مایع چیست؟ – تعریف و خواص حالت مایع به زبان ساده
مقدمه
ماده حالتهای مختلفی میتواند داشته باشد که حالت «مایع» یکی از آنها است. مایع ویژگیهای مختلفی دارد و از نظر قرارگیری ذرات در کنار یکدیگر، تفاوتهایی با دو حالت دیگر ماده یعنی جامد و گاز دارد. در این مقاله میخواهیم به بررسی این حالت از ماده بپردازیم و ویژگیهای مختلف آن را توضیح دهیم. با ادامه این مطلب ما را همراهی کنید.
مایع چیست؟
ماده ۳ حالت دارد:
- جامد
- مایع
- گاز
مایع همان حالتی از ماده است که وقتی در ظرفی قرار بگیرد، به شکل آن در میآید. توانایی مایع در جریان آن برای پر کردن یک ظرف در عین حفظ حجمِ ثابت، مشخص میشود. منظور این است که مایع در تغییر شکل دادن خود به حالت یک ظرف، شبیه به گاز است. جریان دارد یا به عبارتی شاره است؛ اما میزان جریان آن به اندازه گاز نیست و حجمش ثابت میماند.
گاز هم میتواند به شکل ظرفی دربیاید که در آن قرار میگیرد اما میتواند تمام فضا را با انبساط یا انقباض پر کند. در حالی که حجم مایع ثابت است و همانند گاز قابلتغییر نیست. به همین دلیل هم هست که دو لیتر آب را نمیتوان در یک ظرف یک لیتری فشرده کرد و جا داد.
پس میتوان گفت که برخلاف جامدات که شکل و حجم ثابتی دارند و گازها که برای پر کردن ظرف منبسط میشوند؛ اما شکل یا حجم ثابتی ندارند، مایعات حجم مشخصی دارند؛ اما شکل ظرفی را که در آن ریخته میشوند، به خود میگیرند. این بدان معناست که یک مایع صرفنظر از شکل ظرف، مقدار ثابتی از فضا را اشغال میکند.
نیروهای جاذبه بینمولکولی مایع نسبتاً قوی هستند. مولکولهای یک مایع در مقایسه با مولکولهای یک گاز به یکدیگر نسبتاً نزدیک هستند. مولکولها مدام به طور تصادفی حرکت میکنند. در یک مایع، میانگین انرژی جنبشی مولکولها متناسب با دمای مطلق مشخص میگردد. پس مایع میتواند با تغییر دما، تغییر حالت دهد و انرژی جنبشی متفاوتی پیدا کند.
آب، الکل، جیوه، نفت، روغن آفتابگردان و نوشیدنیها مثالهایی از این حالت ماده هستند. هر چند در همان ویژگیهای پایه و اولیه مایعات با هم تفاوتهایی دارند. بهعنوانمثال، آب در بازه دمایی ۰ تا ۱۰۰ درجه سیلیسیوس حالت مایع دارد. اگر دما پایینتر برود، یخ میزند و به حالت جامد درمیآید. اگر دما بالاتر برود، بخار میشود. پس به گاز تبدیل میگردد. نکته مهمی که باید به آن توجه شود این است که آب در هر ۳ حالت ماده هنوز هم آب است. فقط تغییر شکل داده و فاصله میان ذرات تشکیلدهنده آن تغییر کرده است. پیوند بین اتمها و مولکولها در حالت جامد قویتر از حالت مایع و در حالت مایع قویتر از حالت گاز است.
نکته دیگری که باید به آن توجه کنید این است که تمامی مایعها به یک صورت تغییر شکل نمیدهند. برخی مثل آب، ممکن است با افزایش دما بخار شوند. برخی دیگر مثل الکل، ممکن است با یکی از مواد شیمیایی محیط مثل اکسیژن، واکنش نشان دهد و بسوزد. اما معمولاً تمامی مایعات در اثر کاهش دما منجمد میشوند و به حالت جامد درمیآیند.
