A szilárd anyagok molekulái és atomjai meghatározott sorrendben és formában helyezkednek el kristályrács. Az ilyen szilárd anyagokat kristályosnak nevezzük. Az atomok az egyensúlyi helyzet körül rezgésmozgásokat hajtanak végre, és a köztük lévő vonzás nagyon erős. Ezért a szilárd anyagok normál körülmények között megtartják térfogatukat és saját alakjukat.

A termikus egyensúly a termodinamikai rendszer azon állapota, amelybe a környezettől való elszigeteltség körülményei között kellően hosszú idő elteltével spontán módon átjut.

A hőmérséklet olyan fizikai mennyiség, amely egy makroszkopikus rendszer részecskéinek átlagos kinetikus energiáját jellemzi termodinamikai egyensúlyi állapotban. Egyensúlyi állapotban a hőmérséklet a rendszer összes makroszkopikus részében azonos értékű.

Celsius fok(kijelölés: °C) a hőmérséklet széles körben használt mértékegysége, amelyet a Nemzetközi Mértékegységrendszerben (SI) a kelvinnel együtt használnak.

Higanyos orvosi hőmérő

Mechanikus hőmérő

A Celsius-fok Anders Celsius svéd tudósról kapta a nevét, aki 1742-ben új skálát javasolt a hőmérséklet mérésére. A jég olvadáspontját nullának vettük a Celsius-skálán, a víz forráspontját pedig normál légköri nyomáson 100°-nak. (Kezdetben Celsius a jég olvadáspontját 100°-nak, a víz forráshőmérsékletét 0°-nak vette. És csak később „fordította el” ezt a skálát kortársa, Carl Linnaeus). Ez a skála lineáris a 0-100° tartományban, és lineárisan folytatódik a 0° alatti és 100° feletti tartományban is. A linearitás a pontos hőmérsékletmérés fő kérdése. Elég csak megemlíteni, hogy a klasszikus vízzel töltött hőmérő nem jelölhető 4 Celsius-fok alatti hőmérsékletre, hiszen ebben a tartományban a víz ismét tágulni kezd.

A Celsius-fok eredeti meghatározása a standard légköri nyomás definíciójától függött, mivel a víz forráspontja és a jég olvadáspontja is a nyomástól függ. Ez nem túl kényelmes a mértékegység szabványosításához. Ezért a Kelvin K mint a hőmérséklet alapegységének elfogadása után a Celsius-fok definícióját felülvizsgálták.

A modern definíció szerint egy Celsius-fok egyenlő egy kelvin K-vel, és a Celsius-skála nullája úgy van beállítva, hogy a víz hármaspontjának hőmérséklete 0,01 °C. Ennek eredményeként a Celsius és Kelvin skála 273,15-tel eltolódik:

26)Ideális gáz- egy gáz matematikai modellje, amelyben feltételezzük, hogy a molekulák potenciális kölcsönhatási energiája elhanyagolható a kinetikus energiájukhoz képest. A molekulák között nincs vonzás vagy taszító erő, a részecskék egymással és az edény falával való ütközései abszolút rugalmasak, a molekulák közötti kölcsönhatási idő pedig elhanyagolható az ütközések közötti átlagos időhöz képest.

, Ahol k a Boltzmann-állandó (az univerzális gázállandó aránya R Avogadro számára N A), én- a molekulák szabadságfokainak száma (az ideális gázokkal kapcsolatos legtöbb problémában, ahol a molekulákat kis sugarú gömböknek tételezzük fel, amelyek fizikai analógja inert gázok is lehetnek), és T- abszolút hőmérséklet.

Az alapvető MKT egyenlet egy gázrendszer makroszkopikus paramétereit (nyomás, térfogat, hőmérséklet) kapcsolja össze a mikroszkopikus paraméterekkel (molekulák tömege, mozgásuk átlagos sebessége).

Ez az anyag nemcsak arról beszél, hogy a részecskék hogyan helyezkednek el a szilárd anyagokban, hanem arról is, hogyan mozognak gázokban vagy folyadékokban. Leírjuk a különböző anyagokban lévő kristályrácsok típusait is.

Az összesítés állapota

Vannak bizonyos szabványok, amelyek három tipikus aggregációs állapot jelenlétét jelzik, nevezetesen: folyadék és gáz.

Határozzuk meg az egyes aggregációs állapotokhoz tartozó összetevőket.

A szilárd anyagok térfogata és alakja gyakorlatilag stabil. Ez utóbbi megváltoztatása rendkívül problémás további energiaköltségek nélkül.
A folyadék könnyen megváltoztathatja alakját, de ugyanakkor megtartja térfogatát.
A gáznemű anyagok nem tartják meg sem alakjukat, sem térfogatukat.

