液体えきたい

液体えきたい（えきたい、英えい: liquid）は、物質ぶっしつの状態じょうたい（固体こたい・液体えきたい・気体きたい）の一ひとつである。気体きたいと同様どうように流動的りゅうどうてきで、容器ようきに合あわせて形かたちを変かえる。液体えきたいは気体きたいに比ひして圧縮あっしゅく性せいが小ちいさい。気体きたいとは異ことなり、容器ようき全体ぜんたいに広ひろがることはなく、ほぼ一定いっていの密度みつどを保たもつ。液体えきたい特有とくゆうの性質せいしつとして表面張力ひょうめんちょうりょくがあり、それによって「濡ぬれ」という現象げんしょうが起おきる。

液体えきたいの滴しずくは表面積ひょうめんせきが最小さいしょうになるよう球形きゅうけいになる。これは、液体えきたいの表面張力ひょうめんちょうりょくによるものである

液体えきたいの密度みつどは一般いっぱんに固体こたいのそれに近ちかく、気体きたいよりもはるかに高たかい密度みつどを持もつ。そこで液体えきたいと固体こたいをまとめて「凝集ぎょうしゅう系けい」などとも呼よぶ。一方いっぽうで液体えきたいと気体きたいは流動りゅうどう性せいを共有きょうゆうしているため、それらをあわせて流体りゅうたいと呼よぶ。

状態じょうたい変化へんか

液体えきたいは、固体こたいと気体きたいと並ならんで物質ぶっしつの三さん態たいの一ひとつである。物質ぶっしつ内ないの原子げんしあるいは分子ぶんしの結合けつごうする力ちからが熱ねつ振動しんどう（格子こうし振動しんどう）よりも弱よわくなった状態じょうたいであり、構成こうせいする粒子りゅうしが互たがいの位置いち関係かんけいを拘束こうそくしないために自由じゆうに移動いどうすることができ、いわゆる流体りゅうたいの状態じょうたいとなる。このような状態じょうたいを物質ぶっしつが液えき相しょうであるという。

臨界りんかい圧力あつりょく以下いかならば、物質ぶっしつごとに決きまった温度おんどで固体こたいから液体えきたいへ構造こうぞう相しょう転移てんい（一いち次じ相しょう転移てんい）する。この固体こたいから液体えきたいへの転移てんい温度おんどが融点ゆうてんである。また、一定いっていの圧力あつりょくのまま更さらに温度おんどを上あげると分子ぶんしの振動しんどうが強つよまって分子ぶんし間あいだの距離きょりが大おおきくなり、（過熱かねつが起おきない場合ばあい）ある定さだまった温度おんどで飽和ほうわ蒸気じょうき圧あつがその圧力あつりょくに達たっし、液体えきたい内部ないぶから気体きたいが発生はっせいする。この時ときの転移てんい温度おんどが、沸点ふってんである。逆ぎゃくに温度おんどを下さげれば、気体きたい→（液化えきか）→液体えきたい→（凝固ぎょうこ）→固体こたいとなる。過か冷却れいきゃくが起おきない限かぎり、凝固ぎょうこ点てんは融点ゆうてんと等ひとしい。但ただし、融点ゆうてん、沸点ふってんは、圧力あつりょくなど外的がいてき条件じょうけんの影響えいきょうにより変化へんかする。

液体えきたい状態じょうたいでは、原子げんし、分子ぶんしは比較的ひかくてき自由じゆうかつランダムに動うごき回まわっている（ブラウン運動うんどう）。

液体えきたいの物質ぶっしつ

周期しゅうき表ひょうにおいて常温じょうおん、常つね圧あつで単体たんたいが液体えきたいである元素げんそは、水銀すいぎんと臭素しゅうそのみである。常温じょうおんよりやや高たかい温度おんどが融点ゆうてんとなっている（融点ゆうてんが25度ど～100度ど）元素げんそとして、フランシウム、セシウム、ガリウム、ルビジウム、リン、カリウム、ナトリウムがある。常温じょうおんで液体えきたいの合金ごうきんとしてガリンスタンなどがある。

純じゅん物質ぶっしつで常温じょうおん常つね圧あつで液体えきたいのものとして、水みず、エタノール、各種かくしゅ有機ゆうき溶媒ようばいがある。液体えきたいの水みずは化学かがくと生物せいぶつ学がくにおいてきわめて重要じゅうようである。生いきるために水溶液すいようえき環境かんきょうで行おこなわれる蛋白質たんぱくしつの化学かがく反応はんのうを用もちいる生命せいめいにとっても液体えきたいの水みずが必須ひっすだといわれ、地球ちきゅう外がい生命せいめい体たいの探索たんさくにおいて氷こおりや水蒸気すいじょうきしかない星ほしは除外じょがいされる。

日常にちじょうにおいて重要じゅうような液体えきたいとして、家庭かてい用よう漂白ひょうはく剤ざいのような水みず溶液ようえき、鉱油こうゆやガソリンのような複数ふくすうの物質ぶっしつの混合こんごう物ぶつ、ヴィネグレットソースやマヨネーズのようなエマルジョン、血液けつえきなどの懸かか濁にご液えき、塗料とりょうや乳ちちのようなコロイドがある。

