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液态 编辑

词条创建者 匿名用户

简介

液态

yè tài

1.物质的液体状态。物质存在的一种形态,可以流动、变形,可微压缩。

2.液态时,分子间主要起作用的力是范德华力

范德华力是由分子间的偶极异极相吸造成的。所以不像化学键有固定的角度,范德华力只有个大概的方向。这也是液体为什么会流动而固体不能的原因。 当液态物体分子间的范德华力被打破时(加热,使单个分子动能增大),物体由液态变为气态;当液态物体分子间热运动减小,小到分子间化学键可以形成,从而化学键在分子间占主导地位时,液体变为固体。

相关概念

液态气体液态气体

物质存在的状态一般有:固态、液态、气态

液化:物质从气态变成液态的过程叫液化;

液态:水;冰变水——熔化。

一般来讲,讲到液态一般就会讲到液化,以及汽化。

特点

液体与固体不同,液体还有“各向同性”特点(不同方向上物理性质相同),这是因为,物体由固态变成液态的时候,由于温度的升高使得分子或原子运动剧烈,而不可能再 保持原来的固定位置,于是就产生了流动。但这时分子或原子间的吸引力还比较大,使它们不会分散远离,于是液体仍有一定的体积。实际上,在液体内部许多小的区域仍存在类似晶体的结构——“类晶区”。流动性是“类晶区”彼此间可以移动形成的。我们打个比喻,在柏油路上送行的“车流”,每辆汽车内的人是有固定位置的一个“类晶区”,而车与车之间可以相对运动,这就造成了车队整体的流动。

液态与气态不同,它有一定的体积。液态又与固态不同,它有流动性,因而没有固定的形状。除液晶外,液态与非晶态固体一样均呈各向同性,这些都是液态的主要宏观特征

微观结构

短程有序与长程无序结构

通常晶体熔解时体积将增加10%左右,可见液体分子间平均距离要比固体约大2%~3%。这说明,虽然液体中的分子也与固体中分子一样一个紧挨一个排列而成,但却不是具有严格周期性的密堆积,而是一种较为疏松的长程无序、短程有序堆积。这是液体微观结构的重要特征之一。下面我们举一个二维系统的例子予以说明。若认为每一个粒子都是大小相同的刚性球,将这些小球密堆积后的图形如图1(a)所示。这是一种规则的晶体结构。每一个粒子周围有六个最近邻粒子。但是若先在某个中心粒子周围排列五个粒子,然后由里向外,也按每一个原子周围均有五个近邻粒子那样去排列,就得到图1(b)的图形,它是比较疏松的排列,而且离开中心粒子愈远,粒子的排列也愈杂乱,粒子之间的空隙也越大。这样的系统仅在中心粒子周围数个粒子直径的线度内反映出具有排列的有序性。我们就把能反映出一定的排列规律性的粒子的群体称为一个单元。液体由很多个类似这样的单元组成,同一单元中粒子排列取向相同,相邻单元中粒子的排列取向各不相同。上述结构与非晶态固体十分相似。所以说液体具有短程有序、长程无序的特征。

物质的有序结构可以由实验来测定,其中一种常用的方法就是利用X射线衍射或中子射线衍射来测定物质的径向分布函数。理想气体的径向分布函数是一条没有任何起伏的水平线。图2是用X射线衍射方法对液体汞(曲线a)及晶体汞(曲线b)所测得的径向分布函数ρ(r)。由X射线衍射可知,曲线b中出现的峰相应于汞晶体中原子的规则排列情况:近邻、次近邻及次次近邻……这说明晶体汞确有规则的晶体结构。而液体的曲线a在距离足够大(r>1×10-9m)时ρ(r)趋向一条水平直线,说明液体确实和气体一样具有长程无序性。但是在r<0.9×10-9m时曲线却有了起伏。xxx个峰出现的中心位置与晶体衍射xxx个峰出现的位置差不多,以后又出现第二个峰、第三个峰。这说明在短程(几个分子大小)的范围内,液体具有与晶体相类似的有序性。

