Igapäevaelus kohtame pidev alt aine kolme olekut – vedelat, gaasilist ja tahket. Meil on üsna selge ettekujutus sellest, mis on tahked ained ja gaasid. Gaas on molekulide kogum, mis liigub juhuslikult igas suunas. Kõik tahke keha molekulid säilitavad oma vastastikuse paigutuse. Need võnguvad ainult kergelt.
Vedela aine omadused
Ja mis on vedelad ained? Nende peamine omadus on see, et kristallide ja gaaside vahepealsel positsioonil ühendavad nad nende kahe oleku teatud omadused. Näiteks vedelike, aga ka tahkete (kristalliliste) kehade puhul on iseloomulik ruumala olemasolu. Kuid samal ajal võtavad vedelad ained, nagu gaasid, selle anuma kuju, milles nad asuvad. Paljud meist usuvad, et neil pole oma vormi. Siiski ei ole. Mis tahes vedeliku loomulik vorm -pall. Tavaliselt takistab gravitatsioon seda kuju omandamast, nii et vedelik omandab anuma kuju või levib õhukeselt üle pinna.
Omadustelt on aine vedel olek selle vahepealse asendi tõttu eriti keeruline. Seda hakati uurima juba Archimedese ajast (2200 aastat tagasi). Vedela aine molekulide käitumise analüüs on aga endiselt rakendusteaduse üks keerulisemaid valdkondi. Endiselt puudub üldtunnustatud ja täiesti täielik vedelike teooria. Siiski võime nende käitumise kohta midagi üsna kindl alt öelda.
Molekulide käitumine vedelikus
Vedelik on midagi, mis võib voolata. Selle osakeste paigutuses täheldatakse lühiajalist järjestust. See tähendab, et sellele lähimate naabrite asukoht mis tahes osakese suhtes on järjestatud. Ent teistest eemaldudes muutub tema positsioon nende suhtes järjest vähem korrastatuks ja siis kaob järjekord sootuks. Vedelad ained koosnevad molekulidest, mis liiguvad palju vabam alt kui tahketes ainetes (ja veel vabam alt gaasides). Teatud aja jooksul tormab igaüks neist kõigepe alt ühes, seejärel teises suunas, ilma naabritest eemaldumata. Küll aga murrab keskkonnast aeg-aj alt välja mõni vedel molekul. Ta jõuab uude kohta, kolides teise kohta. Siingi teeb ta teatud aja jooksul kõikuvaid liigutusi.
Y. I. Frenkeli panus vedelike uurimisse
I. Nõukogude teadlasel I. Frenkelil on suured teened mitmeteprobleeme sellisel teemal nagu vedelad ained. Tänu tema avastustele arenes keemia kõvasti edasi. Ta uskus, et termilisel liikumisel vedelikes on järgmine iseloom. Teatud aja jooksul võngub iga molekul tasakaaluasendi ümber. Küll aga vahetab see aeg-aj alt oma kohta, liikudes järsult uude asendisse, mida eraldab eelmisest vahemaa, mis on ligikaudu selle molekuli enda suurune. Teisisõnu, vedeliku sees liiguvad molekulid, kuid aeglaselt. Osa ajast viibivad nad teatud kohtade läheduses. Järelikult on nende liikumine midagi sarnast gaasis ja tahkes kehas toimuvate liikumiste seguga. Kõikumised ühes kohas asenduvad mõne aja pärast vaba üleminekuga ühest kohast teise.
Rõhk vedelikus
Mõned vedela aine omadused on meile teada tänu nendega pidevale koostoimele. Nii et igapäevaelu kogemusest teame, et see toimib kindlate jõududega tahkete kehade pinnal, mis temaga kokku puutuvad. Neid nimetatakse vedeliku survejõududeks.
Näiteks veekraani sõrmega avades ja vett lahti keerates tunneme, kuidas see sõrmele vajutab. Ja suurde sügavusse sukeldunud ujuja ei tunne kõrvades valu kogemata. Seda seletatakse asjaoluga, et kuulmekile mõjuvad survejõud. Vesi on vedel aine, seega on sellel kõik omadused. Vee temperatuuri mõõtmiseks mere sügavuses väga tugevtermomeetrid, et neid ei saaks vedeliku rõhk muljuda.
See rõhk on tingitud kokkusurumisest, st vedeliku mahu muutumisest. Sellel on selle muutuse suhtes elastsus. Survejõud on elastsusjõud. Seega, kui vedelik mõjutab sellega kokkupuutuvaid kehasid, surutakse see kokku. Kuna aine tihedus kokkusurumisel suureneb, võime eeldada, et vedelikel on tiheduse muutumise suhtes elastsus.
Aurustumine
Jätkates vedela aine omaduste käsitlemist, pöördume aurustumise poole. Selle pinna lähedal ja ka otse pinnakihis toimivad jõud, mis tagavad selle kihi olemasolu. Need ei lase selles sisalduvatel molekulidel vedeliku mahust väljuda. Küll aga arenevad osad soojusliikumise tõttu üsna suured kiirused, mille abil on võimalik neist jõududest üle saada ja vedelikust väljuda. Nimetame seda nähtust aurustumiseks. Seda võib täheldada igal õhutemperatuuril, kuid selle tõusuga suureneb aurustumise intensiivsus.