多おおくの気体きたいは冷却れいきゃくによって液化えきかでき、液体えきたい酸素さんそ、液体えきたい窒素ちっそ、液体えきたい水素すいそ、液体えきたいヘリウムなどの液体えきたいを作つくることができる。常つね圧あつでは液化えきかできない気体きたいもあり、例たとえば二酸化炭素にさんかたんそは5.1気圧きあつ以上いじょうでないと液化えきかできない。

古典こてん的てきな物質ぶっしつの三さん態たいでは分類ぶんるいできない物質ぶっしつもある。例たとえば固体こたいと液体えきたいの特性とくせいをあわせ持もつ物質ぶっしつとして液晶えきしょうがあり、表示ひょうじ装置そうちに使つかわれているだけでなく、生体せいたい膜まくも多おおくが液晶えきしょうである。

利用りよう

液体えきたいには様々さまざまな用途ようとがあり、潤滑じゅんかつ剤ざい、溶媒ようばい、冷却れいきゃく剤ざい（または冷媒れいばい）などに使つかわれている。油圧ゆあつシステムでは液体えきたいを使つかって動力どうりょくを伝達でんたつする。

トライボロジーでは、液体えきたいの潤滑じゅんかつ剤ざいとしての特性とくせいを研究けんきゅうする。油あぶらなどの潤滑じゅんかつ剤ざいは、対象たいしょう装置そうちの運用うんよう温度おんど範囲はんいにおける粘ねば度たびと流動りゅうどう特性とくせいを考慮こうりょして選択せんたくする。潤滑油じゅんかつゆはエンジン、トランスミッション、金属きんぞく加工かこう、液えき圧あつシステムなどに使つかわれている。航空機こうくうきの揚力ようりょく発生はっせい等とう、流体りゅうたい機械きかいの広ひろい範囲はんいでその特性とくせいが応用おうようされている。

他たの液体えきたいや固体こたいを溶とかす溶媒ようばいには様々さまざまな液体えきたいが使つかわれている。溶媒ようばいには塗料とりょう、コーキング材ざい、接着せっちゃく剤ざいなど様々さまざまな用途ようとがある。ナフサやアセトンは部品ぶひんや機械きかいに付ついた油あぶら・油脂ゆし・タールなどを洗浄せんじょうするのによく使つかわれる。界面かいめん活性かっせい剤ざいは石鹸せっけんや洗剤せんざいによく見みられる。アルコールなどの溶媒ようばいは殺菌さっきん剤ざいとしてもよく使つかわれる。また、化粧けしょう品ひん、インク、液体えきたい色素しきそレーザーでも使つかわれている。食品しょくひん加工かこうでもよく使つかっており、植物しょくぶつ油ゆの抽出ちゅうしゅつなどの工程こうていで使つかわれている。

液体えきたいは気体きたいに比くらべて熱ねつ伝導でんどう率りつが高たかく、また流動りゅうどう性せいがあるため、機械きかい部品ぶひんの余分よぶんな熱ねつを奪うばうという用途ようとに適てきしている。ラジエターのような熱ねつ交換こうかん器きに液体えきたいを通とおして熱ねつを除去じょきょしたり、液体えきたいを蒸発じょうはつさせて気化きか熱ねつを奪うばうことで冷却れいきゃくすることもある。エンジンの冷却れいきゃくには水みずやグリコールが冷却れいきゃく剤ざいとして使つかわれている。原子げんし炉ろの冷却れいきゃく剤ざいとしては、水みずの他ほかにナトリウムやビスマスといった液体えきたい金属きんぞくも使つかわれている。ロケットの燃焼ねんしょう室しつを冷却れいきゃくするのに液体えきたい推進すいしん剤ざいを使つかったフィルム冷却れいきゃくが行おこなわれている。機械きかい加工かこうでは摩擦まさつ熱ねつなどの余分よぶんな熱ねつが加工かこう対象たいしょうと道具どうぐの両方りょうほうを劣化れっかさせるため、水みずや油あぶらを使つかって冷却れいきゃくする。人間にんげんの場合ばあいも、汗あせを蒸発じょうはつさせることで余分よぶんな熱ねつを除去じょきょしている。空調くうちょうの分野ぶんやでは、水みずなどの液体えきたいを使つかってある場所ばしょから別べつの場所ばしょへ熱ねつを移動いどうさせる。

