วัตถุที่อ่อนนุ่มและของเหลว

เมื่อฉันอ่านเอกสารทางวิทยาศาสตร์ ฉันมักจะจบลงด้วยการไตร่ตรองคำถามที่เป็นเพียงเชิงอรรถและรายละเอียด ค่อนข้างง่าย ฉันไม่เห็นปัญหาใหญ่ โชคดีที่ข้อดีอย่างหนึ่งของการสอนฟิสิกส์ให้กับนักศึกษาระดับปริญญาตรีคือช่วยให้ฉันมีมุมมองที่กว้างขึ้น ใช้วิธีที่ตำราจัดการกับความแตกต่างพื้นฐานระหว่างสถานะของสสาร แม้ว่าผลงานเหล่านี้จะมีคำอธิบายที่ชัดเจนและเหนียวแน่นเกี่ยวกับก๊าซ

และของแข็ง 

แต่ก็มีหลายคนที่มีปัญหากับของเหลว ลองพิจารณาหนังสือคลาสสิกซึ่งได้รับการพิมพ์ซ้ำหลายครั้งนับตั้งแต่ตีพิมพ์ครั้งแรกในปี 1969 “ลักษณะสำคัญของ [สถานะก๊าซและของแข็ง] นั้นเป็นที่เข้าใจกันดี” เขียน “ในทางตรงกันข้าม สถานะของเหลว ในทางใดทางหนึ่ง ‘ไม่มีสิทธิ์ที่จะมีอยู่’ [และ] 

ทำให้เกิดปัญหาทางทฤษฎีที่ยากมากหลายประการ” จากนั้นก็มีหนังสือในปี 1971 ซึ่งเขาได้กล่าวถึงความแตกต่างเชิงคุณภาพระหว่างของเหลวและของแข็ง อย่างที่เราเห็น ความสับสนของนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับคำอธิบายของสถานะของเหลวได้เดือดปุดๆ อยู่ใต้พื้นผิวมานานหลายทศวรรษ 

แต่ถ้าคุณคิดว่าเรามีปัญหาในการทำความเข้าใจของเหลว สถานการณ์จะยิ่งแย่ลงไปอีกเมื่ออยู่ในสถานะ “ของไหลวิกฤตยิ่งยวด” ซึ่งฉันจะพูดถึงในภายหลัง อย่างไรก็ตาม ความก้าวหน้าล่าสุดหมายความว่าเราสามารถแก้ไขปัญหาเหล่านี้และให้คำอธิบายทางทฤษฎีของทั้งสถานะของเหลวและของไหลวิกฤต

ยิ่งยวดในช่วงกว้างของความดันและอุณหภูมิที่มีอยู่ ของเหลว – ช่างเป็นก๊าซ!ในขณะที่นักฟิสิกส์บางคนพยายามอธิบายสถานะของเหลวโดยตรงจากหลักการแรก กล่าวคือ โดยไม่อ้างถึงสถานะของแข็งหรือก๊าซ วิธีการนี้เป็นเรื่องยากมาก ในของแข็งที่เป็นผลึก ลำดับระดับสูงทำให้การคำนวณและการคำนวณ

ค่อนข้างง่าย ในก๊าซ การขาดลำดับโครงสร้างจะใช้เพื่อทำให้การคำนวณและการคำนวณง่ายขึ้นแทน อย่างไรก็ตาม เพื่อให้เข้าใจสถานะของเหลวและของไหลวิกฤตยิ่งยวดอย่างถ่องแท้ จะไม่สามารถใช้ทั้งสองตัวเลือกได้ สิ่งที่นักวิจัยมักทำคือใช้ก๊าซเป็นจุดเริ่มต้นและทำการปรับเปลี่ยนบางอย่าง

วิธีหนึ่ง

ในการทำเช่นนี้คือการล้อสมการ ของรัฐ ในแนวทางนี้ ตัวอย่างถูกอธิบายว่าเป็นก๊าซที่ไม่เหมาะ ซึ่งอนุภาคมีขนาดเฉพาะ (แทนที่จะเป็นมวลจุดเล็ก ๆ ที่ไม่มีที่สิ้นสุด) และมีแรงแวนเดอร์วาลส์ที่น่าดึงดูดระหว่างพวกมัน เมื่อใช้สมการนี้กับของเหลว คุณจะเข้าใจว่าการเดือดเป็นการเปลี่ยนเฟส “ลำดับที่หนึ่ง” 

อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์ไม่ได้สนใจเฉพาะสิ่งที่เกิดขึ้นกับของเหลวที่ความดันเพียงครั้งเดียวเท่านั้น หากคุณเพิ่มความดัน อุณหภูมิเดือดก็จะสูงขึ้นด้วย เส้นแบ่งสถานะของสสารทั้งสองสถานะบนกราฟอุณหภูมิ/ความดันเรียกว่า “เส้นเดือด” (รูปที่ 1 ก ) สิ่งที่น่าสนใจคือเมื่อคุณเพิ่มความดัน ความหนาแน่น

ของของเหลว ความจุความร้อน และเอนโทรปีที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในขณะที่มันเดือดจะเล็กลงเรื่อยๆ ในที่สุด เมื่อความดันสูงเพียงพอ ก็จะถึง “จุดวิกฤต” ซึ่งเกินกว่านั้นจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่จุดเดือดเลย เนื่องจากไม่มีการเปลี่ยนเฟสระหว่างสถานะของเหลวและก๊าซ ตอนนี้ตัวอย่างจึงเป็นของไหลวิกฤต

