U svakodnevnom životu stalno se susrećemo s tri agregatna stanja - tekuće, plinovito i čvrsto. Imamo prilično jasnu ideju o tome što su krute tvari i plinovi. Plin je skup molekula koje se nasumično kreću u svim smjerovima. Sve molekule čvrstog tijela održavaju svoj međusobni raspored. Oni samo lagano osciliraju.
Obilježja tekuće tvari
A što su tekuće tvari? Njihova glavna značajka je da, zauzimajući međupoložaj između kristala i plinova, kombiniraju određena svojstva ova dva stanja. Na primjer, za tekućine, kao i za čvrsta (kristalna) tijela, karakteristična je prisutnost volumena. Međutim, u isto vrijeme, tekuće tvari, poput plinova, poprimaju oblik posude u kojoj se nalaze. Mnogi od nas vjeruju da nemaju svoj oblik. Međutim, nije. Prirodni oblik bilo koje tekućine -lopta. Gravitacija ga obično sprječava da poprimi ovaj oblik, pa tekućina ili poprima oblik posude ili se tanko širi po površini.
U pogledu svojih svojstava, tekuće stanje tvari je posebno složeno, zbog svog srednjeg položaja. Počeo se proučavati još od vremena Arhimeda (prije 2200 godina). Međutim, analiza ponašanja molekula tekuće tvari i dalje je jedno od najtežih područja primijenjene znanosti. Još uvijek ne postoji općeprihvaćena i potpuno cjelovita teorija tekućina. Međutim, o njihovom ponašanju možemo reći nešto sasvim sigurno.
Ponašanje molekula u tekućini
Tečnost je nešto što može teći. Redoslijed kratkog dometa promatra se u rasporedu njegovih čestica. To znači da je položaj najbližih susjeda, s obzirom na bilo koju česticu, uređen. Međutim, kako se ona udaljava od drugih, njezina pozicija u odnosu na njih postaje sve manje uređena, a onda red sasvim nestaje. Tekuće tvari građene su od molekula koje se kreću mnogo slobodnije nego u krutim tvarima (a još slobodnije u plinovima). Određeno vrijeme svaki od njih juri prvo u jednom smjeru, a zatim u drugom, ne odmičući se od svojih susjeda. Međutim, molekula tekućine s vremena na vrijeme izbije iz okoline. Na novo mjesto dolazi prelaskom na drugo mjesto. Ovdje opet, određeno vrijeme, ona čini pokrete poput njihanja.
Y. I. Frenkelov doprinos proučavanju tekućina
I. I. Frenkel, sovjetski znanstvenik, ima velike zasluge u razvoju nizaprobleme na temu kao što su tekuće tvari. Kemija je uvelike napredovala zahvaljujući njegovim otkrićima. Vjerovao je da toplinsko gibanje u tekućinama ima sljedeći karakter. Određeno vrijeme svaka molekula oscilira oko ravnotežnog položaja. Međutim, s vremena na vrijeme mijenja svoje mjesto, naglo se pomičući u novi položaj, koji je od prethodnog odvojen razmakom koji je približno veličine same ove molekule. Drugim riječima, unutar tekućine, molekule se kreću, ali sporo. Neko vrijeme borave u blizini određenih mjesta. Posljedično, njihovo kretanje je nešto poput mješavine gibanja u plinu i u čvrstom tijelu. Fluktuacije na jednom mjestu nakon nekog vremena zamjenjuju se slobodnim prijelazom s mjesta na mjesto.
Tlak u tekućini
Neka svojstva tekuće tvari poznata su nam zbog stalne interakcije s njima. Dakle, iz iskustva svakodnevnog života znamo da na površinu čvrstih tijela koja s njom dolaze u dodir, djeluje određenim silama. Zovu se sile pritiska tekućine.
Na primjer, kada prstom otvorimo slavinu za vodu i otvorimo vodu, osjetimo kako ona pritišće prst. A plivač koji je zaronio na velike dubine ne doživi slučajno bol u ušima. Objašnjava se činjenicom da sile pritiska djeluju na bubnjić. Voda je tekuća tvar, pa ima sva svoja svojstva. Za mjerenje temperature vode na dubini mora, vrlo jakatermometri tako da se ne mogu smrskati pritiskom tekućine.
Ovaj tlak nastaje zbog kompresije, odnosno promjene volumena tekućine. Ima elastičnost u odnosu na ovu promjenu. Sile pritiska su sile elastičnosti. Stoga, ako tekućina djeluje na tijela koja su s njom u dodiru, tada se ona komprimira. Budući da se gustoća tvari povećava tijekom kompresije, možemo pretpostaviti da tekućine imaju elastičnost u odnosu na promjenu gustoće.
Evaporacija
Nastavljajući razmatrati svojstva tekuće tvari, prelazimo na isparavanje. U blizini njegove površine, kao i izravno u površinskom sloju, djeluju sile koje osiguravaju samo postojanje tog sloja. Ne dopuštaju da molekule u njemu napuste volumen tekućine. Međutim, zbog toplinskog gibanja, neki od njih razvijaju prilično velike brzine, uz pomoć kojih postaje moguće prevladati te sile i napustiti tekućinu. Ovu pojavu nazivamo isparavanjem. Može se primijetiti na bilo kojoj temperaturi zraka, međutim, s njezinim porastom, povećava se intenzitet isparavanja.