液体えきたいは流体りゅうたいであるが、気体きたいと比較ひかくすると圧縮あっしゅく性せいが非常ひじょうに小ちいさい。これを固体こたいの容器ようきに閉とじこめた場合ばあい、気体きたいの場合ばあいとはやや異ことなったものが出来できる。柔やわらかい容器ようきに入はいった液体えきたいは、体積たいせきは変かわらないが変形へんけいはするため、気体きたいの場合ばあいよりはしっかりとした手応てごたえの衝撃しょうげき吸収きゅうしゅう素材そざいとなる。ウォーターベッドはこれを利用りようしている。また、内部ないぶの容積ようせきが変かわらないような素材そざいで出来できた管かんに液体えきたいを閉とじこめた場合ばあい、パスカルの原理げんりに従したがって片方かたがたからかかった圧力あつりょくがもう片方かたがたへ直接ちょくせつに伝つたわる。油圧ゆあつ系けいはこれを利用りようしている。ポンプや水車みずぐるまのような装置そうちは古代こだいから液体えきたいの動うごきを仕事しごとに変換へんかんするのに使つかわれてきた。油圧ゆあつ系けいではポンプで油あぶらに圧力あつりょくをかけて押おし出だし、その力ちからを圧力あつりょくモーターで動力どうりょくに変換へんかんする。油圧ゆあつ系けいには様々さまざまな用途ようとがあり、ブレーキ、トランスミッション、建設けんせつ機械きかい、航空機こうくうきの制御せいぎょ系けいなどに使つかわれている。液えき圧あつ式しきプレス機械きかいは様々さまざまな加工かこうや修理しゅうりに使つかわれている。

液体えきたいは計測けいそく装置そうちにも使つかわれることがある。温度おんど計けいは液体えきたいの熱ねつ膨張ぼうちょうと流動りゅうどう性せいを利用りようすることが多おおく、水銀すいぎんなどが使つかわれている。マノメーターは液体えきたいの重おもさを使つかって圧力あつりょくを測定そくていする。

性質せいしつ

液体えきたいは気体きたいと同様どうように流体りゅうたいとしての特性とくせいを示しめす。液体えきたいは容器ようきに合あわせて形状けいじょうを変化へんかさせ、水密すいみつな容器ようきならばかけられた圧力あつりょくが容器ようき内ないの全すべての表面ひょうめんに均等きんとうにかかる。分子ぶんしが引力いんりょくを及およぼしあっている状態じょうたいなので、体積たいせきは固体こたいとさほど変かわらず、気体きたいのように圧力あつりょくで大おおきく変化へんかすることはない。気体きたいと異ことなり、複数ふくすうの液体えきたいがすぐに混まざり合あうわけではなく、容器ようき内ない全体ぜんたいに広ひろがることもなく、それ自身じしんの表面ひょうめん（水面すいめん）を形成けいせいする。このような特性とくせいを応用おうようして油圧ゆあつ（液えき圧あつ）システムが生うまれた。

水みずの表面ひょうめん波は

液体えきたいの量りょうは一般いっぱんに体積たいせきあるいは容積ようせきで計測けいそくされる。単位たんいとしてはSI単位たんいの立方りっぽうメートル (m³) やその分量ぶんりょう単位たんいである1立方りっぽうデシメートル、すなわち1リットル (1 dm³ = 1 L = 0.001 m³)、立方りっぽうセンチメートル、すなわちミリリットル (1 cm³ = 1 mL = 0.001 L = 10⁻⁶ m³) などがある。

液体えきたいの体積たいせきは温度おんどと圧力あつりょくによって決きまる。一般いっぱんに熱ねっすると膨張ぼうちょうし、冷却れいきゃくすると収縮しゅうしゅくする。ただし、0 °C から 4 °C の間あいだの水みずは例外れいがいである。

重力じゅうりょく下かでは、液体えきたいは容器ようきおよび液体えきたい内ないのあらゆるものに圧力あつりょくをかける。この圧力あつりょくは全すべての方向ほうこうに加くわわり、深ふかくなるにつれて増加ぞうかする。液体えきたいが一様いちような重力じゅうりょく場じょうにあるとき、深ふかさ z における圧力あつりょく p は次つぎのようになる。

p = ρろーgz

ここで、

• ρろー は液体えきたいの密度みつど（定数ていすうと仮定かてい）
• g は重力じゅうりょく加速度かそくど

である。なお、この式しきでは表面ひょうめん（水面すいめん）での圧力あつりょくをゼロと仮定かていしており、表面張力ひょうめんちょうりょくの効果こうかを無視むししている。

液体えきたいに沈しずめられた物体ぶったいには、浮力ふりょく（アルキメデスの原理げんり）が働はたらく。浮力ふりょくは他たの流体りゅうたいでも見みられるが、密度みつどの高たかい液体えきたいで最もっとも強つよく働はたらく。

液体えきたいの圧縮あっしゅく性せいは小ちいさい。例たとえば、水みずの密度みつどは圧力あつりょくが100バールのオーダー（水面すいめん下か 1 km の圧力あつりょく）にならないと目めに見みえる変化へんかをしない。流体りゅうたい力学りきがくでは液体えきたいを非ひ圧縮あっしゅく性せいのものとして扱あつかうことが多おおく、特とくに非ひ圧縮あっしゅく性せい流体りゅうたいの研究けんきゅうではそのように扱あつかう。

液体えきたい表面ひょうめん（水面すいめん）は一種いっしゅの弾性だんせい膜まくのように振ふる舞まい、表面張力ひょうめんちょうりょくが見みられ、滴しずくや泡あわが形成けいせいされる。表面張力ひょうめんちょうりょくによって生しょうじる現象げんしょうとしては他たに毛細管もうさいかん現象げんしょう、濡ぬれ、表面張力ひょうめんちょうりょく波はなどがある。

