Жидкое состояние является промежуточным между газообразным и твердым. Для твердого кристаллического тела характерно геометрически правильное расположение частиц (молекул, атомов, ионов) в определенных местах (узлах) элементарных кристаллических решеток. Однако частицы твердого тела фиксированы в таких узлах не строго и совершают колебательные движения вокруг них. Распределение частиц вблизи колебательных центров данного кристаллического тела обусловлено количеством (координационным числом) ближайших соседей у каждой частицы.

Для твердых тел характерно сохранение ближнего и дальнего порядков координации частиц. Некоторые из них могут перемещаться в объеме твердого тела без разрушения ячеек кристаллических решеток (явления диффузии и само диффузии). Под воздействием внешних сил в твердом теле возможно и коллективное перемещение большого количества частиц (пластическая деформация). Диаметр атомов (орбит внешних электронов) и параметры кристаллических решеток — величины порядка 10^–8 см. В металлическом твердом теле внешние электроны коллективизированы. Наличие так называемого электронного газа в междуатомных пространствах обеспечивает металлическую связь (сцепление) отдельных атомов.

В газообразных телах отсутствуют ближний и дальний порядки координации частиц. Для газов элементарными частицами являются электронейтральные молекулы, которые беспорядочно движутся на значительно большие расстояния и с большей скоростью, чем в твердых телах. В газах длина свободного пробега молекулы (до столкновения с другой молекулой) на два порядка превышает ее диаметр, а свободный объем между молекулами на три-четыре порядка больше свободного объема между частицами твердого тела. Поэтому плотность газов на три-четыре порядка меньше плотности твердых тел.

Долгое время считалось, что жидкости по их свойствам близки к газам. Однако это справедливо лишь для состояния при температуре вблизи точки кипения. Жидкие металлы с небольшим перегревом над точкой плавления t_пл и значительной разницей между температурой кипения t_кип и температурой жидкой фазы t_ж имеют гораздо большее сходство с твердыми телами, чем с газами. Это относится и к расплавленному железу, температура которого значительно ближе к точке плавления, чем к температуре кипения (t_ж = 1600° С; t_пл = 1539° С; t_пл = 2735° С; t_кип — t_ж = 1135° С; t_ж — t_пл = 61° С).

Сходство свойств твердого и жидкого металла проявляется в том, что при плавлении объем увеличивается незначительно (для сталей — 4,2 — 5,1 %), малы величины скрытой теплоты плавления ?H_пл и изменения энтропии системы ?S_пл по сравнению со скрытой теплотой испарения ?H_исп и изменением энтропии при испарении ?S_исп. Так, для железа и марганца ?Н_пл = 14 900 и 14 650 Дж/моль; ?S_пл = 8,24 и 9,67 Дж/(моль • К); ?S_исп = 352 540 и 231 010 Дж/моль; ?S_исп = 115,5 и 95,4 Дж/ (моль • К) соответственно.

Теплоемкость металла при плавлении изменяется незначительно. Следовательно, вблизи температуры плавления переход металла из твердого состояния в жидкое сопровождается небольшим изменением термодинамических параметров системы. Жидкость обладает сопротивлением сдвигу и упругостью, которые в обычных условиях недостаточно заметны из-за высокой текучести.

Рентгенографические, электронографические и нейтронографические исследования позволили определить функцию интенсивности рассеяния лучей от угла рассеяния и длины волны. На основе этой функции оценены неравномерность распределения частиц в жидкостях и средние расстояния между ними. В результате было установлено, что при температуре, близкой к точке кристаллизации, жидкости обладают ближним порядком расположения частиц, примерно таким, как в кристаллических телах.

В жидкости могут образоваться отдельные группировки атомов (сиботаксисы или «рои» слипшихся частиц) и щели между ними, которые неустойчивы во времени и пространстве и непрерывно «кочуют». Согласно теории В. И. Данилова в жидкости (в областях ближнего порядка) содержатся мельчайшие кристаллики, состоящие из сотен и даже десятков атомов. Изменение свойств жидкости по мере увеличения ее температуры связано с измельчением при этом микрокристаллов. Однако в последние годы большинство специалистов в области физики твердых и жидких тел отрицают возможность существования кристаллов в жидкости. Ярким примером, опровергающим теорию квазикристалличности жидкости, является возможность ее глубокого переохлаждения (ниже точки плавления).

Аналогия жидкого и твердого (кристаллического) состояния прослеживается главным образом в характере взаимодействия частиц и в сходстве термодинамических свойств. Советским физиком Я. И. Френкелем разработана общепринятая в настоящее время теория строения металлов. Согласно этой теории уже в твердых телах при их нагревании между молекулами (атомами, ионами) образуются «дырки» (вакансии), в которых отсутствуют частицы. Переход тела из твердого состояния в жидкое обусловлен скачкообразным увеличением количества дырок, что вызывает большую подвижность частиц и жидкости в целом (текучесть). Значительное количество дырок в жидкости является также причиной скачка растворимости многих веществ при расплавлении растворителя.

Дырки имеют размер порядка 10^–10 — 10^–9м. По Томсону, работа образования сферической полости в жидкости

(2.1)
где r — радиус сферической полости, м; ? — поверхностное натяжение жидкости, Дж/м². Работа образования сферической полости в жидкости и теплота испарения — величины одного порядка. Необходимый избыток энергии обеспечивается флуктуациями.

Расплавленное железо обладает свойствами металлов: высокой электро- и теплопроводностью, наличием металлической связи между атомами, обеспечиваемой «обобществленными» валентными электронами. Из-за сложностей высокотемпературных экспериментов свойства расплавленного железа до недавнего времени определяли лишь приближенно. Однако усовершенствование экспериментальной техники позволило значительно уточнить их числовые значения. Температура плавления чистого железа составляет 1539° С. При 1600° С плотность чистого железа ? = 6800—7030 кг/м³; поверхностное натяжение ? ? 1800 мДж/м²; динамическая вязкость ? = 0,004 ? 0,005 Па • с; кинематическая вязкость v = ?/? ? 6 • 10^–7 м²/с; удельное электрическое сопротивление — 14 Ом • м.

Небольшие концентрации примесей значительно изменяют свойства расплава на основе железа. Так, увеличение содержания углерода в металле на 1% способствует уменьшению температуры плавления на 70—100°. При повышении [% С] поверхностное натяжение стали снижается до 1200 мДж/м², причем значительно уменьшается и вязкость расплава. Природу расплавов необходимо знать для изучения кинетики различных процессов (диффузии частиц, химических реакций и т. д.).