sıvı - Liquid

Küresel bir sıvı su damlacığının oluşumu, sıvılardaki yüzey geriliminin doğal sonucu olan yüzey alanını en aza indirir .

Bir sıvı , kabının şekline uyan, ancak basınçtan bağımsız (neredeyse) sabit bir hacmi koruyan , neredeyse sıkıştırılamaz bir sıvıdır . Bu haliyle, maddenin dört temel durumundan biridir (diğerleri katı , gaz ve plazmadır ) ve belirli bir hacmi olan ancak sabit bir şekli olmayan tek durumdur. Bir sıvı, moleküller arası bağlarla bir arada tutulan atomlar gibi küçük titreşen madde parçacıklarından oluşur . Bir gaz gibi, bir sıvı akabilir ve bir kap şeklini alabilir. Çoğu sıvı sıkıştırmaya direnir, ancak diğerleri sıkıştırılabilir. Bir gazın aksine, bir sıvı, bir kabın her alanını doldurmak için dağılmaz ve oldukça sabit bir yoğunluğu korur. Sıvı halin ayırt edici bir özelliği, ıslanma fenomenine yol açan yüzey gerilimidir . Su , açık ara Dünya'daki en yaygın sıvıdır.

Yoğunluk , bir sıvının, genellikle yakın bir katı, ve bir gaz içinde çok daha yüksek bu etmektir. Bu nedenle sıvı ve katı hem yoğun madde olarak adlandırılır . Öte yandan, sıvılar ve gazlar akma kabiliyetini paylaştıklarından her ikisine de sıvı denir . Dünya'da sıvı su bol olmasına rağmen, maddenin bu hali bilinen evrende en az görülen durumdur, çünkü sıvıların var olması için nispeten dar bir sıcaklık/basınç aralığı gerekir. Evrendeki en bilinen madde gaz halinde (tespit edilebilir katı madde izleriyle birlikte) yıldızlararası bulutlar veya yıldızların içinden plazma halindedir .

Tanıtım

Sıcak ve soğuk suyun birbirine nasıl aktığını gösteren, soğuk su eklenmiş sıcak suyla dolu bir lavabonun termal görüntüsü.

Sıvı, maddenin dört ana durumundan biridir , diğerleri katı, gaz ve plazmadır . Bir sıvı bir sıvıdır . Katıdan farklı olarak, sıvıdaki moleküller çok daha fazla hareket özgürlüğüne sahiptir. Molekülleri bir katıda birbirine bağlayan kuvvetler, bir sıvıda yalnızca geçicidir ve katı katı kalırken sıvının akmasına izin verir.

Gaz gibi bir sıvı, bir sıvının özelliklerini gösterir. Bir sıvı akabilir, bir kap şeklini alabilir ve kapalı bir kaba konulursa, kaptaki her yüzeye uygulanan basıncı eşit olarak dağıtacaktır. Sıvı bir torbaya konursa, herhangi bir şekle sıkılabilir. Bir gazın aksine, bir sıvı neredeyse sıkıştırılamaz, yani geniş bir basınç aralığında neredeyse sabit bir hacim kaplar; genellikle bir kaptaki mevcut alanı doldurmak için genişlemez, ancak kendi yüzeyini oluşturur ve her zaman başka bir sıvı ile kolayca karışmayabilir. Bu özellikler, bir sıvıyı hidrolik gibi uygulamalar için uygun hale getirir .

Sıvı parçacıklar sıkıca bağlanır ancak katı değildir. Birbirlerinin etrafında serbestçe hareket edebilirler, bu da sınırlı derecede parçacık hareketliliği ile sonuçlanır. Sıcaklık arttıkça moleküllerin artan titreşimleri moleküller arasındaki mesafelerin artmasına neden olur. Bir sıvı kaynama noktasına ulaştığında , molekülleri birbirine sıkıca bağlayan kohezif kuvvetler kırılır ve sıvı gaz haline geçer ( aşırı ısınma olmadıkça ). Sıcaklık düşürülürse, moleküller arasındaki mesafeler küçülür. Sıvı donma noktasına ulaştığında , moleküller genellikle kristalleşme adı verilen çok özel bir düzende kilitlenir ve aralarındaki bağlar daha katı hale gelerek sıvıyı katı haline dönüştürür ( aşırı soğuma olmadıkça ).