せん断だん応力おうりょくや延伸えんしん応おう力りょくに対たいして液体えきたいが示しめす抵抗ていこうの度合どあいを粘ねば度たびで表あらわす。

液体えきたいは非ひ混和こんわ性せいを示しめすことがある。混まぜることができない液体えきたいの組くみ合あわせとしては油あぶらと水みずがあり、サラダドレッシングで日常にちじょう的てきに見みかける。逆ぎゃくに混まぜることが可能かのうな組くみ合あわせとしては水みずとアルコールがある。混合こんごうした液体えきたいは蒸留じょうりゅうによって分離ぶんりすることが可能かのうな場合ばあいが多おおい。

相あい転移てんい

典型てんけい的てきな相そう図ず。緑みどりの線せんは圧力あつりょくによる融点ゆうてんの変化へんかを表あらわす。青あおい線せんは圧力あつりょくによる沸点ふってんの変化へんかを示しめす。赤あかい線せんは昇華しょうかの起おきる温度おんどと圧力あつりょくの組くみ合あわせを示しめしている

沸点ふってん未み満まんの温度おんどでは、どんな液えき相しょうの物体ぶったいも平衡へいこう状態じょうたいになるまで蒸発じょうはつする。平衡へいこう状態じょうたいに達たっすると液体えきたいの蒸発じょうはつと気体きたいの凝縮ぎょうしゅくが同おなじ速度そくどで起おきるようになる。したがって、蒸発じょうはつした気体きたいを継続けいぞく的てきに取とり去さると液体えきたいは最終さいしゅう的てきには全すべて蒸発じょうはつしてしまう。沸点ふってんに達たっすると液体えきたいはさらに急速きゅうそくに蒸発じょうはつするようになる。沸点ふってんに達たっした液体えきたいは沸騰ふっとうするのが普通ふつうだが、条件じょうけんによっては過熱かねつ状態じょうたいになる。

凝固ぎょうこ点てん以下いかの温度おんどでは、液体えきたいは凝固ぎょうこし固体こたいとなる。蒸発じょうはつと凝縮ぎょうしゅくの場合ばあいとは異ことなり、常つね圧あつ下かでは平衡へいこう状態じょうたいにはならない。過か冷却れいきゃくがおきない限かぎり、液体えきたいは最終さいしゅう的てきには完全かんぜんに固体こたいとなる。ただし常つね圧あつでない場合ばあいは必かならずしもそうではなく、例たとえば水みずと氷こおりを密閉みっぺいされた圧力あつりょく容器ようきに入いれると、固かた相しょうと液えき相しょうが混在こんざいした平衡へいこう状態じょうたいとなることもある。

構造こうぞう

古典こてん的てきな単たん原子げんし分子ぶんしの液体えきたいの構造こうぞう。原子げんしは多数たすうの原子げんしに囲かこまれているが、原子げんし間あいだの距離きょりの秩序ちつじょは存在そんざいしない

液体えきたいでは、原子げんしは結晶けっしょう格子こうしを形成けいせいしておらず、いかなる長距離ちょうきょり秩序ちつじょも存在そんざいしない。そのためX線せん回折かいせつや中性子ちゅうせいし回折かいせつでブラッグピークが現あらわれない。通常つうじょう条件下じょうけんかでは回折かいせつパターンは点てん対称たいしょうになるが、これは液体えきたいの等ひとし方かた性せいを示しめしている。中心ちゅうしんから径みち方向ほうこうに見みてみると、回折かいせつ強度きょうどは滑なめらかに振動しんどうしている。これはプローブ（光子こうしや中性子ちゅうせいし）の波長はちょう λらむだ とブラッグ角度かくど θしーた で与あたえられる波数はすう q = (4πぱい/λらむだ)sin θしーた の関数かんすうである静的せいてき構造こうぞう因子いんし S(q) で説明せつめいされる。S(q) の振動しんどうは液体えきたいの近傍きんぼうの原子げんし間あいだの相関そうかん関係かんけいを表あらわしている。

それらの相関そうかん関係かんけいのより直観ちょっかん的てきな指標しひょうとして動どう径みち分布ぶんぷ関数かんすう g(r) があり、これは基本きほん的てきには S(q) のフーリエ変換へんかんである。これはある時点じてんの液体えきたい内ないの二に体たい相関そうかんの空間くうかん的てき平均へいきんを表あらわしている。g(r) はある中心ちゅうしん点てんから距離きょり r までの球たまの体積たいせき内ないにある粒子りゅうし数すうの平均へいきんから計算けいさんによって決定けっていされる。与あたえられた半径はんけいにおける原子げんしの平均へいきん密度みつどは次つぎの式しきで表あらわされる。

$g(r)={\frac {n(r)}{\rho 4\pi r^{2}\Delta r}}$

ここで、n(r) は距離きょり r における幅はば Δでるたr に存在そんざいする原子げんしの平均へいきん個数こすう、ρろー は平均へいきん原子げんし密度みつどである。

g(r) は、回折かいせつ実験じっけんとコンピュータシミュレーションの比較ひかく手段しゅだんとなっている。原子げんし間あいだペアポテンシャル関数かんすうと組くみ合あわせて使つかい、乱雑らんざつ系けいの内部ないぶエネルギー、ギブスの自由じゆうエネルギー、エントロピー、エンタルピーといったマクロな熱ねつ力学りきがく的てきパラメータを計算けいさんすることもできる。

