Molekuly a atómy tuhej látky sú usporiadané v určitom poradí a forme kryštálová mriežka. Takéto pevné látky sa nazývajú kryštalické. Atómy vykonávajú vibračné pohyby okolo rovnovážnej polohy a príťažlivosť medzi nimi je veľmi silná. Preto si pevné látky za normálnych podmienok zachovávajú svoj objem a majú svoj vlastný tvar.

Tepelná rovnováha je stav termodynamického systému, do ktorého samovoľne prechádza po dostatočne dlhom čase v podmienkach izolácie od okolia.

Teplota je fyzikálna veličina, ktorá charakterizuje priemernú kinetickú energiu častíc makroskopického systému v stave termodynamickej rovnováhy. V rovnovážnom stave má teplota rovnakú hodnotu pre všetky makroskopické časti systému.

Stupeň Celzia(označenie: °C) je široko používaná jednotka merania teploty, ktorá sa používa v medzinárodnom systéme jednotiek (SI) spolu s kelvinmi.

Ortuťový lekársky teplomer

Mechanický teplomer

Stupeň Celzia je pomenovaný po švédskom vedcovi Andersovi Celsiusovi, ktorý v roku 1742 navrhol novú stupnicu na meranie teploty. Teplota topenia ľadu bola braná ako nula na stupnici Celzia a teplota varu vody pri štandardnom atmosférickom tlaku ako 100 °. (Spočiatku bral Celsius teplotu topenia ľadu ako 100° a teplotu varu vody ako 0°. A až neskôr jeho súčasník Carl Linné túto stupnicu „pretočil“). Táto stupnica je lineárna v rozsahu 0-100° a tiež pokračuje lineárne v oblasti pod 0° a nad 100°. Linearita je hlavným problémom presného merania teploty. Stačí spomenúť, že klasický teplomer naplnený vodou nie je možné označiť pre teploty pod 4 stupne Celzia, keďže v tomto rozmedzí sa voda opäť začína rozpínať.

Pôvodná definícia stupňov Celzia závisela od definície štandardného atmosférického tlaku, pretože teplota varu vody aj teplota topenia ľadu závisia od tlaku. To nie je príliš vhodné na štandardizáciu mernej jednotky. Preto po prijatí Kelvina K ako základnej jednotky teploty bola revidovaná definícia stupňa Celzia.

Podľa modernej definície sa stupeň Celzia rovná jednému kelvinu K a nula stupnice Celzia je nastavená tak, aby teplota trojného bodu vody bola 0,01 °C. V dôsledku toho sú stupnice Celzia a Kelvina posunuté o 273,15:

26)Ideálny plyn- matematický model plynu, v ktorom sa predpokladá, že potenciálnu interakčnú energiu molekúl možno zanedbať v porovnaní s ich kinetickou energiou. Medzi molekulami nie sú žiadne príťažlivé ani odpudzujúce sily, zrážky častíc medzi sebou a so stenami nádoby sú absolútne elastické a čas interakcie medzi molekulami je zanedbateľný v porovnaní s priemerným časom medzi zrážkami.

, Kde k je Boltzmannova konštanta (pomer univerzálnej plynovej konštanty R na číslo Avogadro N A), i- počet stupňov voľnosti molekúl (vo väčšine problémov o ideálnych plynoch, kde sa predpokladá, že molekuly sú gule s malým polomerom, ktorých fyzikálnym analógom môžu byť inertné plyny) a T- absolútna teplota.

Základná rovnica MKT spája makroskopické parametre (tlak, objem, teplota) plynového systému s mikroskopickými (hmotnosť molekúl, priemerná rýchlosť ich pohybu).

Tento materiál hovorí nielen o tom, ako sú častice usporiadané v pevných látkach, ale aj o tom, ako sa pohybujú v plynoch alebo kvapalinách. Popísané budú aj typy kryštálových mriežok v rôznych látkach.

Stav agregácie

Existujú určité normy naznačujúce prítomnosť troch typických stavov agregácie, a to: kvapaliny a plynu.

Definujme komponenty pre každý stav agregácie.

Pevné látky sú prakticky objemovo a tvarovo stabilné. Zmena druhého je mimoriadne problematická bez dodatočných nákladov na energiu.
Kvapalina môže ľahko meniť tvar, no zároveň si zachováva svoj objem.
Plynné látky si nezachovajú tvar ani objem.

