בחיי היומיום אנו נתקלים כל הזמן בשלושה מצבים של חומר - נוזלי, גזי ומוצק. יש לנו מושג די ברור מה הם מוצקים וגזים. גז הוא אוסף של מולקולות שנעות באקראי לכל הכיוונים. כל המולקולות של גוף מוצק שומרות על סידורן ההדדי. הם מתנודדים מעט.
תכונות של חומר נוזלי
ומה הם חומרים נוזליים? התכונה העיקרית שלהם היא, שהם תופסים עמדת ביניים בין גבישים וגזים, הם משלבים תכונות מסוימות של שני המצבים הללו. לדוגמה, עבור נוזלים, כמו גם עבור גופים מוצקים (גבישיים), הנוכחות של נפח אופיינית. עם זאת, באותו זמן, חומרים נוזליים, כמו גזים, מקבלים את צורת הכלי שבו הם נמצאים. רבים מאיתנו מאמינים שאין להם צורה משלהם. עם זאת, זה לא. הצורה הטבעית של כל נוזל -כַּדוּר. כוח הכבידה בדרך כלל מונע ממנו לקבל צורה זו, ולכן הנוזל מקבל צורה של כלי או מתפשט דק על פני השטח.
מבחינת תכונותיו, המצב הנוזלי של חומר מורכב במיוחד, בשל מיקומו הביניים. החלו לחקור אותו עוד מתקופת ארכימדס (לפני 2200 שנה). עם זאת, הניתוח של אופן התנהגות המולקולות של חומר נוזלי הוא עדיין אחד התחומים הקשים ביותר של המדע היישומי. עדיין אין תיאוריה מקובלת ומלאה לחלוטין של נוזלים. עם זאת, אנו יכולים לומר משהו על ההתנהגות שלהם בהחלט.
התנהגות של מולקולות בנוזל
נוזל הוא משהו שיכול לזרום. סדר הטווח הקצר נצפה בסידור החלקיקים שלו. המשמעות היא שהמקום של השכנים הקרובים אליו, ביחס לכל חלקיק, מסודר. אולם ככל שהיא מתרחקת מאחרים, מעמדה ביחס אליהם נעשה פחות ופחות מסודר, ואז הסדר נעלם כליל. חומרים נוזליים מורכבים ממולקולות שנעות הרבה יותר בחופשיות מאשר במוצקים (ואפילו יותר בחופשיות בגזים). במשך זמן מסוים, כל אחד מהם ממהר תחילה לכיוון אחד, ואז לכיוון השני, מבלי להתרחק משכניו. עם זאת, מולקולת נוזל פורצת מהסביבה מעת לעת. היא מגיעה למקום חדש על ידי מעבר למקום אחר. כאן שוב, למשך זמן מסוים, היא עושה תנועות כמו נדנוד.
Y. I. פרנקל תרומתו לחקר הנוזלים
I. I. פרנקל, מדען סובייטי, יש כשרון גדול בפיתוח של מספרבעיות בנושא כמו חומרים נוזליים. הכימיה התקדמה מאוד הודות לתגליותיו. הוא האמין שלתנועה תרמית בנוזלים יש את האופי הבא. במשך זמן מסוים, כל מולקולה נעה סביב מיקום שיווי המשקל. עם זאת, הוא משנה את מקומו מעת לעת, עובר בפתאומיות למיקום חדש, המופרד מהקודם על ידי מרחק שגודלו בערך של מולקולה זו עצמה. במילים אחרות, בתוך הנוזל, המולקולות נעות, אבל לאט. חלק מהזמן הם שוהים ליד מקומות מסוימים. כתוצאה מכך, התנועה שלהם היא משהו כמו תערובת של תנועות בגז ובגוף המוצק. תנודות במקום אחד לאחר זמן מה מוחלפות במעבר חופשי ממקום למקום.
לחץ בנוזל
כמה מאפיינים של חומר נוזלי ידועים לנו עקב אינטראקציה מתמדת איתם. לכן, מניסיון חיי היומיום, אנו יודעים שהוא פועל על פני השטח של גופים מוצקים הבאים איתו במגע, בכוחות מסוימים. הם נקראים כוחות לחץ נוזלים.