ویژگیهای مایع
مایعات میتوانند تفاوتهای قابلتوجهی با یکدیگر داشته باشند. بهعنوانمثال، روغن زیتون وزن بیشتری نسبت به سرکه دارد و بسیار غلیظتر است، همین امر باعث میشود جریان کندتری داشته باشد. علاوه بر این، روغن زیتون در دمای حدوداً ۱۲ درجه سانتیگراد (۵۴ درجه فارنهایت) شروع به جامد شدن میکند، در حالی که سرکه در حدود ۲.۲- درجه سانتیگراد (۲۸ درجه فارنهایت) شروع به یخ زدن میکند. با وجود تفاوتهای بین مایعات، آنها را میتوان به طور کلی با مجموعهای از خواص فیزیکی مشترک توصیف کرد. این ویژگیها عبارتاند از:
بیشکلی مایعات
مایعات شکل ثابتی ندارند و شکل هر ظرفی را که در آن قرار میگیرند، به خود میگیرند. دلیل این امر این است که نیروهای بینمولکولی بین آنها ضعیف است و ذرات موجود در یک لایه میتوانند به راحتی روی ذرات لایه دیگر بلغزند. در نتیجه، یک مایع شکل ظرفی را که در آن نگهداری میشود، به خود میگیرد. فرقی ندارد که آن مایع چه باشد. در هر صورت به شکل ظرفی درمیآید که در آن ریخته میشود. فرض کنید مقداری عسل را میخواهید درون یک لیوان بریزید. عسل به شکل لیوان درمیآید. اگر آب را هم در همان لیوان بریزید، به شکل آن ظرف درمیآید. اگر روغن کرچک را هم در همان لیوان بریزید، باز هم به شکل آن درمیآید.
داشتن حجمی مشخص
اگرچه مایعات شکل مشخصی ندارند، اما حجم نسبتاً ثابتی دارند. یک مایع را نمیتوان با اعمال فشار، فشرده کرد. نیروهای بینمولکولی مایعات آنقدر قوی هستند که هیچ مقدار فشاری نمیتواند بر آنها غلبه کند. تغییر در فشار یا دما ممکن است حجم را به مقدار کمی تغییر دهد، اما در کل، حجم مایعات نسبتاً ثابت میماند، مگر اینکه تحت تأثیر تبخیر یا تعرق قرار گیرد. بهعنوانمثال، اگر یک کارتن پر از شیر دقیقاً ۱ لیتر حجم داشته باشد، حتی اگر آن را در یک ظرف ۲۰ لیتری هم بریزید، باز همان حجم یک لیتر را خواهد داشت. این در حالی است که گازها برای پر کردن ظرف خود را منبسط میکنند.
مایع انعطافپذیری دارد، نه سفتی
مایعات سیالیت یا جریان دارند. سفتی و سختی جزئی از ویژگیهای مایعات نیست. دلیلش این است که مایعات نیروهای بینمولکولی کمتری نسبت به جامدات دارند. با این حال، سیالیت نسبی مایعات مختلف متفاوت است. بهعنوانمثال، آب سریعتر از عسل حرکت میکند.
انرژی جنبشی ذرات مایع بیشتر از جامد است
برخلاف حالت جامد، ذرات در حالت مایع تراکم کمتری دارند. در نتیجه نیروهای بینذرهای ضعیفتر هستند. پس میتوان گفت انرژی جنبشی ذرات در حالت مایع بیشتر از حالت جامد است. با افزایش دما، این انرژی بیشتر بالا میرود.
ذرات در حالت مایع میتوانند به راحتی پخش شوند
ذرات در حالت مایع به دلیل نیروهای جاذبه بینمولکولی کمتر، میتوانند راحتتر از ذرات در حالت جامد پراکنده شوند. در واقع این ویژگی موجب میشود تا مایعات با هم مخلوط شوند. برای مثال، آب و الکل هر دو مایعاتی هستند که میتوانند به راحتی با هم ترکیب گردند و یک مخلوط یا محلول مایع تشکیل دهند. وقتی شرایط فیزیکی یک مایع تغییر میکند، ماهیت اساسی آن نیز تغییر میکند.
مخلوط چیست؟
مایعات با ترکیب شدن با یکدیگر مخلوط را ایجاد میکنند. مخلوط دو حالت دارد:
- همگن: مخلوط همگن، محلول نیز نامیده میشود. در این نوع مخلوط مواد به طور یکنواخت توزیع شدهاند و دچار تغییر شیمیایی میشوند. در این حالت معمولاً یک ماده در ماده دیگر حل میشود تا ماده جدیدی با ترکیب یکنواخت تشکیل دهد. بهعنوانمثال، وقتی که الکل اتانول را با آب مخلوط میکنیم.
