القوى بين جزيئات السائل

قوى التجاذب بين جزيئات السوائل:

تظهر خاصية سطح سائل من خلال تصرفه كما لو كان غشاء مرن ممتد، حيث يمكن ملاحظة هذه الظاهرة في الشكل شبه الكروي لقطرات صغيرة من السوائل وفقاعات الصابون، و بسبب هذه الخاصية، يمكن لبعض الحشرات الوقوف على سطح الماء، ويمكن أيضًا دعم شفرة الحلاقة عن طريق التوتر السطحي للماء، شفرة الحلاقة لا تطفو: إذا تم دفعها عبر السطح، فإنها تغوص في الماء.

يعتمد التوتر السطحي بشكل أساسي على قوى الجذب بين الجسيمات داخل السائل المحدد وأيضًا على الغاز أو الصلب أو السائل المتصل به، جزيئات قطرة الماء على سبيل المثال، تجتذب بعضها البعض بشكل ضعيف، وقد يُعتقد أن جزيئات الماء الموجودة داخل القطرة تنجذب بالتساوي في جميع الاتجاهات بواسطة الجزيئات المحيطة، ومع ذلك إذا كان من الممكن إزاحة جزيئات السطح قليلاً إلى الخارج من السطح، فسوف تنجذب مرة أخرى بواسطة الجزيئات القريبة.

يمكن اعتبار الطاقة المسؤولة عن ظاهرة التوتر السطحي مكافئة تقريبًا للعمل أو الطاقة المطلوبة لإزالة الطبقة السطحية للجزيئات في منطقة الوحدة، ويمكن التعبير عن التوتر السطحي بالتالي، بوحدات الطاقة (جول) لكل وحدة مساحة (متر مربع)، ويبلغ توتر سطح الماء 0.07275 جول لكل متر مربع عند 20 درجة مئوية (68 درجة فهرنهايت)، وبالمقارنة فإن السوائل العضوية، مثل البنزين والكحول، لها توترات سطحية أقل، في حين أن الزئبق لديه توتر سطحي أعلى، وتؤدي الزيادة في درجة الحرارة إلى تقليل قوة الجذب الصافية بين الجزيئات وبالتالي تقلل التوتر السطحي.

يُنظر أيضًا إلى التوتر السطحي على أنه نتيجة القوى المؤثرة في مستوى السطح وتميل إلى تقليل مساحته، وعلى هذا الأساس غالبًا ما يتم التعبير عن التوتر السطحي كمقدار من القوة المبذولة في السطح بشكل عمودي على خط طول الوحدة، ثم الوحدة هي نيوتن لكل متر، وهو ما يعادل جول لكل متر مربع.

العوامل التي تعتمد عليها قوى التجاذب في السوائل:

بين السائل والبخار المقابل له يوجد سطح فاصل له توتر قابل للقياس؛ يجب العمل على زيادة مساحة السطح عند درجة حرارة ثابتة ومن ثم في حالة عدم وجود الجاذبية أو أثناء السقوط الحر، يكون شكل التوازن لحجم السائل هو الشكل الذي يحتوي على مساحة دنيا – أي الكرة، وفي مجال الأرض يوجد هذا الشكل فقط للقطرات الصغيرة، حيث تكون قوى الجاذبية؛ نظرًا لأنها تتناسب مع الحجم، ضئيلة مقارنة بالقوى السطحية، والتي تتناسب مع المنطقة.

ينخفض ​​التوتر السطحي مع ارتفاع درجة الحرارة ويختفي عند النقطة الحرجة، ويوجد سطح فاصل مشابه بين سائلين غير قابلين للامتزاج، ولكن هذا عادة ما يكون له توتر أقل، ويوجد أيضًا توتر بين مادة سائلة وصلبة (يشار إليها غالبًا باسم طاقة السطح)، على الرغم من أنها لا يمكن قياسها بشكل مباشر، بسبب صلابة المادة الصلبة؛ حيث يمكن استنتاجه.
ومع ذلك وفي ظل افتراضات معينة، من زاوية التلامس بين السائل والصلب (أي الزاوية التي يلتقي عندها سطح السائل مع المادة الصلبة)، إذا كانت هذه الزاوية صفرية، يكون سطح السائل موازيًا للسطح الصلب ويقال إنه يبلل المادة الصلبة تمامًا، وتسمى المعادلة المتعلقة بزاوية التلامس بالتوترات السطحية لواجهات الهواء السائل والصلب والصلب والهواء الصلب باسم معادلة يونغ نسبة للعالم البريطاني توماس يونغ.