Örnekler

Standart sıcaklık ve basınç koşullarında sadece iki element sıvıdır : cıva ve brom . Dört elementin daha oda sıcaklığının biraz üzerinde erime noktaları vardır : fransiyum , sezyum , galyum ve rubidyum . Oda sıcaklığında sıvı olan metal alaşımları arasında NaK , bir sodyum-potasyum metal alaşımı, galistan , eriyebilir bir alaşım sıvısı ve bazı amalgamlar (cıva içeren alaşımlar) bulunur.

Normal koşullar altında sıvı olan saf maddeler arasında su, etanol ve diğer birçok organik çözücü bulunur. Sıvı su kimya ve biyolojide hayati öneme sahiptir; yaşamın varlığı için bir gereklilik olduğuna inanılır.

İnorganik sıvılar arasında su, magma, inorganik susuz çözücüler ve birçok asit bulunur .

Önemli günlük sıvılar arasında ev tipi çamaşır suyu gibi sulu çözeltiler , mineral yağ ve benzin gibi farklı maddelerin diğer karışımları , salata sosu veya mayonez gibi emülsiyonlar , kan gibi süspansiyonlar ve boya ve süt gibi kolloidler bulunur .

Birçok gaz, sıvı oksijen , sıvı nitrojen , sıvı hidrojen ve sıvı helyum gibi sıvılar üreterek soğutma yoluyla sıvılaştırılabilir . Bununla birlikte, tüm gazlar atmosfer basıncında sıvılaştırılamaz. Örneğin karbondioksit sadece 5.1 atm'nin üzerindeki basınçlarda sıvılaştırılabilir .

Bazı malzemeler maddenin klasik üç hali içinde sınıflandırılamaz; katı benzeri ve sıvı benzeri özelliklere sahiptirler. Örnekler , LCD ekranlarda kullanılan sıvı kristalleri ve biyolojik zarları içerir .

Uygulamalar

Bir lav lambası , konveksiyon nedeniyle hareket katan iki karışmaz sıvı (erimiş mum ve sulu çözelti) içerir. Üst yüzeye ek olarak, sıvılar arasında yüzeyler de oluşur ve alt kısımdaki mum damlacıklarını yeniden birleştirmek için bir gerilim kırıcı gerekir.

Sıvıların yağlayıcılar, çözücüler ve soğutucular olarak çeşitli kullanımları vardır. Hidrolik sistemlerde gücü iletmek için sıvı kullanılır.

In Tribolojinin , sıvılar olarak özellikleri için incelenir kayganlaştırıcı . Yağ gibi yağlayıcılar , bileşenin çalışma sıcaklığı aralığı boyunca uygun olan viskozite ve akış özellikleri için seçilir . Yağlar, iyi yağlama özellikleri nedeniyle genellikle motorlarda, dişli kutularında , metal işlemede ve hidrolik sistemlerde kullanılır.

Birçok sıvı, diğer sıvıları veya katıları çözmek için çözücü olarak kullanılır . Boyalar , sızdırmazlık ürünleri ve yapıştırıcılar dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalarda çözümler bulunur . Nafta ve aseton , endüstride parçalardan ve makinelerden yağ, gres ve katranı temizlemek için sıklıkla kullanılır. Vücut sıvıları su bazlı solüsyonlardır.

Yüzey aktif maddeler genellikle sabunlarda ve deterjanlarda bulunur . Alkol gibi çözücüler genellikle antimikrobiyal olarak kullanılır . Kozmetiklerde, mürekkeplerde ve sıvı boya lazerlerinde bulunurlar . Gıda endüstrisinde, bitkisel yağların ekstraksiyonu gibi işlemlerde kullanılırlar .

