În gaze, distanța dintre molecule și atomi este de obicei mult mai mare decât dimensiunea moleculelor, iar forțele de atracție sunt foarte mici. Prin urmare, gazele nu au propria lor formă și volum constant. Gazele sunt ușor comprimate deoarece forțele de respingere pe distanțe mari sunt, de asemenea, mici. Gazele au proprietatea de a se extinde la nesfârșit, umplând întregul volum care le este furnizat. Moleculele de gaz se mișcă cu viteze foarte mari, se ciocnesc între ele și se aruncă în direcții diferite. Se creează numeroase impacturi ale moleculelor asupra pereților vasului presiunea gazului.
Mișcarea moleculelor în lichide
În lichide, moleculele nu numai că oscilează în jurul unei poziții de echilibru, dar fac și salturi de la o poziție de echilibru la alta. Aceste salturi apar periodic. Se numește intervalul de timp dintre astfel de salturi timpul mediu al vieții stabilite(sau timp mediu de relaxare) și este desemnată prin litera ?. Cu alte cuvinte, timpul de relaxare este timpul oscilațiilor în jurul unei poziții specifice de echilibru. La temperatura camerei, acest timp este în medie de 10 -11 s. Timpul unei oscilații este de 10 -12 ... 10 -13 s.
Timpul vieții sedentare scade odată cu creșterea temperaturii. Distanța dintre moleculele unui lichid este mai mică decât dimensiunea moleculelor, particulele sunt situate aproape unele de altele, iar atracția intermoleculară este puternică. Cu toate acestea, aranjarea moleculelor lichide nu este strict ordonată pe tot volumul.
Lichidele, ca și solidele, își păstrează volumul, dar nu au propria lor formă. Prin urmare, ele iau forma vasului în care se află. Lichidul are următoarele proprietăți: fluiditate. Datorită acestei proprietăți, lichidul nu rezistă la schimbarea formei, este ușor comprimat, iar proprietățile sale fizice sunt aceleași în toate direcțiile din interiorul lichidului (izotropia lichidelor). Natura mișcării moleculare în lichide a fost stabilită pentru prima dată de fizicianul sovietic Iakov Ilici Frenkel (1894 - 1952).
Mișcarea moleculelor în solide
Moleculele și atomii unui solid sunt aranjați într-o anumită ordine și formă rețea cristalină. Astfel de solide se numesc cristaline. Atomii efectuează mișcări vibraționale în jurul poziției de echilibru, iar atracția dintre ei este foarte puternică. Prin urmare, solidele în condiții normale își păstrează volumul și au propria lor formă.
Cristalele sunt solide, dar există și lichide și gaze. În gaze, moleculele nu sunt legate între ele, ca într-un cristal, ci sunt ușor distribuite în întreg spațiul liber, mișcându-se în linii drepte, ca niște mingi de biliard, dar cu diferența că au la dispoziție nu două dimensiuni ale masă, dar trei. Moleculele se mișcă până întâlnesc un obstacol - o altă moleculă sau pereții recipientului, din care sar - din nou prin analogie cu mingile de biliard. Gazele pot fi comprimate, astfel încât există de fapt mult spațiu între molecule. Gazul devine „stresat” după compresie. După închiderea gurii de evacuare a pompei bicicletei, puteți simți această tensiune dacă apăsați mânerul. Dacă lăsați degetul acolo și dați drumul mânerului, acesta va trage înapoi. Tensiunea pe care ai simțit-o se numește presiune.
Presiunea este generată deoarece milioane de molecule de aer (un amestec de azot, oxigen și alte câteva gaze) din pompă bombardează pârghia (de fapt, nu doar pârghia, ci din întreaga structură este cea care se poate mișca). La presiune mare bombardamentul are loc cu o frecvență mai mare. Acest lucru se întâmplă atunci când același număr de molecule sunt forțate într-un spațiu mai mic, cum ar fi atunci când împingeți mânerul unei pompe. Sau ridici temperatura, ceea ce face ca moleculele de gaz să se miște mai repede.
Un lichid este similar cu un gaz prin aceea că atomii săi „curg” de asemenea dintr-un loc în altul (prin urmare, prin analogie cu materialele solide, se numesc „fluid”). Cu toate acestea, moleculele dintr-un lichid sunt mult mai aproape unele de altele decât într-un gaz. Gazul umple rapid tot spațiul oferit. Lichidul curge, de asemenea, în toate crăpăturile, dar la un anumit nivel. O anumită cantitate de lichid ocupă un volum constant, nu ca un gaz, iar forța gravitației o trage spre sol, astfel încât umple partea din rezervor necesară pentru volumul său de jos în sus. Acest lucru se întâmplă deoarece moleculele lichide sunt situate aproape unul de altul. Dar, spre deosebire de materia solidă, ele sunt capabile să alunece una peste alta, astfel încât lichidul să curgă.
