Жидкое состояние является промежуточным между газообразным состоянием и твердым состоянием. Можно предположить, что жидкое состояние состоит из твердого и газообразного состояний.
Трактовка жидкого состояния, как её преподносят в школе, вызывает недоверие. Действительно, плотности жидкостей мало отличаются от плотностей твёрдых тел, следовательно, расстояния между элементами твёрдых и жидких тел одинаковые и, следовательно, силы, действующие между элементами твёрдого и жидкого тел, близки друг другу по величине. Тем не менее, жидкости изменяют свою форму при малых силах воздействия, а твёрдые тела нет.
Жидкое состояние трактуется как состояние системы молекул с ближним порядком и дальним беспорядком. Такая трактовка ошибочна, так как всегда можно переместиться из точки, где существует ближний порядок в точку, где ближнего порядка нет, совершив множество микроперемещений.
Шаг каждого перемещения меньше радиуса области с ближним порядком. Поэтому, можно предположить, что вокруг каждой новой точки существует ближний порядок. Следовательно, дальний беспорядок должен отсутствовать. Но такой беспорядок в природе существует.
Однажды сверкнула странная мысль, что все жидкости состоят из двух фазовых состояний: твёрдой фазы и газовой фазы. Привыкнув к этой мысли, понял, что это правильное понимание жидкого состояния.
Действительно, в каждый момент времени, в каждой точке жидкости происходят тепловые взаимодействия элементов жидкости. Вследствие тепловых взаимодействий происходит обмен импульсами и, следовательно, соответственно изменяется энергия субъектов взаимодействия. Уровень энергии определяет фазовое состояние элементов жидкости.
Каждый элемент жидкости, например, атом в процессе тепловых взаимодействий изменяет своё энергетическое состояние в диапазоне, определяемом распределением Максвелла- Больцмана.
Структурные элементы жидкости, имеющие энергию характерную для газового состояния, назовём горячими, а элементы жидкости, имеющие энергию характерную для твёрдого состояния – холодными.
В каждый момент времени при данной температуре в единичном объёме жидкости содержится определённое количество горячих и холодных элементов. Отношение количества горячих элементов к холодным назовём критерием текучести.
При абсолютном нуле критерий текучести равен нулю, а при газовом состоянии стремится к бесконечности. Следовательно, при абсолютном нуле существует только кристаллическая (твёрдая) фаза, а в газовой фазе (при температуре разрушения элементов газовой фазы) кристаллической (твёрдой) фазы нет.
Понятно, что текучесть жидкости является также функцией частоты тепловых взаимодействий элементов жидкости. Частота, в свою очередь, является функцией массы элементов жидкости и сил действующих на элементы жидкости при тепловых взаимодействиях. Понятно также, что и критерий текучести, и частота тепловых взаимодействий являются функцией температуры.
Известно, что между двумя взаимодействующими атомами (при их тепловых движениях) существует такое расстояние, при котором силы отталкивания равны силам притяжения. При таком расстоянии потенциальная энергия этих атомов наименьшая – это минимум потенциальной ямы.
При уменьшении этого расстояния – между атомами резко возрастают силы отталкивания, а при увеличении этого расстояния – возрастают силы притяжения. Если силы отталкивания так велики, что сообщают атомам при их разлёте кинетическую энергию большую чем глубина потенциальной ямы, то атомы разрывают действующие между ними силовые связи.
Такая энергия характерна для газового состояния. Атомы, имеющие такую энергию, могут покинуть твёрдое тело, если находятся на поверхности тела. О силовых связях смотри:
Все параметры, характерные для жидкого состояния, определяются соотношением параметров и формы потенциальной ямы между элементами жидкости и распределением элементов жидкости по энергиям при данной температуре.
При этом определяющим фактором является положение этого распределения относительно потенциальной ямы. С некоторой погрешностью можно считать, что при твёрдом состоянии распределение находится внутри потенциальной ямы, а при газовом состоянии – вне потенциальной ямы. При жидком состоянии распределение по энергиям в потенциальной яме с повышением температуры изменяется от положения при твёрдом состоянии до положения при газовом состоянии.
Сказанного достаточно для понимания многих свойств жидкой фазы. Рассмотрим несколько проявлений жидкого состояния.
1. Испарение.
Все, находящиеся на поверхности горячие элементы жидкости, могут покинуть тело, т.е. испариться.
2.Хрупкий излом вытекающей струи.
Если на вытекающую струю воды действует очень быстрый импульс силы, то струя разрушается хрупко. Это значит, что время импульса меньше периода тепловых взаимодействий.
3. Феномен дельфина.
Дельфины очень любят плыть перед движущимся судном. Дело в том, что перед движущимся судном образуется пологая горка воды и дельфин скатывается с этой горки, а движущееся судно, двигая перед собой кристаллическую фазу воды, толкает дельфина в направлении движения.
Понятно, что структура, передающая усилие от судна дельфину – метастабильна, но и скорость передачи импульса велика – она равна скорости звука в воде.
4. Турбулентность.
Турбулентное течение в жидкости можно объяснить наличием твёрдой фазы макроразмеров. Эти области получают момент вращения, который трансформируется в вихрь. Количество твёрдой фазы убывает с повышением температуры жидкости, поэтому увеличивается скорость, при которой ламинарное течение жидкости превращается в турбулентное.
5.Плавление.
Плавление аморфного твёрдого тела происходит в соответствии с предлагаемой концепцией – подвижность элементов тела увеличивается пропорционально увеличению температуры. Монокристаллическое тело ведёт себя при плавлении иначе – плавится при определённой температуре.
Поведение твёрдых тел при плавлении определяется их структурой. Существуют три разновидности структур: монокристаллическая, поликристаллическая и аморфная. Предположим, что аморфная структура является микрокристаллической, поскольку кристаллы не успевают вырасти, и фиксируются в зародышевом состоянии.
Такой подход позволяет связать поведение твёрдого тела при его плавлении с размерами кристаллов и, следовательно, с их количеством в единице объёма. С увеличение количества кристаллов в единице объёма увеличивается количество слабых межкристаллических силовых связей. В монокристалле таких связей нет – все связи статистически неразличимы, в аморфной структуре их много, а в поликристаллической структуре – промежуточное количество.
Выводы.
1. Все жидкости состоят из двух фазовых состояний – твёрдой фазы и газовой фазы.
2. Фазовые состояния сосуществуют в динамическом режиме и взаимно заменяются с частотой тепловых взаимодействий элементов жидкости.
3. Текучесть жидкостей определяется соотношением твёрдой и газовой фаз.
Эффект дельфина.
Можно предположить, что одной из причин быстрого и экономного плавания дельфина является изменение структуры воды перед дельфином. Это изменение происходит вследствие разрушения твёрдых структурных образований воды, испускаемыми дельфином импульсами ультразвука, которые превращают воду в некоторое подобие сверхкритического флюида. Поэтому дельфин плывёт, покрытый снаружи слоем флюида, как газовой смазкой.
Полагаю, что необходимо провести эксперимент по обнаружению эффекта дельфина. Положительный результат позволит всем плавающим средствам плавать быстрее и экономичнее. В любом случае обнаружение эффекта интересно для правильного понимания природы.
Количество просмотров публикации: -