Sıvılar , gazlardan daha iyi termal iletkenliğe sahip olma eğilimindedir ve akma yeteneği, bir sıvıyı mekanik bileşenlerden fazla ısıyı uzaklaştırmak için uygun hale getirir. Isı, sıvıyı radyatör gibi bir ısı eşanjöründen geçirerek çıkarılabilir veya buharlaşma sırasında ısı sıvıyla birlikte çıkarılabilir . Motorların aşırı ısınmasını önlemek için su veya glikol soğutma sıvıları kullanılır. Nükleer reaktörlerde kullanılan soğutucular , su veya sodyum veya bizmut gibi sıvı metalleri içerir . Sıvı itici filmler roketlerin itme odalarını soğutmak için kullanılır . Olarak işleme , su ve yağlar, hızlı bir şekilde çalışma parçası ve kalıp hem bozabilir üretilen aşırı ısıyı uzaklaştırmak için kullanılır. Terleme sırasında ter , buharlaşarak insan vücudundan ısıyı uzaklaştırır. Olarak , ısıtma, havalandırma ve hava şartlandırma sanayi (HVAC), su gibi sıvı bir alandan transfer ısı için kullanılır.

Benzer şekilde, sıvılar genellikle daha iyi ısı transfer özellikleri için yemek pişirmede kullanılır . Daha iyi iletkenliğe ek olarak, daha soğuk alanlar büzülüp batarken daha sıcak sıvılar genişlediğinden ve yükseldiğinden, düşük kinematik viskoziteye sahip sıvılar, oldukça sabit bir sıcaklıkta konveksiyon yoluyla ısıyı aktarma eğilimindedir ve bu , bir sıvıyı haşlama , kaynatma veya kızartma için uygun hale getirir . Bir gazın bir sıvıya yoğunlaştırılmasıyla daha da yüksek ısı transferi oranları elde edilebilir. Sıvının kaynama noktasında, ısı enerjisinin tamamı, sıcaklıkta bir artış olmaksızın sıvıdan gaza faz değişimine neden olmak için kullanılır ve kimyasal potansiyel enerji olarak depolanır . Gaz tekrar sıvı haline dönüştüğünde, bu aşırı ısı enerjisi sabit bir sıcaklıkta serbest bırakılır. Bu fenomen, buharlama gibi işlemlerde kullanılır . Sıvıların genellikle farklı kaynama noktaları olduğundan, sıvıların veya gazların karışımları veya çözeltileri tipik olarak ısı, soğuk, vakum , basınç veya başka yollarla damıtma yoluyla ayrılabilir . Damıtma üretiminde her şeyi bulunabilir alkollü içecekler için, petrol rafinerileri için, kriyojenik damıtma gibi gazların argon , oksijen , azot , neon veya ksenon ile sıvılaştırma (bireysel kaynama noktaları aşağıda onları soğutma).

Sıvı, sıvı gücü sağlamak için Pascal yasasından yararlanan hidrolik sistemlerin birincil bileşenidir . Pompalar ve su çarkları gibi cihazlar, eski zamanlardan beri sıvı hareketini mekanik işe dönüştürmek için kullanılmıştır . Yağlar, bu kuvveti hidrolik silindirlere ileten hidrolik pompalar aracılığıyla zorlanır . Hidrolik, otomotiv frenleri ve şanzımanları , ağır ekipman ve uçak kontrol sistemleri gibi birçok uygulamada bulunabilir . Çeşitli hidrolik presler , onarım ve imalatta, kaldırma, presleme, sıkıştırma ve şekillendirme için yaygın olarak kullanılmaktadır.

Sıvılar bazen ölçüm cihazlarında kullanılır. Bir termometre genellikle cıva gibi sıvıların ısıl genleşmesini , sıcaklığı belirtmek için akma yetenekleriyle birlikte kullanır. Bir manometre , hava basıncını belirtmek için sıvının ağırlığını kullanır .

Mekanik özellikler

Ses

Sıvıların miktarları hacim birimleriyle ölçülür . Bunlar, SI birimi metreküp (m 3 ) ve bölümlerini, özellikle de daha yaygın olarak litre olarak adlandırılan kübik desimetreyi (1 dm 3 = 1 L = 0.001 m 3 ) ve mililitre (1 cm) olarak da adlandırılan kübik santimetreyi içerir. 3 = 1 ml = 0,001 L = 10 -6 m 3 ).