Hlavným kritériom, ktorým sa určuje stav agregácie, je usporiadanie molekúl a spôsoby ich pohybu. V plynnej látke je minimálna vzdialenosť medzi jednotlivými molekulami oveľa väčšia ako medzi nimi. Na druhej strane sa molekuly za normálnych podmienok nerozptyľujú na veľké vzdialenosti a zachovávajú si svoj objem. Aktívne častice v pevných látkach sú usporiadané v presne definovanom poradí, každá z nich sa ako hodinové kyvadlo pohybuje okolo určitého bodu v kryštálovej mriežke. To dáva pevným látkam mimoriadnu pevnosť a tuhosť.

Preto je v tomto prípade najpálčivejšia otázka, ako sa aktívne častice nachádzajú v pevných látkach. Vo všetkých ostatných prípadoch atómy (molekuly) nemajú takto usporiadanú štruktúru.

Vlastnosti kvapaliny

Je potrebné venovať osobitnú pozornosť skutočnosti, že kvapaliny sú akýmsi medzičlánkom medzi pevným stavom tela a jeho plynnou fázou. Kvapalina teda pri znížení teploty tuhne a pri zvýšení nad bod varu látky prechádza do plynného stavu. Kvapalina má však spoločné znaky s pevnými aj plynnými látkami. V roku 1860 tak vynikajúci domáci vedec D.I. Mendelejev stanovil existenciu takzvanej kritickej teploty - absolútneho varu. To je hodnota, pri ktorej mizne tenká hranica medzi plynom a látkou v pevnom stave.

Ďalším kritériom, ktoré kombinuje dva susedné stavy agregácie, je izotropia. V tomto prípade sú ich vlastnosti vo všetkých smeroch rovnaké. Kryštály sú zase anizotropné. Rovnako ako plyny, ani kvapaliny nemajú pevný tvar a zaberajú celý objem nádoby, v ktorej sa nachádzajú. To znamená, že majú nízku viskozitu a vysokú tekutosť. Mikročastice kvapaliny alebo plynu sa navzájom zrážajú a voľne sa pohybujú. Predtým sa verilo, že v objeme obsadenom kvapalinou nedochádza k usporiadanému pohybu molekúl. Kvapalina a plyn boli teda protikladom kryštálov. Ale ako výsledok následného výskumu boli dokázané podobnosti medzi pevnými látkami a kvapalinami.

V kvapalnej fáze pri teplote blízkej tuhnutiu sa tepelný pohyb podobá pohybu tuhých látok. V tomto prípade môže mať kvapalina stále určitú štruktúru. Preto, keď dáme odpoveď na otázku, ako sa častice nachádzajú v pevných látkach v kvapalinách a plynoch, môžeme povedať, že v týchto plynoch je pohyb molekúl chaotický a neusporiadaný. Ale v pevných látkach molekuly vo väčšine prípadov zaujímajú určitú, pevnú polohu.

V tomto prípade je kvapalina akýmsi medzičlánkom. Navyše, čím je jeho teplota bližšie k varu, tým viac sa molekuly pohybujú ako v plynoch. Ak je teplota bližšie k prechodu do tuhej fázy, potom sa mikročastice začnú pohybovať stále usporiadanejším spôsobom.

Zmeny skupenstva látok

Pozrime sa na najjednoduchší príklad zmeny skupenstva vody. Ľad je tuhá fáza vody. Jeho teplota je pod nulou. Pri teplote nula sa ľad začína topiť a mení sa na vodu. To sa vysvetľuje deštrukciou kryštálovej mriežky: pri zahrievaní sa častice začnú pohybovať. Teplota, pri ktorej látka mení svoj stav agregácie, sa nazýva bod topenia (v našom prípade pre vodu je to 0). Upozorňujeme, že teplota ľadu zostane na rovnakej úrovni, kým sa úplne neroztopí. V tomto prípade sa atómy alebo molekuly kvapaliny budú pohybovať rovnakým spôsobom ako v pevných látkach.

Potom budeme pokračovať v ohrievaní vody. Zároveň sa častice začnú intenzívnejšie pohybovať, až kým naša látka nedosiahne ďalší bod zmeny stavu agregácie – bod varu. Tento moment nastáva vtedy, keď sa v dôsledku zrýchlenia pohybu prerušia väzby medzi molekulami, ktoré ho tvoria – vtedy nadobudne voľný charakter a predmetná kvapalina prechádza do plynnej fázy. Proces premeny látky (vody) z kvapalnej fázy do plynnej fázy sa nazýva var.