ยิ่งยวด ซึ่งเป็นเฟสที่ยังลึกลับซึ่งมีคุณสมบัติร่วมกันของทั้งของเหลวและก๊าซ หนังสือเรียนส่วนใหญ่จะทิ้งของเหลวและของไหลวิกฤตยิ่งยวดเอาไว้ แต่สถานะของเหลวเหนือวิกฤตมีความซับซ้อนที่นักฟิสิกส์เพิ่งเริ่มชื่นชม สำหรับผู้เริ่มต้น พารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ความหนาแน่น ซึ่งมักจะเปลี่ยนแปลง

อย่างกะทันหัน

และไม่ต่อเนื่องเมื่อเราข้ามเส้นเดือด ให้ทำสิ่งที่แตกต่างออกไปหากเราทำการเปลี่ยนแปลงเหนือ (แม้ว่าจะใกล้กับ) จุดวิกฤติ พวกเขายังคงเปลี่ยนแปลงในช่วงความดันหรืออุณหภูมิแคบๆ แต่ตอนนี้เปลี่ยนอย่างต่อเนื่อง ไม่ใช่กระโดด สิ่งนี้หมายความว่าขณะนี้เส้นเดือดสามารถขยายออก

ไปได้เกินจุดวิกฤติ ซึ่งเรียกว่า “เส้น” เพื่อเป็นเกียรติแก่ นักเคมีแห่งมหาวิทยาลัย (รูปที่ 1 ข ) อันที่จริง เราสามารถวาดเส้น แยกกันสำหรับคุณสมบัติต่างๆ ทั้งหมดที่เปลี่ยนไปเมื่อเราต้มของเหลว รวมถึงความหนาแน่น ความเร็วของเสียง และความจุความร้อน เส้นเชื่อมโยงจุดอุณหภูมิความดันที่แตกต่างกัน

ซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงแคบลงในแต่ละคุณสมบัติ พวกเขาเริ่มต้นที่จุดวิกฤต แต่ค่อยๆ ห่างเหินจากกันและเลอะเลือน ที่น่าสนใจคือหากเราเพิ่มความดันให้กับของเหลวหรือของไหลวิกฤตยิ่งยวดที่อุณหภูมิคงที่ ตัวอย่างจะแข็งตัวในที่สุด ตัวอย่างเช่น ไนโตรเจนจะกลายเป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้องหากคุณบีบให้

มีความดันประมาณ 24,000 บาร์ (2.4 × 10 9 N /m 2 ) แม้แต่ไฮโดรเจนก็แข็งตัวได้ที่อุณหภูมิห้อง ถ้าคุณนำไปที่ 55,000 บาร์ การใช้อุปกรณ์ที่ทันสมัย ​​เช่น เซลล์ทั่งเพชร การทดลองประเภทนี้ทำเป็นประจำ เราสามารถรับอากาศจากบรรยากาศและแช่แข็งได้ซึ่งหมายความว่าเมื่อเปลี่ยนจากของเหลว

แต่ปัญหาคือนานก่อนที่มันจะแข็งตัว ของไหลจะมีความหนาแน่นมากจนเราไม่สามารถอธิบายได้ว่ามันคล้ายกับก๊าซอีกต่อไป ตัวอย่างเช่น ในของเหลวที่มีโมเลกุลหนาแน่น เช่น น้ำ โมเลกุลที่อยู่ใกล้เคียงจะเกาะตัวกันเป็นลำดับในระยะทางสั้นๆ เกือบจะเหมือนกับในของแข็ง ยิ่งไปกว่านั้น การทดลองต่างๆ

ย้อนหลังไปถึงปี 1960 ได้แสดงให้เห็นว่าของไหลที่มีความหนาแน่นสูงรองรับคลื่นเฉือนได้ พฤติกรรมทั้งสองประเภทแตกต่างกันโดยสิ้นเชิงกับสิ่งที่สังเกตได้ในก๊าซและของเหลวใกล้กับจุดวิกฤต การเริ่มต้นที่มั่นคงเนื่องจากเป็นการยากที่จะอธิบายถึงของเหลวและของไหลประเภทนี้โดยเริ่มจากพฤติกรรม

ของแก๊ส นักฟิสิกส์บางคนจึงพยายามเปรียบเทียบพวกมันกับของแข็งแทน คำอธิบายทางทฤษฎีต่างๆ ของตระกูลนี้ได้รับการหยิบยกมาเป็นเวลาหลายทศวรรษ หรือถ้าคุณรวมงานด้วย ก็เป็นเวลาหลายศตวรรษ จากแนวทางที่เป็นของแข็งนี้ นักวิจัยสามารถจำลองคุณสมบัติของของเหลวที่มีความหนาแน่นได้เมื่อเร็วๆ นี้ โดยพบว่าพวกมันใช้คุณสมบัติคล้ายของแข็งบางอย่างเมื่อคุณเพิ่มความดัน (P) 

credit: sellwatchshop.com kaginsamericana.com NeworleansCocktailBlog.com coachfactoryoutletswebsite.com lmc2web.com thegillssell.com jumpsuitsandteleporters.com WagnerBlog.com moshiachblog.com