Arjessa kohtaamme jatkuvasti kolmea aineen tilaa - nestemäistä, kaasumaista ja kiinteää. Meillä on melko selkeä käsitys siitä, mitä kiinteät aineet ja kaasut ovat. Kaasu on kokoelma molekyylejä, jotka liikkuvat satunnaisesti kaikkiin suuntiin. Kaikki kiinteän kappaleen molekyylit säilyttävät keskinäisen järjestelynsä. Ne värähtelevät vain hieman.
Nestemäisen aineen ominaisuudet
Ja mitä ovat nestemäiset aineet? Niiden pääominaisuus on, että ne miehittää väliaseman kiteiden ja kaasujen välillä ja yhdistävät näiden kahden tilan tietyt ominaisuudet. Esimerkiksi nesteille sekä kiinteille (kiteisille) kappaleille tilavuuden läsnäolo on ominaista. Kuitenkin samalla nestemäiset aineet, kuten kaasut, ottavat sen astian muodon, jossa ne sijaitsevat. Monet meistä uskovat, että niillä ei ole omaa muotoaan. Se ei kuitenkaan ole. Minkä tahansa nesteen luonnollinen muoto -pallo. Painovoima yleensä estää sitä ottamasta tätä muotoa, joten neste joko saa astian muodon tai leviää ohuesti pinnalle.
Aineen nestemäinen tila on ominaisuuksiltaan erityisen monimutkainen sen väliaseman vuoksi. Sitä alettiin tutkia Arkhimedesen ajoista lähtien (2200 vuotta sitten). Nestemäisen aineen molekyylien käyttäytymisen analysointi on kuitenkin edelleen yksi soveltavan tieteen vaikeimmista alueista. Vielä ei ole olemassa yleisesti hyväksyttyä ja täysin täydellistä nesteteoriaa. Voimme kuitenkin sanoa jotain heidän käytöksestään aivan varmasti.
Molekyylien käyttäytyminen nesteessä
Neste on jotain, joka voi virrata. Lyhyen kantaman järjestys havaitaan sen hiukkasten järjestelyssä. Tämä tarkoittaa, että sitä lähinnä olevien naapureiden sijainti minkä tahansa hiukkasen suhteen on järjestetty. Kuitenkin, kun hän siirtyy pois muista, hänen asemansa suhteessa heihin muuttuu yhä vähemmän järjestäytyneeksi, ja sitten järjestys katoaa kokonaan. Nestemäiset aineet koostuvat molekyyleistä, jotka liikkuvat paljon vapaammin kuin kiinteissä aineissa (ja vielä vapaammin kaasuissa). Tietyn ajan jokainen heistä kiirehtii ensin yhteen suuntaan, sitten toiseen, siirtymättä pois naapureistaan. Nestemolekyyli kuitenkin murtuu ympäristöstä aika ajoin. Hän pääsee uuteen paikkaan muuttamalla toiseen paikkaan. Täällä taas, tietyn ajan, hän tekee huojuvia liikkeitä.
Y. I. Frenkelin panos nesteiden tutkimukseen
I. Neuvostoliiton tiedemiehellä I. Frenkelillä on suuria ansioita useiden tutkimusten kehittämisessäongelmia sellaisessa aiheesta kuin nestemäiset aineet. Kemia kehittyi suuresti hänen löytöjensä ansiosta. Hän uskoi, että lämpöliikkeellä nesteissä on seuraava luonne. Tietyn ajan jokainen molekyyli värähtelee tasapainoasennon ympärillä. Se kuitenkin vaihtaa paikkaansa aika ajoin siirtyen äkillisesti uuteen paikkaan, jonka erottaa edellisestä etäisyys, joka on suunnilleen tämän molekyylin kokoinen. Toisin sanoen nesteen sisällä molekyylit liikkuvat, mutta hitaasti. Osa ajasta he oleskelevat tiettyjen paikkojen lähellä. Näin ollen niiden liike on jotain kuin sekoitus liikkeitä kaasussa ja kiinteässä kappaleessa. Vaihtelut yhdessä paikassa hetken kuluttua korvataan vapaalla siirtymisellä paikasta toiseen.
