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Eine Flüssigkeit ist Materie im flüssigen Aggregatzustand Nach einer makroskopischen Definition handelt es sich um einen
Flüssigkeit
Eine Flüssigkeit ist Materie im flüssigen Aggregatzustand. Nach einer makroskopischen Definition handelt es sich um einen plastisch verformbaren Stoff, der einer Formänderung einen geringen, einer Volumenänderung hingegen einen großen Widerstand entgegensetzt. Flüssigkeiten sind nahezu inkompressibel.
Nach einer mikroskopischen Definition ist eine Flüssigkeit ein Stoff mit einer dichten und unstrukturierten Molekülanordnung. Die Moleküle unterliegen keiner Fernordnung, jedoch einer Nahordnung, sowie einer ständigen nichtperiodischen Bewegung, deren mittlere freie Weglänge in der Größenordnung des Teilchendurchmessers liegt. Die Teilchen einer Flüssigkeit werden von zwischenmolekularen Kräften aneinander gehalten. Beim Anstieg der Temperatur oder Abnahme des Drucks verringern sich die anziehenden Kräfte zwischen den Teilchen. Ab einem bestimmten Punkt überwiegen die abstoßenden Kräfte und es kommt zum Phasenübergang. Dabei entfernen sich die Teilchen voneinandern und die Flüssigkeit wandelt sich zu einem Gas, dessen Moleküle sich frei im Raum bewegen und überwiegend durch Kollision miteinander interagieren.
Wie ein Gas nimmt eine Flüssigkeit die Form des sie umfassenden Gefäßes an. Im Gegensatz zum Gas verteilt es sich jedoch nicht, um das Gefäß vollständig auszufüllen, sondern behält seine Dichte bei. Flüssigkeiten und Gase werden als Fluide zusammengefasst.
Flüssigkeiten und Festkörper haben in der Regel eine deutliche höhere Dichte als Gase und Plasma und werden zusammengenommen als kondensierte Materie bezeichnet.
Flüssigkeiten sind volumenbeständig, formunbeständig und unterliegen der Brownschen Bewegung. Der flüssige Zustand ist nicht stoffspezifisch, sondern hängt von Temperatur und Druck ab. Wechselt eine Flüssigkeit ihren Aggregatzustand, so spricht man von einer Phasenumwandlung, wobei der Begriff der Phase selbst einen Überbegriff zum Aggregatzustand darstellt.
Makroskopische Beschreibung und Eigenschaften
Die temperaturabhängige Volumenausdehnung einer Flüssigkeit wird durch deren Volumenausdehnungskoeffizienten quantifiziert. Der Kompressionsmodul ist ein Maß für die adiabatische Volumenelastizität, das heißt für die „Zusammendrückbarkeit“ einer Flüssigkeit. In der Schwerelosigkeit beziehungsweise bei einer Abwesenheit äußerer Kräfte nehmen Flüssigkeiten aufgrund ihrer Oberflächenspannung eine kugelförmige Gestalt an, da diese Form die Oberfläche minimiert. Flüssigkeiten üben auf die Wand des Gefäßes, in dem sie sich befinden, einen hydrostatischen Druck aus, zum Beispiel den Wasserdruck. Ruhende Flüssigkeiten sind physikalisch hauptsächlich durch diesen Druck gekennzeichnet. Übt man von außen Druck auf Flüssigkeiten aus, so verteilt sich der Druck gleichmäßig in der ganzen Flüssigkeit. Je tiefer man einen Körper in eine Flüssigkeit taucht, desto größer wird der hydrostatische Druck auf den Körper. Dieser hängt allerdings nicht nur von der Tauchtiefe, sondern auch von der Dichte der Flüssigkeit ab. In strömenden Flüssigkeiten treten zusätzliche Größen auf, die durch die Fluiddynamik, ein Teilgebiet der Kontinuumsmechanik, beschrieben werden.
Der Widerstand gegen Formänderung, genauer die Viskosität, kann allerdings beliebig groß sein. Neben den für den allgemeinen Sprachgebrauch typischen Flüssigkeiten wie etwa Getränken, Geschirrspülmitteln oder Flüssigbrennstoffen zählen auch extrem zähe Stoffe wie Pech dazu. Amorphe Feststoffe wie Gläser werden oft irrtümlicherweise als Flüssigkeiten bezeichnet, weisen aber charakteristische Eigenschaften von beiden Aggregatszuständen auf. Insofern gibt es oft keine klare Grenze, die Feststoffe von Flüssigkeiten unterscheidet.