Bir miktar sıvının hacmi, sıcaklığı ve basıncı ile sabitlenir . Sıvılar genellikle ısıtıldığında genleşir ve soğutulduğunda büzülür. 0 °C ile 4 °C arasındaki su dikkate değer bir istisnadır.

Öte yandan, sıvıların çok az sıkıştırılabilirliği vardır . Örneğin su, atmosferik basınçtaki (bar) her birim artış için milyonda yalnızca 46,4 parça sıkıştıracaktır . Oda sıcaklığında yaklaşık 4000 bar (400 megapaskal veya 58.000 psi ) basınçta, su hacminde yalnızca %11'lik bir azalma yaşar. Sıkıştırılamazlık, sıvıları hidrolik gücü iletmek için uygun hale getirir , çünkü bir sıvının bir noktasındaki basınç değişikliği, sıvının diğer her parçasına azalmadan iletilir ve sıkıştırma şeklinde çok az enerji kaybedilir.

Bununla birlikte, ihmal edilebilir sıkıştırılabilirlik başka fenomenlere yol açar. Su darbesi adı verilen boruların çarpması , bir vana aniden kapandığında meydana gelir ve vanada, ses hızının hemen altında sistemde geriye doğru hareket eden büyük bir basınç artışı yaratır. Sıvının sıkıştırılamazlığından kaynaklanan bir başka olgu da kavitasyondur . Sıvılar çok az esnekliğe sahip olduklarından, bir tekne pervanesinin arka kenarı veya bir borudaki keskin bir köşe gibi yüksek türbülanslı veya dramatik yön değişikliği olan alanlarda kelimenin tam anlamıyla ayrılabilirler. Düşük basınç (vakum) alanındaki bir sıvı buharlaşır ve kabarcıklar oluşturur, bunlar daha sonra yüksek basınç alanlarına girdiklerinde çöker. Bu, sıvının kabarcıklar tarafından bırakılan boşlukları muazzam lokalize bir kuvvetle doldurmasına ve herhangi bir bitişik katı yüzeyi aşındırmasına neden olur.

Basınç ve kaldırma kuvveti

Bir yerçekimi alanında , sıvılar , sıvının kendi içindeki herhangi bir şeyin yanı sıra bir kabın kenarlarına da basınç uygular . Bu basınç her yöne iletilir ve derinlikle artar. Düzgün bir yerçekimi alanında bir sıvı durgunsa , derinlikteki basınç şu şekilde verilir:

nerede:

yüzeydeki basınçtır
bir yoğunluk derinliği olan sıvı, kabul üniforma
olan yerçekimi ivmesi

Havaya açık bir su kütlesi için atmosfer basıncı olacaktır .

Düzgün yerçekimi alanlarındaki statik sıvılar , sıvıya daldırılan nesnelerin derinlikle basınç değişiminden dolayı net bir kuvvet yaşadığı yüzdürme olgusunu da sergiler . Kuvvetin büyüklüğü, nesne tarafından yer değiştiren sıvının ağırlığına eşittir ve kuvvetin yönü, daldırılan nesnenin ortalama yoğunluğuna bağlıdır. Yoğunluk sıvınınkinden küçükse kaldırma kuvveti yukarıyı gösterir ve cisim yüzer, yoğunluk daha büyükse kaldırma kuvveti aşağıyı gösterir ve cisim batar. Bu Arşimet ilkesi olarak bilinir .