A fő kritérium, amely alapján az aggregáció állapotát meghatározzák, a molekulák elrendezése és mozgásuk módja. Egy gáznemű anyagban az egyes molekulák közötti minimális távolság sokkal nagyobb, mint önmagukban. A molekulák viszont normál körülmények között nem oszlanak el nagy távolságokra, és megtartják térfogatukat. A szilárd anyagokban lévő aktív részecskék szigorúan meghatározott sorrendben vannak elrendezve, mindegyik, mint egy óra inga, a kristályrács egy bizonyos pontja körül mozog. Ez különleges szilárdságot és merevséget ad a szilárd anyagoknak.

Ezért ebben az esetben a legégetőbb kérdés az, hogy az aktív részecskék hogyan helyezkednek el a szilárd anyagokban. Minden más esetben az atomok (molekulák) nem rendelkeznek ilyen rendezett szerkezettel.

A folyadék jellemzői

Különös figyelmet kell fordítani arra, hogy a folyadékok egyfajta köztes kapcsot jelentenek a test szilárd állapota és gázfázisa között. Így a hőmérséklet csökkenésekor a folyadék megszilárdul, ha pedig az anyag forráspontja fölé emelkedik, akkor gáz halmazállapotúvá válik. A folyékonynak azonban vannak közös vonásai mind a szilárd, mind a gáznemű anyagokkal. Így 1860-ban a kiváló hazai tudós, D. I. Mengyelejev megállapította az úgynevezett kritikus hőmérséklet - az abszolút forrás - létezését. Ez az az érték, amelynél eltűnik a vékony határ a gáz és a szilárd halmazállapotú anyag között.

A következő kritérium, amely két szomszédos aggregációs állapotot kombinál, az izotrópia. Ebben az esetben tulajdonságaik minden irányban azonosak. A kristályok viszont anizotrópok. A gázokhoz hasonlóan a folyadékoknak sincs állandó alakja, és elfoglalják a tartály teljes térfogatát, amelyben elhelyezkednek. Vagyis alacsony viszkozitásúak és nagy folyékonyságuk van. A folyadék vagy gáz mikrorészecskéi egymással ütközve szabadon mozognak. Korábban azt hitték, hogy a folyadék által elfoglalt térfogatban a molekulák nem mozognak rendezetten. Így a folyadék és a gáz a kristályokkal szemben állt. De a későbbi kutatások eredményeként bebizonyosodott a szilárd és folyékony anyagok közötti hasonlóság.

A folyékony fázisban a megszilárduláshoz közeli hőmérsékleten a hőmozgás a szilárd anyagokéhoz hasonlít. Ebben az esetben a folyadéknak még lehet egy bizonyos szerkezete. Ezért választ adva arra a kérdésre, hogy a részecskék hogyan helyezkednek el szilárd anyagokban folyadékokban és gázokban, azt mondhatjuk, hogy az utóbbiban a molekulák mozgása kaotikus és rendezetlen. A szilárd anyagokban azonban a molekulák a legtöbb esetben egy bizonyos, rögzített pozíciót foglalnak el.

Ebben az esetben a folyadék egyfajta köztes láncszem. Sőt, minél közelebb van a hőmérséklete a forrásponthoz, annál jobban mozognak a molekulák, mintha gázokban lennének. Ha a hőmérséklet közelebb van a szilárd fázisba való átmenethez, akkor a mikrorészecskék egyre rendezettebb mozgásba kezdenek.

Az anyagok állapotának változásai

Nézzük a víz állapotának változásának legegyszerűbb példáját. A jég a víz szilárd fázisa. A hőmérséklete nulla alatt van. Nulla hőmérsékleten a jég olvadni kezd, és vízzé válik. Ez a kristályrács pusztulásával magyarázható: hevítéskor a részecskék mozogni kezdenek. Azt a hőmérsékletet, amelyen egy anyag megváltoztatja aggregációs állapotát, olvadáspontnak nevezzük (esetünkben víznél ez 0). Vegye figyelembe, hogy a jég hőmérséklete ugyanazon a szinten marad, amíg teljesen el nem olvad. Ebben az esetben a folyadék atomjai vagy molekulái ugyanúgy mozognak, mint a szilárd anyagokban.

Ezt követően folytatjuk a víz melegítését. Ugyanakkor a részecskék intenzívebben kezdenek mozogni, amíg anyagunk el nem éri az aggregációs állapot változásának következő pontját - a forráspontot. Ez a pillanat akkor következik be, amikor az azt alkotó molekulák közötti kötések a mozgás felgyorsulása miatt megszakadnak - ekkor szabad karaktert kap, és a kérdéses folyadék gázfázisba kerül. Forralásnak nevezzük azt a folyamatot, amikor egy anyag (víz) folyékony fázisból gázfázisba alakul át.