- ناهمگن: مخلوط ناهمگن ترکیبی از موادی است که با یکدیگر واکنش شیمیایی نشان نمیدهند. در این مخلوط مواد خواص فیزیکی خود را به صورت جداگانه حفظ میکنند. مانند وقتی روغن و سرکه را با هم ترکیب میکنیم.
ویسکوزیته یا گرانروی مایعات
مایعات همگی با سرعت یکسانی حرکت نمیکنند. آب، الکل، نفت سفید، روغن به سرعت جریان مییابند، در حالی که عسل، گلیسرول، روغن کرچک جریان آرامتری دارند. بر این اساس، ویسکوزیته را میتوان به عنوان مقاومت داخلی یک مایع در برابر جریان توصیف کرد. ویسکوزیته یا گرانروی با توجه به اندازه مولکولی و نیروهای بینمولکولی آن متفاوت است.
نیروهای جاذبه بینمولکولی متفاوتی در مایعات مختلف وجود دارند که منجر به مقاومت داخلی متفاوتی هم میشوند. وقتی این نیروها قوی باشند، مایع چسبناکتر میشود و وقتی ضعیف باشند، میزان چسبناکی مایع کم میشود. بهعنوانمثال، روغن موتور به دلیل ساختار مولکولی بزرگترش، ویسکوزیته بسیار بالاتری نسبت به آب دارد؛ بنابراین، روغن موتور بسیار کندتر از آب جریان مییابد.
وقتی مایعی جریان مییابد، لایهای از آن که مستقیماً با سطح در تماس است، بیحرکت میماند؛ با افزایش فاصله از سطح ثابت، سرعت لایهها افزایش مییابد. جریان لایهای نوعی جریان است که در آن سرعت با الگوی منظمی تغییر میکند. لایه زیرین سعی میکند سرعت را کاهش دهد، در حالی که لایه بالایی آن را شتاب میدهد.
ضریب ویسکوزیته
نیروی مورد نیاز برای حفظ جریان در این سه لایه، توسط دو متغیر تعیین میشود:
- مساحت در تماس (A)
- گرادیان سرعت du/dx
گرادیان سرعت با مقدار du/dx نشان داده میشود. منظور زمانی است که سرعت لایه در فاصله dx با مقدار du تغییر میکند. برای حفظ جریان لایهها، مقداری نیرو لازم است. فرمول محاسبه ویسکوزیته عبارت است از:
Force (f) ∝ (A)
Force (f) ∝ du/dx
Force (f) ∝ A × du/dx=ηA x du/dx
با توجه به فرمول بالا، η ضریب ویسکوزیته نامیده میشود. نیروی اعمال شده بر واحد سطح، برای حفظ سرعت نسبی واحد بین دو لایه مایع در فاصله واحد را میتوان به عنوان ضریب ویسکوزیته توصیف کرد.
عوامل مؤثر بر ویسکوزیته مایعات
عوامل مختلفی بر ویسکوزیته مایعات اثر میگذارند:
- دما: ویسکوزیته یک مایع با افزایش دما کاهش مییابد.
- ماهیت مایع: ویسکوزیته در مایعاتی که نیروی جاذبه بینمولکولی قویتری دارند، بیشتر است.
- جرم مولکولی: جرم مولکولی یک ماده، ویسکوزیته آن را افزایش میدهد.
تبخیر
فرایند تبدیل مایع به بخار، تبخیر نامیده میشود. مولکولهای یک مایع مدام در حال حرکت هستند و انرژی جنبشی دارند. اما همه مولکولها انرژی جنبشی یکسانی ندارند. مقدار انرژی جنبشی میتواند از خیلی کم تا خیلی زیاد متغیر باشد. در نتیجه، مولکولهایی که در سطح مایع با مقدار انرژی جنبشی بیشتری وجود دارند، بر نیروهای جاذبه غلبه کرده و به فضای بالای سطح مایع فرار میکنند و به صورت بخار ظاهر میشوند.
به طور کلی مولکولهای آب به دلیل حرکت زیاد با یکدیگر یا با ظرفی که مایع را در خود نگه میدارد، برخورد میکنند. این برخوردها باعث انتقال انرژی بین مولکولها میشود. وقتی انرژی کافی به سطح مایع منتقل شود، میتواند پیوندهای کشش سطحی را بشکند و باعث تبخیر مایع شود.