yüzeyler

Bir sıvının hacmi, bulunduğu kabın hacmiyle tam olarak eşleşmedikçe, bir veya daha fazla yüzey gözlemlenir. Bir yüzeyin mevcudiyeti, bir yığın sıvıda bulunmayan yeni fenomenleri ortaya çıkarır. Bunun nedeni, bir yüzeydeki bir molekülün, diğer sıvı moleküllerle yalnızca yüzeyin iç tarafında bağlara sahip olmasıdır; bu, yüzey moleküllerini içe doğru çeken net bir kuvvet anlamına gelir. Eşdeğer olarak, bu kuvvet enerji cinsinden tanımlanabilir: belirli bir alanın bir yüzeyini oluşturmakla ilişkili sabit bir miktarda enerji vardır. Bu miktar, birim alan başına enerji birimi cinsinden yüzey gerilimi adı verilen bir malzeme özelliğidir (SI birimleri: J / m 2 ). Güçlü moleküller arası kuvvetlere sahip sıvılar, büyük yüzey gerilimlerine sahip olma eğilimindedir.

Yüzey geriliminin pratik bir anlamı, sıvıların, başka kısıtlamalar olmadıkça , küresel damlalar ve kabarcıklar oluşturarak yüzey alanlarını en aza indirme eğiliminde olmalarıdır . Yüzey gerilimi, yüzey dalgaları , kılcal hareket , ıslanma ve dalgalanmalar dahil olmak üzere bir dizi başka fenomenden de sorumludur . Nano ölçekli hapsi altındaki sıvılarda , yüzey etkileri baskın bir rol oynayabilir çünkü - makroskopik bir sıvı numunesi ile karşılaştırıldığında - çok daha büyük bir molekül fraksiyonu bir yüzeyin yakınında bulunur.

Bir sıvının yüzey gerilimi, onun ıslanabilirliğini doğrudan etkiler . En yaygın sıvı mJ / m onlarca arasında değişen gerilimleri 2 cıva gibi sıvı metaller mJ / m yüzlerce arasında değişen gerginliği alabilmektedir yağ, su, ya da yapıştırıcı damlacıkları kolayca, birleştirme ve diğer yüzeylere yapışır, böylece 2 , bu nedenle damlacıklar kolayca birleşmez ve yüzeyler sadece belirli koşullar altında ıslanabilir.

Yaygın sıvıların yüzey gerilimleri, viskozite gibi diğer mekanik özelliklerde görülen muazzam varyasyonla güçlü bir tezat oluşturan nispeten dar bir değerler aralığını işgal eder.

Akış

Viskozite simülasyonu . Soldaki sıvı daha düşük viskoziteye ve Newton davranışına sahipken, sağdaki sıvı daha yüksek viskoziteye ve Newton olmayan davranışa sahiptir.

Sıvıların akışını karakterize eden önemli bir fiziksel özellik viskozitedir . Sezgisel olarak viskozite, bir sıvının akmaya karşı direncini tanımlar.

Daha teknik olarak viskozite, bir sıvının belirli bir hızda, örneğin sonlu bir hızda kesiliyorken olduğu gibi, deformasyona karşı direncini ölçer. Spesifik bir örnek, bir borudan akan bir sıvıdır: bu durumda sıvı, merkeze göre borunun duvarlarının yakınında daha yavaş aktığı için kesme deformasyonuna uğrar. Sonuç olarak, akışa karşı viskoz direnç gösterir. Akışı sürdürmek için borunun uçları arasında basınç farkı gibi bir dış kuvvet uygulanmalıdır.

Sıvıların viskozitesi artan sıcaklıkla azalır.

Viskozitenin hassas kontrolü, birçok uygulamada, özellikle yağlama endüstrisinde önemlidir. Bu tür bir kontrolü sağlamanın bir yolu, farklı viskozitelere sahip iki veya daha fazla sıvıyı kesin oranlarda karıştırmaktır. Ek olarak, yağlama yağlarının viskozitesinin sıcaklığa bağımlılığını ayarlayabilen çeşitli katkı maddeleri mevcuttur. Bu yetenek, makineler genellikle çeşitli sıcaklıklarda çalıştığından önemlidir (ayrıca bkz . viskozite indeksi ).