Azt a hőmérsékletet, amelyen a víz forr, forráspontnak nevezzük. Esetünkben ez az érték 100 Celsius fok (a hőmérséklet a nyomástól függ, a normál nyomás egy atmoszféra). Megjegyzés: amíg a meglévő folyadék teljesen gőzzé nem változik, hőmérséklete állandó marad.

A víz gáz halmazállapotból (gőzből) folyadékba való átmenetének fordított folyamata is lehetséges, amelyet kondenzációnak nevezünk.

Ezután megfigyelheti a fagyasztási folyamatot - a folyadék (víz) szilárd formába való átalakulásának folyamatát (a kezdeti állapotot fent leírtuk - ez jég). A korábban ismertetett eljárások közvetlen választ adnak arra, hogy a részecskék hogyan helyezkednek el szilárd anyagokban, folyadékokban és gázokban. Egy anyag molekuláinak elhelyezkedése és állapota az aggregációs állapotától függ.

Mi az a szilárd anyag? Hogyan viselkednek benne a mikrorészecskék?

A szilárd test az anyagi környezet állapota, amelynek megkülönböztető jellemzője a kisebb rezgéseket végző mikrorészecskék állandó alakjának megőrzése és állandó termikus mozgása. A testek lehetnek szilárd, folyékony és gáz halmazállapotúak. Van egy negyedik állapot is, amelyet a modern tudósok hajlamosak az aggregátumnak minősíteni - ez az úgynevezett plazma.

Tehát az első esetben minden anyagnak általában állandó, változatlan alakja van, és erre a legfontosabb befolyása az, hogy a részecskék hogyan helyezkednek el a szilárd anyagokban. Mikroszkopikus szinten jól látható, hogy a szilárd anyagot alkotó atomok kémiai kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz, és a kristályrács csomópontjain helyezkednek el.

De van kivétel - amorf anyagok, amelyek szilárd állapotban vannak, de nem büszkélkedhetnek kristályrács jelenlétével. Ebből tudunk választ adni arra, hogyan helyezkednek el a részecskék a szilárd testekben. Az első esetben a fizika azt jelzi, hogy az atomok vagy molekulák rácshelyeken helyezkednek el. De a második esetben biztosan nincs ilyen sorrend, és egy ilyen anyag jobban hasonlít egy folyadékhoz.

A szilárd test fizikája és lehetséges szerkezete

Ebben az esetben az anyag hajlamos megőrizni térfogatát és természetesen alakját. Vagyis az utóbbi megváltoztatásához erőfeszítéseket kell tenni, és nem mindegy, hogy fémtárgyról, műanyagdarabról vagy agyagról van szó. Az ok a molekuláris szerkezetében rejlik. Pontosabban a testet alkotó molekulák kölcsönhatásában. Ebben az esetben ezek vannak a legközelebb. A molekuláknak ez az elrendezése ismétlődő jellegű. Ezért nagyon erősek a kölcsönös vonzás erői ezen összetevők között.

A mikrorészecskék kölcsönhatása magyarázza mozgásuk természetét. Nagyon nehéz egy ilyen szilárd test alakját vagy térfogatát egyik vagy másik irányban beállítani. A szilárd test részecskéi nem képesek kaotikusan mozogni a szilárd test teljes térfogatában, hanem csak a tér egy bizonyos pontja körül tudnak oszcillálni. A szilárd anyag molekulái kaotikusan oszcillálnak különböző irányokba, de hasonlókba ütköznek, amelyek visszaállítják eredeti állapotukba. Ezért a szilárd anyagok részecskéi általában szigorúan meghatározott sorrendben vannak elrendezve.

Részecskék és elhelyezkedésük szilárd testben

A szilárd anyagok háromféleek lehetnek: kristályos, amorf és kompozitok. A kémiai összetétel befolyásolja a részecskék elrendezését a szilárd anyagokban.

A kristályos szilárd anyagok rendezett szerkezetűek. Molekuláik vagy atomjaik szabályos alakú kristályos térhálót alkotnak. Így a kristályos állapotban lévő szilárd anyagnak van egy bizonyos kristályrácsa, amely viszont bizonyos fizikai tulajdonságokat határoz meg. Ez a válasz arra, hogyan rendeződnek el a részecskék a szilárd testben.