Teplota, pri ktorej voda vrie, sa nazýva bod varu. V našom prípade je táto hodnota 100 stupňov Celzia (teplota závisí od tlaku, normálny tlak je jedna atmosféra). Poznámka: kým sa existujúca kvapalina úplne nepremení na paru, jej teplota zostáva konštantná.

Možný je aj opačný proces prechodu vody z plynného skupenstva (para) do kvapalného, ktorý sa nazýva kondenzácia.

Ďalej môžete pozorovať proces zmrazovania - proces prechodu kvapaliny (vody) do pevnej formy (počiatočný stav je popísaný vyššie - ide o ľad). Vyššie opísané procesy poskytujú priamu odpoveď na to, ako sú častice usporiadané v pevných látkach, kvapalinách a plynoch. Umiestnenie a stav molekúl látky závisí od jej stavu agregácie.

Čo je pevná látka? Ako sa v ňom správajú mikročastice?

Pevné teleso je stav hmotného prostredia, ktorého charakteristickým znakom je zachovanie stáleho tvaru a stály charakter tepelného pohybu mikročastíc, ktoré vykonávajú drobné vibrácie. Telesá môžu byť v pevnom, kvapalnom a plynnom skupenstve. Existuje aj štvrtý stav, ktorý moderní vedci zvyknú klasifikovať ako agregát – ide o takzvanú plazmu.

Takže v prvom prípade má každá látka spravidla konštantný, nemenný tvar a kľúčový vplyv na to má to, ako sú častice usporiadané v pevných látkach. Na mikroskopickej úrovni je zrejmé, že atómy, ktoré tvoria pevnú látku, sú navzájom spojené chemickými väzbami a nachádzajú sa v uzloch kryštálovej mriežky.

Existuje však výnimka - amorfné látky, ktoré sú v pevnom stave, ale nemôžu sa pochváliť prítomnosťou kryštálovej mriežky. Z toho môžeme dať odpoveď na to, ako sú častice usporiadané v pevných látkach. V prvom prípade fyzika naznačuje, že atómy alebo molekuly sa nachádzajú na miestach mriežky. Ale v druhom prípade takéto usporiadanie určite neexistuje a takáto látka je viac podobná kvapaline.

Fyzika a možná stavba pevného telesa

V tomto prípade má hmota tendenciu zachovať si svoj objem a samozrejme aj tvar. To znamená, že na to, aby sa to druhé zmenilo, treba vynaložiť úsilie a nezáleží na tom, či ide o kovový predmet, kus plastu alebo hliny. Dôvod spočíva v jeho molekulárnej štruktúre. Alebo presnejšie, v interakcii molekúl, ktoré tvoria telo. V tomto prípade sú umiestnené najbližšie. Toto usporiadanie molekúl je svojou povahou opakujúce sa. Preto sú sily vzájomnej príťažlivosti medzi každou z týchto zložiek veľmi silné.

Interakcia mikročastíc vysvetľuje povahu ich pohybu. Je veľmi ťažké upraviť tvar alebo objem takéhoto pevného telesa v jednom alebo druhom smere. Častice pevného telesa sa nemôžu chaoticky pohybovať v celom objeme pevného telesa, ale môžu oscilovať iba okolo určitého bodu v priestore. Molekuly pevnej látky chaoticky kmitajú rôznymi smermi, no narážajú na podobné, ktoré ich vracajú do pôvodného stavu. Preto sú častice v pevných látkach spravidla usporiadané v presne definovanom poradí.

Častice a ich umiestnenie v pevnej látke

Pevné látky môžu byť troch typov: kryštalické, amorfné a kompozitné. Je to chemické zloženie, ktoré ovplyvňuje usporiadanie častíc v pevných látkach.

Kryštalické pevné látky majú usporiadanú štruktúru. Ich molekuly alebo atómy tvoria kryštalickú priestorovú mriežku pravidelného tvaru. Tuhá látka v kryštalickom stave má teda určitú kryštálovú mriežku, ktorá zase nastavuje určité fyzikálne vlastnosti. Toto je odpoveď na to, ako sú častice usporiadané v pevnej látke.

Uveďme príklad: v Petrohrade bola pred mnohými rokmi v sklade uskladnená zásoba bielych lesklých plechových gombíkov, ktoré pri poklese teploty stratili lesk a zmenili sa z bielej na sivú. Gombíky sa rozpadli na sivý prášok. „Cínový mor“ bol názov pre túto „chorobu“, ale v skutočnosti išlo o reštrukturalizáciu štruktúry kryštálov pod vplyvom nízkej teploty. Cín sa pri prechode z bielej na sivú odrodu rozpadá na prášok. Kryštály sa zase delia na mono- a polykryštály.