Bir sıvının viskoz davranışı Newtonian veya Newton olmayan olabilir . Bir Newton sıvısı lineer bir gerinim/gerilme eğrisi sergiler, bu da viskozitesinin zamandan, kesme hızından veya kesme hızı geçmişinden bağımsız olduğu anlamına gelir. Newton sıvılarının örnekleri arasında su, gliserin , motor yağı , bal veya cıva bulunur. Newton tipi olmayan bir sıvı, viskozitenin bu faktörlerden bağımsız olmadığı ve kesme altında kalınlaştığı (viskozitede artış) veya inceldiği (viskozitede azalma) olan sıvıdır. Newton tipi olmayan sıvılara örnek olarak ketçap , mayonez , saç jölesi , Play-Doh veya nişasta solüsyonları dahildir.

kısıtlama altında esneklik

Kapalı sıvılar , dökme sıvılara kıyasla farklı mekanik özellikler sergileyebilir. Örneğin, milimetrenin altında hapsedilen sıvılar (örneğin katı duvarlar arasındaki boşlukta) katı benzeri bir mekanik tepki sergiler ve şaşırtıcı derecede büyük bir düşük frekanslı elastik kesme modülüne sahiptir , bu da hapsetme uzunluğunun ters kübik gücüyle ölçeklenir.

ses yayılımı

Bir sıvıdaki sesin hızı, sıvının kütle modülü ve yoğunluğun nerede olduğu ile verilir . Bir örnek olarak, su yaklaşık 2.2 arasında bir kütle modülüne sahip GPa ve 1000 arasında bir yoğunluğa kg / 3 verir, c = 1.5 km / s.

Termodinamik

Faz geçişleri

Tipik bir faz diyagramı . Noktalı çizgi suyun anormal davranışını verir. Yeşil çizgiler donma noktasının basınçla nasıl değişebileceğini, mavi çizgi ise kaynama noktasının basınçla nasıl değişebileceğini gösteriyor . Kırmızı çizgi, süblimleşme veya birikmenin meydana gelebileceği sınırı gösterir .

Kaynama noktasının altındaki bir sıcaklıkta , sıvı haldeki herhangi bir madde, buharının yoğuşması işleminin tersi işlemiyle dengeye ulaşana kadar buharlaşacaktır. Bu noktada buhar, sıvının buharlaşmasıyla aynı oranda yoğunlaşacaktır. Bu nedenle, buharlaşan sıvı sürekli olarak uzaklaştırılırsa bir sıvı kalıcı olarak var olamaz. Kaynama noktasında veya üstünde bir sıvı normal olarak kaynar, ancak aşırı ısıtma belirli durumlarda bunu önleyebilir.

Donma noktasının altındaki bir sıcaklıkta, bir sıvı katı formuna geçerek kristalleşme eğiliminde olacaktır . Gaza geçişten farklı olarak, sabit basınç altında bu geçişte bir denge yoktur, bu nedenle aşırı soğutma meydana gelmedikçe sıvı sonunda tamamen kristalleşecektir. Bununla birlikte, bu yalnızca sabit basınç altında geçerlidir, böylece (örneğin) kapalı, güçlü bir kaptaki su ve buz, her iki fazın bir arada var olduğu bir dengeye ulaşabilir. Katıdan sıvıya zıt geçiş için bkz. erime .

Uzaydaki sıvılar

Faz diyagramı, sıvıların neden uzayda veya başka bir boşlukta bulunmadığını açıklar. Basınç sıfır olduğundan (gezegenlerin ve uyduların yüzeyleri veya içleri hariç), uzaya maruz kalan su ve diğer sıvılar sıcaklığa bağlı olarak ya hemen kaynar ya da donar. Dünyaya yakın uzay bölgelerinde, güneş doğrudan üzerine parlamıyorsa su donacak ve güneş ışığına çıkar çıkmaz buharlaşacak (yüce). Ay'da su buz olarak varsa, yalnızca güneşin hiç parlamadığı ve çevresindeki kayaların onu fazla ısıtmadığı gölgeli deliklerde var olabilir. Satürn'ün yörüngesine yakın bir noktada, güneşten gelen ışık, buzu su buharına süblimleştirmek için çok zayıftır. Bu, Satürn'ün halkalarını oluşturan buzun uzun ömürlülüğünden açıkça görülmektedir.