التركيب الجزيئي للسوائل :

من أجل فهم كامل للحالة السائلة للمادة، من الضروري فهم السلوك على المستوى الجزيئي يتميز هذا السلوك بكميتين تدعى دالة احتمال الزوج بين الجزيئات، u، ودالة التوزيع الشعاعي g، كما يعطي جهد الزوج معلومات حول الطاقة بسبب تفاعل زوج من الجزيئات وهو دالة على المسافة r بين مراكزهم، وتوجد معلومات حول التركيب أو المسافات بين أزواج الجزيئات في دالة التوزيع الشعاعي، إذا كانت g و u معروفين بمادة ما، فيمكن حساب الخصائص العيانية.

في الغاز المثالي – حيث لا توجد قوى بين الجزيئات، ويكون حجم الجزيئات ضئيلًا – فإن g هي الوحدة، مما يعني أن فرصة مواجهة جزيء ثانٍ عند الابتعاد عن الجزيء المركزي مستقلة عن الموضع، وفي مادة صلبة، تأخذ g قيمًا منفصلة على مسافات تتوافق مع المواقع المرتبطة بالبنية البلورية للمادة الصلبة.

لا تمتلك السوائل البنية المنظمة تمامًا للبلورة الصلبة ولا العشوائية الكاملة للغاز المثالي، وتكون البنية في السائل متوسطة إلى هذين النقيضين، أي أن الجزيئات الموجودة في السائل تتمتع بحرية الحركة، ولكن هناك بعض الترتيب لأنها تظل قريبة نسبيًا من بعضها البعض، وعلى الرغم من وجود عدد لا حصر له من المواضع المحتملة التي قد يتخذها جزيء ما فيما يتعلق بجزيء آخر، فإن بعضها أكثر احتمالًا من الآخر.

دالة التوزيع الشعاعي للسوائل :

لو اخذنا مثالاً على دالة التوزيع الشعاعي للتعبئة الكثيفة النموذجية للسوائل، في هذا لو كانت g مقياس احتمالية إيجاد مركز جزيء واحد على مسافة r من مركز جزيء ثان، لقيم r أقل من تلك الخاصة بالقطر الجزيئي، d، g يذهب إلى الصفر، وهذا يتوافق مع حقيقة أن جزيئين لا يمكن أن يشغلوا نفس المساحة، والموقع الأكثر احتمالا للجزيء الثاني فيما يتعلق بالجزيء المركزي هو أكثر بقليل من القطر الجزيئي، مما يعكس حقيقة أن الجزيئات في السوائل تكون معبأة ضد بعضها البعض تقريبًا، الموقع الثاني الأكثر احتمالا هو على بعد أكثر من قطرين جزيئيين بقليل، ولكن بعد الطبقة الثالثة، تضعف المواقع المفضلة، وتصبح فرصة العثور على مركز الجزيء مستقلة عن الموضع.

الدالة المحتملة للزوج، u، هي رقم موجب كبير لـ r أقل من d، وتفترض قيمة دنيا في الموقع الأكثر تفضيلاً، وتخارج الرطوبة إلى الصفر عندما تقترب r من اللانهاية، وتتوافق القيمة الإيجابية الكبيرة لـ u مع تنافر قوي، بينما يتوافق الحد الأدنى مع النتيجة الصافية للقوى البغيضة والجذابة.

هناك طريقتان لقياس دالة التوزيع الشعاعي g: الأولى، بالأشعة السينية أو حيود النيوترون من السوائل البسيطة وثانيًا، عن طريق محاكاة الكمبيوتر للبنية الجزيئية والحركات في السائل، وفي الحالة الأولى، يتعرض السائل لإشعاع محدد بطول موجة واحد (أحادي اللون)، ثم تخضع النتائج المرصودة لمعالجة رياضية تُعرف باسم تحويل فورييه.

