وفقًا للنظرية الحركية الجزيئية ، تتكون جميع الأجسام من جزيئات. العمليات التي تمت دراستها في ميكانيكا الموائع والغاز هي نتيجة عمل عدد هائل من الجزيئات. على سبيل المثال ، ليس من المنطقي التحدث عن درجة حرارة جزيء واحد. عندما تكون المسافة بين الجزيئات أكبر بعدة مرات من حجم الجزيئات نفسها ، فإنها تتحرك بشكل مستقل عن بعضها البعض ، نتيجة للتصادم ، تتغير سرعتها واتجاه حركتها باستمرار. تسمى هذه المواد بالغازات. عندما تتناسب المسافة بين الجزيئات مع حجم الجزيئات ، فإن التأثير المتبادل للجزيئات على بعضها البعض يصبح مهمًا. تتأرجح الجزيئات لبعض الوقت حول وضع التوازن ، ثم تقفز في قفزة إلى وضع توازن جديد (نظرية YI Frenkel). تكمن ميزة الهيكل هذه وراء خصائص مثل اللزوجة والتوتر السطحي.
في الميكانيكا ، لا يتم دراسة السائل والغاز من وجهة نظر تركيبتهما الجزيئية. يعتبر السائل والغاز وسيطًا مستمرًا (سلسلة متصلة) ، خاليًا من الجزيئات والمسافات بين الجزيئات.
لتقييم صحة تطبيق نموذج الاستمرارية للغاز ، يتم استخدام معيار كنودسن:
أين لهو متوسط المسار الحر للجزيئات ، م ؛ إلهو الحجم المميز لتدفق السائل (الغاز) ، م. كن < 0,01 гипотеза сплошности справедлива, при كن> 0.01 تدفق الغازات المتخلخلة ولا يمكن تطبيق فرضية الاستمرارية.
تم تأكيد هذه الفرضية من خلال العديد من التجارب. لذلك ، من المعقول تمامًا اعتبار فرضية الاستمرارية باعتبارها النظرية الرئيسية لميكانيكا السوائل والغاز.
سائلمادة في حالة وسيطة بين الصلبة والغازية. هذه حالة تجمع لمادة تكون فيها الجزيئات (أو الذرات) مترابطة لدرجة أنها تسمح لها بالاحتفاظ بحجمها ، ولكن ليس بقوة كافية للاحتفاظ بشكلها.
خواص السوائل.
تغير السوائل شكلها بسهولة ، لكنها تحتفظ بحجمها. في ظل الظروف العادية ، يأخذون شكل السفينة التي يتواجدون فيها.
يسمى سطح السائل الذي لا يتلامس مع جدران الوعاء حر سطح. يتشكل نتيجة تأثير الجاذبية على جزيئات السائل.
هيكل السوائل.
يتم تفسير خصائص السوائل من خلال حقيقة أن الفجوات بين جزيئاتها صغيرة: جزيئات السوائل معبأة بإحكام بحيث تكون المسافة بين كل جزيئين أقل من حجم الجزيئات. قدم العالم السوفيتي Ya. I. Frenkel شرحًا لسلوك السوائل على أساس طبيعة الحركة الجزيئية للسائل. يتكون مما يلي. يتأرجح الجزيء السائل حول موضع التوازن المؤقت ، ويصطدم بجزيئات أخرى من أقرب بيئة. من وقت لآخر ، تمكنت من القيام "بقفزة" لتترك جيرانها من البيئة المباشرة وتستمر في التأرجح بين الجيران الآخرين. إن وقت الحياة المستقرة لجزيء الماء ، أي وقت التذبذب حول موضع توازن واحد في درجة حرارة الغرفة ، هو في المتوسط 10-11 ثانية. وقت التذبذب أقل بكثير - 10-12-10-13.
نظرًا لأن المسافات بين جزيئات السائل صغيرة ، فإن محاولة تقليل حجم السائل تؤدي إلى تشوه الجزيئات ، وتبدأ في صد بعضها البعض ، مما يفسر انخفاض انضغاط السائل. يتم تفسير سيولة السائل من خلال حقيقة أن "قفزات" الجزيئات من موضع ثابت إلى آخر تحدث في جميع الاتجاهات بنفس التردد. لا تغير القوة الخارجية بشكل ملحوظ عدد "القفزات" في الثانية ، إنها تحدد فقط اتجاهها السائد ، وهو ما يفسر سيولة السائل وحقيقة أنه يأخذ شكل وعاء.
في النظرية الحركية الجزيئية الحديثة للمادة ، ترتبط حالات التجميع المختلفة للمادة بدرجة مختلفة من الترتيب في ترتيب جسيماتها. تتميز الحالة الغازية بترتيب عشوائي تمامًا للجزيئات. في المقابل ، في البلورة المثالية ، يتم ترتيب الجسيمات بترتيب صارم يمتد إلى البلورة بأكملها. الترتيب الصحيح للجسيمات في البلورات المواد الصلبةتم تأكيد الفأس تجريبياً عن طريق تجارب على تشتت الأشعة السينية بواسطة البلورات.
أتاحت هذه التجارب ، على سبيل المثال ، إثبات أن الذرات في عدد من البلورات تشكل ما يسمى بالشبكة البلورية المكعبة المركزية (الشكل 58 أ). تقع الذرات الموجودة في عقد مثل هذه الشبكة البلورية على مسافات محددة جيدًا من ذرة تم اختيارها عشوائيًا (O - في الشكل 58). تتميز الشبكة البلورية المدروسة بحقيقة وجود 8 ذرات على مسافة من الذرة المختارة ، وعلى مسافة من الذرات ، إلخ.
يمكن تصوير التوزيع المكاني المحدد للذرات في الشبكة بشكل بياني من خلال رسم المسافات على محور الإحداثي وعلى المحور الإحداثي - وهي قيمة مساوية لعدد الذرات الموجودة على سنتيمتر مربع واحد من سطح كروي بنصف قطر محدد حول يا ذرة ، اختيرت كأصل.
يظهر الرسم البياني الذي تم إنشاؤه وفقًا لهذا المبدأ في الشكل 58 ، ب.
أرز. 58 بنية الشبكة البلورية واعتماد عدد الذرات المجاورة في الشبكة على المسافة ، معبرًا عنها في الأنجستروم.
تسمح طريقة التصوير الشعاعي ، بناءً على نتائج التجارب ، بحساب وبناء رسوم بيانية متشابهة لجميع المواد قيد الدراسة.