レナード-ジョーンズのモデル流体りゅうたいの動どう径みち分布ぶんぷ関数かんすう

g と r の対応たいおうを示しめした典型てんけい的てきなグラフには次つぎのような重要じゅうような特徴とくちょうがある。

1. 距離きょりが短みじかい部分ぶぶん（r が小ちいさい）では、g(r) = 0 である。つまり原子げんし自体じたいに大おおきさがあるため、ある程度ていど以上いじょうに原子げんし同士どうしが近ちかづくことができないことを示しめしている。
2. ピークがいくつか現あらわれるが、距離きょりが離はなれるとピークも小ちいさくなっていく。このピークは原子げんしが互たがいに近接きんせつする原子げんしに取とり囲かこまれていることを示しめす。距離きょりが離はなれると1に漸近ぜんきんしていくが、これはその液体えきたいの平均へいきん密度みつどに対応たいおうしている。
3. 距離きょりが離はなれるに従したがってピークが徐々じょじょに小ちいさくなるのは、中心ちゅうしんの粒子りゅうしから見みた秩序ちつじょの減少げんしょうを示しめしている。これは、液体えきたいやガラスに見みられる「短距離たんきょり秩序ちつじょ」を表あらわしている。

単純たんじゅん液体えきたいの動どう径みち分布ぶんぷの実験じっけん的てき検証けんしょうはX線せん散乱さんらんなどの手法しゅほうを用もちいる。構造こうぞう的てき干渉かんしょうは半径はんけい r の範囲はんい内ないのピークに限かぎられる。したがって、X線せんの干渉かんしょうの条件じょうけんが満みたされたときだけ振幅しんぷくの減衰げんすいしたピークが現あらわれる。結果けっかとして結晶けっしょう面めんに対応たいおうしたX線せん回折かいせつパターンに似にた明暗めいあんの帯おびが周期しゅうき的てきに配はいされた結果けっかが得えられる。

力学りきがく

弾性だんせい波は

一般いっぱんに液体えきたいと固体こたいの基本きほん的てき違ちがいとして、固体こたいがせん断だん応力おうりょくに対たいして弾性だんせい的てき抵抗ていこうを示しめすのに対たいして、液体えきたいはそうではないという点てんが挙あげられる。したがって液体えきたいの分子ぶんし運動うんどうは縦たて波は（フォノン）に分解ぶんかいでき、横波よこなみは非常ひじょうに秩序ちつじょ立たった結晶けっしょう質しつの固体こたいでのみ現あらわれる。すなわち、単純たんじゅん液体えきたいはせん断だん応力おうりょくという形かたちで加くわえられた力ちからに耐たえることができず、力学りきがく的てきにそれに降伏ごうぶくし巨視的きょしてきには塑性そせい変形へんけい（粘性ねんせい流りゅう）を起おこす。さらに言いえば、固体こたいはせん断だん応力おうりょくに対たいして局所きょくしょ的てきに変形へんけいするだけで全体ぜんたいの形かたちが保たもたれるのに対たいして、液体えきたいはナビエ-ストークス方程式ほうていしきで表あらわされる粘性ねんせい流りゅうとなって大おおきく変形へんけい・流動りゅうどうする。この点てんが固体こたいと液体えきたいの力学りきがく的てきな違ちがいとされている。

しかし連続れんぞく性せいについての観測かんそくによれば、横波よこなみは必かならずしも固体こたいのみで伝つたわるわけではなく、液体えきたいでも伝つたわると結論けつろん付つけられる。通常つうじょうの液体えきたいでの実験じっけんでこの結論けつろんが確認かくにんできないのは、現代げんだいの音響おんきょう学がくや光学こうがくの技法ぎほう（超ちょう音波おんぱやレーザー）で得えられる振動しんどう周期しゅうきに対たいして液体えきたい中ちゅうでの横波よこなみの減衰げんすいが極きわめて素早すばやく起おきるためである。そのような条件下じょうけんかでは、液体えきたいでの横波よこなみは急激きゅうげきに減衰げんすいする。

それらの結論けつろんの検証けんしょうには、単たん原子げんし分子ぶんしの液体えきたいやガラスの分子ぶんし動力どうりょく学がく法ほうのコンピュータシミュレーションが使つかわれ、短みじかい波長はちょうでは液体えきたいが横波よこなみを伝播でんぱできることが確認かくにんされた。この粘ねば弾性だんせいの振ふる舞まいは波数はすうが増加ぞうかするにつれて液体えきたいの剛性ごうせいが重要じゅうような要素ようそになるという事実じじつと結むすびついている。

