Líquido
La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 8 de junio de 2022; las comprobaciones requieren 10 ediciones .Líquido - una sustancia que se encuentra en estado líquido de agregación , ocupando una posición intermedia entre los estados sólido y gaseoso [1] .
Al mismo tiempo, se condensa el estado de agregación de un líquido, como el estado de agregación de un cuerpo sólido, es decir, uno en el que las partículas (átomos, moléculas, iones) están interconectadas.
La propiedad principal de un líquido, que lo distingue de las sustancias en otros estados de agregación, es la capacidad de cambiar ilimitadamente de forma bajo la acción de esfuerzos mecánicos tangenciales , incluso arbitrariamente pequeños, manteniendo prácticamente el volumen.
Información general
El estado líquido suele considerarse intermedio entre un cuerpo sólido y un gas : un gas no conserva ni el volumen ni la forma, mientras que un sólido conserva ambos [2] .
La forma de los cuerpos líquidos puede estar total o parcialmente determinada por el hecho de que su superficie se comporta como una membrana elástica. Entonces, el agua puede acumularse en gotas. Pero el líquido es capaz de fluir incluso bajo su superficie inamovible, y esto también significa la no conservación de la forma (de las partes internas del cuerpo líquido).
Las moléculas de un líquido no tienen una posición definida, pero al mismo tiempo no tienen completa libertad de movimiento. Hay una atracción entre ellos, lo suficientemente fuerte como para mantenerlos cerca.
Una sustancia en estado líquido existe en un cierto rango de temperatura , por debajo del cual pasa a estado sólido ( se produce cristalización o transformación en un estado sólido amorfo - vidrio ), por encima, en estado gaseoso (se produce evaporación). Los límites de este intervalo dependen de la presión .
Por regla general, la materia en estado líquido tiene una sola modificación (las excepciones más importantes son los líquidos cuánticos y los cristales líquidos ). Por lo tanto, en la mayoría de los casos, el líquido no es solo un estado de agregación, sino también una fase termodinámica (fase líquida).
Todos los líquidos se suelen dividir en líquidos puros y mezclas . Ciertas mezclas de fluidos son de gran importancia para la vida: sangre , agua de mar y otros. Los líquidos pueden funcionar como disolventes .
Propiedades físicas de los líquidos
Fluidez
La fluidez es la principal propiedad de los líquidos. Si se aplica una fuerza externa a una sección de un fluido en equilibrio, entonces se produce un flujo de partículas de fluido en la dirección en la que se aplica esta fuerza: el fluido fluye. Por lo tanto, bajo la acción de fuerzas externas desequilibradas, el líquido no conserva la forma y la disposición relativa de las partes y, por lo tanto, toma la forma del recipiente en el que se encuentra.
A diferencia de los sólidos plásticos, un líquido no tiene límite elástico : es suficiente aplicar una fuerza externa arbitrariamente pequeña para hacer que el líquido fluya.
Conservación del volumen
Una de las propiedades características de un líquido es que tiene cierto volumen . Un líquido es extremadamente difícil de comprimir mecánicamente porque, a diferencia de un gas , hay muy poco espacio libre entre las moléculas. La presión ejercida sobre un líquido encerrado en un recipiente se transmite sin cambio a cada punto del volumen de este líquido ( ley de Pascal , también válida para gases). Esta característica, junto con una compresibilidad muy baja, se utiliza en máquinas hidráulicas.
Los líquidos suelen aumentar de volumen (expandirse) cuando se calientan y disminuyen de volumen (contraerse) cuando se enfrían. Sin embargo, hay excepciones, por ejemplo, el agua se comprime cuando se calienta, a presión normal y temperaturas de 0 °C a aproximadamente 4 °C.
Viscosidad
Además, los líquidos (como los gases) se caracterizan por su viscosidad . Se define como la capacidad de resistir el movimiento de una de las partes con respecto a la otra, es decir, como fricción interna.
Cuando las capas adyacentes de un líquido se mueven entre sí, inevitablemente se produce una colisión de moléculas además de la debida al movimiento térmico . Hay fuerzas que ralentizan el movimiento ordenado. En este caso, la energía cinética del movimiento ordenado se convierte en energía térmica, la energía del movimiento caótico de las moléculas.
El líquido en el recipiente, puesto en movimiento y abandonado a sí mismo, se detendrá gradualmente, pero su temperatura aumentará.