أدى تطبيق هذه الطريقة في دراسة بنية أبسط السوائل (الذرية) عند درجات حرارة قريبة من درجة حرارة تبلورها إلى إنشاء حقيقة مهمة للغاية بالنسبة للنظرية. الحالة السائلة. اتضح أنه في ظل هذه الظروف ، فإن الترتيب في ترتيب الجزيئات ، والذي يميز البلورة ، يتم حفظه إلى حد كبير في السائل. تشبه أنماط الأشعة السينية للسوائل الذرية أنماط الأشعة السينية التي تم الحصول عليها للأجسام البلورية المسحوقة. وجد من خلال تجارب مماثلة أنه مع زيادة درجة الحرارة ينخفض هذا الترتيب ، يقترب ترتيب الجسيمات السائلة من خاصية الترتيب لجزيئات الغاز. تم اقتراح العديد من النظريات لشرح نتائج هذه التجارب. وفقًا لأحدهم ، يتكون السائل من بلورات دون مجهرية مفصولة بأغشية رقيقة من المادة في حالة غير متبلورة ، تتميز بترتيب عشوائي للجسيمات. تسمى البلورات تحت المجهرية مناطق التوضيع الصفراوي. على عكس البلورات الحقيقية ، لم يتم تحديد المناطق التكافلية بشكل حاد ، هم
الانتقال بسلاسة إلى مناطق الترتيب غير المنتظم للجسيمات. بالإضافة إلى ذلك ، فإن مناطق التوضيع العصبي غير مستقرة ، يتم تدميرها باستمرار وتعاود الظهور. يؤدي وجود مناطق من الترتيب المنظم للجسيمات إلى حقيقة أنه بالنسبة لمعظم جزيئات السائل ، يتم ترتيب الجسيمات المجاورة لها بترتيب معين خاص بسائل معين. ومع ذلك ، نظرًا للتوجه الفوضوي للمجموعات التكافلية الفردية فيما يتعلق ببعضها البعض ، فإن الترتيب المنظم للجزيئات يمتد فقط إلى الجيران الأقرب إلى جزيء معين.
أرز. 59. مقارنة بين هيكل بلوري مثالي والسائل.
على مسافة ثلاثة أو أربعة أقطار جزيئية ، يتناقص الترتيب كثيرًا بحيث لا معنى للحديث عن الترتيب الصحيح في ترتيب جسيمات المادة.
في الوقت الحاضر ، من المقبول عمومًا أن السائل يتميز بترتيب قصير المدى في ترتيب جسيماته ، على عكس البلورات ، التي تتميز بترتيب بعيد المدى.
يظهر الاختلاف في بنية الجسم البلوري والسائل بشكل تخطيطي في الشكل 59. يظهر هيكل بلورة افتراضية مثالية على اليسار في الشكل. تحتل جزيئاتها الهيكلية في أي مكان من البلورة موقعًا محددًا بدقة بالنسبة لبعضها البعض. ومع ذلك ، في السوائل (على اليمين في الشكل) ، بالقرب من جزيء O المختار عشوائيًا ، يمكن أن يكون للجزيئات المجاورة ترتيب إما قريب جدًا من البلورية (الاتجاه أو مختلف عنه (الاتجاه). لوحظ ترتيب "بلوري" تقريبًا للجزيئات المجاورة في الجزيئات السائلة ("ترتيب قصير المدى") وانتهاك الترتيب الصارم في ترتيب الجزيئات بعيدة المدى (عدم وجود "ترتيب بعيد المدى").
وتجدر الإشارة أيضًا إلى أنه في الشكل قيد النظر ، عدد الجسيمات المرتبة بطريقة منظمة (الشكل 59 ، أ)
نفس الشيء مع عدد الجسيمات التي يتم ترتيبها عشوائيًا (الشكل 59 ، ب). تقنعنا المقارنة بين المناطق المقابلة أنه مع الترتيب غير المنتظم للجسيمات المميزة للسائل ، فإنه يحتل حجمًا أكبر من الحجم البلوري المرتب.
يمكن أيضًا تفسير نتائج دراسات حيود الأشعة السينية للسوائل على أساس مفهوم التركيب شبه البلوري للسائل. لشرح ذلك ، دعونا ننتقل إلى ترتيب الذرات في بلورة مثالية. إذا اخترنا عقليًا أي ذرة في مثل هذه البلورة وحاولنا تحديد احتمال لقاء ذرة مجاورة على مسافة من الأولى ، فعند عدم وجود حركة حرارية ، فإن الاحتمال المرغوب فيه سيكون مساويًا للصفر عند مسافات أصغر من المسافة التي تصبح عندها مساوية للوحدة. هذا يعني أنه في اتجاه معين ، ستلتقي الذرة المجاورة دائمًا على نفس المسافة من الذرة الأصلية.
على مسافات أكبر ولكن أصغر ، يكون الاحتمال المطلوب مساويًا للصفر مرة أخرى وعلى مسافة واحد. سيتكرر هذا الموقف في جميع أنحاء البلورة: فإن احتمال لقاء الذرة سيكون مساويًا للوحدة لجميع المسافات التي تكون مضاعفات
تؤدي الحركة الاهتزازية الحرارية للذرات في بلورة إلى حقيقة أن احتمالية الالتقاء بذرة مجاورة لن تكون مساوية للصفر أيضًا على مسافات مختلفة قليلاً عن - ستزال. بيانيا ، فإن التغير في احتمال لقاء الذرة ، اعتمادا على المسافة بينها وبين الذرة المختارة كنقطة مرجعية ، يصور من خلال منحنى مميز (الجزء العلوي من الشكل 60).
السمة المميزة للرسم البياني هي ثبات عرض المقاطع الفردية للمنحنى على شكل جرس. وهذا الثبات هو الذي يشير إلى الحفاظ على النظام في جميع أنحاء البلورة.
في السائل ، لوحظت صورة مختلفة (الشكل 60 أدناه). من الناحية النوعية ، يتغير احتمال الالتقاء بذرة على مسافة ما من الذرة الأصلية بنفس الطريقة التي تحدث بها في البلورة. ومع ذلك ، في هذه الحالة ، يتم التعبير فقط عن القسم الأول على شكل جرس من المنحنى كحد أقصى واضح. المقاطع اللاحقة على شكل جرس ، متوسعة ، متداخلة ، بحيث تختفي الحدود القصوى على المنحنى بسرعة نسبيًا.
وهكذا ، فإن ترتيب الجسيمات القريبة من بعضها البعض في سائل يشبه ترتيب الجسيمات في بلوري
جسم صلب. مع المسافة من الذرة الأولية ، بالنسبة إلى الحساب الذي تم إجراءه ، يصبح موضع الجسيمات مضطربًا أكثر فأكثر. يصبح احتمال لقاء الجسيم على أي مسافة هو نفسه تقريبًا ، كما هو الحال في الغازات.
بطبيعة الحال ، فإن الزيادة في عدم اليقين في موقع الذرات لا تفسر بزيادة اتساع اهتزازاتها الحرارية ، ولكن من خلال الاضطرابات العشوائية في ترتيب الجسيمات السائلة.
يجب التأكيد على أنه بالنسبة للسوائل ، حتى الحد الأقصى الأول على منحنى الاحتمال (الشكل 60) لم يتم حله بالكامل ، أي أن المنحنى لا يلمس محور الإحداثيات على يمين الحد الأقصى.
أرز. 60. التوزيع المحتمل للذرات في بلورة مثالية وفي سائل
فيزيائيًا ، هذا يعني أنه في السائل ، لا يكون عدد الجسيمات الأقرب إلى عنصر معين ثابتًا تمامًا ، كما هو الحال في البلورة.
في السائل ، من الأصح التحدث فقط عن ثبات متوسط عدد أقرب الجيران.