Paine nesteessä
Jotkin nestemäisen aineen ominaisuudet tunnemme, koska olemme jatkuvasti vuorovaikutuksessa niiden kanssa. Joten jokapäiväisen elämän kokemuksesta tiedämme, että se vaikuttaa kiinteiden kappaleiden pinnalle, jotka tulevat kosketuksiin sen kanssa, tiettyjen voimien kanssa. Niitä kutsutaan nesteen painevoimiksi.
Esimerkiksi kun avaat vesihanaa sormella ja käynnistämme veden, tunnemme kuinka se painaa sormea. Ja suuriin syvyyksiin sukeltanut uimari ei vahingossa koe kipua korvissaan. Se selittyy sillä, että tärykalvoon vaikuttavat painevoimat. Vesi on nestemäinen aine, joten sillä on kaikki ominaisuutensa. Veden lämpötilan mittaamiseksi meren syvyydessä erittäin vahvalämpömittarit, jotta nestepaine ei voi murskata niitä.
Tämä paine johtuu puristamisesta, eli nesteen tilavuuden muutoksesta. Sillä on joustavuutta suhteessa tähän muutokseen. Painevoimat ovat elastisuusvoimia. Siksi, jos neste vaikuttaa sen kanssa kosketuksiin joutuviin kappaleisiin, se puristuu. Koska aineen tiheys kasvaa puristuksen aikana, voidaan olettaa, että nesteillä on elastisuutta suhteessa tiheyden muutokseen.
Haihtuminen
Jatkamalla nestemäisen aineen ominaisuuksien tarkastelua, siirrymme haihtumiseen. Sen pinnan lähellä, samoin kuin suoraan pintakerroksessa, vaikuttavat voimat, jotka varmistavat tämän kerroksen olemassaolon. Ne eivät anna siinä olevien molekyylien poistua nesteen tilavuudesta. Kuitenkin lämpöliikkeen vuoksi jotkut niistä kehittävät melko suuria nopeuksia, joiden avulla on mahdollista voittaa nämä voimat ja poistua nesteestä. Kutsumme tätä ilmiötä haihtumiseksi. Se voidaan havaita missä tahansa ilman lämpötilassa, mutta sen noustessa haihtumisen intensiteetti kasvaa.
Kondensaatio
Jos nesteestä poistuneet molekyylit poistetaan tilasta sen pinnan läheltä, kaikki se lopulta haihtuu. Jos siitä lähteviä molekyylejä ei poisteta, ne muodostavat höyryä. Höyrymolekyylit, jotka ovat pudonneet lähelle nesteen pintaa, vetäytyvät siihen vetovoiman vaikutuksesta. Tätä prosessia kutsutaan kondensaatioksi.
Siksi,jos molekyylejä ei poisteta, haihtumisnopeus laskee ajan myötä. Jos höyryn tiheys kasvaa edelleen, saavutetaan tilanne, jossa nesteestä tietyssä ajassa poistuvien molekyylien määrä on yhtä suuri kuin siihen samassa ajassa palaavien molekyylien määrä. Tämä luo dynaamisen tasapainotilan. Siinä olevaa höyryä kutsutaan kylläiseksi. Sen paine ja tiheys kasvavat lämpötilan noustessa. Mitä suurempi se on, sitä suuremmalla määrällä nestemolekyylejä on riittävästi energiaa haihtumiseen ja sitä suurempi on höyryn tiheyden oltava, jotta kondensaatio vastaa haihtumista.
Keetä
Kun nestemäisten aineiden kuumennusprosessissa saavutetaan lämpötila, jossa kyllästetyillä höyryillä on sama paine kuin ulkoisessa ympäristössä, tyydyttyneen höyryn ja nesteen välille syntyy tasapaino. Jos neste luovuttaa lisää lämpöä, vastaava nestemassa muuttuu välittömästi höyryksi. Tätä prosessia kutsutaan keittämiseksi.
Kiehuminen on nesteen voimakasta haihtumista. Se ei esiinny pelkästään pinnasta, vaan koskee sen koko tilavuutta. Nesteen sisään ilmestyy höyrykuplia. Jotta molekyylit pääsisivät nesteestä höyryyn, niiden on hankittava energiaa. Sitä tarvitaan voittamaan houkuttelevat voimat, jotka pitävät ne nesteessä.
