Особливості будови і теплового руху в рідинах

По внутрішній структурі рідина займає проміжне місце між газами і твердими тілами. Дослідження, проведені останнім часом, свідчать, що рідина по своїй будові скоріше ближче до кристалу, ніж до газу. На це вказує кількісна близькість щільності, питомих теплоємність, коефіцієнтів об’ємного розширення рідин і кристалів. Порівняння теплоти плавлення і пароутворення показує, що остання в 30-40 разів більше теплоти плавлення.
На підставі вивчення розсіяння рентгенівських променів, нейтронів і електронів встановлено, що рідина має своєрідну молекулярною структурою: найближчі сусіди кожної молекули рідини розташовуються в певному порядку, так що число найближчих сусідів і їх взаємне розташування в середньому для всіх молекул однакові, тобто в рідині існує так званий ближній порядок. Таким чином, ближній порядок полягає в упорядкованому розташуванні близько довільно обраної молекули деякого числа її найближчих сусідів.
Структура рідини і її фізичні властивості описуються набором функцій розподілу, що встановлюють вірогідну зв’язок між взаємним розташуванням молекул. Найбільше значення має радіальна функція розподілу G (r). Ця функція визначає число часток, що знаходяться в кульовому шарі товщиною Δr на відстані r від довільно обраної (центральної) частинки. Число таких часток визначається рівністю
, (6.2)

Рис. 6.2
де – середня концентрація часток. Радіальна функція розподілу визначається експериментально з даних рентгеноструктурного аналізу, електронографії і нейтронографії. На основі цих досліджень встановлено, що в рідинах функція розподілу изотропна, але залежить від відстані і має вигляд, представлений на рис. 6.2. З рис. 6.2 видно, що функція G (r) коливається біля значення середньої щільності (пунктирна лінія) і на великих відстанях стає рівною цього середнього значення. Вид функції G (r) свідчить про те, що різні відстані між молекулами НЕ різновірогідні. Останнє і означає, що рідина має внутрішню структуру, яка характеризується ближнім порядком.
Стан рідини, як і будь-який інший термодинамічної системи, може бути описано рівнянням стану. Проте вигляд цього рівняння отриманий тільки для деяких окремих випадків, наприклад, для простих рідин, що складаються з сферически симетричних молекул, в припущенні, що взаємодія між молекулами носить парний характер і здійснюється центральними силами. Вид рівняння стану рідин залежить від виду функцій G (r) і U (r) (потенційна енергія взаємодії молекул), для знаходження яких розроблено ряд теоретичних методів.
Багато особливості поведінки рідини обумовлені вельми складним характером теплового руху її молекул. Для рідини характерно існування різних типів руху: поступальні переміщення молекул, обертання молекул, коливання молекул в полі сусідніх молекул, коливання атомів всередині окремих молекул. Складність полягає в тому, що всі ці типи рухів не можна, строго кажучи, розглядати порізно в “чистому вигляді”, оскільки існує сильне взаємний вплив рухів.
Існують різні моделі, в яких робляться спроби поєднати зазначені види рухів. До числа таких моделей відноситься “модель дифузії стрибком”. Відповідно до цієї моделі молекули рідини здійснюють теплові коливання біля положення рівноваги із середньою частотою, близькою до частот коливання атомів в кристалах, і амплітудою, яка визначається вільним об’ємом, що надається молекулі її сусідами. Зрідка в порівнянні з періодом коливання біля положення рівноваги, після закінчення часу, ці положення рівноваги зміщуються на відстань близько 10-8 см. У звичному нам масштабі часу за одну секунду молекула в рідини може змінювати своє положення мільярди разів.
Переміщення молекули з одного рівноважного положення в інше відбувається не безперервно, а у вигляді активованих стрибків з подоланням потенційного бар’єру висотою W (енергія активації). Цю енергію молекула може отримати в процесі взаємодії з іншими молекулами.

Існує також інша модель теплового руху в рідині, згідно з якою молекула веде себе таким чином: вона робить коливання в оточенні своїх сусідів, а саме це оточення плавно переміщається в просторі (“пливе”) і при цьому поступово деформується. Така модель теплового руху в рідині називається “моделлю безперервної дифузії”.

Посилання на основну публікацію