Модельные представления о строении жидкостей, газов и кристаллов

Российский  Государственный  Университет  инновационных

технологий  и предпринимательства

Пензенский  филиал

Кафедра естественнонаучных дисциплин 
 
 
 
 

Реферат

По дисциплине «Концепции современного естествознания»

Тема: «Модельные представления о  строении жидкостей, газов и кристаллов» 
 
 
 
 

Выполнила: студентка гр. 10Э1 А. Антошкина

Проверила: доцент Г. В. Суровицкая 
 
 
 

Пенза 2010

                                    

Содержание

Введение

Глава 1. Жидкость

   1.1.Понятие жидкости

  1.2. Расположение молекул в жидкости

  1.3.Свойства жидкости

Глава 2. Газ

   2.1.Понятие газа

   2.2.Движение молекул

   2.3.Свойства газа

Глава 3. Кристаллы

   3.1.Понятие кристаллов

   3.2.типы  кристаллических  решеток

   3.3. Свойства кристаллов, форма и сингония

Заключение

Список  литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

По  ощущениям, которые  вызывают различные  вещества (тела из веществ) у органов чувств человека, все они  могут быть разделены  на три главные  группы: газообразные, жидкие и кристаллические (твердые).

Газы  не имеют собственной  поверхности и  собственного объема. Они полностью  занимают тот сосуд, в котором находятся. Газы обладают неограниченной способностью к расширению при повышении  температуры и  понижении давления. Расстояния между молекулами в газах во много раз больше размеров самих молекул, а взаимодействия между ними, так называемые межмолекулярные взаимодействия, слабы, и молекулы в газе движутся практически независимо друг от друга. Расположение частиц в газе почти полностью беспорядочное (хаотичное).

Кристаллы, как и все твердые  тела, имеют поверхность, отделяющую их от других твердых тел, и  соотносящийся с  ней объем, которые  не изменяются (точнее, изменяются очень  незначительно) в  поле тяготения. Расстояния между частицами  в кристаллах значительно  меньше, чем в газах, а межмолекулярные  или межатомные (если кристалл построен из атомов одного элемента) взаимодействия намного  сильнее, чем в газах и жидкостях.  Частицы в кристалле распределены в некотором довольно строгом закономерном порядке, образуя кристаллическую решетку. Частицы, составляющие кристаллическую решетку, сравнительно прочно закреплены на своих местах. Отличительной особенностью кристаллов является то, что их свойства неодинаковы в различных направлениях. Это явление называется анизотропией свойств.

Жидкости  сочетают многие свойства газообразного и  кристаллического состояний. Они имеют поверхность  и объем, на которые  влияют изменения  положения сосуда с жидкостью в  поле тяготения. Жидкость в поле тяготения  занимает нижнюю часть  сосуда, в котором она находится. Молекулы в жидком веществе связаны между собой значительно более прочными межмолекулярными силами, чем в газе. Упорядоченность в расположении частиц у жидких веществ также намного выше, чем у газов. В некоторых жидкостях, например в воде, отдельные очень небольшие объемы имеют упорядоченность, близкую к упорядоченности в кристаллах.

В докладе я попыталась раскрыть сущность каждого  состояния вещества: жидкого, газообразного  и кристаллического.  Описала свойства веществ, расположение молекул и кристаллические  решетки. Сейчас более  подробно рассмотрим каждое вещество, модельно представляя ее. 
 

Глава 1. Жидкость

1.1 Понятие жидкости

    Каждый из нас без труда припомнит немало веществ, которые он считает жидкостями. Однако дать точное определение этого состояния вещества не так-то просто. Жидкость занимает как бы промежуточное положение между кристаллическим твердым телом, отличающимся полной упорядоченностью в расположении образующих его частиц (ионов, атомов, молекул) и газом, молекулы которого находятся в состоянии хаотического (беспорядочного) движения.