يمكن تفسير نتائج دراسة حيود الأشعة السينية للسائل ، والتي لدينا حاليًا ، على أساس مفهوم المجموعات التكميلية وعلى أساس مفهوم التركيب شبه البلوري للسائل. وتجدر الإشارة إلى أن الفرق بين النظريات السائلة الجريزوفولفين وشبه البلوري صغير. إذا قمنا بالتحقيق في متوسط ترتيب جزيئات السوائل على مدى فترة زمنية طويلة أو أقل ، فستؤدي كلتا النظريتين إلى نفس النتائج.
كلتا النظريتين لها عيب في أنه بينما تصفان بشكل صحيح خصائص بنية السائل نوعيًا ، فإنها لا تجعل من الممكن توصيف خصائصه كميًا.
مجموعة متنوعة من النظريات "البلورية" للحالة السائلة هي ما يسمى بنظرية "الثقب"
السوائل. وفقًا لهذه النظرية ، يتم تشبيه السائل بالبلورة التي يتم فيها إزاحة عدد كبير من الذرات من مواقع التوازن المتأصلة. عندما يتم إزاحة الذرة من موقع توازنها ، فإنها تظل ، كما كانت ، مساحة حرة تسمى "ثقب".
وفقًا للنظرية ، فإن "الثقوب" في السائل هي فجوات متسعة إلى حد ما بين الجزيئات تنشأ تلقائيًا وتتوسع ثم تتقلص وتختفي مرة أخرى.
إن معادلة الحالة في نظرية "الثقب" للسائل ، وفقًا لـ Ya. I. Frenkel ، الشكل التالي:
هنا V هو الحجم المولي للسائل عند درجة الحرارة ، وهو الحجم الأدنى الذي يمكن أن يشغله السائل ؛ طاقة تشكيل الثقب ثابت بولتزمان رقم أفوجادرو الحد الأدنى لحجم الفتحة.
كما تم التأكيد مرارًا وتكرارًا ، مع زيادة درجة الحرارة ، يقل تشابه السوائل مع المواد الصلبة ويزداد تشابهها مع الغازات المقابلة. لذلك ، ليس من المستغرب أنه عند شرح خصائص السوائل ، جنبًا إلى جنب مع النماذج "البلورية" للسوائل التي تمت مناقشتها أعلاه ، أصبحت النظريات التي يتم فيها تشبيه السائل بغاز مضغوط للغاية منتشرة على نطاق واسع. في هذه النظريات ، يلعب مفهوم الحجم الحر للسائل دورًا مهمًا ، والذي يصعب تحديده بدقة. الطرق الحالية لحساب الحجم الحر للسائل تقريبية تقريبًا ، وكقاعدة عامة ، تؤدي إلى قيم تتباعد عن بعضها البعض.
من بين نظريات الحجم الحر ، الأكثر تطورًا هي ما يسمى بنظرية السائل "الخلوية".
نظرًا لحقيقة أن الجزيئات السائلة تقع بالقرب من بعضها البعض ، يمكن اعتبار كل منها محاطًا بخلية ، يتشكل جدرانها من قبل أقرب جيرانها. يمكن للجزيئات تغيير أماكنها ، بحيث يمكن للجزيء الموجود في مركز الخلية المختارة ذهنيًا ، بعد مرور بعض الوقت ، الانتقال إلى خلية مجاورة. ومع ذلك ، نادرًا ما تحدث هجرات الجسيمات هذه نسبيًا ، ويقضي الجزيء معظم الوقت داخل خلية معينة.
تحدث حركة الجزيء في الخلية في مجال قوة يتكون من أقرب جيرانه ، ويفترض أن يكون عدد السوائل البسيطة 12.
بسبب ال هذه النظريةينطبق على السوائل في درجات حرارة عالية ، عندما لا يؤثر تأثير بنية المادة عمليًا ، يمكننا اعتبار مجال القوة الذي يتحرك فيه الجسيم متماثلًا كرويًا.
علاوة على ذلك ، بأخذ شكل معين من اعتماد الطاقة الكامنة للتفاعل الجزيئي على المسافة بين الجسيمات وإجراء عدد من الافتراضات المبسطة ، يمكننا أن نجد تعبيرًا عن الطاقة الكامنة لجسيم موجود في خلية أولية. عادة ما يتم إعطاء هذا التعبير بالشكل التالي:
حيث V هو حجم خلية كروية لكل جسيم ، وهي ثوابت.
يمكن كتابة معادلة حالة السائل في هذه الحالة بالشكل التالي:
هنا الضغط ، ثابت بولتزمان ودرجة الحرارة. من خلال استبدال القيمة في التعبير الأخير ، من الممكن تحديد العديد من الخصائص الفيزيائية والكيميائية للسوائل الفردية. على سبيل المثال ، باستخدام نظرية الخلية للسائل ، يمكن للمرء حساب المعلمات الحرجة للعديد من المواد البسيطة. تبين أن القيم المحسوبة لدرجة الحرارة الحرجة في حالة أبسط الغازات متساوية على المقياس المطلق للهيدروجين 41 درجة والنيون 47 درجة والنيتروجين 128 درجة والأرجون 160 درجة ، بينما القيم التجريبية هي 33 ° ، 44 ° ، 126 ° ، 150 ° كلفن على التوالي ، في هذا المثال ، الاتفاق بين القيم المحسوبة نظريًا وتلك التي تم العثور عليها تجريبياً مرضٍ تمامًا.
ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن التعبير عن الضغط المكتوب أعلاه ، بالمعنى الدقيق للكلمة ، صالح للغاز الحقيقي وليس للسائل ، وبالتالي لا يوجد سبب لتوقع اتفاق جيد جدًا بين النظرية والتجربة. على الرغم من هذه الملاحظة ، فإن نظرية الحجم الحر لها مزاياها ، والتي من بينها يجب أن نلاحظ بساطة النماذج الفيزيائية المستخدمة وإمكانية المقارنة الكمية بين النظرية والتجربة.
تجعل نظرية الخلية من الممكن شرح خصائص السوائل ببساطة نسبيًا وحساب بعض خصائصها كتقريب أولي.
من الناحية النظرية ، فإن النظرية الإحصائية للسوائل أكثر صرامة. في هذه النظرية ، تلعب كميتان فيزيائية الدور الرئيسي. أول هذه الكميات تسمى دالة التوزيع الراديوي ، والثانية تسمى الجهد بين الجزيئات. شعاعي
تحدد دالة التوزيع احتمالية الالتقاء بزوج من الجسيمات المختارة عشوائيًا في سائل ما على مسافة معينة تتراوح من إلى. يحدد الجهد بين الجزيئات تفاعل الجزيئات السائلة. تتيح معرفة هاتين الكميتين كتابة معادلات صارمة نظريًا لحالة وطاقة السائل وتحديد خصائصه الفيزيائية والكيميائية المختلفة.
يمكن تحديد دالة التوزيع الشعاعي لعدد من السوائل تجريبياً على أساس بيانات حيود الأشعة السينية. ومع ذلك ، فإن الصعوبات الكبيرة في تحديد وحساب الإمكانات بين الجزيئات لسوائل معينة تجعل من الضروري حل المعادلات الناتجة تقريبًا.
يجعل هذا الظرف من الصعب المقارنة الكمية بين النظرية الإحصائية للسوائل والتجربة. ومع ذلك ، يجب ألا ننسى أن هذه النظرية تتنبأ بشكل صحيح نوعيًا بالعديد من خصائص السوائل وانتظامها المتأصل.