液体在小范围内有“半晶体状态”的微观结构。每个液体分子周围由最邻近的分子围绕着,形成某种规则的几何构形,但这种规则性只能维持在几个分子直径之内。即使这样的几何构形也是各不相同且变化不定的。不仅不同分子周围的几何构形会有差异,而且任何一种几何构形保持一定时间后均会被破坏。也有人把这种具有局部的“结晶结构”的单元称为类晶区。

此外,因为液体分子排列得较为松散,液体内部就有许多微小的空隙,因而在液体中可溶解或吸收少量气体分子。液体沸腾需先在液体内部形成气泡,而气泡又是由溶解在液体内部的气体分子积聚而成的。水生生物就是依靠在水中溶解的空气而得到氧气的。

分子的热运动

实验充分说明,液体中的分子与晶体及非晶态固体中的分子和原子一样在平衡位置附近作振动。在同一单元中的液体分子的振动方向基本一致,不同单元中分子的振动方向各不相同,这一点与多晶体有些类似。但是,在液体中这种状况仅能保持一短暂的时间。以后,由于涨落等其他因素,单元会被破坏,并重新组成新的单元。液体中存在一定的分子间隙也为单元的破坏及重新组建创造了条件。虽然任一分子在各个单元中居留的时间长短不一,但在一定的温度、压强下,液体分子在单元中的平均居留时间却是相同的。一般分子在一个单元中平均振动102~103次。对于液态金属,的数量级为10-10s。

可将液体分子的热运动作如下比喻。所有分子都过着游牧生活,短时间的迁移和比较长期的定居生活相互交替。两次迁移之间所经历的平均定居时间比分子在单元中振动的周期长得多。的大小与分子力及分子热运动这一对矛盾有关。分子排列得越紧密,分子间的作用力越强,分子就越不易移动,也越大;温度越高,分子热运动越剧烈,越小,分子也就越易迁移。在通常情况下,外力作用在液体上的时间总比平均定居时间大得多。在这段时间内,液体分子已游历了很多个单元,从而产生宏观位移,液体的流动就这样产生。若外力作用时间远小于,液体不会流动。

非晶态固体与液体

非晶态固体可被认为是一种没有流动性的液体,或者说是的液体。正因为,外力作用于非晶态固体的时间总是远小于,所以它能呈现弹性形变。非晶态固体与液体不同点还在于非晶态固体处于亚稳态,在外界扰动合适时,它可以向更为稳定的晶态转变,而液态只有当外界温度、压强变化到满足相变条件时才可能转变为晶态。

最后需说明,液体具有长程无序、短程有序性质,它既不像气体那样分子之间相互作用较弱;也不像固体那样,分子间有强烈的相互作用,而且由于短程有序性质的不确定性和易变性,很难像固体或气体那样对液体作较严密的理论计算。有关液体的理论至今还不是十分完美的

物理性质

膨胀系数

实验发现,通常在压强不变时液体的体胀系数随温度升高而略有增加,在温度不变时又随压强增大而略有减小。液体的体胀系数与下列两个因素有关:一是分子势能曲线中吸引力与排斥力的不对称性,这与产生固体热膨胀的机理类同;二是液体内部存在空隙,这种空隙使液体有类似海绵的特征,所以液体的体胀系数比固体大些。

热容

由能量均分定理可知。热容取决于分子或原子的热运动形式。按杜隆-珀替定律,固体的摩尔定容热容为3R,说明每个固体分子都在作三维振动。实验又表明,在溶解的前后,固体与液体的热容相差甚小,说明液体分子也是在平衡位置附近作振动。另外,虽然固体的体胀系数很小,因而可认为固体的Cp,m≈CV,m,但液体的体胀系数比固体大得多,所以液体的Cp,m-CV,m要比固体大。例如对于20K的液,其Cp,m=18.42J·mol-1·K-1,CV,m=11.72J·mol-1·K-1;在298K时的水,其Cp,m=75.41J·mol-1·K-1,CV,m=74.64J·mol-1·K-1。实验还证实,液体的热容与温度有关。例如水的热容在313K附近有一明显的极小值。