     Форма жидких тел  может полностью  или отчасти определяться  тем, что их  поверхность ведёт  себя как упругая  мембрана. Так, вода  может собираться  в капли. Но  жидкость способна  течь даже под  своей неподвижной  поверхностью, и это  тоже означает  не сохранение  формы (внутренних  частей жидкого  тела).

    Молекулы жидкости  не имеют определённого  положения, но  в то же время  им недоступна  полная свобода  перемещений. Между  ними существует  притяжение, достаточно  сильное, чтобы  удержать их на  близком расстоянии. Вещество в жидком  состоянии существует  в определённом  интервале температур, ниже которого  переходит в твердое  состояние (происходит  кристаллизация либо  превращение в  твердотельное аморфное  состояние — стекло), выше — в газообразное (происходит  испарение). Границы  этого интервала  зависят от давления .Как правило, вещество в жидком состоянии имеет только одну модификацию. (Наиболее важные исключения — это квантовые жидкости и жидкие кристаллы.) Поэтому в большинстве случаев жидкость является не только агрегатным состоянием, но и термодинамической фазой (жидкая фаза).Все жидкости принято делить на чистые жидкости и смеси. Некоторые смеси жидкостей имеют большое значение для жизни: кровь, морская вода и др. Жидкости могут выполнять функцию растворителей.

1.2. Расположение молекул в жидкости

     Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой. Каждая молекула жидкости, также как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако, время от времени любая молекула может переместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах , и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей. Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком (рис.1).  

Рис.1.  пример ближнего порядка  молекул жидкости и дальнего порядка  молекул кристаллического вещества: 1.1 – вода; 1. – лед. 

 

Рис. 2. водяной пар (1) и вода (2). Молекулы воды увеличены примерно в 5·107 раз.

    Рис.2  иллюстрирует отличие газообразного вещества от жидкости на примере воды. Молекула воды H2O состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, расположенных под углом 104°. Среднее расстояние между молекулами пара в десятки раз превышает среднее расстояние между молекулами воды. В отличие от рис.1, где молекулы воды изображены в виде шариков, рис.2 дает представление о структуре молекулы воды. Вследствие плотной упаковки молекул сжимаемость жидкостей, т. е. изменение объема при изменении давления, очень мала; она в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем в газах. 

                                  

1.3.Свойства жидкости

Текучесть. Основным свойством жидкостей является текучесть. Если к участку жидкости, находящейся в равновесии, приложить внешнюю силу, то возникает поток частиц жидкости в том направлении, в котором эта сила приложена: жидкость течёт. Таким образом, под действием неуравновешенных внешних сил жидкость не сохраняет форму и относительное расположение частей, и поэтому принимает форму сосуда, в котором находится. В отличие от пластичных твёрдых тел, жидкость не имеет предела текучести: достаточно приложить сколь угодно малую внешнюю силу, чтобы жидкость потекла.

Сохранение  объёма. Одним из характерных свойств жидкости является то, что она имеет определённый объём (при неизменных внешних условиях). Жидкость чрезвычайно трудно сжать механически, поскольку, в отличие от газа, между молекулами очень мало свободного пространства. Давление, производимое на жидкость, заключенную в сосуд, передаётся без изменения в каждую точку объёма этой жидкости (закон Паскаля, справедлив также и для газов). Эта особенность, наряду с очень малой сжимаемостью, используется в гидравлических машинах. Жидкости обычно увеличивают объём (расширяются) при нагревании и уменьшают объём (сжимаются) при охлаждении. Впрочем, встречаются и исключения, например, вода сжимается при нагревании, при нормальном давлении и температуре от 0 °C до приблизительно 4 °C.

Вязкость. Кроме того, жидкости (как и газы) характеризуются вязкостью. Она определяется как способность оказывать сопротивление перемещению одной из части относительно другой — то есть как внутреннее трение. Когда соседние слои жидкости движутся относительно друг друга, неизбежно происходит столкновение молекул дополнительно к тому, которое обусловлено тепловым движением. Возникают силы, затормаживающие упорядоченное движение. При этом кинетическая энергия упорядоченного движения переходит в тепловую — энергию хаотического движения молекул .Жидкость в сосуде, приведённая в движение и предоставленная самой себе, постепенно остановится, но её температура повысится.