高周波こうしゅうはの横波よこなみと縦たて波はの減衰げんすい機構きこうは、粘性ねんせいの液体えきたいや重じゅう合体がったいやガラスを考慮こうりょしていた。その後ご、広範囲こうはんいの時間じかん的てき・空間くうかん的てきスケールで観測かんそくされる構造こうぞう緩和かんわスペクトルを使つかって粘性ねんせい液体えきたいのガラス転移てんいを解釈かいしゃくする新あらたな成果せいかが生うまれた。動的どうてき光こう散乱さんらん法ほう（または光子こうし相関そうかん法ほう）を使つかった実験じっけんでは、10⁻¹¹秒びょうという短みじかい時間じかんにおける分子ぶんしの動うごきを研究けんきゅうできる。これは、周波数しゅうはすうの範囲はんいを 10⁹ Hz かそれ以上いじょうに拡張かくちょうしたのと等価とうかである。

したがって、横よこ音響おんきょうフォノン（横波よこなみ）と硬化こうかあるいはガラス化かの開始かいしには密接みっせつな関係かんけいがあることがわかる。硬化こうかが観測かんそくされる波長はちょうの増大ぞうだいを考慮こうりょすると、その現象げんしょうの周波数しゅうはすうへの依存いぞん性せいが明あきらかになる。

液体えきたいの熱ねつ運動うんどうを弾性だんせい波はの重かさね合あわせで表あらわすという方法ほうほうは Brillouin が最初さいしょに導入どうにゅうした。したがって凝集ぎょうしゅう系けいの原子げんしの動うごきは定常波ていじょうはのフーリエ級数きゅうすうで表あらわされ、それらは物理ぶつり的てきには様々さまざまな方向ほうこうや波長はちょうの原子げんしの振動しんどう（密度みつどのゆらぎ）の縦たて波はや横波よこなみの重かさね合あわせと解釈かいしゃくできる。音波おんぱの伝播でんぱという意味いみでは、縦たて波はすなわち粗密そみつ波はの速度そくどは物質ぶっしつの体積たいせき弾性だんせい係数けいすうに制限せいげんされる。密度みつどρろーと体積たいせき弾性だんせい係数けいすう K の比ひの平方根へいほうこん、すなわち√(K /ρろー)は、縦たてフォノンの伝播でんぱ速度そくどと等ひとしい。横波よこなみの場合ばあい密度みつどは一定いっていなので、伝播でんぱ速度そくどは剛性ごうせい率りつによって制限せいげんされる。

密度みつどと剛性ごうせい率りつ G の比ひの平方根へいほうこんは、横よこフォノンの速度そくどに等ひとしい。従したがって、波動はどうの速度そくどは次つぎのようになる：

$V_{\text{long}}={\sqrt {K/\rho }}$

$V_{\text{trans}}={\sqrt {G/\rho }}$

ここでρろーは、粒子りゅうし密度みつどまたは比ひ体積たいせきの逆数ぎゃくすうである。

分子ぶんし振動しんどう

E.N. Andrade は、液体えきたいにおける構造こうぞう変換へんかん（無む拡散かくさん変態へんたい）の機構きこうを研究けんきゅうした。彼かれは固体こたいと液体えきたいの分子ぶんし間あいだ力りょくは極きわめて近ちかいとし、リンデマンの融解ゆうかい則のりを引用いんようした。それは、単純たんじゅん固体こたいにおける固有こゆう振動しんどうの原子げんし振動しんどう周波数しゅうはすうの正確せいかくな値ねを求もとめることに成功せいこうしている。リンデマンは原子げんしの振動しんどうの振幅しんぷくが原子げんし間あいだ距離きょりのある割合わりあいに達たっしたときに融解ゆうかいが始はじまるとした。

したがって液体えきたいと固体こたいの基本きほん的てきな違ちがいは分子ぶんし間あいだ力りょくの大おおきさではなく、分子ぶんしの振動しんどうの振幅しんぷくだということになる。液えき相しょうでは分子ぶんしの振動しんどうは極きわめて大おおきく、分子ぶんし同士どうしが衝突しょうとつすることも珍めずらしくない。結果けっかとして、固体こたいでは固定こていされていた「平衡へいこう位置いち」が液体えきたいではゆっくりと変化へんかしていき一定いっていしない。分子ぶんしの振動しんどう周波数しゅうはすうは液体えきたいと固体こたいで同おなじである。

Frenkel はまた、硬かたい弾性だんせいネットワークにおける原子げんしの静的せいてき平衡へいこう位置いちについて熱ねつ運動うんどうの力学りきがくを考慮こうりょした。結晶けっしょうの硬かたさは、原子げんしが不変ふへんの平衡へいこう位置いちを占しめているために熱ねつ運動うんどうが小しょう振幅しんぷくの振動しんどうにしかならないことによる。一方いっぽう、液体えきたいでは原子げんしが恒久こうきゅう的てきな平衡へいこう位置いちを占しめることはないため流動りゅうどう性せいが生しょうじる。原子げんしまたは分子ぶんしの振動しんどう周期しゅうきが適用てきようされた外力がいりょくの時間じかん的てき尺度しゃくどにくらべて大おおきいとき、弾性だんせい変形へんけいが起おきる。逆ぎゃくに振動しんどう周期しゅうきが小ちいさい場合ばあい、不ふ可逆かぎゃくな塑性そせい変形へんけいが起おきる。