黏性

与气体不同,液体的黏性较气体大,且随温度的升高而降低。这是因为液体分子受到它所在单元中其他分子作用力的束缚,不可能在相邻两层流体间自由运动而产生动量输运之故。液体的黏性与单元对分子的束缚力直接有关。单元对分子束缚的强弱体现在单元中分子所在势阱的深度Ed的大小上,而Ed又决定了分子在单元中平均定居时间。因为越长,流体的流动性就越小,而流动性小的流体的黏度大。可估计到,η应该与有类似的变化关系。实验证实,液体的黏度

η=η0·exp(Ed/kT)

其中η0是某一常数。

特性

没有确定形状,是流动的,主要受容器影响。容器是什么形状,注入液体,液体就呈什么形状。

具有一定体积。液体的体积在压力及温度不变的环境下,是固定不变的。

很难被压缩。

与气体不同,液体并不总能与其他液体均匀混合(互溶)。例子

常温常压下,只有2种元素单质呈液态:汞和溴。另有4种元素单质熔点略高于室温:钫,铯,镓,铷。室温下为液态的合金包括钠钾合金,Galinstan 合金,及一些汞合金

常温下呈液体的纯净物包括水,乙醇及许多有机溶剂。

一些物质无法归类到三种状态中的一种,它们同时具有类液体和类固体的性质。例如液晶和生物膜

力学性质

体积

液体的量通常用体积度量。

一定量液体的体积由其温度和压强决定。一般情况下,液体热胀冷缩,但水在0-4°C时则相反。液体很难被压缩,例如使水的密度增加1/1000需要200巴压强。在流体动力学的研究中,通常将液体视为不可压缩的。

压强

在引力场中,液体对容器壁和任何液体中的物体产生压强。这一压强指向各个方向,并随深度增加而增加。在均匀的引力场中,静止的液体在深度 z 处的压强 p 为:

这里

为液体的密度(视为常数)

为重力加速度

需要注意的是此公式假设自由表面处的压强为0,并且忽略了表面张力的影响。

浮力

浸入液体的物体受到浮力的作用。(在其他的流体中也有浮力作用,但由于液体密度大而特别显着)

表面

除非液体的体积与密闭容器相等,液体会产生一个表面。液体表面像一层弹性膜,表面张力在其上产生,液滴和气泡也由此产生。表面波,毛细现象,浸润,表面张力波的形成也都与表面张力相关。

流动

液体会受到剪应力及拉伸应力变形,而所产生的阻力则以黏度量度,换言之,黏力越低(黏滞系数低)的液体,具越佳流动性。 当液体过冷,转化为玻璃时,黏度会急速上升,该液体会成为黏弹性的媒介,并具有固体的弹性及液体的流动性,而这个现象取决于观察的时间及扰动的频率。

与压力、温度的关系

液体的体积在压力及温度不变的环境下,是固定不变的。此外,液体对容器的边施加压力和和其他物态一样。这压力传送往四面八方,不但没有减少并且与深度一起增加(水越深,水压越大的原因)。

增温或减压一般能使液体气化,成为气体,例如将水加温成水蒸气。加压或降温一般能使液体固化,成为固体,例如将水减温成冰。然而,仅加压并不能使所有气体液化,如氧,氢,氦等。


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词条目录
  1. 简介
  2. 相关概念
  3. 特点
  4. 微观结构
  5. 短程有序与长程无序结构
  6. 分子的热运动
  7. 非晶态固体与液体
  8. 物理性质
  9. 膨胀系数
  10. 热容
  11. 黏性
  12. 特性
  13. 力学性质
  14. 与压力、温度的关系

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