Formación de superficie libre y tensión superficial
Debido a la conservación del volumen, el líquido puede formar una superficie libre. Tal superficie es la interfaz de fase de una sustancia dada: por un lado hay una fase líquida, por el otro, una gaseosa (vapor) y posiblemente otros gases, como el aire.
Si las fases líquida y gaseosa de la misma sustancia están en contacto, surgen fuerzas que tienden a reducir el área de interfaz: fuerzas de tensión superficial. La interfaz se comporta como una membrana elástica que tiende a contraerse.
La tensión superficial se puede explicar por la atracción entre las moléculas líquidas. Cada molécula atrae a otras moléculas, busca "rodearse" de ellas y, por tanto, salir a la superficie. En consecuencia, la superficie tiende a disminuir.
Por lo tanto, las pompas de jabón y las burbujas durante la ebullición tienden a adoptar una forma esférica: para un volumen dado, una bola tiene una superficie mínima. Si solo las fuerzas de tensión superficial actúan sobre un líquido, necesariamente tomará una forma esférica, por ejemplo, gotas de agua en ingravidez.
Los objetos pequeños con una densidad mayor que la densidad de un líquido pueden "flotar" en la superficie del líquido, ya que la fuerza de la gravedad es menor que la fuerza que impide el aumento del área superficial. (Ver tensión superficial ).
Evaporación y condensación
La evaporación es la transición gradual de una sustancia de una fase líquida a una fase gaseosa (vapor).
Durante el movimiento térmico, algunas moléculas salen del líquido a través de su superficie y se convierten en vapor. Al mismo tiempo, algunas de las moléculas vuelven a pasar del vapor al líquido. Si salen más moléculas del líquido de las que entran, se produce la evaporación.
La condensación es el proceso inverso, la transición de una sustancia de un estado gaseoso a un estado líquido. En este caso, pasan más moléculas del vapor al líquido que del líquido al vapor.
La evaporación y la condensación son procesos de no equilibrio , ocurren hasta que se establece el equilibrio local (si se establece), y el líquido puede evaporarse por completo, o entrar en equilibrio con su vapor, cuando salen del líquido tantas moléculas como regresan.
Hervir
La ebullición es el proceso de vaporización dentro de un líquido. A una temperatura suficientemente alta, la presión de vapor se vuelve más alta que la presión dentro del líquido, y allí comienzan a formarse burbujas de vapor que (bajo la gravedad) flotan hacia la parte superior.
Humectación
La humectación es un fenómeno superficial que ocurre cuando un líquido entra en contacto con una superficie sólida en presencia de vapor, es decir, en las interfaces de tres fases.
La humectación caracteriza la “adherencia” de un líquido a la superficie y esparcirse sobre ella (o, por el contrario, la repulsión y no esparcimiento). Hay tres casos: no humectante, humectante limitado y humectante completo.
Miscibilidad
La miscibilidad es la capacidad de los líquidos para disolverse unos en otros. Un ejemplo de líquidos miscibles: agua y alcohol etílico , un ejemplo de líquidos inmiscibles: agua y aceite líquido .
Difusión
Cuando dos líquidos miscibles están en un recipiente, las moléculas, como resultado del movimiento térmico , comienzan a pasar gradualmente a través de la interfaz y, por lo tanto, los líquidos se mezclan gradualmente. Este fenómeno se llama difusión (también ocurre en sustancias en otros estados de agregación).
Sobrecalentamiento e hipotermia
Un líquido se puede calentar por encima del punto de ebullición de tal manera que no se produzca la ebullición. Esto requiere un calentamiento uniforme, sin diferencias de temperatura significativas dentro del volumen y sin influencias mecánicas como vibraciones. Si se arroja algo a un líquido sobrecalentado , hierve instantáneamente. El agua sobrecalentada es fácil de introducir en el microondas .
Subenfriamiento: enfriamiento de un líquido por debajo del punto de congelación sin que se convierta en un estado sólido de agregación . Al igual que con el sobrecalentamiento, el subenfriamiento requiere la ausencia de vibraciones y fluctuaciones significativas de temperatura.
