книги из ГПНТБ / Физико-химические основы металлургических процессов

ГЛАВА II

ТЕОРИЯ ЖИДКОСТЕЙ

Основные проблемы теории жидкостей обсуждались уже давно. В последние годы изучение жидкостей стало более интенсивным. Интерес к свойствам жидкостей обусловлен, во-первых, использо­ ванием их самих в различных областях техники, а во-вторых, тем, что свойства твердой фазы, получающейся при кристаллизации, свя­ заны в определенной степени со строением расплава. Однако теория жидкостей до настоящего времени не стала еще объектом изучения, по затраченным усилиям, например, равным теории твердого тела.

основное применение имели водные растворы (их теория, кстати сказать, оказалась развитой довольно полно). Все развивающееся использование жидких металлов, солей и других расплавов застав­ ляет расширять исследования свойств и этих жидкостей.

С другой стороны, важным обстоятельством, затруднившим раз­ витие теории жидкостей, оказалась чрезвычайная сложность этой теории, обусловленная особенностями самого объекта. Основная трудность заключается в том, что в теории жидкостей отсутствует приемлемое нулевое приближение, которое относилось бы к некото­ рой «идеальной жидкости» и отклонения от которого были бы след­ ствием специфики данной конкретной системы. В теории твердых тел таким нулевым приближением может являться идеальный кри­

ждение связи между этими вириальными коэффициентами (а также «О

кинетическими свойствами) и механическими свойствами молекул

отклонений от идеальности выполняется, очевидно, лишь тогда, когда энергия межмолекулярного взаимодействия гораздо меньше средней тепловой энергии частиц и размеры частиц малы по сравне­ нию со средним расстоянием между ними.

Соответственно, реальное твердое тело (кристаллическое) можно рассматривать как разбавленный раствор дефектов различного типа (точечных, линейных, плоских) в идеальном кристалле; условие малости концентрации дефектов оказывается необходимым для того, чтобы решение могло быть получено.

В этом смысле жидкости как простейшие (одноатомные), так и более сложные, находятся в одинаковом положении: нулевое при­ ближение для них отсутствует. Зато в случае успешного решения проблемы жидкостей свойства реальных газов и некоторые свойства твердых тел (в особенности, амфорных) можно было бы получить путем предельного перехода к малым или большим плотностям. К сожалению, до настоящего времени такого положения в теории еще не достигнуто.

Достаточно полное решение задач теории жидкостей может дать лишь статистический метод. Действительно, наибольшие успехи были достигнуты именно на этом направлении в работах М. Борна, Г. Грина, Дж . Кирквуда, Н. Н. Боголюбова и других. Основной задачей такой статистической теории жидкостей является установле­

При исследовании свойств какого-либо макроскопического объекта необходимо учитывать, по какому набору частиц произво­ дится усреднение в данном эксперименте. В случае кристалла можно получить, например, информацию, относящуюся к одной единствен­ ной дислокации, но нельзя проследить за движением одного атома примеси.

В жидкости из-за высокой подвижности ее частиц и вследствие отсутствия дальнего порядка (т. е. кристаллической решетки) бли­ жайшие окружения различных атомов (молекул) могут различаться довольно сильно как по числу соседей, так и по их пространственному расположению. Так как нет возможности следить за поведением отдельного атома или малой группы атомов, то результаты измере­ ний любого свойства жидкости оказываются усредненными по боль­ шому числу атомов.

Если изучается свойство, не зависящее от угловой ориентировки (в пространстве) ближайших соседей данного атома, то при усред­ нении по различным атомам такая ориентировка не может фигуриро-

вать в результате измерения, так что остается существенным лишь

и наружным г + dr, с центром в ядре произвольной частицы про­ стой жидкости (т. е. содержащей лишь атомы одного элемента). Тогда среднее число атомов (точнее, ядер атомов), попавших в этот

Если же взять расстояние от центра данного атома г слишком малым (меньше так называемого диаметра атома), то в шаровой слой не попадет ни одного ядра частицы. Это означает, что при малых

Функция R (г), показанная на рис. 13, имеет при небольших расстояниях г осциллирующий характер. Можно ожидать именно такого поведения ее, так как в жидкости должны проявляться неко­ торые черты упорядочения, свойственного кристаллу, из которого данная жидкость образовалась. Так должно существовать пред­ почтительное расстояние между ближайшими соседями, аналогич­ ное межатомному расстоянию в кристалле, среднее число ближай­ ших соседей, аналогичное координационному числу в решетке и т. д. Наличие всех этих элементов упорядочения в жидкости, обусловленных в конечном счете собственным объемом молекул и

ней плотности Rо, так как частицы идеального газа не взаимодей­ ствуют и имеют нулевой собственный объем.

РАССЕЯНИЕ И З Л У Ч Е Н И Я ПРОСТОЙ ЖИДКОСТЬЮ

Предположим, что на объем жидкости V, содержащий N одина­ ковых атомов, падает излучение (рентгеновское, пучок электронов, нейтронов и т. п.), которое упруго рассеивается во все стороны (рис. 15). Рассеянное излучение принимается с помощью счетчика С

стик ближнего порядка в жидкостях. Обычно находят наиболее вероятное расстояние г1 между ближайшими соседями [координату первого максимума на кривой 4nr2R (г) ] и среднее координацион­ ное число, т. е. среднее число ближайших соседей, равное площади, заключенной под первым максимумом. Поскольку первый и второй максимумы обычно перекрываются, координационное число г можно найти лишь приближенно, с точностью до 1—1,5 единиц. Значения гх и z для некоторых жидких металлов приведены в табл. 5. Обычно при плавлении металлов с компактной решеткой (г = 12) координа­ ционное число несколько уменьшается, а межатомное расстояние меняется мало, а для решеток с низким координационным числом величина z наоборот, возрастает. Особенно резко (от 4 до ~ 8 ) зна-