عوامل مؤثر بر سرعت تبخیر
عوامل مختلفی بر سرعت تبخیر مایع اثر میگذارند، از جمله:
- ماهیت مایع: سرعت تبخیر توسط نیروهای جاذبه بینمولکولی تعیین میشود. هرچه سرعت تبخیر کمتر باشد، بزرگی نیروها بیشتر است.
- دما: با افزایش دما، سرعت تبخیر افزایش مییابد.
- مساحت سطح: اگر مساحت سطح بزرگتر باشد، سرعت تبخیر سریعتر میشود.
فشار بخار
فشار بخار، فشاری است که توسط بخارهایی که در دمای مشخصی با مایع در تعادل هستند، اعمال میشود. این فشار فقط در نتیجه پدیده جنبشی ایجاد میشود و بنابراین تحت تأثیر مقدار مایع موجود قرار نمیگیرد. دمای مایع عمدتاً روی این فشار اثر میگذارد.
عوامل مؤثر بر فشار بخار
عواملی که بر فشار بخار اثر میگذارند، عبارتاند از:
- ماهیت مایع: بزرگی نیروهای بینمولکولی مایع، فشار بخار را تعیین میکند. وقتی این نیروها متوسط باشند، مولکولها به راحتی به بخار تبدیل میشوند و در نتیجه، فشار بخار تعادلی بالایی ایجاد میشود. با این حال، اگر این نیروها به اندازه قابلتوجهی باشند، مولکولها به بخار تبدیل نمیشوند و فشار بخار نسبتاً پایین خواهد بود.
- دمای مایع: فشار بخار یک مایع با افزایش میانگین انرژی جنبشی و افزایش دما ارتقا مییابد.
نقطه جوش مایعات
دمایی که در آن فشار بخار مایع با فشار هوای اطراف برابر میشود، به عنوان نقطه جوش شناخته میشود. در نتیجه، نقطه جوش نتیجه افزایش فشار بخار است نه فرایند گرمایش.
عوامل مؤثر بر نقطه جوش
عوامل مختلفی بر نقطه جوش مایعات اثر میگذارند. از جمله:
- فشار:
وقتی فشار کمتر از ۱ اتمسفر باشد، نقطه جوش مایع پایینتر از نقطه جوش استاندارد است.
نقطه جوش یک مایع وقتی برابر با ۱ اتمسفر باشد، به عنوان نقطه جوش نرمال شناخته میشود.
وقتی فشار بیش از ۱ اتمسفر باشد، نقطه جوش مایع بالاتر از نقطه جوش معمولی آن است.
- نوع مولکولها:
اگر نیروهای بینمولکولی بین مولکولها نسبتاً زیاد باشند، نقطه جوش نیز نسبتاً زیاد خواهد بود.
اگر نیروهای بینمولکولی بین مولکولها نسبتاً کم باشند، نقطه جوش نیز کم خواهد بود.
فرق اصلی بین تبخیر و جوشیدن مایعات چیست؟
تبخیر و جوشیده شدن تفاوتهایی با هم دارند:
- دما: تبخیر در هر دمایی رخ میدهد. در حالی که جوشیدن تنها زمانی رخ میدهد که مایع به نقطه جوش مخصوص خود برسد. همان طور که پیشتر اشاره کردیم مایعات در نقطه جوش یا جامد شدن با هم تفاوت دارند.
- محل وقوع: تبخیر سطحی تنها در سطح مایع رخ میدهد. در حالی که در جوشیدن، فرایند تبخیر در کل حجم مایع یعنی در تمام نقاط آن رخ میدهد. حبابهای بخار در تمام مایع ایجاد میشوند.
- سرعت: تبخیر فرایندی آرام است که به تدریج اتفاق میافتد. جوشیدن اما سریع رخ میدهد.
- فشار بخار: در فرایند تبخیر، فشار بخار معمولاً کمتر از فشار محیط اطراف آن است. در جوشیدن، فشار بخار با فشار خارجی یا همان فشار محیط برابر میشود. همین امر موجب شکلگیری حبابهای بخار در داخل مایع میگردد.