Kondensatsioon
Kui vedelikust lahkunud molekulid eemaldatakse selle pinna lähed alt ruumist, siis lõpuks aurustub see kõik. Kui sellest lahkunud molekule ei eemaldata, moodustavad need auru. Vedeliku pinna lähedal asuvasse piirkonda sattunud aurumolekulid tõmbavad sellesse tõmbejõudude toimel. Seda protsessi nimetatakse kondenseerumiseks.
Seega,kui molekule ei eemaldata, väheneb aurustumiskiirus aja jooksul. Kui aurutihedus veelgi suureneb, saavutatakse olukord, kus teatud aja jooksul vedelikust väljuvate molekulide arv võrdub sama aja jooksul vedelikust tagasi pöörduvate molekulide arvuga. See loob dünaamilise tasakaalu seisundi. Selles sisalduvat auru nimetatakse küllastunud. Selle rõhk ja tihedus suurenevad temperatuuri tõustes. Mida suurem see on, seda suuremal arvul vedelikumolekulidel on aurustumiseks piisav alt energiat ja seda suurem peab olema auru tihedus, et kondensatsioon oleks võrdne aurustumisega.
Keemine
Kui vedelate ainete kuumutamisel saavutatakse temperatuur, mille juures küllastunud aurude rõhk on väliskeskkonnaga võrdne, tekib tasakaal küllastunud auru ja vedeliku vahel. Kui vedelik annab täiendava koguse soojust, muundatakse vastav vedeliku mass kohe auruks. Seda protsessi nimetatakse keetmiseks.
Keemine on vedeliku intensiivne aurustamine. See ei ilmne mitte ainult pinn alt, vaid puudutab kogu selle mahtu. Vedeliku sisse ilmuvad aurumullid. Vedelikust auruks minemiseks peavad molekulid omandama energiat. Seda on vaja, et ületada atraktiivsed jõud, mis hoiavad neid vedelikus.
Keemistemperatuur
Keemistemperatuur on see, mille juureson kahe rõhu võrdsus - välis- ja küllastunud aurud. See suureneb rõhu tõustes ja väheneb, kui rõhk väheneb. Kuna rõhk vedelikus muutub kolonni kõrgusega, toimub keemine selles erinevatel temperatuuridel erinevatel tasemetel. Ainult küllastunud aur, mis on keemisprotsessi ajal vedeliku pinnast kõrgemal, omab teatud temperatuuri. Selle määrab ainult väline surve. Seda me mõtleme, kui räägime keemistemperatuurist. See erineb erinevate vedelike puhul, mida kasutatakse laialdaselt masinaehituses, eriti naftatoodete destilleerimisel.
Latentne aurustumissoojus on soojushulk, mis on vajalik isotermiliselt määratletud vedelikukoguse auruks muutmiseks, kui välisrõhk on sama, mis küllastunud auru rõhk.
Vedelakilede omadused
Me kõik teame, kuidas saada vahtu, lahustades seepi vees. See pole midagi muud kui palju mulle, mida piirab kõige õhem vedelikust koosnev kile. Vahutavast vedelikust saab aga ka eraldi kile. Selle omadused on väga huvitavad. Need kiled võivad olla väga õhukesed: nende paksus kõige õhemates kohtades ei ületa sajatuhandik millimeetrit. Siiski on nad mõnikord väga stabiilsed, hoolimata sellest. Seebikile võib deformeeruda ja venitada, veejuga võib seda lõhkumata läbida. Kuidas seletada sellist stabiilsust? Selleks, et kile tekiks, on vaja puhtale vedelikule lisada selles lahustuvad ained. Aga mitte mingi, vaid selline,mis vähendab oluliselt pindpinevust.
Vedelfilmid looduses ja tehnoloogias
Tehnoloogias ja looduses kohtume peamiselt mitte üksikute kiledega, vaid vahuga, mis on nende kombinatsioon. Seda võib sageli täheldada ojades, kus väikesed ojad langevad rahulikku vette. Vee võime vahutada on sel juhul seotud orgaanilise aine olemasoluga selles, mida eritavad taimede juured. See on näide sellest, kuidas looduslikud vedelad ained vahutavad. Aga kuidas on lood tehnoloogiaga? Ehituse käigus kasutatakse näiteks spetsiaalseid materjale, millel on vahtu meenutav rakuline struktuur. Need on kerged, odavad, piisav alt tugevad, juhivad halvasti heli ja soojust. Nende saamiseks lisatakse erilahustele vahustusaineid.
Järeldus
Nii, oleme õppinud, millised ained on vedelad, ja avastasime, et vedelik on aine vahepealne olek gaasilise ja tahke aine vahel. Seetõttu on sellel mõlemale iseloomulikud omadused. Vedelkristallid, mida tänapäeval tehnoloogias ja tööstuses laialdaselt kasutatakse (näiteks vedelkristallkuvarid), on selle aine oleku suurepärane näide. Need ühendavad tahkete ja vedelike omadused. Raske on ette kujutada, milliseid vedelaid aineid teadus tulevikus leiutab. Siiski on selge, et selles aine olekus on suur potentsiaal, mida saab kasutada inimkonna hüvanguks.
Eriline huvi toimuvate füüsikaliste ja keemiliste protsesside arvestamise vastuvedelas olekus, kuna inimene ise koosneb 90% ulatuses veest, mis on kõige levinum vedelik Maal. Just selles toimuvad kõik elutähtsad protsessid nii taimedes kui ka loomade maailmas. Seetõttu on meie kõigi jaoks oluline aine vedelat olekut uurida.