לדוגמה, כשפותחים ברז מים עם אצבע ופותחים את המים, אנחנו מרגישים איך הוא לוחץ על האצבע. ושחיין שצלל לעומק רב לא חווה בטעות כאבים באוזניו. זה מוסבר על ידי העובדה שכוחות לחץ פועלים על עור התוף. מים הם חומר נוזלי, ולכן יש להם את כל התכונות שלו. על מנת למדוד את טמפרטורת המים בעומק הים, חזק מאודמדי חום כך שלא ניתן למעוך אותם על ידי לחץ נוזלים.
לחץ זה נובע מדחיסה, כלומר שינוי בנפח הנוזל. יש לו גמישות ביחס לשינוי הזה. כוחות הלחץ הם כוחות האלסטיות. לכן, אם נוזל פועל על גופים במגע איתו, אז הוא דחוס. מכיוון שצפיפות חומר עולה במהלך הדחיסה, אנו יכולים להניח שלנוזלים יש גמישות ביחס לשינוי בצפיפות.
האידוי
בהמשך לשקול את תכונותיו של חומר נוזלי, אנו פונים לאידוי. בסמוך לפני השטח שלו, כמו גם ישירות בשכבת השטח, פועלים כוחות המבטיחים את עצם קיומה של שכבה זו. הם לא מאפשרים למולקולות שבו לעזוב את נפח הנוזל. אולם, עקב תנועה תרמית, חלקם מפתחים מהירויות גבוהות למדי, בעזרתן ניתן להתגבר על כוחות אלו ולהשאיר את הנוזל. אנו קוראים לתופעה זו אידוי. ניתן לראות אותו בכל טמפרטורת אוויר, אולם עם עלייתו, עוצמת האידוי עולה.
עיבוי
אם המולקולות שיצאו מהנוזל מוסרות מהחלל הסמוך לפני השטח שלו, אז כל זה בסופו של דבר מתאדה. אם המולקולות שעזבו אותו לא מוסרות, הן יוצרות אדים. מולקולות אדים שנפלו לאזור הסמוך לפני השטח של הנוזל נמשכות אליו על ידי כוחות המשיכה. תהליך זה נקרא עיבוי.
לכן,אם המולקולות לא מוסרות, קצב האידוי יורד עם הזמן. אם צפיפות האדים עולה עוד יותר, מגיעים למצב שמספר המולקולות היוצאות מהנוזל בזמן מסוים יהיה שווה למספר המולקולות שחוזרות אליו באותו זמן. זה יוצר מצב של שיווי משקל דינמי. האדים שבו נקראים רווי. הלחץ והצפיפות שלו גדלים עם עליית הטמפרטורה. ככל שהוא גבוה יותר, כך מספר מולקולות הנוזל גדול יותר באנרגיה מספקת לאידוי וככל שצפיפות האדים צריכה להיות גדולה יותר כדי שהעיבוי ישתווה לאידוי.
Boiling
כאשר, בתהליך של חימום חומרים נוזליים, מגיעים לטמפרטורה שבה לאדים הרוויים יש אותו לחץ כמו הסביבה החיצונית, נוצר שיווי משקל בין אדי רווי לנוזל. אם הנוזל מעניק כמות נוספת של חום, מסת הנוזל המתאימה מומרת מיד לאדים. תהליך זה נקרא הרתחה.
רתיחה היא אידוי אינטנסיבי של נוזל. זה מתרחש לא רק מפני השטח, אלא נוגע לכל נפחו. בועות אדים מופיעות בתוך הנוזל. על מנת להיכנס לאדים מנוזל, מולקולות צריכות לרכוש אנרגיה. זה נחוץ כדי להתגבר על כוחות המשיכה השומרים אותם בנוזל.