Mondjunk egy példát: Szentpéterváron sok évvel ezelőtt egy raktárban fehér fényes bádoggombok készletét tárolták, amelyek a hőmérséklet csökkenésével elvesztették fényüket és fehérből szürkévé változtak. A gombok szürke porrá omlottak. „Ónpestis” volt a neve ennek a „betegségnek”, de valójában ez a kristályok szerkezetének átalakulása volt az alacsony hőmérséklet hatására. Az ón, amikor a fehér fajtáról a szürke fajtára vált, porrá morzsolódik. A kristályokat pedig mono- és polikristályokra osztják.

Egykristályok és polikristályok

Az egykristályok (étkezési só) egységes homogén kristályok, amelyeket szabályos sokszögek formájában folyamatos kristályrács képvisel. A polikristályok (homok, cukor, fémek, kövek) olyan kristálytestek, amelyek kis, kaotikusan elhelyezkedő kristályokból nőttek össze. A kristályokban anizotrópiának nevezett jelenség figyelhető meg.

Amorfság: speciális eset

Az amorf testeken (gyanta, gyanta, üveg, borostyán) nincs egyértelmű, szigorú sorrend a részecskék elrendezésében. Ez egy szokatlan eset a szilárd anyagokban található részecskék sorrendjében. Ebben az esetben az izotrópia jelensége figyelhető meg az amorf testek fizikai tulajdonságai minden irányban azonosak. Magas hőmérsékleten viszkózus folyadékokká válnak, alacsony hőmérsékleten pedig szilárd anyagokká. Külső hatásnak kitéve egyszerre mutatnak rugalmas tulajdonságokat, azaz ütés hatására miniatűr részecskékre, például szilárd anyagokra és folyékonyságra hasadnak: hosszan tartó hőmérsékleten folyni kezdenek, mint a folyadékok. Nincs specifikus olvadási és kristályosodási hőmérsékletük. Melegítéskor az amorf testek meglágyulnak.

Példák amorf anyagokra

Vegyük például a közönséges cukrot, és példáján keresztül derítsük ki a részecskék szilárd anyagokban való elrendezését különböző esetekben. Ebben az esetben ugyanaz az anyag kristályos vagy amorf formában fordulhat elő. Ha az olvadt cukor lassan megkeményedik, a molekulák egyenletes sorokat képeznek - kristályok (csomócukor vagy kristálycukor). Ha például az olvasztott cukrot hideg vízbe öntik, nagyon gyorsan lehűl, és a részecskéknek nem lesz idejük megfelelő sorokat kialakítani - az olvadék kristályok képződése nélkül megkeményedik. Így kapod a cukorkát (ez nem kristályos cukor).

De egy idő után egy ilyen anyag átkristályosodhat, a részecskék szabályos sorokban gyűlnek össze. Ha a cukorka több hónapig ül, laza réteggel borítja. Így jelennek meg a kristályok a felszínen. A cukor esetében az élettartam több hónap, a kő esetében pedig több millió év. A szén egyedülálló példa. A grafit kristályos szén, szerkezete rétegzett. A gyémánt pedig a föld legkeményebb ásványa, képes üveg vágására és kövek fűrészelésére, fúrásra és polírozásra használják. Ebben az esetben csak egy anyag van - a szén, de a sajátosság a különböző kristályformák kialakításának képességében rejlik. Ez egy másik válasz arra, hogy a részecskék hogyan helyezkednek el a szilárd testben.

Eredmények. Következtetés

A szilárd anyagokban lévő részecskék szerkezete és elrendezése attól függ, hogy az adott anyag milyen típusba tartozik. Ha az anyag kristályos, akkor a mikrorészecskék elrendezése kerül megrendelésre. Az amorf szerkezetek nem rendelkeznek ezzel a tulajdonsággal. De a kompozitok az első és a második csoportba is tartozhatnak.

Az egyik esetben a folyadék szilárdhoz hasonlóan viselkedik (alacsony hőmérsékleten, ami közel áll a kristályosodási hőmérséklethez), de gázként is viselkedhet (ahogy nő). Ezért ebben az áttekintésben azt vizsgáltuk, hogyan helyezkednek el a részecskék nemcsak szilárd anyagokban, hanem más alapvető halmazállapotú anyagokban is.

Egy molekula kinetikus energiája

A gázban a molekulák szabadon mozognak (más molekuláktól elszigetelve), csak néha ütköznek egymással vagy a tartály falával. Amíg egy molekula szabadon mozog, addig csak mozgási energiája van. Az ütközés során a molekulák potenciális energiát is nyernek. Így egy gáz összenergiája molekulái kinetikai és potenciális energiáinak összege. Minél ritkább a gáz, annál több molekula van minden pillanatban szabad mozgásban, csak mozgási energiával. Következésképpen a gáz ritkításával a potenciális energia aránya csökken a kinetikus energiához képest.