Образование свободной поверхности  и поверхностное  натяжение. Из-за сохранения объёма жидкость способна образовывать свободную поверхность. Такая поверхность является поверхностью раздела фаз данного вещества: по одну сторону находится жидкая фаза, по другую — газообразная (пар), и, возможно, другие газы, например, воздух. Если жидкая и газообразная фазы одного и того же вещества соприкасаются, возникают силы, которые стремятся уменьшить площадь поверхности раздела — силы поверхностного натяжения. Поверхность раздела ведёт себя как упругая мембрана, которая стремится стянуться. Поверхностное натяжение может быть объяснено притяжением между молекулами жидкости. Каждая молекула притягивает другие молекулы, стремится «окружить» себя ими, а значит, уйти с поверхности. Соответственно, поверхность стремится уменьшиться. Поэтому мыльные пузыри и пузыри при кипении стремятся принять сферическую форму: при данном объёме минимальной поверхностью обладает шар. Если на жидкость действуют только силы поверхностного натяжения, она обязательно примет сферическую форму — например, капли воды в невесомости. Маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила тяготения меньше силы, препятствующей увеличению площади поверхности. (См. Поверхностное натяжение.)

Испарение и конденсация.  Испарение — постепенный переход вещества из жидкости в газообразную фазу (пар). При тепловом движении некоторые молекулы покидают жидкость через её поверхность и переходят в пар. Вместе с тем, часть молекул переходит обратно из пара в жидкость. Если из жидкости уходит больше молекул, чем приходит, то имеет место испарение. Конденсация — обратный процесс, переход вещества из газообразного состояния в жидкое. При этом в жидкость переходит из пара больше молекул, чем в пар из жидкости. Испарение и конденсация — неравновесные процессы, они происходят до тех пор, пока не установится локальное равновесие (если установится), причём жидкость может полностью испариться, или же прийти в равновесие со своим паром, когда из жидкости выходит столько же молекул, сколько возвращается.

     Кипение — процесс парообразования внутри жидкости. При достаточно высокой температуре давление пара становится выше давления внутри жидкости, и там начинают образовываться пузырьки пара, которые (в условиях земного притяжения) всплывают наверх.

   Смачивание —  поверхностное явление,  возникающее при  контакте жидкости  с твёрдой поверхностью  в присутствии  пара, то есть на  границах раздела  трёх фаз. Смачивание  характеризует «прилипание»  жидкости к поверхности  и растекание по  ней (или, наоборот, отталкивание и  не растекание).  Различают три  случая: не смачивание, ограниченное смачивание  и полное смачивание.

    Смешиваемость —  способность жидкостей  растворяться друг  в друге. Пример  смешиваемых жидкостей:  вода и этиловый  спирт, пример  несмешиваемых: вода  и жидкое масло.

Диффузия.  При нахождении в сосуде двух смешиваемых жидкостей молекулы в результате теплового движения начинают постепенно проходить через поверхность раздела, и таким образом жидкости постепенно смешиваются. Это явление называется диффузией (происходит также и в веществах, находящихся в других агрегатных состояниях).

Перегрев  и переохлаждение. Жидкость можно нагреть выше точки кипения таким образом, что кипения не происходит. Для этого необходим равномерный нагрев, без значительных перепадов температуры в пределах объёма и без механических воздействий, таких, как вибрация. Если в перегретую жидкость бросить что-либо, она мгновенно вскипает. Перегретую воду легко получить в микроволновой печи. Переохлаждение — охлаждение жидкости ниже точки замерзания без превращения в твёрдое агрегатное состояние. Как и для перегрева, для переохлаждения необходимо отсутствие вибрации и значительных перепадов температуры.