Solidul nici măcar nu încearcă să umple volumul în care se află - pur și simplu își păstrează forma Acest lucru se datorează faptului că moleculele din solide nu alunecă unele peste altele, ca într-un lichid, ci sunt bine fixate într-unul (aproape). poziţia în raport cu vecinii lor . Am scris „aproape” pentru că moleculele oscilează în jurul pozițiilor lor „frontale” (cu cât temperatura este mai mare, cu atât oscilațiile sunt mai rapide), dar nu atât de mult încât forma cristalului se schimbă.
Există și lichide „insidioase”, cum ar fi melasa. Insidiositatea sa este că curge, totuși, foarte încet și, deși umple partea inferioară a rezervorului, petrece mult timp făcând asta. Există lichide atât de „perfide” încât se comportă ca niște solide - curg atât de încet. Au chiar toate proprietățile solidelor, în ciuda faptului că le lipsește o rețea cristalină. Un bun exemplu este sticla. „Curge”, dar atât de încet încât vor trece secole până să-l observăm. Prin urmare, din motive practice, considerăm sticla ca fiind un material solid.
Moleculele și atomii unui solid sunt aranjați într-o anumită ordine și formă rețea cristalină. Astfel de solide se numesc cristaline. Atomii efectuează mișcări vibraționale în jurul poziției de echilibru, iar atracția dintre ei este foarte puternică. Prin urmare, solidele în condiții normale își păstrează volumul și au propria lor formă.
Echilibrul termic este starea unui sistem termodinamic în care trece spontan după o perioadă de timp suficient de lungă în condiții de izolare de mediu.
Temperatura este o mărime fizică care caracterizează energia cinetică medie a particulelor unui sistem macroscopic într-o stare de echilibru termodinamic. Într-o stare de echilibru, temperatura are aceeași valoare pentru toate părțile macroscopice ale sistemului.
Grad Celsius(desemnare: °C) este o unitate de măsură utilizată pe scară largă a temperaturii, utilizată în Sistemul Internațional de Unități (SI) împreună cu kelvinul.
Termometru medical cu mercur
Termometru mecanic
Gradul Celsius este numit după omul de știință suedez Anders Celsius, care a propus o nouă scară pentru măsurarea temperaturii în 1742. Punctul de topire al gheții a fost considerat zero pe scara Celsius, iar punctul de fierbere al apei la presiunea atmosferică standard ca 100°. (Inițial, Celsius a considerat temperatura de topire a gheții ca 100°, iar temperatura de fierbere a apei ca 0°. Și abia mai târziu, contemporanul său Carl Linnaeus a „întors” această scară). Această scară este liniară în intervalul 0-100° și, de asemenea, continuă liniar în regiunea sub 0° și peste 100°. Linearitatea este o problemă majoră în măsurătorile precise de temperatură. Este suficient să menționăm că un termometru clasic umplut cu apă nu poate fi marcat pentru temperaturi sub 4 grade Celsius, deoarece în acest interval apa începe din nou să se extindă.
Definiția originală a grade Celsius depindea de definiția presiunii atmosferice standard, deoarece atât punctul de fierbere al apei, cât și punctul de topire al gheții depind de presiune. Acest lucru nu este foarte convenabil pentru standardizarea unității de măsură. Prin urmare, după adoptarea Kelvin K ca unitate de bază a temperaturii, definiția gradului Celsius a fost revizuită.
Conform definiției moderne, un grad Celsius este egal cu un kelvin K, iar zeroul scalei Celsius este setat astfel încât temperatura punctului triplu al apei să fie de 0,01 °C. Ca rezultat, scările Celsius și Kelvin sunt deplasate cu 273,15:
26)Gaz ideal- un model matematic al unui gaz, în care se presupune că energia potențială de interacțiune a moleculelor poate fi neglijată în comparație cu energia lor cinetică. Nu există forțe de atracție sau de repulsie între molecule, ciocnirile particulelor între ele și cu pereții vasului sunt absolut elastice, iar timpul de interacțiune dintre molecule este neglijabil în comparație cu timpul mediu dintre ciocniri.