融点ゆうてん付近ふきんの単純たんじゅん液体えきたいおよび固体こたいの高周波こうしゅうは力学りきがくの研究けんきゅうにおいて、振動しんどう周波数しゅうはすうがゼロとなる条件じょうけんを「熱ねつ力学りきがく的てき極限きょくげん」 (υうぷしろん → 0) と呼よぶ。融点ゆうてん付近ふきんでの非ひ弾性だんせい光こう散乱さんらんの研究けんきゅうでは、十分じゅうぶんに高たかい周波数しゅうはすうの振動しんどうスペクトルは液体えきたいと固体こたいで識別しきべつ可能かのうな差異さいが全まったく見みられない。つまり、十分じゅうぶんに短みじかくかつ小ちいさい範囲はんいでは、融解ゆうかいが起おきても物質ぶっしつの力学りきがくにおいては断続だんぞく的てきな変化へんかが全まったく起おきない。周波数しゅうはすうが低ひくいほど、液体えきたいと固体こたいの振ふる舞まいの差異さいは大おおきくなる。

会合かいごう

固体こたいにおける原子げんし/分子ぶんしの拡散かくさん（または粒子りゅうし変位へんい）のメカニズムは、液体えきたいにおける粘性ねんせい流りゅうと凝固ぎょうこの機構きこうと密接みっせつに関連かんれんしている。液体えきたい中ちゅうの分子ぶんし間あいだの「自由じゆう空間くうかん」を使つかった粘ねば度たびの説明せつめいは、常温じょうおんで液えき相しょうとなる分子ぶんし同士どうしの「会合かいごう」が見みられる液体えきたいを説明せつめいするために修正しゅうせいされてきた。様々さまざまな分子ぶんしが集あつまって分子ぶんし会合かいごうを形成けいせいするとき、それまで分子ぶんしが自由じゆうに動うごき回まわっていたある範囲はんいの空間くうかんを半なかば固体こたいのような系けいで取とり囲かこむ。したがって冷却れいきゃくされると分子ぶんしの多おおくが「会合かいごう」し、粘ねば度たびが増ます。

粘ねば度たびは有限ゆうげんの圧縮あっしゅく率りつを持もつ液体えきたいでは体積たいせきの関数かんすうとみなすこともでき、同様どうようの議論ぎろんは粘ねば度たびへの圧力あつりょくの効果こうかを説明せつめいするのにも使つかえる。したがって、圧力あつりょく増加ぞうかに伴ともなって粘ねば度たびも上昇じょうしょうすることが予測よそくされる。さらに体積たいせきは熱ねつによって膨張ぼうちょうするが、同時どうじに圧力あつりょくを増加ぞうかして体積たいせきを一定いっていに保たもてば、粘ねば度たびは一定いっていとなる。

構造こうぞう緩和かんわ

原子げんしが平衡へいこう状態じょうたいから非ひ平衡へいこう状態じょうたいに遷移せんいするのにかかる平均へいきん時間じかんを緩和かんわ時間じかんと呼よび、マクスウェルの気体きたい分子ぶんし運動うんどう論ろんで最初さいしょに言及げんきゅうされた。最もっとも単純たんじゅん化かした単たん原子げんし分子ぶんしの液体えきたいの場合ばあい、構造こうぞう緩和かんわ (structural relaxation) とは、液体えきたいに圧力あつりょくがかかってより高密度こうみつどでコンパクトな分子ぶんし配置はいちになる場合ばあい、あるいは逆ぎゃくに圧力あつりょくが弱よわまって低てい密度みつどな分子ぶんし配置はいちに変化へんかする場合ばあいといった局所きょくしょ構造こうぞうの秩序ちつじょの度合どあいが変化へんかすることを指さす。相互そうご配向はいこうの転位てんいと再さい配分はいぶんに関かかわるため、体積たいせき（あるいは圧力あつりょく）が変化へんかし始はじめてから局所きょくしょ構造こうぞうが変化へんかするまで一般いっぱんに遅おくれが存在そんざいする。そういったプロセスには一定いっていの賦活ふかつエネルギーが必要ひつようであり、有限ゆうげんの速度そくどでしか進行しんこうしない。過か冷却れいきゃく液体えきたいがガラス転移てんい点てん付近ふきんで不ふ可逆かぎゃくな塑性そせい変形へんけいによる粘性ねんせいの緩和かんわを起おこすのもこれが原因げんいんである。

天体てんたい中ちゅうの液体えきたい

地球ちきゅうは太陽系たいようけいにおいて表面ひょうめんに液体えきたいの水みずを湛たたえた唯一ゆいいつの惑星わくせいであり、これがプレートテクトニクスや大気たいき中なかの二酸化炭素にさんかたんそ濃度のうど調整ちょうせい、そして生命せいめいの存在そんざいを許容きょようする特徴とくちょうづけを行おこなっている。このように、液体えきたいの水みずが惑星わくせい表面ひょうめんに存在そんざい可能かのうな恒星こうせいからの距離きょり領域りょういきをハビタブルゾーンと言いう。