Monokryštály a polykryštály

Monokryštály (stolová soľ) sú jednotlivé homogénne kryštály reprezentované súvislou kryštálovou mriežkou vo forme pravidelných mnohouholníkov. Polykryštály (piesok, cukor, kovy, kamene) sú kryštalické telesá, ktoré spolu zrástli z malých, chaoticky umiestnených kryštálov. V kryštáloch sa pozoruje jav nazývaný anizotropia.

Amorfnosť: špeciálny prípad

Amorfné telesá (živica, kolofónia, sklo, jantár) nemajú jasný, striktný poriadok v usporiadaní častíc. Toto je neobvyklý prípad poradia, v ktorom sa častice nachádzajú v pevných látkach. V tomto prípade je pozorovaný jav izotropie, fyzikálne vlastnosti amorfných telies sú vo všetkých smeroch rovnaké. Pri vysokých teplotách sa stávajú ako viskózne kvapaliny a pri nízkych teplotách sa stávajú pevnými látkami. Keď sú vystavené vonkajším vplyvom, súčasne vykazujú elastické vlastnosti, to znamená, že pri náraze sa rozdelia na miniatúrne častice, ako sú pevné látky, a tekutosť: pri dlhšom vystavení teplote začnú prúdiť ako kvapaliny. Nemajú špecifické teploty topenia a kryštalizácie. Pri zahrievaní amorfné telesá zmäknú.

Príklady amorfných látok

Vezmime si napríklad obyčajný cukor a zistime na jeho príklade usporiadanie častíc v pevných látkach v rôznych prípadoch. V tomto prípade sa rovnaký materiál môže vyskytovať v kryštalickej alebo amorfnej forme. Ak roztavený cukor pomaly tuhne, molekuly tvoria rovnomerné rady - kryštáliky (hrudkový cukor alebo kryštálový cukor). Ak sa napríklad roztavený cukor naleje do studenej vody, ochladenie nastane veľmi rýchlo a častice nestihnú vytvoriť správne rady - tavenina stvrdne bez tvorby kryštálov. Takto získate cukrovinky (to je nekryštalický cukor).

Ale po určitom čase môže takáto látka rekryštalizovať, častice sa zhromažďujú v pravidelných radoch. Ak cukrovinka sedí niekoľko mesiacov, začne sa pokrývať voľnou vrstvou. Takto sa na povrchu objavujú kryštály. Pre cukor bude životnosť niekoľko mesiacov a pre kameň to budú milióny rokov. Uhlík je jedinečný príklad. Grafit je kryštalický uhlík, jeho štruktúra je vrstvená. A diamant je najtvrdší minerál na zemi, ktorý je schopný rezať sklo a rezať kamene, používa sa na vŕtanie a leštenie. V tomto prípade existuje len jedna látka - uhlík, ale zvláštnosť spočíva v schopnosti vytvárať rôzne kryštalické formy. Toto je ďalšia odpoveď na to, ako sú častice usporiadané v pevnej látke.

Výsledky. Záver

Štruktúra a usporiadanie častíc v pevných látkach závisí od toho, do akého typu daná látka patrí. Ak je látka kryštalická, usporiada sa usporiadanie mikročastíc. Amorfné štruktúry túto vlastnosť nemajú. Ale kompozity môžu patriť do prvej aj druhej skupiny.

V jednom prípade sa kvapalina správa podobne ako tuhá látka (pri nízkej teplote, ktorá je blízka teplote kryštalizácie), ale môže sa správať aj ako plyn (pri jej zvyšovaní). Preto sme v tomto prehľade skúmali, ako sa častice nachádzajú nielen v pevných látkach, ale aj v iných základných agregovaných stavoch hmoty.

Kinetická energia molekuly

V plyne sa molekuly pohybujú voľne (izolované od ostatných molekúl), len občas narážajú do seba alebo do stien nádoby. Pokiaľ sa molekula voľne pohybuje, má iba kinetickú energiu. Počas zrážky molekuly tiež získajú potenciálnu energiu. Celková energia plynu je teda súčtom kinetických a potenciálnych energií jeho molekúl. Čím je plyn redší, tým viac molekúl je v každom okamihu v stave voľného pohybu a má iba kinetickú energiu. V dôsledku toho, keď je plyn riedený, podiel potenciálnej energie klesá v porovnaní s kinetickou energiou.

Priemerná kinetická energia molekuly v rovnováhe ideálneho plynu má jednu veľmi dôležitú vlastnosť: v zmesi rôznych plynov je priemerná kinetická energia molekuly pre rôzne zložky zmesi rovnaká.