Weitere Stoffgruppen, die zugleich Eigenschaften von Flüssigkeiten und Feststoffen aufweisen:
- Viskoelastische Stoffe wie Mayonnaise, Knetmasse und Pech,
- Flüssigkristalle,
- Flüssigboden, Quickerde, Quickton, Treibsand, durch Erdbeben verflüssigter Boden, durch Rütteln verflüssigter steifer (z. B. erdfeuchter) Beton.
Mikroskopische Beschreibung und Eigenschaften
Aufgrund der im Vergleich zum Festkörper fehlenden Translationsperiodizität und der ständigen Teilchenbewegung müssen Flüssigkeiten mit den Mitteln der statistischen Mechanik (z. B. klassische Dichtefunktionaltheorie) beschrieben werden. Wichtig sind hier die atomaren Verteilungsfunktionen. Viele Eigenschaften der Volumenphase von Flüssigkeiten lassen sich mittels Molekulardynamik- oder Monte-Carlo-Simulation berechnen.
Die mikroskopische Struktur von Flüssigkeiten ist komplex und war Gegenstand umfangreicher Forschung.
Flüssigkeiten weisen keine Fernordnung auf, jedoch eine Nahordnung im Bereich weniger Moleküldurchmesser.
Die Nahordnung einatomiger Flüssigkeiten wie gekühltem Argon und Krypton kann mit einer homogenen und isotropen Kugelpackung verglichen werden. Die Moleküle der meisten Flüssigkeiten sind allerdings nicht kugelförmig, wodurch auch die zwischenmolekularen Kräfte eine gewisse Orientierung aufweisen und richtungsabhängig sind. Die Ausrichtung der Moleküle spielt insbesondere bei Flüssigkeiten mit Wasserstoffbindung eine Rolle. Es bilden sich lokale Molekül-Cluster. Durch die thermischen Bewegungen der Moleküle in Flüssigkeiten sind diese Strukturen sehr dynamisch und bilden sich beständig um.
Das mikroskopische Verhalten von Flüssigkeiten wird vom Zusammenspiel anziehender intermolekularer Kräfte und der Entropiekraft bestimmt, die bestrebt ist, die Entropie des Systems zu maximieren (siehe auch mikrokanonisches Ensemble). Gase werden von der Entropiekraft veranlasst, sich im zur Verfügung stehenden Volumen gleichmäßig zu verteilen. In Flüssigkeiten steht die Entropiekraft hingegen mit der Intermolekularkraft in Balance. Die Anziehungskraft zwischen benachbarten Molekülen bewegt sich in der Größenordnung der thermischen Energie .
Siehe auch
- Ideale Flüssigkeit
- Feuchtigkeit
- Newtonsches Fluid
- Nichtnewtonsches Fluid
Literatur
- J. P. Hansen, I. R. Mcdonald: Theory of simple Liquids. Elsevier Academic Press, 2006, ISBN 978-0-12-370535-8
- M. P. Allen, D.J. Tildesley: Computer Simulation of Liquids. Oxford University Press, 1989, ISBN 0-19-855645-4
Weblinks
- Literatur von und über Flüssigkeit im Katalog der Deutschen Nationalbibliothek
Einzelnachweise
- Glass: Liquid or Solid -- Science vs. an Urban Legend. 9. April 2007, archiviert vom (nicht mehr online verfügbar) am 9. April 2007; abgerufen am 10. Oktober 2021.
- Siehe hierzu auch den englischen Artikel Structure of liquids and glasses
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- K. Trachenko, V. V. Brazhkin: Collective modes and thermodynamics of the liquid state. In: Reports on Progress in Physics. Band 79, Nr. 1. IOP Publishing, 22. Dezember 2015, ISSN 0034-4885, S. 016502, doi:10.1088/0034-4885/79/1/016502, PMID 26696098, arxiv:1512.06592 (englisch, s2cid:42203015).
- Arieh Ben-Naim: Molecular theory of water and aqueous solutions. Part 1, Understanding water. World Scientific, Singapore 2009, ISBN 978-981-283-761-5 (englisch).