火星かせいの北半球きたはんきゅうにかつて液体えきたいの水みずが大量たいりょうに存在そんざいしたか否ひか、そしてどのような理由りゆうで現在げんざいの姿すがたになったのは議論ぎろんが分わかれるところである。マーズ・エクスプロレーション・ローバーによる探査たんさで見みつかった扇状地せんじょうち状じょう地形ちけいなどから、火星かせいには少すくなくとも地殻ちかく上うえに広ひろく水みずが溜たまった箇所かしょが1つは存在そんざいすることを突つき止とめたが、この規模きぼについては未いまだ分わかっていない。金星かなぼし表面ひょうめんからは河川かせん跡あとのようなチャネル地形ちけいが発見はっけんされているが、これは粘ねば度たびが低ひくい液体えきたいの溶岩ようがん流りゅうが流ながれた跡あとである。木星もくせい中心ちゅうしんにある岩石がんせき質しつの中心ちゅうしん部ぶにはまわりに広大こうだいな液体えきたいの大洋たいようがある可能かのう性せいを、ハーバード大学だいがく教授きょうじゅのカール・セーガンが示唆しさした。その体積たいせきは地球ちきゅうの海うみの620倍ばいと試算しさんした。

マントルと分離ぶんりしている充分じゅうぶんな量りょうの水みずやメタンなどの液体えきたいは、衛星えいせいであるタイタン、エウロパ、カリスト、ガニメデ等ひとしにも地下ちかに存在そんざいすると考かんがえられる。同様どうように、イオにはマグマの海うみがあると考かんがえられる。液体えきたいの水みずが存在そんざいする決きめ手てにはなっていないが、土星どせいの衛星えいせいエンケラドゥスには間欠泉かんけつせんが見みつかっている。その他たの氷こおり状じょう衛星えいせいや太陽系たいようけい外縁がいえん天体てんたいも内部ないぶに液体えきたいか、現在げんざいは氷結ひょうけつしているが過去かこには液体えきたいであった水みずを持もっていた可能かのう性せいがある。

太陽系たいようけい外がい惑星わくせいでは、グリーゼ581cがハビタブルゾーンにあると判明はんめいした。しかしながら、もし温室おんしつ効果こうかが過剰かじょうならば、表面ひょうめんに液体えきたいの水みずを維持いじする以上いじょうの気温きおんにある可能かのう性せいは捨すてられない。逆ぎゃくにグリーゼ581dは温室おんしつ効果こうかによって表面ひょうめんが液体えきたいの水みずを持もちうる温度おんどまで引ひき上あげられている可能かのう性せいもある。系けい外がい惑星わくせいオリシスも、その大気たいきが水蒸気すいじょうきを含ふくんでいるかが議論ぎろんとなっている。グリーゼ436bは、「高温こうおんの氷こおり」が存在そんざいすると考かんがえられている。これらの惑星わくせいは液体えきたいの水みずを保持ほじするには高温こうおん過すぎるが、そこに水みずの分子ぶんしが存在そんざいするとすれば、他たに適当てきとうな温度おんどの惑星わくせいが発見はっけんされる可能かのう性せいがある。

惑星わくせい内部ないぶにも液体えきたい状じょうの構造こうぞうが存在そんざいする可能かのう性せいが示唆しさされる。地震じしん波はによる測定そくていから、地球ちきゅう半径はんけいの約やく半分はんぶん程度ていどの大おおきさを持もつ核かくは、外側そとがわに液体えきたいの外そと核かくを持もつことが分わかった。これは溶融ようゆうした鉄てつ・ニッケル・硫黄いおうが混まざり合あった高こう密度みつどの流体りゅうたいであり、地磁気ちじきを発生はっせいさせる原動力げんどうりょく（ダイナモ効果こうか）となっている。同おなじ地球ちきゅう型がた惑星わくせいの中なかでは、水星すいせいからも磁場じばが観測かんそくされており、これは逆ぎゃくに水星すいせい内部ないぶにも液体えきたいの核かくが存在そんざいする可能かのう性せいが指摘してきされている。木星もくせい型がた惑星わくせい惑星わくせいの内部ないぶでは、高たかい圧あつ力りょくによって金属きんぞく水素すいそが液体えきたい状じょうになっていると考かんがえられる。天王星てんのうせい型がた惑星わくせいも内部ないぶにアンモニアやメタンが高温こうおん・高こう圧あつの環境かんきょう下かで凝縮ぎょうしゅく液体えきたいとなっており、これらの対流たいりゅうが惑星わくせい磁場じばを発生はっせいさせる元もととなっている。

脚注きゃくちゅう

関連かんれん項目こうもく

• 融とおる液えき - 溶液ようえき
• 相そう - 固体こたい - 気体きたい - 蒸気じょうき
• 相あい転移てんい - 凝固ぎょうこ点てん - 融点ゆうてん - 沸点ふってん - 臨界りんかい点てん - 昇華しょうか - 三重みえ点てん
• 融解ゆうかい熱ねつ - 気化きか熱ねつ
• 化学かがく - 物理ぶつり学がく - 物性ぶっせい物理ぶつり - 流体りゅうたい力学りきがく
• 滴しずく
• 非ひ圧縮あっしゅく性せい

外部がいぶリンク

• 『液体えきたい』 - コトバンク