Ondas de densidad
Aunque un líquido es extremadamente difícil de comprimir, su volumen y densidad cambian cuando cambia la presión. No sucede instantáneamente; por lo tanto, si una sección está comprimida, dicha compresión se transmite a otras secciones con un retraso. Esto significa que las ondas elásticas , más concretamente las ondas de densidad , son capaces de propagarse en el interior del fluido . Junto con la densidad, también cambian otras cantidades físicas, por ejemplo, la temperatura.
Si durante la propagación de una onda la densidad cambia bastante débilmente, tal onda se llama onda de sonido o sonido .
Si la densidad cambia lo suficientemente fuerte, esa onda se llama onda de choque . La onda de choque se describe mediante otras ecuaciones.
Las ondas de densidad en un líquido son longitudinales, es decir, la densidad cambia a lo largo de la dirección de propagación de la onda. No hay ondas elásticas transversales en el líquido debido a la no conservación de la forma.
Las ondas elásticas en un líquido decaen con el tiempo, su energía se transforma gradualmente en energía térmica. Las razones del amortiguamiento son la viscosidad, la " absorción clásica ", la relajación molecular y otras. En este caso, funciona la llamada segunda viscosidad o viscosidad a granel: fricción interna con un cambio en la densidad. Como resultado de la atenuación, la onda de choque se transforma en una onda de sonido después de un tiempo.
Las ondas elásticas en un líquido también están sujetas a dispersión por falta de homogeneidad que resulta del movimiento térmico aleatorio de las moléculas.
Ondas en la superficie
Si una sección de la superficie del líquido se desplaza de la posición de equilibrio, entonces, bajo la acción de las fuerzas restauradoras, la superficie comienza a moverse de nuevo a la posición de equilibrio. Este movimiento, sin embargo, no se detiene, sino que se convierte en un movimiento oscilatorio cerca de la posición de equilibrio y se extiende a otras áreas. Así es como aparecen las ondas en la superficie de un líquido .
Si la fuerza restauradora es predominantemente la gravedad, entonces tales ondas se denominan ondas gravitacionales (que no deben confundirse con las ondas de gravedad ). Las ondas gravitacionales en el agua se pueden ver en todas partes.
Si la fuerza restauradora es predominantemente una fuerza de tensión superficial, tales ondas se denominan capilares .
Si estas fuerzas son comparables, tales ondas se denominan ondas de gravedad capilar .
Las ondas en la superficie de un líquido son atenuadas por la viscosidad y otros factores.
Coexistencia con otras fases
Formalmente hablando, para la coexistencia en equilibrio de una fase líquida con otras fases de la misma sustancia, gaseosa o cristalina, se necesitan condiciones estrictamente definidas. Entonces, a una presión dada, se necesita una temperatura estrictamente definida. Sin embargo, en la naturaleza y la tecnología, en todas partes el líquido coexiste con el vapor, o también con un estado sólido de agregación, por ejemplo, agua con vapor de agua y, a menudo, con hielo (si consideramos el vapor como una fase separada presente junto con el aire). Esto se debe a las siguientes razones:
- Estado desequilibrado. El líquido tarda en evaporarse, hasta que el líquido se evapora por completo, coexiste con el vapor. En la naturaleza, el agua se evapora constantemente, así como el proceso inverso: la condensación.
- volumen cerrado. El líquido en un recipiente cerrado comienza a evaporarse, pero como el volumen es limitado, la presión de vapor aumenta, se satura incluso antes de que el líquido se haya evaporado por completo, si su cantidad fue lo suficientemente grande. Cuando se alcanza el estado de saturación, la cantidad de líquido evaporado es igual a la cantidad de líquido condensado, el sistema entra en equilibrio. Así, en un volumen limitado, se pueden establecer las condiciones necesarias para la coexistencia en equilibrio de líquido y vapor.
- La presencia de la atmósfera en las condiciones de gravedad terrestre. La presión atmosférica actúa sobre un líquido (aire y vapor), mientras que para el vapor, prácticamente sólo se debe tener en cuenta su presión parcial . Por lo tanto, el líquido y el vapor sobre su superficie corresponden a diferentes puntos en el diagrama de fase, en la región de existencia de la fase líquida y en la región de existencia de la gaseosa, respectivamente. Esto no cancela la evaporación, pero la evaporación lleva un tiempo durante el cual coexisten ambas fases. Sin esta condición, los líquidos hervirían y se evaporarían muy rápidamente.