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- David Chandler: Introduction to modern statistical mechanics. Oxford University Press, New York 1987, ISBN 0-19-504276-X.
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- Jean-Pierre Hansen, Ian R. McDonald: Theory of simple liquids: with applications to soft matter. Amsterdam 2013, ISBN 978-0-12-387033-9 (englisch).
Autor: www.NiNa.Az
Veröffentlichungsdatum:
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Eine Flussigkeit ist Materie im flussigen Aggregatzustand Nach einer makroskopischen Definition handelt es sich um einen plastisch verformbaren Stoff der einer Formanderung einen geringen einer Volumenanderung hingegen einen grossen Widerstand entgegensetzt Flussigkeiten sind nahezu inkompressibel Teilchenmodell einer Flussigkeit die Teilchen beruhren sich sind aber nicht strukturiert angeordnet wie bei einem kristallinen Festkorper Ein amorpher Festkorper weist hingegen eine ahnliche Struktur auf und ist mit einer hochviskosen steifen Flussigkeit vergleichbar Nach einer mikroskopischen Definition ist eine Flussigkeit ein Stoff mit einer dichten und unstrukturierten Molekulanordnung Die Molekule unterliegen keiner Fernordnung jedoch einer Nahordnung sowie einer standigen nichtperiodischen Bewegung deren mittlere freie Weglange in der Grossenordnung des Teilchendurchmessers liegt Die Teilchen einer Flussigkeit werden von zwischenmolekularen Kraften aneinander gehalten Beim Anstieg der Temperatur oder Abnahme des Drucks verringern sich die anziehenden Krafte zwischen den Teilchen Ab einem bestimmten Punkt uberwiegen die abstossenden Krafte und es kommt zum Phasenubergang Dabei entfernen sich die Teilchen voneinandern und die Flussigkeit wandelt sich zu einem Gas dessen Molekule sich frei im Raum bewegen und uberwiegend durch Kollision miteinander interagieren Wie ein Gas nimmt eine Flussigkeit die Form des sie umfassenden Gefasses an Im Gegensatz zum Gas verteilt es sich jedoch nicht um das Gefass vollstandig auszufullen sondern behalt seine Dichte bei Flussigkeiten und Gase werden als Fluide zusammengefasst Flussigkeiten und Festkorper haben in der Regel eine deutliche hohere Dichte als Gase und Plasma und werden zusammengenommen als kondensierte Materie bezeichnet Flussigkeiten sind volumenbestandig formunbestandig und unterliegen der Brownschen Bewegung Der flussige Zustand ist nicht stoffspezifisch sondern hangt von Temperatur und Druck ab Wechselt eine Flussigkeit ihren Aggregatzustand so spricht man von einer Phasenumwandlung wobei der Begriff der Phase selbst einen Uberbegriff zum Aggregatzustand darstellt Makroskopische Beschreibung und EigenschaftenDie temperaturabhangige Volumenausdehnung einer Flussigkeit wird durch deren Volumenausdehnungskoeffizienten quantifiziert Der Kompressionsmodul ist ein Mass fur die adiabatische Volumenelastizitat das heisst fur die Zusammendruckbarkeit einer Flussigkeit In der Schwerelosigkeit beziehungsweise bei einer Abwesenheit ausserer Krafte nehmen Flussigkeiten aufgrund ihrer Oberflachenspannung eine kugelformige Gestalt an da diese Form die Oberflache minimiert Flussigkeiten uben auf die Wand des Gefasses in dem sie sich befinden einen hydrostatischen Druck aus zum Beispiel den Wasserdruck Ruhende Flussigkeiten sind physikalisch hauptsachlich durch diesen Druck gekennzeichnet Ubt man von aussen Druck auf Flussigkeiten aus so verteilt sich der Druck gleichmassig in der ganzen Flussigkeit Je tiefer man einen Korper in eine Flussigkeit taucht desto grosser wird der hydrostatische Druck auf den Korper Dieser hangt allerdings nicht nur von der Tauchtiefe sondern auch von der Dichte der Flussigkeit ab In stromenden Flussigkeiten treten zusatzliche Grossen auf die durch die