Napríklad vzduch je zmes plynov. Priemerná energia molekuly vzduchu pre všetky jej zložky za normálnych podmienok, keď vzduch ešte možno považovať za ideálny plyn, je rovnaká. Túto vlastnosť ideálnych plynov je možné dokázať na základe všeobecných štatistických úvah. Z toho vyplýva dôležitý dôsledok: ak sú dva rôzne plyny (v rôznych nádobách) vo vzájomnej tepelnej rovnováhe, potom sú priemerné kinetické energie ich molekúl rovnaké.

V plynoch je vzdialenosť medzi molekulami a atómami zvyčajne oveľa väčšia ako veľkosť samotných molekúl, interakčné sily medzi molekulami nie sú veľké. V dôsledku toho plyn nemá svoj vlastný tvar a konštantný objem. Plyn sa ľahko stláča a môže sa neobmedzene rozširovať. Molekuly plynu sa voľne pohybujú (translačne sa môžu otáčať), len niekedy narážajú na iné molekuly a steny nádoby, v ktorej sa plyn nachádza, a pohybujú sa veľmi vysokou rýchlosťou.

Pohyb častíc v pevných látkach

Štruktúra pevných látok sa zásadne líši od štruktúry plynov. V nich sú medzimolekulové vzdialenosti malé a potenciálna energia molekúl je porovnateľná s kinetickou energiou. Atómy (alebo ióny alebo celé molekuly) nemožno nazvať nehybnými, vykonávajú náhodný oscilačný pohyb okolo priemerných polôh. Čím vyššia je teplota, tým väčšia je energia kmitov, a teda aj priemerná amplitúda kmitov. Tepelné vibrácie atómov tiež vysvetľujú tepelnú kapacitu pevných látok. Pozrime sa podrobnejšie na pohyby častíc v kryštalických tuhých látkach. Celý kryštál ako celok je veľmi zložitým spojeným oscilačným systémom. Odchýlky atómov od ich priemerných polôh sú malé, a preto môžeme predpokladať, že atómy podliehajú pôsobeniu kvázi-elastických síl, ktoré sa riadia Hookovým lineárnym zákonom. Takéto oscilačné systémy sa nazývajú lineárne.

Existuje rozvinutá matematická teória systémov podliehajúcich lineárnym osciláciám. Dokazuje to veľmi dôležitú vetu, ktorej podstata je nasledovná. Ak systém vykonáva malé (lineárne) vzájomne prepojené oscilácie, potom sa transformáciou súradníc môže formálne zredukovať na systém nezávislých oscilátorov (ktorých oscilačné rovnice na sebe nezávisia). Systém nezávislých oscilátorov sa správa ako ideálny plyn v tom zmysle, že jeho atómy možno tiež považovať za nezávislé.

Použitím myšlienky nezávislosti atómov plynu sa dostávame k Boltzmannovmu zákonu. Tento veľmi dôležitý záver poskytuje jednoduchý a spoľahlivý základ pre celú teóriu pevných látok.

Boltzmannov zákon

Počet oscilátorov s danými parametrami (súradnice a rýchlosti) sa určuje rovnakým spôsobom ako počet molekúl plynu v danom stave podľa vzorca:

Energia oscilátora.

Boltzmannov zákon (1) v teórii pevných telies nemá žiadne obmedzenia, ale vzorec (2) pre energiu oscilátora je prevzatý z klasickej mechaniky. Pri teoretickom uvažovaní o pevných látkach sa treba spoliehať na kvantovú mechaniku, ktorá sa vyznačuje diskrétnymi zmenami energie oscilátora. Diskrétnosť energie oscilátora sa stáva bezvýznamnou iba pri dostatočne vysokých hodnotách jeho energie. To znamená, že (2) je možné použiť len pri dostatočne vysokých teplotách. Pri vysokých teplotách tuhej látky, blízkych bodu topenia, vyplýva z Boltzmannovho zákona zákon rovnomerného rozloženia energie v stupňoch voľnosti. Ak je v plynoch pre každý stupeň voľnosti v priemere množstvo energie rovné (1/2) kT, potom má oscilátor okrem kinetického ešte jeden stupeň voľnosti s potenciálnou energiou. Preto na jeden stupeň voľnosti v pevnej látke pri dostatočne vysokej teplote pripadá energia rovnajúca sa kT. Na základe tohto zákona nie je ťažké vypočítať celkovú vnútornú energiu pevného telesa a potom jeho tepelnú kapacitu. Mol pevnej látky obsahuje atómy NA a každý atóm má tri stupne voľnosti. Preto krtek obsahuje 3 NA oscilátory. Energia mólu pevnej látky

a molárna tepelná kapacita tuhej látky pri dostatočne vysokých teplotách je

Skúsenosti tento zákon potvrdzujú.