Çözümler

Sıvılar gazlar, katılar ve diğer sıvılarla çözelti oluşturabilir .

Herhangi bir oranda bir çözelti oluşturabiliyorlarsa , iki sıvının karışabilir olduğu söylenir ; aksi takdirde karışmazlar. Örnek olarak, su ve etanol (alkol içen) karışabilirken su ve benzin karışmaz. Bazı durumlarda, aksi takdirde karışmayan sıvıların bir karışımı, bir sıvının mikroskobik damlacıklar halinde diğerine dağıldığı bir emülsiyon oluşturmak üzere stabilize edilebilir . Genellikle bu , damlacıkları stabilize etmek için bir yüzey aktif maddenin varlığını gerektirir . Bir emülsiyonun iyi bilinen bir örnek olan mayonez ile stabilize edilir, su ve yağ karışımından oluşur, lesitin , içinde bulunan bir maddenin yumurta sarısı .

mikroskobik açıklama

Sıvıları oluşturan moleküller düzensizdir ve güçlü bir şekilde etkileşime girer , bu da sıvıların moleküler düzeyde kesin olarak tanımlanmasını zorlaştırır. Bu, maddenin, gazların ve katıların diğer iki yaygın fazıyla tezat oluşturur. Gazlar düzensiz olmalarına rağmen, çok-cisim etkileşimlerinin göz ardı edilebileceği kadar yeterince seyreltiktirler ve moleküler etkileşimler bunun yerine iyi tanımlanmış ikili çarpışma olayları açısından modellenebilir. Tersine, katılar yoğun olmalarına ve güçlü bir şekilde etkileşime girmelerine rağmen, moleküler düzeydeki düzenli yapıları (örneğin bir kristal kafes) önemli teorik basitleştirmelere izin verir. Bu nedenlerle, sıvıların mikroskobik teorisi, gazların ve katılarınkinden daha az gelişmiştir.

Statik yapı faktörü

Klasik bir monatomik sıvının yapısı. Atomların temas halinde birçok en yakın komşusu vardır, ancak uzun menzilli bir düzen mevcut değildir.

Bir sıvıda, atomlar kristal bir kafes oluşturmazlar ve başka bir uzun menzilli düzen biçimi göstermezler . Bu yokluğunda kanıtladığı Bragg pikleri de X-ışını ve nötron kırınımı . Normal koşullar altında, kırınım deseni, sıvının izotropisini ifade eden dairesel simetriye sahiptir . Radyal yönde, kırınım yoğunluğu düzgün bir şekilde salınır. Bu genellikle statik yapı faktörü S(q) ile tanımlanır , dalga sayısı q =(4π/λ)sin θ sondanın (foton veya nötron) dalga boyu λ ve Bragg açısı θ ile verilir. S(q)' nun salınımları sıvının yakın sırasını , yani bir atom ile en yakın, ikinci en yakın, ... komşuların birkaç kabuğu arasındaki korelasyonları ifade eder .

Bu bağıntıların daha sezgisel bir açıklaması , temelde S(q)' nun Fourier dönüşümü olan radyal dağılım fonksiyonu g(r) tarafından verilir . Sıvıdaki çift ​​korelasyonların geçici anlık görüntüsünün uzamsal ortalamasını temsil eder .

Lennard-Jones model akışkanın radyal dağılım fonksiyonu .

Ses dağılımı ve yapısal gevşeme

Ses hızı için yukarıdaki ifade , kütle modülünü K içerir . Eğer K daha sonra frekans bağımsız olarak, sıvı davranır olan doğrusal orta olmadan böylece ses yayılır dağılımı ve olmayan modu bağlantı . Gerçekte, herhangi bir sıvı bir miktar dağılım gösterir : artan frekansla, K düşük frekanslı, sıvı benzeri sınırdan yüksek frekanslı, katı benzeri sınıra geçer . Normal sıvılarda, bu geçişin çoğu , bazen hiper ses olarak adlandırılan GHz ve THz arasındaki frekanslarda gerçekleşir .