تكمن إحدى مزايا النظرية الإحصائية للحالة السائلة في القدرة على التنبؤ بشكل صحيح بالخصائص المختلفة للمادة.
في المستقبل ، عندما يتم العثور على تعبير صارم نظريًا عن الإمكانات بين الجزيئات ويتم التغلب على الصعوبات الحسابية ، ستجعل النظرية الإحصائية من الممكن فهم ميزات الحالة السائلة للمادة بشكل أفضل.
محتوى المقال
نظرية السوائل.يمكن لكل منا أن يتذكر بسهولة العديد من المواد التي يعتبرها سوائل. ومع ذلك ، ليس من السهل إعطاء تعريف دقيق لهذه الحالة من المادة ، لأن السوائل لها خصائص فيزيائية تشبه في بعض النواحي المواد الصلبة ، وفي حالات أخرى تشبه الغازات. يظهر التشابه بين السوائل والمواد الصلبة أكثر وضوحًا في المواد الزجاجية. يحدث انتقالها من الحالة الصلبة إلى السائلة مع زيادة درجة الحرارة تدريجياً ، وتصبح أكثر ليونة ونعومة ، لذلك من المستحيل تحديد نطاق درجة الحرارة التي يجب أن يطلق عليها المواد الصلبة ، وفي أي - السوائل. لا يسعنا إلا أن نقول إن لزوجة مادة زجاجية في الحالة السائلة أقل مما هي عليه في الحالة الصلبة. لذلك غالبًا ما يُشار إلى الزجاج الصلب على أنه سائل فائق التبريد.
على ما يبدو ، فإن الخاصية الأكثر تميزًا للسوائل ، والتي تميزها عن المواد الصلبة ، هي اللزوجة المنخفضة (السيولة العالية). بفضلها ، أخذوا شكل الإناء الذي يسكبون فيه. على المستوى الجزيئي ، تعني السيولة العالية حرية كبيرة نسبيًا لجزيئات السوائل. في هذا ، تشبه السوائل الغازات ، على الرغم من أن قوى التفاعل بين الجزيئات للسوائل أكبر ، فإن الجزيئات تكون أقرب وأكثر محدودية في حركتها.
يمكن تناول ما قيل بطريقة أخرى - من وجهة نظر فكرة النظام بعيد المدى وقصير المدى. يوجد ترتيب بعيد المدى في المواد الصلبة البلورية ، حيث يتم ترتيب ذراتها بطريقة منظمة بدقة ، وتشكيل هياكل ثلاثية الأبعاد يمكن الحصول عليها من خلال التكرار المتعدد لخلية الوحدة. يظهر مثال لترتيب طويل المدى ثنائي الأبعاد في الشكل. 1 ، أ. لا يوجد ترتيب بعيد المدى في السائل والزجاج. هذا ، مع ذلك ، لا يعني أنه لم يتم طلبها على الإطلاق. يتميز السائل بنمط مشابه للنمط الموضح في الشكل. 1 ، ب. عدد أقرب الجيران لجميع الذرات هو نفسه تقريبًا ، لكن ترتيب الذرات عند ابتعادها عن أي موضع محدد يصبح أكثر وأكثر فوضوية. وهكذا ، لا يوجد النظام إلا على مسافات صغيرة ، ومن هنا جاء الاسم: ترتيب قصير المدى. لا يمكن إعطاء وصف رياضي مناسب لهيكل السائل إلا بمساعدة الفيزياء الإحصائية. على سبيل المثال ، إذا كان السائل يتكون من جزيئات كروية متطابقة ، فيمكن وصف هيكلها بوظيفة التوزيع الشعاعي ز(ص) ، مما يعطي احتمالية الكشف عن أي جزيء على مسافة صمن المعطى المختار كنقطة مرجعية. تجريبيًا ، يمكن العثور على هذه الوظيفة من خلال دراسة حيود الأشعة السينية أو النيوترونات ، ومع ظهور أجهزة الكمبيوتر عالية السرعة ، بدأ حسابها عن طريق محاكاة الكمبيوتر ، بناءً على البيانات المتاحة حول طبيعة القوى المؤثرة بين الجزيئات ، أو على افتراضات حول هذه القوى ، وكذلك على قوانين ميكانيكا نيوتن. بمقارنة وظائف التوزيع الشعاعي التي تم الحصول عليها نظريًا وتجريبيًا ، يمكن للمرء التحقق من صحة الافتراضات حول طبيعة القوى بين الجزيئات.
في المواد العضوية، التي تحتوي جزيئاتها على شكل ممدود ، في نطاق درجة حرارة معينة ، توجد أحيانًا مناطق من الطور السائل بترتيب توجيهي بعيد المدى ، والتي تتجلى في ميل إلى المحاذاة المتوازية للمحاور الطويلة للجزيئات. في هذه الحالة ، يمكن أن يكون الترتيب التوجيهي مصحوبًا بترتيب تنسيق للمراكز الجزيئية. يشار عادة إلى المراحل السائلة من هذا النوع بالبلورات السائلة ؛ المحاكاة الحاسوبية مفيدة جدًا أيضًا لفهم خصائصها الهيكلية.
في الغازات ، لا يوجد ترتيب في ترتيب الجزيئات. وبالتالي ، تحتل السوائل موقعًا وسيطًا بين المواد الصلبة والغازات البلورية ، أي بين الأنظمة الجزيئية مرتبة تمامًا والمضطربة تمامًا. هذا هو السبب في أن نظرية السوائل معقدة للغاية. أدناه ، سننظر في العلاقة بين المواد الصلبة والسوائل والغازات ، وكذلك بين الخصائص المختلفة للسوائل ، باستخدام نماذج جزيئية بسيطة.
القوى السائلة والغازية والجزيئية.
1 سم 3 من الغاز عند درجة حرارة 0 درجة مئوية والضغط العادي يحتوي على ما يقرب من 2.7 × 10 19 جزيء ، بحيث يكون متوسط المسافة بينهما حوالي 30 × 10 -8 سم ، أو 30 درجة مئوية. نظرًا لأن قطر الجزيئات نفسها ليس سوى عدد قليل من الأنجسترومات ، فمن المنطقي أن نفترض أن التفاعل بين جزيئات الغاز دائمًا صغير بشكل مهم ، باستثناء لحظات تصادماتها. وهكذا ، نصل إلى نموذج للغاز ، حيث يتم تمثيل الجزيئات على شكل كرات تتحرك بشكل مستقل عن بعضها البعض ، وتتصادم مع بعضها البعض ومع جدران الوعاء الذي يحيط به الغاز. عند درجة حرارة 0 درجة مئوية ، تكون سرعة الجزيئات عدة مئات من الأمتار في الثانية ، ويؤدي اصطدامها بجدران الوعاء إلى حدوث ضغط ملحوظ. تعطي دراسة أكثر تفصيلاً لهذا النموذج العلاقة بين الضغط ص، مقدار الخامسودرجة الحرارة الديناميكية الحرارية تي (تي= ° C + 273)
(1)PV/تي= const (لكمية معينة من الغاز).