Kvapaliny zaberajú medzipolohu medzi plynmi a pevnými látkami. Molekuly kvapaliny sa nerozptyľujú na veľké vzdialenosti a kvapalina si za normálnych podmienok zachováva svoj objem. Ale na rozdiel od pevných látok molekuly nielen vibrujú, ale aj skáču z miesta na miesto, to znamená, že vykonávajú voľné pohyby. Pri zvyšovaní teploty kvapaliny vrie (dochádza k tzv. bodu varu) a menia sa na plyn. Keď teplota klesá, kvapaliny kryštalizujú a stávajú sa tuhými. V teplotnom poli je bod, pri ktorom hranica medzi plynom (nasýtená para) a kvapalinou zmizne (kritický bod). Vzorec tepelného pohybu molekúl v kvapalinách v blízkosti teploty tuhnutia je veľmi podobný správaniu molekúl v pevných látkach. Napríklad koeficienty tepelnej kapacity sú úplne rovnaké. Keďže tepelná kapacita látky sa počas topenia mierne mení, môžeme usúdiť, že charakter pohybu častíc v kvapaline je blízky pohybu v pevnej látke (pri teplote topenia). Pri zahrievaní sa vlastnosti kvapaliny postupne menia a stáva sa viac ako plyn. V kvapalinách je priemerná kinetická energia častíc menšia ako potenciálna energia ich medzimolekulovej interakcie. Energia medzimolekulovej interakcie v kvapalinách a tuhých látkach sa nevýznamne líši. Ak porovnáme teplo topenia a teplo vyparovania, uvidíme, že pri prechode z jedného stavu agregácie do druhého je teplo topenia výrazne nižšie ako teplo vyparovania. Adekvátny matematický popis štruktúry kvapaliny možno poskytnúť len pomocou štatistickej fyziky. Napríklad, ak kvapalina pozostáva z rovnakých guľovitých molekúl, potom jej štruktúru možno opísať pomocou radiálnej distribučnej funkcie g(r), ktorá udáva pravdepodobnosť detekcie akejkoľvek molekuly vo vzdialenosti r od danej molekuly zvolenej ako referenčný bod. Túto funkciu možno nájsť experimentálne štúdiom difrakcie röntgenových lúčov alebo neutrónov, alebo je možné vykonať počítačovú simuláciu tejto funkcie pomocou newtonovskej mechaniky.

Kinetická teória kvapaliny bola vyvinutá Ya.I. Frenkel. V tejto teórii sa kvapalina považuje, rovnako ako v prípade pevnej látky, za dynamický systém harmonických oscilátorov. Ale na rozdiel od pevného telesa je rovnovážna poloha molekúl v kvapaline dočasná. Po oscilácii okolo jednej polohy molekula kvapaliny preskočí do novej polohy umiestnenej v blízkosti. K takémuto skoku dochádza pri výdaji energie. Priemerný čas „usadenia“ molekuly kvapaliny možno vypočítať ako:

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

kde $t_0\ $ je perióda oscilácií okolo jednej rovnovážnej polohy. Energia, ktorú musí molekula prijať, aby sa presunula z jednej polohy do druhej, sa nazýva aktivačná energia W a čas, keď je molekula v rovnovážnej polohe, sa nazýva čas „ustáleného života“ t.

Napríklad pre molekulu vody pri izbovej teplote jedna molekula podstúpi asi 100 vibrácií a preskočí do novej polohy. Príťažlivé sily medzi molekulami kvapaliny sú silné, takže objem je zachovaný, ale obmedzený sedavý život molekúl vedie k vzniku takého javu, ako je tekutosť. Pri osciláciách častíc v blízkosti rovnovážnej polohy dochádza k ich kontinuálnemu vzájomnému narážaniu, takže aj malé stlačenie kvapaliny vedie k prudkému „stvrdnutiu“ zrážok častíc. To znamená prudké zvýšenie tlaku kvapaliny na steny nádoby, v ktorej je stlačená.