الطريقة الثانية للحصول على دالة التوزيع الشعاعي g تفترض أن طاقة التفاعل، u، للسائل قيد الدراسة معروفة، ويتم إنشاء نموذج كمبيوتر للسائل، حيث يتم احتواء ما بين 100 و 1000 جزيء داخل مكعب.

يوجد الآن طريقتان للمتابعة: عن طريق حساب مونت كارلو أو عن طريق ما يسمى الديناميكيات الجزيئية، حيث يتم تعيين موضع وسرعة لكل جزيء عشوائي، ويتم حل معادلات نيوتن للحركة لحساب مسار كل جزيء في المجال المتغير لجميع الجزيئات الأخرى، و يُعتبر الجزيء الذي يغادر الخلية أنه قد تم استبداله بجزيء جديد بسرعة متساوية يدخل من خلال النقطة المقابلة على الجدار المقابل.

بعد عدة تصادمات لكل جزيء، يتوافق توزيع السرعات مع المعادلات التي توصل إليها الفيزيائي الاسكتلندي جيمس كليرك ماكسويل، وبعد وقت أطول تكون المواضع المتوسطة مناسبة للكثافة ومتوسط ​​الطاقة الحركية (أي درجة الحرارة) للسائل، ويمكن الآن تقييم وظائف مثل دالة التوزيع الشعاعي g من خلال أخذ متوسطات مناسبة مع تطور النظام بمرور الوقت منذ عام 1958، كما أضافت تجارب الكمبيوتر هذه إلى معرفة التركيب الجزيئي للسوائل البسيطة أكثر من جميع الأعمال النظرية في القرن الماضي وما زالت مجالًا نشطًا للبحث ليس فقط عن السوائل النقية ولكن للخلائط السائلة أيضًا.

روابط التجاذب بين الجزيئات:

يمكن شد المواد الصلبة دون أن تنكسر، كما يمكن للسوائل، وإن لم تكن غازات، أن تتحمل التمدد أيضًا وبالتالي، إذا انخفض الضغط بشكل ثابت في عينة من الماء النقي جدًا، فستظهر الفقاعات في النهاية، لكنها قد لا تفعل ذلك حتى يصبح الضغط سالبًا وأقل بكثير من -107 نيوتن لكل متر مربع؛ هذا أكبر بمئة مرة من الضغط (الإيجابي) الذي يمارسه الغلاف الجوي للأرض.

يدين الماء بقوته المثالية العالية إلى حقيقة أن التمزق ينطوي على كسر روابط التجاذب بين الجزيئات على جانبي المستوى الذي يحدث فيه التمزق؛ ويجب القيام بالعمل لكسر هذه الروابط ومع ذلك، يتم تقليل قوتها بشكل كبير عن طريق أي شيء يوفر نواة يمكن أن تبدأ فيها العملية المعروفة باسم التجويف (تكوين تجاويف مملوءة بالبخار أو الغاز)، ويكون السائل الذي يحتوي على جزيئات الغبار المعلقة أو الغازات المذابة عرضة للتجويف بسهولة تامة .

يجب أن يتم العمل أيضًا في حالة سحب قطرة سائلة حرة ذات شكل كروي إلى اسطوانة طويلة رفيعة أو مشوهة بأي طريقة أخرى تزيد من مساحة سطحها، وهنا مرة أخرى هناك حاجة إلى العمل لكسر الروابط بين الجزيئات، يتصرف سطح السائل في الواقع، كما لو كان غشاءًا مرنًا تحت الشد، باستثناء أن التوتر الذي يمارسه الغشاء المرن يزداد عندما يتمدد الغشاء بطريقة لا يحدث فيها التوتر الناتج عن سطح سائل، حيث أن التوتر السطحي هو ما يتسبب في ارتفاع السوائل للأنابيب الشعرية، وما يدعم القطرات السائلة المعلقة، وما يحد من تكون التموجات على سطح السوائل، وما إلى ذلك.