струю жидкости последняя обнаруживает хрупкость . Прочность жидкости на разрыв хотя и меньше, чем у твердых веществ, но мало уступает им по величине. Для воды она составляет 2,5*10 7 Па. Сжимаемость жидкости тоже очень мала, хотя она и больше, чем у этих же веществ в твердом состоянии. Например, при увеличении давления на 1 атм объем воды уменьшается на 50 миллионных долей.

Разрывы внутри жидкости, в которой нет посторонних веществ, например, воздуха, могут получаться только при интенсивном воздействии на жидкость, например, при вращении гребных винтов в воде, при распространении в жидкости ультразвуковых волн. Такого рода пустоты внутри жидкости долго существовать не могут и резко захлопываются, т. е. исчезают. Это явление называют кавитацией (от греческого «кавитас» - полость). Оно служит причиной быстрого износа гребных винтов.

Итак, у жидкостей имеется много свойств, общих со свойствами твердых тел. Однако, чем выше становится температура жидкости, тем больше ее свойства приближаются к свойствам плотных газов и сильнее отличаются от свойств твердых тел. Это означает, что жидкое состояние является промежуточным между твердым и газообразным состояниями вещества.

Отметим еще, что при переходе вещества из твердого состояния в жидкое происходит менее резкое изменение свойств, чем при переходе из жидкого в газообразное. Это означает, что, вообще говоря, свойства жидкого состояния вещества ближе к свойствам твердого состояния, чем к свойствам газообразного.