A mindennapi életben folyamatosan három halmazállapottal találkozunk – folyékony, gáznemű és szilárd. Meglehetősen világos elképzelésünk van arról, hogy mik a szilárd anyagok és a gázok. A gáz olyan molekulák összessége, amelyek minden irányban véletlenszerűen mozognak. A szilárd test minden molekulája megőrzi kölcsönös elrendeződését. Csak enyhén oszcillálnak.
A folyékony anyag jellemzői
És mik azok a folyékony anyagok? Fő jellemzőjük, hogy a kristályok és a gázok között köztes helyzetet elfoglalva egyesítik e két állapot bizonyos tulajdonságait. Például folyadékokra, valamint szilárd (kristályos) testekre jellemző a térfogat jelenléte. Ugyanakkor a folyékony anyagok, mint a gázok, felveszik annak az edénynek az alakját, amelyben elhelyezkednek. Sokan úgy gondoljuk, hogy nincs saját formájuk. Azonban nem. Bármilyen folyadék természetes formája -labda. A gravitáció általában megakadályozza, hogy ezt az alakot vegye fel, így a folyadék vagy edény alakját veszi fel, vagy vékonyan szétterül a felületen.
Tulajdonságait tekintve egy anyag folyékony halmazállapota különösen összetett, köztes helyzete miatt. Arkhimédész kora óta (2200 évvel ezelőtt) kezdték tanulmányozni. A folyékony anyagok molekuláinak viselkedésének elemzése azonban még mindig az alkalmazott tudomány egyik legnehezebb területe. Még mindig nincs általánosan elfogadott és teljesen teljes elmélet a folyadékokról. Viselkedésükről azonban határozottan elmondhatunk valamit.
Molekulák viselkedése folyadékban
A folyadék olyan dolog, ami tud áramlani. A kis hatótávolságú rend a részecskéinek elrendezésében figyelhető meg. Ez azt jelenti, hogy a hozzá legközelebb eső szomszédok elhelyezkedése bármely részecskéhez képest rendezett. Ahogy azonban eltávolodik másoktól, a velük szembeni pozíciója egyre kevésbé rendeződik, majd a rend teljesen megszűnik. A folyékony anyagok molekulákból állnak, amelyek sokkal szabadabban mozognak, mint a szilárd anyagokban (és még szabadabban a gázokban). Egy bizonyos ideig mindegyik először az egyik, majd a másik irányba rohan, anélkül, hogy eltávolodna szomszédaitól. Egy folyékony molekula azonban időnként kitör a környezetből. Úgy kerül új helyre, hogy egy másik helyre költözik. Itt is, egy bizonyos ideig, lötyögésszerű mozdulatokat végez.
Y. I. Frenkel hozzájárulása a folyadékok tanulmányozásához
I. I. Frenkel szovjet tudósnak nagy érdemei vannak számos kidolgozásábanproblémák olyan témában, mint a folyékony anyagok. Felfedezéseinek köszönhetően a kémia nagyot fejlődött. Úgy vélte, hogy a folyadékokban a hőmozgás a következő tulajdonságokkal rendelkezik. Egy bizonyos ideig minden molekula az egyensúlyi helyzet körül oszcillál. Időnként azonban változtat a helyén, és hirtelen új pozícióba lép, amelyet az előzőtől körülbelül akkora távolság választ el, mint maga a molekula. Más szóval, a folyadék belsejében a molekulák mozognak, de lassan. Néha bizonyos helyek közelében tartózkodnak. Következésképpen mozgásuk olyan, mint a gázban és a szilárd testben végbemenő mozgások keveréke. Az egy helyen történő ingadozást egy idő után felváltja a szabad átmenet egyik helyről a másikra.
Nyomás a folyadékban
A folyékony anyagok bizonyos tulajdonságait a velük való folyamatos kölcsönhatás miatt ismerjük. Tehát a mindennapi élet tapasztalataiból tudjuk, hogy a vele érintkező szilárd testek felületén, bizonyos erőkkel hat. Ezeket folyadéknyomás erőknek nevezik.
Például, amikor ujjal kinyitjuk a vízcsapot, és kinyitjuk a vizet, érezzük, hogyan nyomja az ujját. A nagy mélységbe merült úszó pedig nem véletlenül érez fájdalmat a fülében. Ez azzal magyarázható, hogy nyomóerők hatnak a dobhártyára. A víz folyékony anyag, így minden tulajdonsága megvan. A víz hőmérsékletének mérésére a tenger mélyén nagyon erőshőmérőket, hogy ne törje össze őket a folyadéknyomás.
Ez a nyomás a kompressziónak, vagyis a folyadék térfogatának változásának köszönhető. Rugalmassága van ehhez a változáshoz képest. A nyomáserők a rugalmassági erők. Ezért, ha egy folyadék a vele érintkező testekre hat, akkor összenyomódik. Mivel az anyag sűrűsége növekszik az összenyomás során, feltételezhetjük, hogy a folyadékok rugalmasak a sűrűségváltozáshoz képest.
Párolgás
A folyékony anyagok tulajdonságait folytatva rátérünk a párolgásra. A felszín közelében, valamint közvetlenül a felszíni rétegben olyan erők hatnak, amelyek biztosítják ennek a rétegnek a létezését. Nem engedik, hogy a benne lévő molekulák elhagyják a folyadék térfogatát. A hőmozgás miatt azonban néhányuk meglehetősen nagy sebességet fejleszt ki, aminek segítségével lehetővé válik ezen erők leküzdése és a folyadék elhagyása. Ezt a jelenséget párolgásnak nevezzük. Bármilyen levegőhőmérsékleten megfigyelhető, azonban ennek növekedésével a párolgás intenzitása nő.