Egy ideális gáz egyensúlyi állapotában lévő molekula átlagos kinetikus energiájának van egy nagyon fontos jellemzője: különböző gázok keverékében egy molekula átlagos kinetikus energiája a keverék különböző összetevőire azonos.

Például a levegő gázok keveréke. Egy levegőmolekula átlagos energiája minden komponensére normál körülmények között, amikor a levegő még ideális gáznak tekinthető, azonos. Az ideális gázok ezen tulajdonsága általános statisztikai megfontolások alapján igazolható. Ebből egy fontos következmény következik: ha két különböző gáz (különböző edényekben) termikus egyensúlyban van egymással, akkor molekuláik átlagos kinetikai energiája megegyezik.

A gázokban a molekulák és az atomok közötti távolság általában sokkal nagyobb, mint maguk a molekulák, a molekulák közötti kölcsönhatási erők nem nagyok. Ennek eredményeként a gáznak nincs saját alakja és állandó térfogata. A gáz könnyen összenyomható és korlátlanul tágulhat. A gázmolekulák szabadon mozognak (transzlációsan foroghatnak), csak néha ütköznek más molekulákkal és annak az edénynek a falával, amelyben a gáz található, és nagyon nagy sebességgel mozognak.

A részecskék mozgása szilárd anyagokban

A szilárd anyagok szerkezete alapvetően különbözik a gázok szerkezetétől. Ezekben az intermolekuláris távolságok kicsik, és a molekulák potenciális energiája összemérhető a kinetikus energiával. Az atomok (vagy ionok, vagy egész molekulák) nem nevezhetők mozdulatlannak, átlagos pozíciók körül véletlenszerű oszcillációs mozgást végeznek. Minél magasabb a hőmérséklet, annál nagyobb a rezgési energia, és ezáltal az oszcillációk átlagos amplitúdója is. Az atomok hőrezgései magyarázzák a szilárd anyagok hőkapacitását is. Tekintsük részletesebben a részecskék mozgását kristályos szilárd anyagokban. Az egész kristály egésze egy nagyon összetett kapcsolt oszcillációs rendszer. Az atomok átlagos helyzetüktől való eltérése kicsi, ezért feltételezhetjük, hogy az atomok olyan kvázi-rugalmas erők hatásának vannak kitéve, amelyek engedelmeskednek Hooke lineáris törvényének. Az ilyen oszcillációs rendszereket lineárisnak nevezzük.

Létezik egy fejlett matematikai elmélet a lineáris oszcillációnak kitett rendszerekről. Egy nagyon fontos tételt bizonyít, melynek lényege a következő. Ha a rendszer kis (lineáris) összefüggő rezgéseket hajt végre, akkor a koordináták transzformációjával formálisan független oszcillátorokból álló rendszerré redukálható (amelyek rezgésegyenletei nem függenek egymástól). A független oszcillátorokból álló rendszer ideális gázként viselkedik abban az értelemben, hogy az utóbbi atomjai is függetlennek tekinthetők.

A gázatomok függetlenségének gondolatával jutunk el Boltzmann törvényéhez. Ez a nagyon fontos következtetés egyszerű és megbízható alapot nyújt az egész szilárdtestelmélethez.

Boltzmann törvénye

Az adott paraméterekkel (koordinátákkal és sebességekkel) rendelkező oszcillátorok számát ugyanúgy határozzuk meg, mint az adott állapotú gázmolekulák számát, a következő képlet szerint:

Oszcillátor energia.

A szilárd testek elméletében az (1) Boltzmann-törvénynek nincsenek megkötései, de az oszcillátor energiájára vonatkozó (2) képlet a klasszikus mechanikából származik. A szilárd testek elméleti vizsgálatánál a kvantummechanikára kell támaszkodni, amelyet az oszcillátor energiájának diszkrét változásai jellemeznek. Az oszcillátor energiájának diszkrétsége csak kellően magas energiaértékeknél válik jelentéktelenné. Ez azt jelenti, hogy a (2) csak kellően magas hőmérsékleten használható. A szilárd test magas hőmérsékletén, közel az olvadásponthoz, Boltzmann törvényéből következik a szabadsági fokok közötti egyenletes energiaeloszlás törvénye. Ha a gázokban minden szabadsági fokra átlagosan (1/2) kT-nak megfelelő energia van, akkor az oszcillátornak a kinetikuson kívül egy szabadságfoka van potenciális energiával. Ezért kellően magas hőmérsékletű szilárd anyagban egy szabadsági fokra kT-val egyenlő energia jut. E törvény alapján nem nehéz kiszámítani a szilárd test teljes belső energiáját, és utána a hőkapacitását. Egy mól szilárd anyag NA atomokat tartalmaz, és minden atomnak három szabadsági foka van. Ezért a mól 3 NA oszcillátort tartalmaz. Egy mól szilárd anyag energiája

és a szilárd anyag moláris hőkapacitása kellően magas hőmérsékleten az

A tapasztalat megerősíti ezt a törvényt.