هذه العلاقة - ما يسمى بمعادلة الغاز المثالية للحالة - هي سجل معمم لقوانين بويل - ماريوت وجاي لوساك وتشارلز ، وقد وصف سلوك معظم الغازات بدقة جيدة. ستظل المعادلة (1) ثابتة دائمًا إذا ظل الغاز غازًا ، بغض النظر عن انخفاض درجة الحرارة أو زيادة الضغط. ومع ذلك ، فمن المعروف أن جميع الغازات يمكن تسييلها إذا تم ضغطها أو تبريدها بشكل كافٍ. لكل غاز هناك ما يسمى بالحرارة الحرجة ح، والتي تحتها يمكن دائمًا تسييلها عن طريق زيادة الضغط ؛ أعلى حلا يمكن تسييل الغاز تحت أي ظرف من الظروف. هذا يعني أن نموذجًا يتحرك بشكل مستقل للجزيئات في ظل ظروف تكون فيها درجة الحرارة أعلى ح، تقريبي فقط ، وأدناه حعند الضغط العالي والكثافة ، فإنه غير صحيح بشكل عام. وجود حالة سائلة أدناه حيقترح أن قوى الجذب تعمل بين الجزيئات ، لأنه بخلاف ذلك من المستحيل عمومًا فهم سبب بقائها قريبة من بعضها البعض. ومع ذلك ، بالإضافة إلى الجاذبية ، تتعرض الجزيئات أيضًا للتنافر المتبادل - فنحن مقتنعون بذلك عندما نحاول تقليل حجم السائل (أو الصلب). تعمل القوى الجاذبة على مسافات أكبر من قوى التنافر ، لكن كلاهما ذو طبيعة كهروستاتيكية.
إذا أدخلنا تصحيحات لتماسك الجزيئات وحجمها في نموذج الغاز المثالي ، فإننا نحصل على معادلة ، بشكل عام ، تختلف عن (1). إحدى هذه المعادلات ، مشتقة من قبل J. van der Waals ، لها الشكل
(2)(ص + أ/الخامس 2) (الخامس - ب)/تي= const.
هنا أو بهي ثوابت مميزة للغاز المعطى. تتنبأ هذه المعادلة أيضًا بوجود درجة حرارة حرجة حويصف نوعيا الانتقال الملحوظ بين المرحلتين الغازية والسائلة.
دعونا نفكر في بعض النتائج العملية للمعادلة (2). على التين. 2 عبارة عن مخطط لضغط الغاز مقابل الحجم. دع كمية من الغاز تشغل الحجم الخامس 1 في درجة الحرارة تي 1 والضغط ص 1. مع انخفاض الحجم ، يزداد الضغط وتتغير حالة الغاز: من النقطة أيذهب إلى النقطة ب. هنا ، يبدأ الغاز بالتكثف ، ولا يؤدي المزيد من الانخفاض في الحجم إلى تغيير الضغط. عند التحرك على طول خط مستقيم قبل الميلادكمية السائل تزداد حتى هذه النقطة جلن يتم تسييل الغاز بالكامل. يسمى الضغط الثابت المقابل لهذه العملية ضغط بخار التشبع عند درجة حرارة معينة. تي 1. في جميع نقاط الجزء قبل الميلادهناك توازن (ديناميكي حراري) بين السائل والغاز. هذا يعني أن عدد الجزيئات التي تتبخر من سطح سائل في ثانية واحدة يساوي تمامًا عدد الجزيئات التي تتكاثف من بخار إلى سائل. لتقليل الحجم بشكل أكبر ، من الضروري إنشاء ملف ضغط مرتفعللتغلب على قوى التنافر المتبادل للجزيئات السائلة. هذا الموقف يتوافق مع الخط العمودي قرص مضغوط. منحنى ا ب ت ثيسمى متساوي الحرارة لأن جميع نقاطه لها نفس درجة الحرارة. إذا تم إجراء نفس التجربة عند درجة حرارة أعلى ، فوفقًا لمعادلة فان دير فال ، سنحصل على متساوي الحرارة بنفس المسار ، فقط الجزء قبل الميلادسيصبح أقصر. أخيرًا ، عند درجة الحرارة الحرجة حيتم تقليص هذا الجزء بشكل عام إلى نقطة ذات إحداثيات حو الكمبيوتر. في هذه المرحلة ، لا يمكن التمييز بين السائل والغاز. في درجات حرارة أعلى ح، تتحول معادلة فان دير فال (2) إلى المعادلة (1) (المنحنى المقابل لدرجة الحرارة تي 2 في الشكل. 2). يتم إعطاء قيم درجات الحرارة الحرجة والضغوط المقابلة لها في الجدول التالي:
التوتر السطحي.
كما رأينا ، فإن أخذ القوى بين الجزيئات في الاعتبار يجعل من الممكن شرح عملية تكثيف الغاز بشكل صحيح. دعونا نحاول الآن ، مع مراعاة هذه القوى ، وصف بعضها الخصائص الفيزيائيةالسوائل.
تخيل قطرة من الزئبق. يمكننا تسطيحها قليلاً بإصبعنا ، ولكن بمجرد إزالة الإصبع ، سوف تتجمع القطرة مرة أخرى في كرة. إنها تتصرف كما لو كانت ملفوفة في فيلم مرن. هذا هو مظهر من مظاهر التأثير التوتر السطحي. سوف تتضح طبيعتها إذا لجأنا إلى الشكل. 3. هنا أو ب- جزيئين من السائل ، الأول في الحجم ، والثاني على السطح. في كلتا الحالتين ، يتأثرون بقوى جذب من جزيئات أخرى ، ولكن فقط تلك الموجودة داخل كرة بقطر عدة أنغستروم ، لأن هذه القوى تتناقص بسرعة مع المسافة. لجزيء أتقع مثل هذه الكرة داخل المائع تمامًا ، لذا فإن محصلة كل القوى هي صفر. مركب ب، الموجودة على السطح ، سيتم سحبها إلى السائل ، نظرًا لأن القوى الجاذبة فقط من الجزيئات الموجودة في النصف السفلي من الكرة الأرضية تؤثر عليه. نفس القوى ، عمودية على السطح وموجهة داخل السائل ، تعمل على جميع الجزيئات القريبة من السطح ؛ أنها تخلق التوتر السطحي.
التوتر السطحي ستُعرَّف كميًا بأنها القوة المؤثرة لكل وحدة طول خط على سطح سائل. فكر في فيلم صابون ممتد فوق إطار رأسي من سلكين رفيعين توفالوو PQ(الشكل 4). الأسلاك PQغير ثابت ويمكن أن تتحرك بحرية. سوف يتحرك إلى أسفل تحت تأثير الجاذبية حتى يتم موازنة الأخير بالقوة بسبب التوتر السطحي. نظرًا لأن الفيلم يحتوي على سطحين ، فإن القوة المؤثرة على السلك هي 2 SL، أين إل- طول مقطع السلك PQعلى اتصال بالفيلم.
بسبب وجود التوتر السطحي ، فإن أي زيادة في مساحة سطح السائل ترتبط بتكاليف الطاقة. هذا هو السبب في أن القطرات السائلة الصغيرة تأخذ شكلًا كرويًا: تصبح نسبة مساحة سطحها إلى الحجم ضئيلة ، وبعد ذلك ، يتم أيضًا تقليل الطاقة الكامنة. قطرات كبيرة مشوهة تحت تأثير الجاذبية.