Kondenzacija
Ako se molekule koje su napustile tekućinu uklone iz prostora blizu njezine površine, onda sve to na kraju ispari. Ako se molekule koje su ga napustile ne uklone, tvore paru. Molekule pare koje su pale u područje blizu površine tekućine uvlače se u njega silama privlačenja. Taj se proces naziva kondenzacija.
Dakle,ako se molekule ne uklone, brzina isparavanja se s vremenom smanjuje. Ako se gustoća pare dalje povećava, dolazi se do situacije u kojoj će broj molekula koje izlaze iz tekućine u određenom vremenu biti jednak broju molekula koje se u nju vraćaju u isto vrijeme. To stvara stanje dinamičke ravnoteže. Para u njemu naziva se zasićena. Njegov tlak i gustoća rastu s porastom temperature. Što je veći, to veći broj molekula tekućine ima dovoljno energije za isparavanje i veća gustoća pare mora biti da bi kondenzacija bila jednaka isparavanju.
Krenje
Kada se u procesu zagrijavanja tekućih tvari postigne temperatura na kojoj zasićene pare imaju isti tlak kao vanjska okolina, uspostavlja se ravnoteža između zasićene pare i tekućine. Ako tekućina daje dodatnu količinu topline, odgovarajuća masa tekućine odmah se pretvara u paru. Ovaj proces se zove ključanje.
Vrenje je intenzivno isparavanje tekućine. Pojavljuje se ne samo s površine, već se odnosi na cijeli njezin volumen. Unutar tekućine pojavljuju se mjehurići pare. Da bi iz tekućine prešle u paru, molekule trebaju dobiti energiju. Potrebno je prevladati privlačne sile koje ih drže u tekućini.
Vrelište
Točka vrelišta je ona na kojojpostoji jednakost dvaju tlaka – vanjskog i zasićene pare. Povećava se kako se tlak povećava i smanjuje kako se tlak smanjuje. Zbog činjenice da se tlak u tekućini mijenja s visinom stupca, vrenje u njemu događa se na različitim razinama pri različitim temperaturama. Samo zasićena para, koja se tijekom procesa vrenja nalazi iznad površine tekućine, ima određenu temperaturu. Određuje ga samo vanjski pritisak. To je ono što mislimo kada govorimo o točki ključanja. Razlikuje se za različite tekućine, što se naširoko koristi u inženjerstvu, posebno kod destilacije naftnih derivata.
Latentna toplina isparavanja je količina topline potrebna za pretvaranje izotermički definirane količine tekućine u paru ako je vanjski tlak jednak tlaku zasićene pare.
Svojstva tekućih filmova
Svi znamo kako dobiti pjenu otapanjem sapuna u vodi. Ovo nije ništa drugo nego puno mjehurića, koji su ograničeni najtanjim filmom koji se sastoji od tekućine. Međutim, od tekućine koja se pjeni može se dobiti i zaseban film. Njegova svojstva su vrlo zanimljiva. Ovi filmovi mogu biti vrlo tanki: njihova debljina u najtanjim dijelovima ne prelazi stotisuću milimetra. Međutim, unatoč tome ponekad su vrlo stabilni. Film sapuna može se podvrgnuti deformaciji i rastezanju, mlaz vode može proći kroz njega, a da ga ne uništi. Kako objasniti takvu stabilnost? Da bi se pojavio film, potrebno je u čistu tekućinu dodati tvari koje se u njemu otapaju. Ali ne bilo koji, nego takav,koji značajno smanjuju površinsku napetost.
Tekući filmovi u prirodi i tehnologiji
U tehnologiji i prirodi uglavnom se ne susrećemo s pojedinačnim filmovima, već s pjenom, koja je njihova kombinacija. Često se može promatrati u potocima, gdje mali potoci padaju u mirnu vodu. Sposobnost vode da se pjeni u ovom slučaju povezana je s prisutnošću organske tvari u njoj, koju izlučuje korijenje biljaka. Ovo je primjer kako se prirodne tekuće tvari pjene. Ali što je s tehnologijom? Tijekom izgradnje, na primjer, koriste se posebni materijali koji imaju staničnu strukturu nalik pjeni. Lagani su, jeftini, dovoljno jaki, slabo provode zvuk i toplinu. Za njihovo dobivanje posebnim otopinama se dodaju sredstva za pjenjenje.
Zaključak
Dakle, naučili smo koje su tvari tekuće, otkrili da je tekućina srednje stanje tvari između plinovitog i krutog. Stoga ima svojstva karakteristična za oboje. Tekući kristali, koji se danas naširoko koriste u tehnologiji i industriji (na primjer, zasloni s tekućim kristalima) najbolji su primjer ovog stanja materije. Kombiniraju svojstva čvrstih tvari i tekućina. Teško je zamisliti kakve će tekuće tvari znanost izumiti u budućnosti. Međutim, jasno je da postoji veliki potencijal u ovom stanju materije koji se može iskoristiti za dobrobit čovječanstva.
Poseban interes za razmatranje fizičkih i kemijskih procesa koji se događajuu tekućem stanju, zbog činjenice da se sama osoba sastoji od 90% vode, koja je najčešća tekućina na Zemlji. U njemu se odvijaju svi vitalni procesi kako u biljnom tako i u životinjskom svijetu. Stoga je za sve nas važno proučavati tekuće stanje tvari.