Keehumispiste
Kiehumispiste on se, jossaon olemassa kaksi painetta - ulkoinen ja kylläinen höyry. Se kasvaa paineen noustessa ja laskee paineen laskiessa. Koska nesteen paine muuttuu kolonnin korkeuden mukaan, kiehuminen siinä tapahtuu eri tasoilla eri lämpötiloissa. Vain kylläisellä höyryllä, joka on nesteen pinnan yläpuolella kiehumisprosessin aikana, on tietty lämpötila. Sen määrää vain ulkoinen paine. Tätä tarkoitamme, kun puhumme kiehumispisteestä. Se eroaa eri nesteillä, jota käytetään laaj alti tekniikassa, erityisesti öljytuotteiden tislaamisessa.
Latentti höyrystymislämpö on lämpömäärä, joka tarvitaan muuttamaan isotermisesti määritelty määrä nestettä höyryksi, jos ulkoinen paine on sama kuin kylläisen höyryn paine.
Nestekalvojen ominaisuudet
Me kaikki tiedämme kuinka saada vaahtoa liuottamalla saippuaa veteen. Tämä ei ole muuta kuin paljon kuplia, joita rajoittaa ohuin nesteestä koostuva kalvo. Vaahdotusnesteestä voidaan kuitenkin saada myös erillinen kalvo. Sen ominaisuudet ovat erittäin mielenkiintoisia. Nämä kalvot voivat olla erittäin ohuita: niiden paksuus ohuimmissa osissa ei ylitä millimetrin sadasosaa. Ne ovat kuitenkin joskus erittäin vakaita tästä huolimatta. Saippuakalvo voi altistua muodonmuutokselle ja venymiselle, vesisuihku voi kulkea sen läpi tuhoamatta sitä. Kuinka selittää tällainen vakaus? Kalvon ilmestymiseksi on tarpeen lisätä siihen liukenevia aineita puhtaaseen nesteeseen. Mutta ei mikä tahansa, vaan sellainen,joka alentaa pintajännitystä huomattavasti.
Nestekalvot luonnossa ja tekniikassa
Teknologiassa ja luonnossa tapaamme pääasiassa yksittäisten kalvojen sijaan vaahtomuovin, joka on niiden yhdistelmä. Sitä voidaan usein havaita puroissa, joissa pienet purot putoavat tyynelle veteen. Veden vaahtokyky liittyy tässä tapauksessa orgaanisen aineen läsnäoloon, jota kasvien juuret erittävät. Tämä on esimerkki siitä, kuinka luonnolliset nestemäiset aineet vaahtoavat. Mutta entä tekniikka? Rakentamisen aikana käytetään esimerkiksi erikoismateriaaleja, joiden solurakenne muistuttaa vaahtoa. Ne ovat kevyitä, halpoja, riittävän vahvoja, johtavat huonosti ääntä ja lämpöä. Niiden saamiseksi lisätään erikoisliuoksiin vaahdotusaineita.
Johtopäätös
Olemme siis oppineet, mitkä aineet ovat nestemäisiä, ja havainneet, että neste on aineen välitila kaasumaisen ja kiinteän välillä. Siksi sillä on molemmille ominaisia ominaisuuksia. Nykyään tekniikassa ja teollisuudessa laajasti käytössä olevat nestekiteet (esimerkiksi nestekidenäyttöjen) ovat erinomainen esimerkki tästä aineen tilasta. Niissä yhdistyvät kiinteiden aineiden ja nesteiden ominaisuudet. On vaikea kuvitella, mitä nestemäisiä aineita tiede keksii tulevaisuudessa. On kuitenkin selvää, että tässä aineen tilassa on suuri potentiaali, jota voidaan käyttää ihmiskunnan hyväksi.
Erityinen kiinnostus tapahtuvien fysikaalisten ja kemiallisten prosessien huomioon ottamiseennestemäisessä tilassa, koska ihminen itse koostuu 90% vedestä, joka on yleisin neste maan päällä. Siinä kaikki elintärkeät prosessit tapahtuvat sekä kasveissa että eläinmaailmassa. Siksi meidän kaikkien on tärkeää tutkia aineen nestemäistä tilaa.