Alt GHz frekanslarda, normal bir sıvı korunur olamaz kesme dalgalar : sıfır frekans sınırı kayma modülü olup . Bu bazen bir sıvının tanımlayıcı özelliği olarak görülür. Bununla birlikte, kütle modülü K gibi, kesme modülü G de frekansa bağlıdır ve hiper ses frekanslarında sıvı benzeri sınırdan katı benzeri, sıfır olmayan bir sınıra benzer bir geçiş gösterir .

Göre Kramers-Kronig ilişkisi , (gerçek bölümünde verilen ses hızı dispersiyonu , K veya G ) (hayali bölümü tarafından verilen dağılımı, ses zayıflatma bir maksimum ile birlikte gider K veya G ). Doğrusal tepki teorisine göre , K veya G'nin Fourier dönüşümü , sistemin bir dış bozulmadan sonra nasıl dengeye döndüğünü tanımlar; bu nedenle GHz..THz bölgesindeki dağılım adımına yapısal gevşeme de denir . Göre salınım-kayıp teoremi , gevşeme yönünde denge iyice dalgalanmalara bağlı olarak denge. Ses dalgalarıyla ilişkili yoğunluk dalgalanmaları, Brillouin saçılması ile deneysel olarak gözlemlenebilir .

Bir sıvıyı cam geçişine doğru aşırı soğutmada, sıvı benzeri tepkiden katı benzeri tepkiye geçiş, GHz'den MHz'e, kHz, Hz, ...'ye hareket eder; eşdeğer olarak, yapısal gevşemenin karakteristik süresi ns'den μs'ye, ms, s'ye yükselir, ... Bu, cam oluşturan sıvıların yukarıda bahsedilen viskoelastik davranışının mikroskobik açıklamasıdır.

İlişkilendirmenin etkileri

Katılarda atomik/moleküler difüzyon (veya partikül yer değiştirmesi ) mekanizmaları, sıvı malzemelerdeki viskoz akış ve katılaşma mekanizmaları ile yakından ilişkilidir. Sıvı içindeki moleküler "boş alan" cinsinden viskozite açıklamaları , molekülleri normal sıcaklıklarda sıvı halde "ilişkili" olduğu bilinen sıvıları hesaba katmak için gerektiği gibi değiştirildi. Çeşitli moleküller, ilişkili bir molekül oluşturmak üzere bir araya geldiklerinde, yarı katı bir sistem içinde, daha önce hareketli moleküller için boş alan olarak mevcut olan belirli bir miktarda alanı kaplarlar. Bu nedenle, çoğu maddenin soğutma ile ilişkili olma eğilimi nedeniyle soğutma üzerine viskozitede artış .

Benzer argümanlar, basıncın viskozite üzerindeki etkilerini tanımlamak için kullanılabilir , burada viskozitenin esas olarak sınırlı sıkıştırılabilirliğe sahip sıvılar için hacmin bir fonksiyonu olduğu varsayılabilir . Bu nedenle, basıncın artmasıyla artan bir viskozite beklenir. Ek olarak, hacim ısı ile genişletilip basınçla tekrar azaltılırsa, viskozite aynı kalır.

Moleküllerin küçük gruplar halinde yönlenmesine yönelik yerel eğilim, sıvıya (daha önce bahsedildiği gibi) belirli bir derecede birleşme sağlar. Bu ilişki, bir sıvı içinde, neredeyse tamamen, geçici düşük hızları nedeniyle (Maxwell dağılımını takiben) diğer moleküllerle birleşmiş olan moleküllerden kaynaklanan önemli bir "iç basınç" ile sonuçlanır. Bu tür birkaç molekül arasındaki iç basınç, katı formdaki bir grup molekül arasındaki basınca karşılık gelebilir.

Tablo

Maddenin faz geçişleri ()
NS
İtibaren
Sağlam Sıvı Gaz Plazma
Sağlam Erime süblimasyon
Sıvı Donmak buharlaşma
Gaz biriktirme yoğunlaşma iyonlaşma
Plazma rekombinasyon

Referanslar