الظواهر الشعرية.
تفقد قطرة ماء على لوح زجاجي شكلها الكروي وتنتشر لتشكل غشاءً رقيقًا. يحدث هذا لأن قوى التماسك بين جزيئات الماء والزجاج تتجاوز القوى المتشابهة بين جزيئات الماء - الماء يبلل الزجاج. تظل قطرة من الزئبق على نفس اللوحة كروية: قوى التماسك بين جزيئات الزئبق أكبر من قوى التماسك بين جزيئات الزئبق والزجاج - الزئبق لا يبلل الزجاج. هذا ما يفسر ما يسمى بظاهرة الشعيرات الدموية التي لوحظت في أنبوب شعري زجاجي رفيع (الشكل 5). إذا قمت بخفض الشعيرات الدموية في وعاء به ماء ، فإن الماء سيرتفع من خلاله فوق مستوى الوعاء ، وسيكون سطحه (الغضروف المفصلي) مقعرًا. على العكس من ذلك ، سيكون مستوى الزئبق في نفس الشعيرات الدموية أقل من المستوى الموجود في الوعاء نفسه ، وسيكون الغضروف المفصلي محدبًا. نظرًا لأن الالتصاق بين جزيئات الماء والزجاج أقوى من الالتصاق بين جزيئات الماء نفسها ، فإن الماء "يتسلق" على طول جدران الشعيرات الدموية حتى يتم موازنة ضغط عمودها في الشعيرات الدموية بواسطة الضغط الناتج عن القوى بين الجزيئات. يتكون الغضروف المفصلي المقعر لأن جزيئات الماء بالقرب من جدران الشعيرات الدموية تتأثر بقوة غير صفرية موجهة نحو الجدار. بالنسبة للزئبق ، تنعكس الصورة.
سوائل الغليان.
عندما يغلي السائل في وعاء مفتوح ، يجب أن يكون الضغط داخل فقاعات البخار المتكونة في السائل مساويًا على الأقل للضغط الجوي - وإلا ستنهار الفقاعات ببساطة. لذلك ، عند نقطة الغليان ، يكون ضغط بخار السائل مساويًا للضغط الجوي. كافٍ ارتفاع عاليتكون نقطة غليان السائل أقل من مستوى سطح البحر لأن الضغط الجوي يتناقص مع الارتفاع. وبالتالي ، فإن نقطة غليان الماء على ارتفاع 4000 متر هي فقط حوالي 85 درجة مئوية ، بينما عند مستوى سطح البحر تبلغ 100 درجة مئوية.
الغليان هو التبخر الشديد للسائل ، والذي لا يحدث فقط من السطح ، ولكن من خلال حجمه بالكامل ، داخل فقاعات البخار الناتجة. للانتقال من السائل إلى البخار ، يجب أن تكتسب الجزيئات الطاقة اللازمة للتغلب على القوى الجذابة التي تحتجزها في السائل. على سبيل المثال ، لتبخير 1 جرام من الماء عند درجة حرارة 100 درجة مئوية والضغط المقابل للضغط الجوي عند مستوى سطح البحر ، يلزم إنفاق 2258 جول ، منها 1880 تذهب لفصل الجزيئات عن السائل ، والباقي يذهب للعمل على زيادة الحجم الذي يشغله النظام ضد القوى الضغط الجوي(1 جم من بخار الماء عند 100 درجة مئوية والضغط العادي يحتل حجمًا 1.673 سم 3 ، بينما 1 جم من الماء في نفس الظروف هو 1.04 سم 3 فقط).
عادة ما تكون نقطة غليان محلول مادة غير متطايرة أعلى من نقطة غليان مذيب نقي. نظرًا لأن السائل يغلي عندما يصبح ضغط بخاره مساويًا للضغط الجوي ، فإن هذا النمط يعني أن ضغط بخار محلول مادة غير متطايرة عند درجة حرارة معينة أقل من ضغط بخار مذيب نقي.
ترسيخ السوائل.
عادة ، عندما تتصلب السوائل ، ينخفض حجمها إلى حد ما (بحوالي 10٪) ، على الرغم من وجود استثناءات لهذه القاعدة. على سبيل المثال ، الماء الغاليوم ويتمدد البزموت عند التصلب ، بحيث تطفو المادة الصلبة على سطح السائل. يمكن أن يُظهر سلوك السوائل بالقرب من درجة حرارة التجمد حالات شاذة أخرى ، على سبيل المثال ، عندما ترتفع درجة الحرارة في النطاق من 0 إلى 4 درجات مئوية ، يتقلص الماء. لشرح هذه الحقائق التجريبية ، دعونا أولاً نفكر في الانتقال من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة للمواد "العادية" ، مثل الألومنيوم. كما يوضح تحليل حيود الأشعة السينية ، يتبلور الألمنيوم بتكوين شبكة مكعبة محورها الوجه (الشكل 6) ، حيث تُحاط كل ذرة باثني عشر جيرانًا قريبين يقعون على مسافة 2.86 (2.86 × 10-8 سم) ) منه. إذا كانت الذرات تعتبر كرات ، فإن هذا الترتيب يتوافق مع أكثر حزمها كثافة (بنية "متماسكة"). في الألومنيوم السائل ، لا يوجد طلب طويل المدى ، ولكن لا يزال هناك بعض الطلبات قصيرة المدى. وفقًا لبيانات حيود الأشعة السينية ، فإن كل ذرة فيها محاطة بأقرب 10-11 جيران تقع على مسافة 2.96 منها ، أي هيكل الألومنيوم السائل بالقرب من درجة حرارة التجمد مشابه لهيكل الألومنيوم الصلب ، ولكنه أكثر "رخوًا" إلى حد ما. بالنسبة للماء والغاليوم والبزموت ، يتم ملاحظة الصورة المعاكسة: بالقرب من درجة حرارة التصلب ، يكون هيكلها أكثر "رخوًا" ليس في السائل ، ولكن في الحالة الصلبة. يجب البحث عن إجابة السؤال حول أسباب هذا الشذوذ في السمات الهيكلية لجزيئاتها والروابط بينها في حالات تجميعية مختلفة. ضع في اعتبارك ، على سبيل المثال ، الماء والجليد. كلاهما مبنيان من نفس الجزيئات ، والتي تتكون من أيونات أكسجين سالبة مؤينة مضاعفة (O 2–) واثنين من أيونات الهيدروجين المؤينة المفردة (H +). في جزيء الماء ، تشكل هذه الأيونات الثلاثة مثلثًا به بروتونان في القاعدة والأكسجين في الأعلى (على التوالي ، دائرتان صغيرتان ودائرة كبيرة واحدة في الشكل 7) ؛ الزاوية بين سندات O - H هي 104 درجة. في بنية الجليد ، يتم ترتيب جزيئات H 2 O بطريقة تجعل كل ذرة أكسجين محاطة بأربع ذرات هيدروجين تقع في رؤوس رباعي الوجوه. يوفر هذا أقصى كسب للطاقة بسبب التجاذب بين الأيونات الموجبة والسالبة ، لكن الهيكل يصبح أكثر مرونة. عندما يذوب الجليد ، يتم استبدال هذه التعبئة غير الاقتصادية لجزيئات H 2 O بالتدريج بحزمة أكثر كثافة ، وفي النطاق من 0 إلى 4 درجات مئوية ، يتناقص حجم المادة تدريجيًا. كما أن البنية الفضفاضة للغاليوم الصلب والبزموت ترجع أيضًا إلى خصائص التفاعلات بين الذرات ، لكن طبيعة هذه الروابط أكثر تعقيدًا من طبيعة الجليد.