Príklad 1

Úloha: Určte mernú tepelnú kapacitu medi. Predpokladajme, že teplota medi je blízko bodu topenia. (Molová hmotnosť medi $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(kg)(mol))$

Podľa Dulongovho a Petitovho zákona má mól chemicky jednoduchých látok pri teplotách blízkych bodu topenia tepelnú kapacitu:

Špecifická tepelná kapacita medi:

\[С=\frac(с)(\mu )\to С=\frac(3R)(\mu )\vľavo (1,2\vpravo),\] \[С=\frac(3\cdot 8,31) (63 \cdot 10^(-3))=0,39\ \cdot 10^3(\frac(J)(kgK))\]

Odpoveď: Špecifická tepelná kapacita medi 0,39 $\ \cdot 10^3\vľavo(\frac(J)(kgK)\vpravo).$

Zadanie: Vysvetlite zjednodušeným spôsobom z fyzikálneho hľadiska proces rozpúšťania soli (NaCl) vo vode.

Základ modernej teórie riešení vytvoril D.I. Mendelejev. Zistil, že počas rozpúšťania prebiehajú súčasne dva procesy: fyzikálne - rovnomerné rozloženie častíc rozpustenej látky v celom objeme roztoku a chemické - interakcia rozpúšťadla s rozpustenou látkou. Zaujíma nás fyzikálny proces. Molekuly soli nezničia molekuly vody. V tomto prípade by bolo nemožné odpariť vodu. Ak by sa molekuly soli spojili s molekulami vody, získali by sme nejakú novú látku. A molekuly soli nemôžu preniknúť dovnútra molekúl.

Medzi iónmi Na+ a Cl- chlóru a molekúl polárnej vody vzniká ión-dipólová väzba. Ukazuje sa, že je silnejšia ako iónové väzby v molekulách kuchynskej soli. V dôsledku tohto procesu dochádza k oslabeniu väzby medzi iónmi nachádzajúcimi sa na povrchu kryštálov NaCl, k uvoľneniu iónov sodíka a chlóru z kryštálu a molekuly vody okolo nich vytvárajú takzvané hydratačné obaly. Oddelené hydratované ióny sú pod vplyvom tepelného pohybu rovnomerne rozdelené medzi molekuly rozpúšťadla.

V plynoch je vzdialenosť medzi molekulami a atómami zvyčajne oveľa väčšia ako veľkosť molekúl, ale veľmi malá. Preto plyny nemajú svoj vlastný tvar a konštantný objem. Plyny sa ľahko stláčajú, pretože odpudivé sily na veľké vzdialenosti sú tiež malé. Plyny majú tú vlastnosť, že sa neobmedzene rozpínajú a napĺňajú celý objem, ktorý im je poskytnutý. Molekuly plynu sa pohybujú veľmi vysokou rýchlosťou, narážajú do seba a odrážajú sa od seba rôznymi smermi. Vznikajú početné dopady molekúl na steny cievy tlak plynu.

Pohyb molekúl v kvapalinách

V kvapalinách molekuly nielen oscilujú okolo rovnovážnej polohy, ale tiež robia skoky z jednej rovnovážnej polohy do ďalšej. Tieto skoky sa vyskytujú pravidelne. Časový interval medzi takýmito skokmi sa nazýva priemerný čas usadeného života(alebo priemerný čas relaxácie) a označuje sa písmenom τ. Inými slovami, relaxačný čas je čas oscilácií okolo jednej konkrétnej rovnovážnej polohy. Pri izbovej teplote je tento čas v priemere 10 -11 s. Čas jedného kmitu je 10 -12 ... 10 -13 s.

Čas sedavého života klesá so zvyšujúcou sa teplotou. Vzdialenosť medzi molekulami kvapaliny je menšia ako veľkosť molekúl, častice sú umiestnené blízko seba a sú veľké. Usporiadanie molekúl kvapaliny však nie je striktne usporiadané v celom objeme.

Kvapaliny, podobne ako pevné látky, si zachovávajú svoj objem, ale nemajú svoj vlastný tvar. Preto preberajú tvar nádoby, v ktorej sa nachádzajú. Kvapalina má nasledujúce vlastnosti: plynulosť. Vďaka tejto vlastnosti kvapalina nevzdoruje zmene tvaru, je mierne stlačená a jej fyzikálne vlastnosti sú vo vnútri kvapaliny vo všetkých smeroch rovnaké (izotropia kvapalín). Povahu molekulárneho pohybu v kvapalinách ako prvý zistil sovietsky fyzik Jakov Iľjič Frenkel (1894 - 1952).

Pohyb molekúl v pevných látkach

Kvapaliny. Pohyb molekúl v kvapalinách.