Teoría
Mecánica
El estudio del movimiento y equilibrio mecánico de líquidos y gases y su interacción entre sí y con cuerpos sólidos es el tema de una sección de mecánica llamada hidroaeromecánica (a menudo también llamada hidrodinámica). La mecánica de fluidos es parte de una rama más general de la mecánica, la mecánica continua .
La mecánica de fluidos es una rama de la mecánica de fluidos que se ocupa de fluidos incompresibles. Dado que la compresibilidad de los líquidos es muy pequeña, en muchos casos puede despreciarse. La dinámica de gases se dedica al estudio de líquidos y gases comprimibles .
La hidromecánica se subdivide en hidrostática , que estudia el equilibrio de fluidos incompresibles, e hidrodinámica (en sentido estricto), que estudia su movimiento.
El movimiento de fluidos eléctricamente conductores y magnéticos se estudia en magnetohidrodinámica . La hidráulica se utiliza para resolver problemas aplicados .
La ley básica de la hidrostática es la ley de Pascal .
El movimiento de un fluido incompresible ideal se describe mediante la ecuación de Euler . Para un flujo estacionario de tal fluido, se cumple la ley de Bernoulli . La salida de fluido de los agujeros se describe mediante la fórmula de Torricelli .
El movimiento de un fluido viscoso se describe mediante la ecuación de Navier-Stokes , en la que también se puede tener en cuenta la compresibilidad.
Las vibraciones elásticas y las ondas en un fluido (y en otros medios) se estudian en acústica . La hidroacústica es una sección de la acústica que estudia el sonido en un medio acuático real con fines de localización subacuática , comunicaciones, etc.
Consideraciones cinéticas moleculares
El estado agregado de la materia está determinado por las condiciones externas, principalmente la presión y la temperatura . Los parámetros característicos son la energía cinética media de una molécula y la energía media de interacción entre moléculas (por molécula) . Para los líquidos, estas energías son aproximadamente iguales: para los sólidos, la energía de interacción es mucho mayor que la energía cinética, para los gases, mucho menor.
Clasificación de líquidos
La estructura y propiedades físicas de un líquido dependen de la identidad química de sus partículas constituyentes y de la naturaleza y magnitud de la interacción entre ellas. Se pueden distinguir varios grupos de líquidos en orden creciente de complejidad.
- Líquidos atómicos o líquidos de átomos o moléculas esféricas unidas por fuerzas centrales de van der Waals ( argón líquido, metano líquido ).
- Líquidos de moléculas diatómicas que consisten en átomos idénticos ( hidrógeno líquido ) o iones ( sodio líquido , mercurio ), en los que las partículas ( iones ) están unidas por fuerzas de Coulomb de largo alcance .
- Líquidos formados por moléculas polares unidas por una interacción dipolo-dipolo ( bromuro de hidrógeno líquido ).
- Líquidos asociados, o líquidos con puentes de hidrógeno ( agua , glicerina ).
- Líquidos que consisten en moléculas grandes, para las cuales los grados internos de libertad son esenciales .
Los líquidos de los primeros dos grupos (a veces tres) generalmente se denominan simples. Los líquidos simples han sido mejor estudiados que otros; de los líquidos no simples, el agua ha sido el más estudiado. Esta clasificación no incluye líquidos cuánticos y cristales líquidos , que son casos especiales y deben considerarse por separado.
En dinámica de fluidos, los fluidos se dividen en newtonianos y no newtonianos . El flujo de un fluido newtoniano obedece la ley de viscosidad de Newton , es decir, el esfuerzo cortante y el gradiente de velocidad son linealmente dependientes . El factor de proporcionalidad entre estas cantidades se conoce como viscosidad [3] [4] [5] . En un fluido no newtoniano, la viscosidad depende del gradiente de velocidad. [6] [7]
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Bronce fundido
Teoría estadística
La estructura y las propiedades termodinámicas de los líquidos se investigan con mayor éxito utilizando la ecuación de Percus-Yevick .
Si utilizamos el modelo de bolas sólidas, es decir, consideramos las moléculas líquidas como bolas de diámetro , entonces se puede resolver analíticamente la ecuación de Percus-Yevick y obtener la ecuación de estado del líquido:
donde es el número de partículas por unidad de volumen, es la densidad adimensional. A bajas densidades, esta ecuación se convierte en la ecuación de estado de un gas ideal : . Para densidades extremadamente altas, , se obtiene la ecuación de estado para un fluido incompresible: .