Fluiddynamik ein Teilgebiet der Kontinuumsmechanik beschrieben werden Der Widerstand gegen Formanderung genauer die Viskositat kann allerdings beliebig gross sein Neben den fur den allgemeinen Sprachgebrauch typischen Flussigkeiten wie etwa Getranken Geschirrspulmitteln oder Flussigbrennstoffen zahlen auch extrem zahe Stoffe wie Pech dazu Amorphe Feststoffe wie Glaser werden oft irrtumlicherweise als Flussigkeiten bezeichnet weisen aber charakteristische Eigenschaften von beiden Aggregatszustanden auf Insofern gibt es oft keine klare Grenze die Feststoffe von Flussigkeiten unterscheidet Weitere Stoffgruppen die zugleich Eigenschaften von Flussigkeiten und Feststoffen aufweisen Viskoelastische Stoffe wie Mayonnaise Knetmasse und Pech Flussigkristalle Flussigboden Quickerde Quickton Treibsand durch Erdbeben verflussigter Boden durch Rutteln verflussigter steifer z B erdfeuchter Beton Mikroskopische Beschreibung und EigenschaftenAufgrund der im Vergleich zum Festkorper fehlenden Translationsperiodizitat und der standigen Teilchenbewegung mussen Flussigkeiten mit den Mitteln der statistischen Mechanik z B klassische Dichtefunktionaltheorie beschrieben werden Wichtig sind hier die atomaren Verteilungsfunktionen Viele Eigenschaften der Volumenphase von Flussigkeiten lassen sich mittels Molekulardynamik oder Monte Carlo Simulation berechnen Die mikroskopische Struktur von Flussigkeiten ist komplex und war Gegenstand umfangreicher Forschung Flussigkeiten weisen keine Fernordnung auf jedoch eine Nahordnung im Bereich weniger Molekuldurchmesser Die Nahordnung einatomiger Flussigkeiten wie gekuhltem Argon und Krypton kann mit einer homogenen und isotropen Kugelpackung verglichen werden Die Molekule der meisten Flussigkeiten sind allerdings nicht kugelformig wodurch auch die zwischenmolekularen Krafte eine gewisse Orientierung aufweisen und richtungsabhangig sind Die Ausrichtung der Molekule spielt insbesondere bei Flussigkeiten mit Wasserstoffbindung eine Rolle Es bilden sich lokale Molekul Cluster Durch die thermischen Bewegungen der Molekule in Flussigkeiten sind diese Strukturen sehr dynamisch und bilden sich bestandig um Das mikroskopische Verhalten von Flussigkeiten wird vom Zusammenspiel anziehender intermolekularer Krafte und der Entropiekraft bestimmt die bestrebt ist die Entropie des Systems zu maximieren siehe auch mikrokanonisches Ensemble Gase werden von der Entropiekraft veranlasst sich im zur Verfugung stehenden Volumen gleichmassig zu verteilen In Flussigkeiten steht die Entropiekraft hingegen mit der Intermolekularkraft in Balance Die Anziehungskraft zwischen benachbarten Molekulen bewegt sich in der Grossenordnung der thermischen Energie kBT displaystyle k text B T Siehe auchIdeale Flussigkeit Feuchtigkeit Newtonsches Fluid Nichtnewtonsches FluidLiteraturJ P Hansen I R Mcdonald Theory of simple Liquids Elsevier Academic Press 2006 ISBN 978 0 12 370535 8 M P Allen D J Tildesley Computer Simulation of Liquids Oxford University Press 1989 ISBN 0 19 855645 4WeblinksCommons Flussigkeit Sammlung von Bildern und Audiodateien Wiktionary Flussigkeit Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Literatur von und uber Flussigkeit im Katalog der Deutschen NationalbibliothekEinzelnachweiseGlass Liquid or Solid Science vs an Urban Legend 9 April 2007 archiviert vom Original nicht mehr online verfugbar am 9 April 2007 abgerufen am 10 Oktober 2021 Siehe hierzu auch den englischen Artikel Structure of liquids and glasses David Chandler From 50 Years Ago the Birth of Modern Liquid State Science In Annual Reviews Hrsg Annual Review of Physical Chemistry Band 68 Nr 1 5 Mai 2017 ISSN 0066 426X S 19 38 doi 10 1146 annurev physchem 052516 044941 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