Kvapalina zaujíma medziľahlú polohu vo vlastnostiach a štruktúre medzi plynmi a pevnými kryštalickými látkami. Preto má vlastnosti plynných aj pevných látok. V molekulárnej kinetickej teórii sú rôzne stavy agregácie látky spojené s rôznymi stupňami usporiadania molekúl. Pri pevných látkach sa používa tzv objednávka na dlhé vzdialenosti v usporiadaní častíc, t.j. ich usporiadané usporiadanie, opakujúce sa na veľké vzdialenosti. V kvapalinách sa vyskytuje tzv uzavrieť objednávku v usporiadaní častíc, t.j. ich usporiadané usporiadanie, opakujúce sa na vzdialenosti, je porovnateľné s medziatómovými. Pri teplotách blízkych teplote kryštalizácie je štruktúra kvapaliny blízka pevnej látke. Pri vysokých teplotách blízkych bodu varu štruktúra kvapaliny zodpovedá plynnému stavu - takmer všetky molekuly sa podieľajú na chaotickom tepelnom pohybe.

Kvapaliny, podobne ako pevné látky, majú určitý objem a podobne ako plyny majú tvar nádoby, v ktorej sa nachádzajú. Molekuly plynu prakticky nie sú navzájom spojené silami intermolekulárnej interakcie a v tomto prípade je priemerná energia tepelného pohybu molekúl plynu oveľa väčšia ako priemerná potenciálna energia spôsobená príťažlivými silami medzi nimi, takže plyn molekuly sa rozlietajú rôznymi smermi a plyn zaberá objem, ktorý je mu poskytnutý. V pevných látkach a kvapalinách sú už príťažlivé sily medzi molekulami významné a udržujú molekuly v určitej vzdialenosti od seba. V tomto prípade je priemerná energia tepelného pohybu molekúl menšia ako priemerná potenciálna energia v dôsledku síl medzimolekulovej interakcie a nestačí prekonať príťažlivé sily medzi molekulami, preto pevné látky a kvapaliny majú určitý objem.

Tlak v kvapalinách veľmi prudko stúpa so zvyšujúcou sa teplotou a zmenšujúcim sa objemom. Objemová expanzia kvapalín je oveľa menšia ako objemová expanzia pár a plynov, pretože sily spájajúce molekuly v kvapaline sú výraznejšie; rovnaká poznámka platí pre tepelnú rozťažnosť.

Tepelné kapacity kvapalín sa zvyčajne zvyšujú s teplotou (aj keď len mierne). Pomer Ср/СV sa prakticky rovná jednote.

Teória kvapalín ešte nie je úplne rozvinutá. Vývoj množstva problémov pri štúdiu komplexných vlastností kvapalín patrí Ya.I. Frenkel (1894–1952). Tepelný pohyb v kvapaline vysvetlil tak, že každá molekula nejaký čas osciluje okolo určitej rovnovážnej polohy, po ktorej sa náhle presunie do novej polohy, oddelenej od pôvodnej vo vzdialenosti rádovo medziatómovej. Molekuly kvapaliny sa teda pohybujú pomerne pomaly v celej hmote kvapaliny. So zvyšujúcou sa teplotou kvapaliny sa prudko zvyšuje frekvencia vibračného pohybu a zvyšuje sa pohyblivosť molekúl.

Na základe Frenkelovho modelu je možné niektoré vysvetliť charakteristické rysy vlastnosti kvapaliny. Kvapaliny, dokonca aj blízko kritickej teploty, majú teda oveľa väčšie viskozita ako plyny a viskozita so zvyšujúcou sa teplotou klesá (a nezvyšuje sa, ako pri plynoch). Vysvetľuje sa to odlišnou povahou procesu prenosu hybnosti: prenášajú ho molekuly, ktoré preskočia z jedného rovnovážneho stavu do druhého, a tieto skoky sa s rastúcou teplotou stávajú výrazne častejšie. Difúzia v kvapalinách sa vyskytuje iba v dôsledku molekulárnych skokov a vyskytuje sa oveľa pomalšie ako v plynoch. Tepelná vodivosť kvapaliny vzniká výmenou kinetickej energie medzi časticami oscilujúcimi okolo svojich rovnovážnych polôh s rôznymi amplitúdami; náhle skoky molekúl nehrajú nápadnú úlohu. Mechanizmus tepelnej vodivosti je podobný jeho mechanizmu v plynoch. Charakteristickým znakom kvapaliny je jej schopnosť mať voľný povrch(neobmedzené pevnými stenami).