ذوبان السوائل.
من المعروف أن الماء يذوب الكحول بأي كمية ، بينما لا يختلط بالزئبق والزيت إطلاقاً. وبالمثل ، يذيب البنزين الهيدروكربونات لكنه لا يذيب الماء. ما هو سبب هذه الظاهرة؟ هنا ، يمكن إعطاء إجابة عامة: تمتزج السوائل إذا كانت هياكلها الإلكترونية متشابهة ، والاختلافات في الهيكل الإلكتروني تجعل الخلط صعبًا. لتوضيح ما نعنيه بـ "البنية الإلكترونية" ، دعنا ننظر إلى الماء مرة أخرى. عندما يتشكل جزيء الماء ، يتم إعادة توزيع الشحنة بين الذرات المكونة له: تتبرع ذرات الهيدروجين بإلكترونات التكافؤ ، وتقبلها ذرة الأكسجين. وبالتالي ، فإن جزيء الماء له عزم ثنائي القطب غير صفري ، أي قطبي. وهذا ما يفسر ، على وجه الخصوص ، حقيقة أن الماء يحتوي على ثابت عازل عالي جدًا وأن الأملاح تذوب فيه جيدًا ، وتتفكك إلى أيونات. يعمل التفاعل ثنائي القطب - ثنائي القطب على تجميع جزيئات الماء معًا ، ونتيجة لذلك ترتفع نقطة غليانها. مثال آخر للسائل القطبي هو الكحول C 2 H 5 OH ؛ من السهل الامتزاج بالماء ، لأن العزم ثنائي القطب في جزيئاته يشبه العزم ثنائي القطب لجزيئات الماء.
إلى جانب السوائل القطبية ، التي ترتبط جزيئاتها ببعضها البعض إلى حد كبير ، هناك أيضًا سوائل غير قطبية ذات روابط جزيئية أضعف. مثال على هذه السوائل هو الهيدروكربونات - البنزين ، النفثالين ، إلخ. جزيئات هذه السوائل مبنية من ذرات الكربون والهيدروجين ، والتي تربط إلكترونات التكافؤ بها بدلاً من إعطائها أو إضافتها. يتضح الضعف النسبي للروابط بين جزيئات الهيدروكربون من خلال نقطة غليانها المنخفضة. بين السوائل ذات الخصائص القطبية المحددة بوضوح (الماء) والسوائل غير القطبية تمامًا (الهيدروكربونات) ، هناك مجموعة كاملة من فئات السوائل ، لذلك ليس من الممكن دائمًا أن نقول مسبقًا ما إذا كان سائلين معينين سيمتزجان أم لا. لكن في معظم الحالات ، يتم اتباع القاعدة التي تمت صياغتها في بداية القسم.
بالإضافة إلى الهيكل الإلكتروني ، يمكن أن يعتمد اختلاط السوائل بشكل كبير على حجم الجزيئات ، وكذلك على درجة الحرارة. على سبيل المثال ، النيكوتين قابل للامتزاج بالماء بأي نسبة تقل عن 60 درجة مئوية وما فوق 208 درجة مئوية ؛ في درجات الحرارة المتوسطة ، تكون الذوبان المتبادل للنيكوتين والماء محدودة للغاية.
التنافذ.
في عام 1748 ، اكتشف J. Nollet أن بعض زرع الخلايافي محلول ملحي مركز مضغوط - الماء يتركهم من خلاله غشاء الخلية. إذا تم نقل نفس الخلايا إلى الماء ، فإنها تنتفخ وتستعيد حجمها. تسمى حركة المادة (الانتشار) من خلال قسم شبه منفذ يفصل بين محلول ومذيب نقي أو محلولين بتركيزات مختلفة بالتناضح. يمكن تفسير هذه الظاهرة بحقيقة أن جزيئات المذيب ، كقاعدة عامة ، أصغر من جزيئات المذاب ، وبالتالي فهي تمر بسهولة أكبر عبر المسام الموجودة في الحاجز. نظرًا لأن عدد جزيئات المذيب في محلول مخفف (أو مذيب نقي) أكبر منه في محلول مركز ، يحدث نقل انتشار هذه الجزيئات باتجاه الأخير.
السوائل والمواد الصلبة.
تحدثنا سابقًا عن علاقة السوائل بأبخرتها بالقرب من درجة الحرارة الحرجة ح. توجد علاقات مماثلة بين السوائل والمواد الصلبة - على الأقل بالقرب من نقطة الانصهار تم.
عادة ، عندما تذوب مادة صلبة ، يزداد حجمها بحوالي 10٪ ، أي متوسط المسافة بين الجزيئات المجاورة في الحالة الصلبة والسائلة هو نفسه تقريبًا. لا يختلف التماسك بين الذرات أو الجزيئات في الحالة الصلبة والسائلة كثيرًا ، ويمكن اعتبار ليونة المواد الصلبة مماثلة لسيولة السوائل. وبالتالي ، من حيث الخواص الفيزيائية ، فإن المواد الصلبة والسوائل لا تختلف جذريًا كما يبدو. وفقًا لذلك ، هناك نوعان من نظريات الحالة السائلة: أحدهما يعتمد على المفاهيم النظرية الحديثةالجسم الصلب ، وغيرها - على التمثيلات المستعارة من نظرية الغازات. نظريات النوع الأول أكثر ملاءمة بالقرب من نقطة الانصهار تموالثاني - بالقرب من النقطة الحرجة ح.
معادن سائلة.
تتغير العديد من الخصائص الفيزيائية للمعادن الصلبة قليلاً عند الذوبان. نتيجة لذلك ، المزيد النظريات العامة، حيث تعتبر خصائص المعادن السائلة والصلبة من وجهة نظر موحدة. في هذه النظريات دور مهميلعب عاملاً هيكليًا يحدده الترتيب المتبادل للذرات. اتضح أنه نظرًا للاهتزازات القوية نسبيًا لذرات مادة صلبة عند درجات حرارة مرتفعة ، فإن عامل التركيب للمادة الصلبة بالقرب من نقطة الانصهار لا يختلف كثيرًا عن عامل السائل. تستخدم المعادن ذات نقطة الانصهار المنخفضة ، مثل الصوديوم ، كمبردات في المفاعلات النووية في محطات الطاقة النووية.
الخصائص الفيزيائية للسوائل.
طريقة تحليل الأبعاد
مقدمة
الجزء المقدم هنا من ملاحظات المحاضرة هو الجزء الأول ، والذي يبدأ منه الكشف عن المسار الرئيسي للهيدروليكا بالتسلسل. يتم توجيه عرض دورة الهيدروليكا في هذا النموذج في المقام الأول إلى الطلاب بدوام كامل ، ولكن مع بعض التعديلات يمكن أن تكون بمثابة الكتاب المدرسي الرئيسي للطلاب في المساء والمراسلات وأشكال التعليم بدوام جزئي.