A folyadékok köztes helyet foglalnak el a gázok és a szilárd anyagok között. A folyadék molekulái nem oszlanak el nagy távolságokra, és a folyadék normál körülmények között megtartja térfogatát. De a szilárd testekkel ellentétben a molekulák nem csak rezegnek, hanem helyről helyre ugrálnak, vagyis szabad mozgásokat végeznek. A hőmérséklet emelkedésével a folyadékok felforrnak (van egy ún. forráspont), és gázzá alakulnak. A hőmérséklet csökkenésével a folyadékok kikristályosodnak és szilárd halmazállapotúvá válnak. A hőmérsékleti mezőnek van egy pontja, ahol a gáz (telített gőz) és a folyadék határa eltűnik (kritikus pont). A molekulák hőmozgási mintázata folyadékokban a megszilárdulási hőmérséklet közelében nagyon hasonló a szilárd anyagokban lévő molekulák viselkedéséhez. Például a hőkapacitási együtthatók pontosan megegyeznek. Mivel egy anyag hőkapacitása az olvadás során kismértékben változik, arra a következtetésre juthatunk, hogy a részecskék folyadékban való mozgásának jellege közel áll a szilárd testben (olvadásponton) történő mozgáshoz. Melegítéskor a folyadék tulajdonságai fokozatosan megváltoznak, és inkább gázszerűvé válik. Folyadékokban a részecskék átlagos kinetikus energiája kisebb, mint az intermolekuláris kölcsönhatásuk potenciális energiája. Az intermolekuláris kölcsönhatás energiája folyadékokban és szilárd anyagokban jelentéktelen mértékben különbözik. Ha összehasonlítjuk az olvadáshőt és a párolgáshőt, látni fogjuk, hogy az egyik aggregációs állapotból a másikba való átmenet során az olvadáshő lényegesen alacsonyabb, mint a párolgási hő. A folyadék szerkezetének megfelelő matematikai leírása csak a statisztikai fizika segítségével adható. Például, ha egy folyadék azonos gömb alakú molekulákból áll, akkor szerkezete leírható a g(r) radiális eloszlásfüggvénnyel, amely megadja annak valószínűségét, hogy a referenciapontnak választott adott molekulától r távolságra bármely molekulát detektáljunk. Ezt a függvényt kísérletileg a röntgensugarak vagy neutronok diffrakciójának tanulmányozásával találhatjuk meg, vagy a függvény számítógépes szimulációját is elvégezhetjük a newtoni mechanika segítségével.

A folyadék kinetikai elméletét Ya.I. Frenkel. Ebben az elméletben a folyadékot, akárcsak a szilárd testet, harmonikus oszcillátorok dinamikus rendszerének tekintjük. De a szilárd testtel ellentétben a molekulák egyensúlyi helyzete a folyadékban átmeneti. Egy pozíció körüli oszcilláció után a folyadékmolekula egy új, közeli pozícióba ugrik. Ilyen ugrás az energiafelhasználással történik. Egy folyékony molekula átlagos „letelepedett élettartama” a következőképpen számítható ki:

\[\left\langle t\right\rangle =t_0e^(\frac(W)(kT))\left(5\right),\]

ahol $t_0\ $ az egy egyensúlyi helyzet körüli rezgések periódusa. Azt az energiát, amelyet egy molekulának meg kell kapnia ahhoz, hogy egyik pozícióból a másikba tudjon mozogni, W aktiválási energiának nevezzük, és azt az időt, amikor a molekula egyensúlyi helyzetben van, t „letelepedett életidőnek”.

Egy vízmolekula esetében például szobahőmérsékleten egy molekula körülbelül 100 rezgésen megy keresztül, és új pozícióba ugrik. A folyadék molekulái közötti vonzási erők erősek, így a térfogat megmarad, de a molekulák korlátozott ülő élete olyan jelenség kialakulásához vezet, mint a fluiditás. Az egyensúlyi helyzethez közeli részecskék oszcillációi során folyamatosan ütköznek egymással, így a folyadék kismértékű összenyomása is a részecskeütközések éles „keményedéséhez” vezet. Ez a folyadék nyomásának éles növekedését jelenti annak az edénynek a falán, amelyben összenyomódik.