Kondenzáció
Ha a folyadékot elhagyó molekulákat eltávolítják a felszín közelében lévő térből, akkor végül az összes elpárolog. Ha a molekulákat, amelyek elhagyták, nem távolítják el, gőzt képeznek. A folyadék felszínéhez közeli tartományba beesett gőzmolekulákat a vonzási erők beszívják. Ezt a folyamatot kondenzációnak nevezik.
Ezért,ha a molekulákat nem távolítják el, a párolgási sebesség idővel csökken. Ha a gőzsűrűség tovább növekszik, akkor olyan helyzetet érünk el, amelyben a folyadékot egy bizonyos idő alatt elhagyó molekulák száma megegyezik az ugyanabban az időben a folyadékba visszatérő molekulák számával. Ez létrehozza a dinamikus egyensúlyi állapotot. A benne lévő gőzt telítettnek nevezzük. Nyomása és sűrűsége a hőmérséklet emelkedésével nő. Minél nagyobb, annál nagyobb számú folyadékmolekulának van elegendő energiája a párolgáshoz, és annál nagyobbnak kell lennie a gőz sűrűségének ahhoz, hogy a kondenzáció egyenlő legyen a párologtatással.
Forrás
Amikor a folyékony anyagok melegítése során olyan hőmérsékletet érünk el, amelyen a telített gőzök nyomása megegyezik a külső környezetével, egyensúly jön létre a telített gőz és a folyadék között. Ha a folyadék további hőmennyiséget ad, a megfelelő tömegű folyadék azonnal gőzzé alakul. Ezt a folyamatot forralásnak nevezik.
A forralás egy folyadék intenzív elpárologtatása. Nemcsak a felszínről, hanem a teljes térfogatára vonatkozik. A folyadék belsejében gőzbuborékok jelennek meg. Ahhoz, hogy a folyadékból gőzzé váljanak, a molekuláknak energiát kell nyerniük. Arra van szükség, hogy legyőzzük azokat a vonzó erőket, amelyek a folyadékban tartják őket.
Forráspont
A forráspont az, amelyikenkét nyomás egyenlő – a külső és a telített gőzök. A nyomás növekedésével nő, a nyomás csökkenésével pedig csökken. Tekintettel arra, hogy a folyadékban a nyomás az oszlop magasságával változik, a forrásban különböző hőmérsékleteken, különböző szinteken megy végbe. Csak a telített gőznek van bizonyos hőmérséklete, amely a forrás során a folyadék felszíne felett van. Csak külső nyomás határozza meg. Erre gondolunk, amikor a forráspontról beszélünk. Különböző folyadékok esetében különbözik, amelyet széles körben használnak a mérnöki munkákban, különösen a kőolajtermékek desztillálásakor.
A látens párolgáshő az a hőmennyiség, amely egy izotermikusan meghatározott mennyiségű folyadék gőzzé alakításához szükséges, ha a külső nyomás megegyezik a telített gőznyomással.
A folyékony filmek tulajdonságai
Mindannyian tudjuk, hogyan lehet habot előállítani a szappant vízben való feloldásával. Ez nem más, mint sok buborék, amelyet a legvékonyabb folyadékból álló film korlátoz. A habzó folyadékból azonban külön film is nyerhető. Tulajdonságai nagyon érdekesek. Ezek a filmek nagyon vékonyak lehetnek: vastagságuk a legvékonyabb részeken nem haladja meg a százezred millimétert. Ennek ellenére néha nagyon stabilak. A szappanfólia deformálódhat, nyúlhat, vízsugár áthatolhat rajta anélkül, hogy tönkretenné. Mivel magyarázható ez a stabilitás? A film megjelenéséhez hozzá kell adni a benne oldódó anyagokat egy tiszta folyadékhoz. De nem akármilyen, hanem olyan,amely jelentősen csökkenti a felületi feszültséget.
Folyadékfilmek a természetben és a technológiában
A technológiában és a természetben főleg nem az egyes filmekkel találkozunk, hanem habbal, ami ezek kombinációja. Gyakran megfigyelhető patakokban, ahol a kis patakok nyugodt vízbe hullanak. A víz habzási képessége ebben az esetben a benne lévő szerves anyagok jelenlétével függ össze, amelyeket a növények gyökerei választanak ki. Ez egy példa arra, hogyan habzik a természetes folyékony anyagok. De mi a helyzet a technológiával? Az építkezés során például speciális anyagokat használnak, amelyek habszerű sejtszerkezettel rendelkeznek. Könnyűek, olcsók, elég erősek, rosszul vezetik a hangot és a hőt. Ezek előállításához habosítószereket adnak a speciális oldatokhoz.
Következtetés
Tehát megtanultuk, mely anyagok folyékonyak, és rájöttünk, hogy a folyékony halmazállapot a gáz halmazállapotú és szilárd halmazállapotú között. Ezért mindkettőre jellemző tulajdonságokkal rendelkezik. A folyadékkristályok, amelyeket ma széles körben használnak a technológiában és az iparban (például folyadékkristályos kijelzők), kiváló példái ennek az állapotnak. Egyesítik a szilárd és folyékony anyagok tulajdonságait. Nehéz elképzelni, hogy a tudomány milyen folyékony anyagokat fog feltalálni a jövőben. Nyilvánvaló azonban, hogy az anyagnak ebben az állapotában nagy potenciál rejlik, amelyet az emberiség javára lehet használni.
Különös érdeklődés a fellépő fizikai és kémiai folyamatok figyelembevétele irántfolyékony halmazállapotban, amiatt, hogy maga az ember 90%-ban vízből áll, ami a leggyakoribb folyadék a Földön. Ebben zajlik le minden létfontosságú folyamat mind a növényekben, mind az állatok világában. Ezért mindannyiunk számára fontos az anyag folyékony halmazállapotának tanulmányozása.
