Большая Советская Энциклопедия (ЖИ) - БСЭ БСЭ

  Теплоёмкость некоторых веществ [в дж/(кг·К)], при температуре кристаллизации

  Молекулярная теория Ж. По своей природе силы межмолекулярного взаимодействия в Ж. и кристаллах одинаковы и имеют примерно одинаковые величины. Наличие в Ж. сильного межмолекулярного взаимодействия обусловливает, в частности, существование поверхностного натяжения на границе Ж. с любой др. средой. Благодаря поверхностному натяжению Ж. стремится принять такую форму, при которой её поверхность (при данном объёме) минимальна. Небольшие объёмы Ж. имеют обычно характерную форму капли. В отсутствии внешних сил, когда действуют только межмолекулярные силы (например, в условиях невесомости), Ж. приобретает форму шара. Влияние поверхностного натяжения на равновесие и движение свободной поверхности Ж., границ Ж. с твёрдыми телами или границ между несмешивающимися Ж. относится к области капиллярных явлений.

  Фазовое состояние вещества зависит от физических условий, в которых оно находится, главным образом от температуры Т и давления р. Характерной определяющей величиной является зависящее от температуры и давления отношение e(Т, р) средней потенциальной энергии взаимодействия молекул к их средней кинетической энергии. Для твёрдых тел e (Т, р) >> 1; это значит, что силы межмолекулярного взаимодействия велики и удерживают молекулы (атомы, ионы) вблизи равновесных положений — узлов кристаллической решётки, несмотря на тепловое движение частиц. В твёрдых телах тепловое движение имеет характер коллективных колебаний атомов (ионов) около узлов кристаллической решётки.

  В газах осуществляется обратный предельный случай e (Т, р) << 1; силы притяжения между молекулами недостаточны, чтобы удержать их вблизи друг от друга, вследствие чего положения и скорости молекул распределены почти хаотически.

  Для Ж. e (Т, р)~1: интенсивности упорядочивающих межмолекулярных взаимодействий и разупорядочивающего теплового движения молекул имеют сравнимые значения, чем и определяется вся специфичность жидкого состояния вещества. Тепловое движение молекул в неметаллических Ж. состоит из сочетания коллективных колебательных движений того же типа, что и в кристаллических телах, и происходящих время от времени скачков молекул из одних временных положений равновесия (центров колебаний) в другие. Каждый скачок происходит при сообщении молекуле энергии активации, достаточной для разрыва её связей с окружающими молекулами и перехода в окружение др. молекул. В результате большого числа таких скачков молекулы Ж. более или менее быстро перемешиваются (происходит самодиффузия, которую можно наблюдать, например, методом меченых атомов). Характерные частоты скачков составляют ~1011—1012 сек-—1 для низкомолекулярных Ж., много меньше для высокомолекулярных, а в отдельных случаях, например для сильно вязких Ж. и стекол, могут оказаться чрезвычайно низкими. При наличии внешней силы, сохраняющей своё направление более длительное время, чем интервалы между скачками, молекулы перемещаются в среднем в направлении этой силы. Т. о., статические или низкочастотные механические воздействия приводят к проявлению текучести Ж. как суммарному эффекту от большого числа молекулярных переходов между временными положениями равновесия. При частоте воздействий, превышающей характерные частоты молекулярных скачков, у Ж. наблюдаются упругие эффекты (например, сдвиговая упругость), типичные для твёрдых тел. Однородность и изотропность нормальных Ж. молекулярная теория Ж. объясняет отсутствием у них дальнего порядка во взаимных положениях и ориентациях молекул (см. Дальний порядок и ближний порядок). Положения и ориентации двух или более молекул, расположенных далеко друг от друга, оказываются статистически независимыми. В идеальном кристаллическом теле, как правило, существует «жёсткий» дальний порядок в расположении и ориентации молекул (атомов, ионов). В жидком кристалле дальний порядок наблюдается лишь в ориентации молекул, но он отсутствует в их расположении.