هذا الجزء ، مثل كل الأجزاء الأخرى ، يتكون من قسمين - رئيسي وإضافي. القسم الرئيسي إلزامي للجميع ، ويتم دراسة القسم الإضافي (عادة ما يكون أكثر صعوبة) بناءً على توصية المعلم.
في القسم الأول من هذا الجزء من ملاحظات المحاضرة ، تم توضيح الخصائص الفيزيائية الرئيسية للسوائل والغازات ، المعروفة من مسار الفيزياء. يتم النظر في الخصائص الفيزيائية للسوائل والغازات من وجهة نظر هندسية فيما يتعلق بالظواهر الهيدروليكية ؛ الاستثناء هو عرض الخصائص السطحية للسوائل (التوتر السطحي ، الشعيرات الدموية). لا يتم النظر في العمليات الديناميكية الحرارية في الغازات ، ويتم ذلك في الجزء المقابل من الدورة ("ديناميات الغاز").
القسم الثاني مخصص لأساسيات طريقة تحليل الأبعاد كما هي مطبقة على المشاكل الهيدروليكية. في رأينا ، يجب أن يكون لدى كل مهندس فكرة عن التحليل البعدي ، لأن هذه الطريقة متعددة الاستخدامات للغاية. تكمن خصوصيته في أنه يتم تطبيقه بشكل أكثر نجاحًا ، كلما كان فهم طبيعة الظواهر أفضل ؛ في هذا الصدد ، عند النظر في الأمثلة والمهام ، تم إيلاء اهتمام خاص للمعنى المادي - لذلك ، يجدر مراجعة الأمثلة والمهام مرة أخرى.
من أجل معرفة كيفية تطبيق طريقة التحليل البعدي ، من الضروري حل أكبر عدد ممكن من المشكلات معها وتحليل الأمثلة ، لذلك يتكون القسم الثاني بشكل أساسي من أمثلة ومشكلات (يتم إعطاء الحد الأدنى ، والكمية الأكثر أهمية من المواد النظرية ). تميل الأمثلة إلى أن تكون مفصلة والمهام أكثر إيجازًا ، على الرغم من تقديم تفسيرات لكل منها. يوصى بحل جميع المشكلات بنفسك ، ثم مقارنة الحل الناتج مع الحل الوارد في النص. لم يتم حل العديد من المشكلات بشكل كامل - لم يتم حل بعضها بشكل تقليدي باستخدام طريقة تحليل الأبعاد (المطرقة المائية) ، بينما لم يتم حل المشكلات الأخرى بشكل نهائي حتى الآن (اكتساح دعائم الجسر). يأمل المؤلف أنه مع وجود عدد كبير من المشكلات التي يتم حلها باستخدام طريقة تحليل الأبعاد ، ستتحول الكمية إلى جودة إتقان هذه الطريقة العالمية.
الخصائص الفيزيائية للسوائل والغازات
1. موضوع الدراسة
السائل (أو الغاز) عبارة عن جسم مادي ، تتمتع جزيئاته بحركة عالية جدًا بالنسبة لبعضها البعض.
في المستقبل ، تتم دراسة توازن وحركة السوائل والغازات لأسباب خارجية فقط (الجاذبية والضغط الخارجي وما إلى ذلك).
2. التركيب الفيزيائي للسوائل والغازات
أي جسم هو عدد هائل من الجزيئات المتحركة والمتفاعلة. يبدو من الطبيعي أنه عندما يكون تفاعل الجزيئات مع بعضها البعض ضعيفًا ، يجب أن تشكل الجزيئات غازًا ؛ خلاف ذلك ، عندما يكون التفاعل كبيرًا ، جسم صلب ، في حالة وسيطة ، سائل. لتحديد التفاعلات الضعيفة والقوية ، يجب مقارنة طاقة تفاعل الجزيئات مع طاقتها الحركية. من المعروف من النظرية الحركية الجزيئية أن متوسط الطاقة الحركية للحركة الفوضوية للجزيئات هترتبط مباشرة بدرجة الحرارة تيالأنظمة:
ه = 2/3كتي,
أين ك- ثابت؛ تيهي درجة الحرارة المطلقة.
تحتل السوائل في التركيب الجزيئي موقعًا وسيطًا بين المواد الصلبة والغازات. يُعتقد أن جزيئات السوائل توجد بكثافة مثل جزيئات المواد الصلبة. لتأكيد هذه الحقيقة ، دعونا نتذكر أنه عندما يتجمد الماء ، فإنه يتحول إلى مادة صلبة - جليد ، تكون كثافته أقل من كثافة الماء. وفقًا لنموذج مبسط ولكن يبدو صحيحًا نوعياً ، فإن الحركات الحرارية للجزيئات السائلة تمثل اهتزازات غير منتظمة حول مراكز معينة ؛ هذه السمات للبنية الفيزيائية هي أسباب خصائص معينة ، على سبيل المثال ، السيولة.
السيولة هي قدرة السائل على تغيير شكله دون أن ينقسم إلى أجزاء ، تحت تأثير حتى القوى الصغيرة ، على وجه الخصوص ، ليأخذ شكل الوعاء الذي يقع فيه.
تنقسم السوائل المستمرة إلى فئتين من حيث الخواص الميكانيكية: قابلة للانضغاط قليلاً (قطرة) وقابلة للانضغاط (غازية). من وجهة نظر الفيزياء ، يختلف السائل المتساقط اختلافًا كبيرًا عن الغاز ؛ من وجهة نظر ميكانيكا الموائع ، فإن الاختلاف بينهما ليس كبيرًا. غالبًا ما يمكن أيضًا تطبيق القوانين السارية على إسقاط السوائل على الغازات في الحالات التي يمكن فيها تجاهل انضغاطيتها (على سبيل المثال ، عند حساب قنوات التهوية). بسبب عدم وجود مصطلح خاص من شأنه أن يشير إلى سائل بالمعنى الواسع للكلمة ، سنستخدم في المستقبل مصطلحات "قطرة سائل" و "غاز" و "سائل" ، باستخدام الأخير بمعنى واسع ، تغطي كلاً من قطرة السائل والغاز (t (أي بالسائل نعني أي وسيط له خاصية السيولة). تحتوي السوائل المتساقطة على أحجام محددة جيدًا ، والتي لا تتغير قيمتها عمليًا تحت تأثير القوى. الخاصية الأكثر شيوعًا للسائل هي الخواص ، أي نفس الخصائص في جميع الاتجاهات: نفس التوصيل الحراري ، الخواص الميكانيكية ، سرعة انتشار الموجات المختلفة ، إلخ.
يمكن للغازات ، التي تشغل كل المساحة المتوفرة لها ، تغيير حجمها وضغطها وتوسيعها بشكل كبير تحت تأثير القوى ؛ على وجه الخصوص ، لا يمكن أن توجد إلا تحت الضغط. في حالة عدم وجود ضغط ، سيتمدد الغاز إلى أجل غير مسمى ؛ لذلك ، يجب افتراض أنه في ظل الظروف العادية ، يكون الضغط داخل الغاز مختلفًا عن الصفر.