1. példa

Feladat: Határozza meg a réz fajlagos hőkapacitását! Tegyük fel, hogy a réz hőmérséklete közel van az olvadásponthoz. (A réz moláris tömege $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(kg)(mol))$

Dulong és Petit törvénye szerint az olvadásponthoz közeli hőmérsékletű kémiailag egyszerű anyagok móljainak hőkapacitása van:

A réz fajlagos hőkapacitása:

\[С=\frac(с)(\mu )\to С=\frac(3R)(\mu )\left(1.2\right),\] \[С=\frac(3\cdot 8.31) (63 \cdot 10^(-3))=0,39\ \cdot 10^3(\frac(J)(kgK))\]

Válasz: A réz fajlagos hőkapacitása $0,39\ \cdot 10^3\left(\frac(J)(kgK)\right).$

Feladat: Magyarázza el leegyszerűsítetten fizika szempontból a só (NaCl) vízben való oldódásának folyamatát!

A modern megoldáselmélet alapját D.I. Mengyelejev. Megállapította, hogy az oldódás során egyidejűleg két folyamat megy végbe: fizikai - az oldott anyag részecskéinek egyenletes eloszlása az oldat teljes térfogatában, és kémiai - az oldószer kölcsönhatása az oldott anyaggal. Érdekelnek minket a fizikai folyamatok. A sómolekulák nem pusztítják el a vízmolekulákat. Ebben az esetben a víz elpárologtatása lehetetlen lenne. Ha a sómolekulák csatlakoznának a vízmolekulákhoz, akkor valami új anyagot kapnánk. És a sómolekulák nem tudnak behatolni a molekulák belsejébe.

A klór és a poláris vízmolekulák Na+ és Cl- ionjai között ion-dipól kötés jön létre. Erősebbnek bizonyul, mint a konyhasó molekuláiban lévő ionos kötések. A folyamat eredményeként a NaCl kristályok felületén elhelyezkedő ionok közötti kötés gyengül, nátrium- és klórionok válnak le a kristályról, és a vízmolekulák úgynevezett hidratációs héjakat képeznek körülöttük. A leválasztott hidratált ionok a hőmozgás hatására egyenletesen oszlanak el az oldószermolekulák között.

A gázokban a molekulák és az atomok közötti távolság általában sokkal nagyobb, mint a molekulák mérete, de nagyon kicsi. Ezért a gázoknak nincs saját alakjuk és állandó térfogatuk. A gázok könnyen összenyomhatók, mert a nagy távolságokon fellépő taszító erők is kicsik. A gázoknak az a tulajdonságuk, hogy korlátlanul tágulnak, kitöltve a számukra biztosított teljes térfogatot. A gázmolekulák nagyon nagy sebességgel mozognak, ütköznek egymással, és különböző irányokba verik vissza egymást. A molekuláknak számos hatása jön létre az ér falára gáznyomás.

Molekulák mozgása folyadékokban

Folyadékokban a molekulák nemcsak egyensúlyi helyzet körül oszcillálnak, hanem egyik egyensúlyi helyzetből a másikba ugrálnak. Ezek az ugrások időszakosan előfordulnak. Az ilyen ugrások közötti időintervallumot ún átlagos letelepedési idő(vagy átlagos relaxációs idő) és τ betűvel jelöljük. Más szóval, a relaxációs idő egy adott egyensúlyi helyzet körüli rezgések ideje. Szobahőmérsékleten ez az idő átlagosan 10-11 s. Egy rezgés ideje 10 -12 ... 10 -13 s.

Az ülő élet ideje a hőmérséklet emelkedésével csökken. A folyadék molekulái közötti távolság kisebb, mint a molekulák mérete, a részecskék egymáshoz közel helyezkednek el, és nagyok. A folyadékmolekulák elrendezése azonban nem szigorúan rendezett a térfogatban.

A folyadékok, mint a szilárd anyagok, megtartják térfogatukat, de nincs saját alakjuk. Ezért felveszik annak az edénynek az alakját, amelyben elhelyezkednek. A folyadék a következő tulajdonságokkal rendelkezik: folyékonyság. Ennek a tulajdonságnak köszönhetően a folyadék nem ellenáll az alakváltozásnak, enyhén összenyomódik, fizikai tulajdonságai a folyadékon belül minden irányban azonosak (folyadékok izotrópiája). A folyadékokban a molekuláris mozgás természetét először Jakov Iljics Frenkel (1894-1952) szovjet fizikus állapította meg.

Molekulák mozgása szilárd anyagokban

Folyadékok. Molekulák mozgása folyadékokban.