چسبندگی مایع
نیروهای جاذبه میتوانند بین یک مایع و ماده دیگر، بسته به نوع مایع و آن ماده، با درجات مختلفی وجود داشته باشند. این ویژگی نشان میدهد که مایع روی سطوح مختلف مثل پلاستیک یا شیشه چگونه عمل میکند. چسبندگی همچنین عمل مویرگی یعنی تمایل مایع به بالا رفتن از سیلندرهای باریک یا مواد نفوذپذیر، مانند زمانی که یک پرستار از یک لوله شیشهای باریک برای گرفتن نمونه خون از بیمار استفاده میکند، را توضیح میدهد. فرض کنید یک لوله شیشهای را درون یک لیوان آب فرومیبرید. آب بر خلاف جریان جاذبه عمل میکند و در دور آن لوله شیشهای به سمت بالا میرود.
چسبندگی مایع موجب بروز اثر مویینگی در مایعات میشود. یعنی همان نیرویی که بر جاذبه غلبه میکند و موجب میشود که مایع بعد از فرو رفتن یک وسیله در آن، به سمت بالا حرکت کند. در این حالت نیروهای چسبندگی میان مولکولهای آب و آن وسیله قویتر از نیروی جاذبه عمل میکنند. مثال دیگر، زمانی است که دستمال کاغذی، کاغذ، پارچه و موارد این چنینی را در آب فرو ببرید. مایع از این مواد بالا میرود و جذب آنها میشود. همین اثر مویینگی است که موجب میشود تا گیاهان بتوانند آب را از زمین جذب کنند و به دیگر بخشهای خود برسانند.
فرمول محاسبه مویینگی
برای محاسبه مویینگی میتوانید از فرمول زیر استفاده کنید:
T کشش سطحی مایع است.
θ زاویه تماس بین مایع و لوله است.
r شعاع لوله است.
ρ چگالی مایع است.
g شتاب جاذبه زمین است.
کشش سطحی مایعات
مولکولهای موجود در یک مایع از هر طرف تحت تأثیر نیروی بینمولکولی یکسانی قرار دارند، اما مولکولهای روی سطح مایع رفتار متفاوتی نسبت به مولکولهای داخل آن دارند. به دلیل جاذبه بینمولکولی رو به داخل مولکولها، مولکولهای سطح مایع کشش را تجربه میکنند. همان طور که در بخش پیش اشاره کردیم، یک حالت چسبندگی که موجب میشود سطح مایع شبیه به یک پوسته کشیده شده عمل کند و انسجام داشته باشد.
کشش سطحی مایعات علاوه بر چسبندگی تحت تأثیر پیوستگی نیز قرار دارد. چسبندگی همان قابلیت کششی و توری مانند سطح آب است. پیوستگی هم همان حالت انسجام مولکولهای آب و جذب شدن نسبت به یکدیگر است.
این ۲ موجب بروز خاصیت کشش سطحی میشوند. به همین دلیل هم است که قطرات آب به شکل کروی ایجاد میشوند. حتی وقتی مقداری آب روی سطحی ریخته شده باشد، میتواند با حفظ شکل، جسمی بسیار سبک مثل سوزن یا حشرات بسیار کوچک را به طور موقت روی خود شناور نگه دارد.
عوامل مؤثر بر کشش سطحی مایعات
- دمای مایع: با افزایش دما، کشش سطحی کاهش مییابد. دلیل این امر این است که وقتی دما افزایش مییابد، انرژی جنبشی هم افزایش مییابد و در نتیجه نیروهای جاذبه بینمولکولی کاهش یافته و در نتیجه، کشش سطحی افت میکند.
- ماهیت مایع: کشش سطحی یک مایع توسط نیروهای جاذبه بینمولکولی موجود در مولکولهای آن تعیین میشود. هرچه قدر نیرو بزرگتر باشد، مقدار کشش سطحی بیشتر است. نیروهای همچسبی مایعات با هم تفاوت دارد.
سخن نهایی
در این مقاله به بررسی یکی از حالتهای ماده یعنی «مایع» پرداختیم و ویژگیهای اصلی مایعات را توضیح دادیم. تمامی مایعات ویژگیهای یکسانی دارند؛ اما در سطح این ویژگیها با هم متفاوت هستند. مثلاً همه مایعات به نقطه جوش میرسند؛ اما نقطه جوش آنها با هم متفاوت است. همه مایعات تبخیر میشوند؛ اما سرعت تبخیرشان با هم فرق دارد. شما چه مایع دیگری را به جز آب، الکل، روغن و نفت میتوانید مثال بزنید؟ لطفاً نظرات و سؤالات خود را در بخش دیدگاه با ما در میان بگذارید.