El modelo de bola dura no tiene en cuenta la atracción entre las moléculas, por lo que no hay una transición brusca entre el líquido y el gas cuando cambian las condiciones externas.
Si se van a obtener resultados más precisos, la mejor descripción de la estructura y las propiedades del fluido se logra utilizando la teoría de la perturbación . En este caso, el modelo de bola dura se considera la aproximación cero, y las fuerzas de atracción entre las moléculas se consideran perturbaciones y dan correcciones.
Teoría de clústeres
Una de las teorías modernas es la "Teoría del racimo". Se basa en la idea de que un líquido se representa como una combinación de un sólido y un gas. En este caso, las partículas de la fase sólida (cristales que se mueven en distancias cortas) se ubican en una nube de gas, formando una estructura de racimo. La energía de la partícula corresponde a la distribución de Boltzmann , mientras que la energía media del sistema permanece constante (bajo la condición de su aislamiento). Las partículas lentas chocan con los cúmulos y se vuelven parte de ellos. Por lo que la configuración de los clusters cambia continuamente, el sistema se encuentra en un estado de equilibrio dinámico . Al crear una influencia externa, el sistema se comportará según el principio de Le Chatelier . Por lo tanto, es fácil explicar la transformación de fase:
- Cuando se calienta, el sistema se convertirá gradualmente en gas ( hirviendo )
- Cuando se enfríe, el sistema se convertirá gradualmente en un cuerpo sólido ( congelación ).
De acuerdo con otro punto de vista [9] [10] , la teoría de conglomerados de un líquido, como una sustancia que está en un estado condensado (ligado) (conservación del volumen), y no en un estado de desorden "hermético al gas", es basado en la idea de los cúmulos como residuos después de pasar por el punto de fusión de estructuras dinámicas cuasi-cristalinas con un número promedio constante (para una temperatura dada) de ruptura y restauración de enlaces interatómicos entre cúmulos e intracúmulos, que aseguran la conservación del volumen y determinar la movilidad (fluidez) y la actividad química del líquido. A medida que aumenta la temperatura, la cantidad de átomos en los grupos disminuye debido a un aumento en los enlaces rotos. Los átomos libres resultantes (moléculas) se evaporan de la superficie del líquido o permanecen en el espacio entre grupos como gas disuelto (vapor). En el punto de ebullición, la sustancia pasa a un estado gaseoso (vapor) monoatómico (monomolecular).
Métodos experimentales de estudio
La estructura de los líquidos se estudia utilizando métodos de análisis estructural de rayos X , difracción de electrones y difracción de neutrones .
Véase también
Notas
- ↑ Fluido - artículo de la Enciclopedia física
- ↑ En hidromecánica técnica , el gas también se denomina líquido en el sentido amplio de la palabra; en este caso, un líquido en el sentido estricto de la palabra se llama gota líquida .
- ^ "Enciclopedia física". En 5 tomos. M.: "Enciclopedia soviética", 1988
- ↑ Editor en jefe A. M. Prokhorov. Fluido newtoniano // Diccionario enciclopédico físico. — M.: Enciclopedia soviética . — 1983.
- ↑ Fluido newtoniano - artículo de la Enciclopedia física
- ↑ Wilkinson W. L., Fluidos no newtonianos, trad. del inglés, M., 1964
- ↑ Astarita J., Marrucci J., Fundamentos de hidromecánica de fluidos no newtonianos, trad. del inglés, M., 1978
- ↑ Andreev V.D. Problemas seleccionados de física teórica . - Kyiv: Puesto avanzado-Prim,. — 2012.
- ↑ Andreev V. D. Crash (crash)-cinemática conformacional de la red covalente del diamante durante la fusión // Journal of Structural Chemistry . - 2001. - Nº 3 . - S. 486-495 .
- ↑ Andreev V. D. "Factor de fusión" en interacciones interatómicas en una red de diamantes // Física química . - 2002. - N° 8, v.21 . - S. 35-40 .
Literatura
- Croxton, K. Física del estado de fluidos. Introducción estadística. — M .: Mir , 1984. — 400 p.
Enlaces
- Artículo "Líquido" - en la Enciclopedia física.
- Líquidos // Diccionario Enciclopédico de Brockhaus y Efron : en 86 volúmenes (82 volúmenes y 4 adicionales). - San Petersburgo. , 1890-1907.
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