נקודת רתיחה
נקודת הרתיחה היא זו שבהיש שוויון של שני לחצים - אדים חיצוניים ורוויים. זה גדל ככל שהלחץ עולה ויורד ככל שהלחץ יורד. בשל העובדה שהלחץ בנוזל משתנה עם גובה העמוד, הרתיחה בו מתרחשת ברמות שונות בטמפרטורות שונות. רק לאדים רוויים, שנמצאים מעל פני הנוזל במהלך תהליך הרתיחה, יש טמפרטורה מסוימת. זה נקבע רק על ידי לחץ חיצוני. לזה אנחנו מתכוונים כשאנחנו מדברים על נקודת הרתיחה. זה שונה עבור נוזלים שונים, אשר נמצא בשימוש נרחב בהנדסה, בפרט, בעת זיקוק מוצרי נפט.
חום אידוי סמוי הוא כמות החום הנדרשת כדי להפוך כמות נוזל מוגדרת איזותרמית לקיטור אם הלחץ החיצוני זהה ללחץ האדים הרווי.
מאפיינים של סרטים נוזליים
כולנו יודעים איך להשיג קצף על ידי המסת סבון במים. זה לא אלא הרבה בועות, אשר מוגבלות על ידי הסרט הדק ביותר המורכב מנוזל. עם זאת, ניתן להשיג סרט נפרד גם מהנוזל המקציף. המאפיינים שלו מעניינים מאוד. סרטים אלה יכולים להיות דקים מאוד: עובים בחלקים הדקים ביותר אינו עולה על מאה אלפית המילימטר. עם זאת, הם לפעמים מאוד יציבים, למרות זאת. סרט הסבון יכול להיות נתון לדפורמציה ומתיחה, סילון מים יכול לעבור דרכו מבלי להרוס אותו. איך להסביר יציבות כזו? על מנת שיופיע סרט יש צורך להוסיף חומרים שמתמוססים בו לנוזל טהור. אבל לא אף אחד, אלא כזה,אשר מוריד משמעותית את מתח הפנים.
סרטים נוזליים בטבע ובטכנולוגיה
בטכנולוגיה ובטבע, אנחנו נפגשים בעיקר לא עם סרטים בודדים, אלא עם קצף, שזה השילוב שלהם. לעתים קרובות ניתן לראות אותו בנחלים, שבהם נחלים קטנים נופלים למים רגועים. יכולתם של מים להקציף במקרה זה קשורה בנוכחות של חומר אורגני בו, המופרש על ידי שורשי הצמחים. זוהי דוגמה לאופן שבו חומרים נוזליים טבעיים מקצפים. אבל מה עם הטכנולוגיה? במהלך הבנייה, למשל, משתמשים בחומרים מיוחדים בעלי מבנה סלולרי הדומה לקצף. הם קלים, זולים, חזקים מספיק, מוליכים רע קול וחום. כדי להשיג אותם, מוסיפים חומרי הקצפה לפתרונות מיוחדים.
מסקנה
אז, למדנו אילו חומרים הם נוזליים, גילינו שהנוזל הוא מצב ביניים של חומר בין גזי למוצק. לכן, יש לו תכונות האופייניות לשניהם. גבישים נוזליים, הנמצאים בשימוש נרחב כיום בטכנולוגיה ובתעשייה (למשל, תצוגות גבישים נוזליים) הם דוגמה מצוינת למצב זה של חומר. הם משלבים את התכונות של מוצקים ונוזלים. קשה לדמיין אילו חומרים נוזליים ימציא המדע בעתיד. עם זאת, ברור שיש פוטנציאל גדול במצב החומר הזה שניתן להשתמש בו לטובת האנושות.
עניין מיוחד בהתייחסות לתהליכים פיזיקליים וכימיים המתרחשיםבמצב נוזלי, בשל העובדה שהאדם עצמו מורכב מ-90% ממים, שהם הנוזל הנפוץ ביותר בכדור הארץ. בו מתרחשים כל התהליכים החיוניים הן בצמח והן בעולם החי. לכן, חשוב לכולנו ללמוד את המצב הנוזלי של החומר.