  Ж. иногда разделяют на неассоциированные и ассоциированные, в соответствии с простотой или сложностью их термодинамических свойств. Предполагается, что в ассоциированных Ж. есть сравнительно устойчивые группы молекул — комплексы, проявляющие себя как одно целое. Существование подобных комплексов в некоторых растворах доказывается прямыми физическими методами. Наличие устойчивых ассоциаций молекул в однокомпонентных Ж. недостоверно.

  Основой современных молекулярных теорий жидкого состояния послужило экспериментальное обнаружение в Ж. ближнего порядка — согласования (корреляции) во взаимных положениях и ориентациях близко расположенных групп, состоящих из 2, 3 и большего числа молекул. Эти статистической корреляции, определяющие молекулярную структуру жидкости, простираются на область протяжённостью порядка несколько межатомных расстояний и быстро исчезают для далеко расположенных друг от друга частиц (отсутствие дальнего порядка). Структурные исследования реальных Ж., позволившие установить эту особенность жидкого состояния, производятся методами рентгеновского структурного анализа и нейтронографии.

  По структуре и способам их описания Ж. делят на простые и сложные. К первому сравнительно малочисленному классу относят однокомпонентные атомарные жидкости. Для описания свойств таких Ж. достаточно указать лишь взаимное расположение атомов. К этому классу Ж. относятся жидкие чистые металлы, сжиженные инертные газы и (с некоторыми оговорками) Ж. с малоатомными симметричными молекулами, например CCl4. Для простых Ж. результаты рентгено-структурного или нейтронографического анализа могут быть выражены с помощью т. н. радиальной функции распределения g (r) (см. рис.). Эта функция характеризует распределение частиц вблизи произвольно выбранной частицы, т. к. значения g (r) пропорциональны вероятности нахождения двух атомов (молекул) на заданном расстоянии r друг от друга. Ход кривой g (r) наглядно показывает существование определённой упорядоченности в простой Ж. — в ближайшее окружение каждой частицы входит в среднем определённое число частиц. Для каждой Ж. детали функции g (r) незначительно меняются с изменением температуры и давления. Расстояние до первого пика определяет среднее межатомное расстояние, а по площади под первым пиком можно восстановить среднее число соседей (среднее координационное число) атома в Ж. В большинстве случаев эти характеристики вблизи линии плавления оказываются близкими к кратчайшему межатомному расстоянию и координационному числу в соответствующем кристалле. Однако, в отличие от кристалла, истинное число соседей у частицы и истинное межатомное расстояние в Ж. являются не постоянными числами, а случайными величинами, и по графику g (r) устанавливаются лишь их средние значения.

  При сильном нагревании Ж. и приближении к газовому состоянию ход функции g (r) постепенно сглаживается соответственно уменьшению степени ближнего порядка. В разреженном газе g (r)»1.

  Для сложных Ж. п для жидких смесей расшифровка рентгенограмм более сложна и во многих случаях полностью не может быть осуществлена. Исключение составляет вода и некоторые др. низкомолекулярные Ж., для которых имеются довольно полные исследования и описания их статистической структуры.

  Теория кинетических и динамических свойств Ж. (диффузии, вязкости и т. д.) разработана менее полно, чем равновесных свойств (теплоёмкости и др.). Динамическая теория жидкого состояния весьма сложна и пока не получила достаточного развития. В теории Ж. большое развитие получили численные методы, позволяющие рассчитывать свойства простых Ж. с помощью быстродействующих вычислительных машин. Наибольший интерес представляет метод молекулярной динамики, непосредственно моделирующий на вычислительной машине совместное тепловое движение большого числа молекул при заданном законе их взаимодействия и по прослеженным траекториям многих отдельных частиц восстанавливающий все необходимые статистические сведения о системе. Таким путём получены точные теоретические результаты относительно структуры и термодинамических свойств простых неметаллических Ж. Отдельную и ещё не решенную проблему составляет вопрос о структуре и свойствах простых Ж. в непосредственной окрестности критической точки. Некоторые успехи были здесь достигнуты в последнее время методами теории подобия. В целом проблема критических явлений для чистых Ж. и смесей остаётся ещё недостаточно выясненной.