A folyadék tulajdonságaiban és szerkezetében köztes helyet foglal el a gázok és a szilárd kristályos anyagok között. Ezért mind a gáznemű, mind a szilárd anyagok tulajdonságaival rendelkezik. A molekuláris kinetikai elméletben egy anyag különböző aggregációs állapotai különböző fokú molekuláris rendhez kapcsolódnak. Szilárd anyagoknál az ún hosszú távú rendelés a részecskék elrendezésében, azaz. rendezett elrendezésüket, nagy távolságokon ismétlődően. A folyadékokban van egy ún zárja be a rendet a részecskék elrendezésében, azaz. rendezett, távolságokon át ismétlődő elrendezésük összehasonlítható az interatomikusakkal. A kristályosodási hőmérséklethez közeli hőmérsékleten a folyadék szerkezete közel áll a szilárd anyaghoz. A forrásponthoz közeli magas hőmérsékleten a folyadék szerkezete megfelel a gáz halmazállapotúnak - szinte minden molekula részt vesz a kaotikus hőmozgásban.

A folyadékoknak, akárcsak a szilárd anyagoknak, van egy bizonyos térfogata, és a gázokhoz hasonlóan a tartály alakját veszik fel, amelyben elhelyezkednek. A gázmolekulák gyakorlatilag nem kapcsolódnak egymáshoz az intermolekuláris kölcsönhatás erőivel, és ebben az esetben a gázmolekulák hőmozgásának átlagos energiája sokkal nagyobb, mint a köztük lévő vonzási erők által okozott átlagos potenciális energia, így a gáz A molekulák különböző irányokba repülnek szét, és a gáz elfoglalja a számára biztosított térfogatot. Szilárd és folyadékokban a molekulák közötti vonzási erők már jelentősek, és bizonyos távolságra tartják egymástól a molekulákat. Ebben az esetben a molekulák hőmozgásának átlagos energiája az intermolekuláris kölcsönhatási erők miatt kisebb, mint az átlagos potenciális energia, és nem elegendő a molekulák közötti vonzási erők leküzdésére, ezért a szilárd anyagok és a folyadékok bizonyos térfogattal rendelkeznek.

A folyadékok nyomása nagyon meredeken növekszik a hőmérséklet emelkedésével és a térfogat csökkenésével. A folyadékok térfogati tágulása sokkal kisebb, mint a gőzöké és a gázoké, mivel a folyadékban lévő molekulákat összekötő erők jelentősebbek; ugyanez a megjegyzés vonatkozik a hőtágulásra is.

A folyadékok hőkapacitása általában a hőmérséklettel nő (bár csak kis mértékben). A Ср/СV arány gyakorlatilag egyenlő az egységgel.

A folyadékok elmélete még nem alakult ki teljesen. Számos probléma kidolgozása a folyadékok összetett tulajdonságainak vizsgálatában Ya.I. Frenkel (1894–1952). A folyadékban bekövetkező hőmozgást azzal magyarázta, hogy minden molekula egy ideig oszcillál egy bizonyos egyensúlyi helyzet körül, majd hirtelen egy új pozícióba kerül, az eredetitől az interatomi nagyságrendű távolságra elkülönülve. Így a folyadék molekulái meglehetősen lassan mozognak a folyadék teljes tömegében. A folyadék hőmérsékletének növekedésével a rezgésmozgás frekvenciája meredeken növekszik, és nő a molekulák mobilitása.

A Frenkel-modell alapján néhányat meg lehet magyarázni megkülönböztető jellegzetességek a folyadék tulajdonságai. Így a folyadékok még a kritikus hőmérséklet közelében is sokkal nagyobbak viszkozitás mint a gázok, és a viszkozitás a hőmérséklet emelkedésével csökken (és nem nő, mint a gázoknál). Ez az impulzusátviteli folyamat eltérő természetével magyarázható: az egyik egyensúlyi állapotból a másikba ugrást végrehajtó molekulák továbbítják, és ezek az ugrások a hőmérséklet emelkedésével jelentősen gyakoribbá válnak. Diffúzió folyadékokban csak molekuláris ugrások miatt fordul elő, és sokkal lassabban, mint gázokban. Hővezető folyadékok a mozgási energia cseréje az egyensúlyi helyzetük körül különböző amplitúdójú részecskék között; a molekulák hirtelen ugrásai nem játszanak észrevehető szerepet. A hővezető képesség mechanizmusa hasonló a gázokban lévő mechanizmusához. A folyadék jellemző tulajdonsága, hogy rendelkezik szabad felület(nem korlátozzák tömör falak).