, Unde k este constanta Boltzmann (raportul constantei universale de gaz R la numărul lui Avogadro N / A), i- numărul de grade de libertate ale moleculelor (în majoritatea problemelor legate de gazele ideale, unde moleculele sunt presupuse a fi sfere de rază mică, al căror analog fizic poate fi gaz inerte) și T- temperatura absolută.
Ecuația de bază MKT conectează parametrii macroscopici (presiune, volum, temperatură) ai unui sistem de gaz cu cei microscopici (masa moleculelor, viteza medie a mișcării lor).
Energia cinetică a unei molecule
Într-un gaz, moleculele se mișcă liber (izolate de alte molecule), ciocnindu-se doar ocazional între ele sau cu pereții recipientului. Atâta timp cât o moleculă se mișcă liber, are doar energie cinetică. În timpul unei coliziuni, moleculele câștigă și energie potențială. Astfel, energia totală a unui gaz este suma energiilor cinetice și potențiale ale moleculelor sale. Cu cât gazul este mai rarefiat, cu atât mai multe molecule în fiecare moment de timp sunt în stare de mișcare liberă, având doar energie cinetică. În consecință, atunci când gazul este rarefiat, proporția energiei potențiale scade în comparație cu energia cinetică.
Energia cinetică medie a unei molecule la echilibrul unui gaz ideal are o caracteristică foarte importantă: într-un amestec de gaze diferite, energia cinetică medie a unei molecule pentru diferite componente ale amestecului este aceeași.
De exemplu, aerul este un amestec de gaze. Energia medie a unei molecule de aer pentru toate componentele sale în condiții normale, când aerul poate fi considerat încă un gaz ideal, este aceeași. Această proprietate a gazelor ideale poate fi dovedită pe baza unor considerații statistice generale. De aici rezultă un corolar important: dacă două gaze diferite (în vase diferite) sunt în echilibru termic între ele, atunci energiile cinetice medii ale moleculelor lor sunt aceleași.
În gaze, distanța dintre molecule și atomi este de obicei mult mai mare decât dimensiunea moleculelor în sine, forțele de interacțiune dintre molecule nu sunt mari. Ca urmare, gazul nu are propria formă și volum constant. Gazul este ușor comprimat și se poate extinde fără limită. Moleculele de gaz se mișcă liber (translațional, se pot roti), doar uneori ciocnind cu alte molecule și cu pereții vasului în care se află gazul și se mișcă cu viteze foarte mari.
Mișcarea particulelor în solide
Structura solidelor este fundamental diferită de structura gazelor. În ele, distanțele intermoleculare sunt mici și energia potențială a moleculelor este comparabilă cu energia cinetică. Atomii (sau ionii, sau moleculele întregi) nu pot fi numiți nemișcați, ei efectuează mișcări oscilatorii aleatorii în jurul pozițiilor medii. Cu cât temperatura este mai mare, cu atât energia de oscilație este mai mare și, prin urmare, amplitudinea medie a oscilațiilor. Vibrațiile termice ale atomilor explică și capacitatea de căldură a solidelor. Să luăm în considerare mai detaliat mișcările particulelor în solidele cristaline. Întregul cristal în ansamblu este un sistem oscilator cuplat foarte complex. Abaterile atomilor de la pozițiile lor medii sunt mici și, prin urmare, putem presupune că atomii sunt supuși acțiunii unor forțe cvasi-elastice care respectă legea liniară a lui Hooke. Astfel de sisteme oscilatorii se numesc liniare.
Există o teorie matematică dezvoltată a sistemelor supuse oscilațiilor liniare. Demonstrează o teoremă foarte importantă, a cărei esență este următoarea. Dacă sistemul efectuează oscilații mici (liniare) interconectate, atunci prin transformarea coordonatelor poate fi redus formal la un sistem de oscilatoare independente (ale căror ecuații de oscilație nu depind unele de altele). Un sistem de oscilatoare independente se comportă ca un gaz ideal în sensul că atomii acestuia din urmă pot fi considerați și ei independenți.
Prin folosirea ideii de independență a atomilor de gaz ajungem la legea lui Boltzmann. Această concluzie foarte importantă oferă o bază simplă și de încredere pentru întreaga teorie a solidelor.
legea lui Boltzmann
Numărul de oscilatoare cu parametri dați (coordonate și viteze) se determină în același mod ca și numărul de molecule de gaz într-o stare dată, după formula:
Energia oscilatorului.
Legea lui Boltzmann (1) în teoria corpurilor solide nu are restricții, dar formula (2) pentru energia oscilatorului este preluată din mecanica clasică. Când luăm în considerare teoretic solidele, trebuie să ne bazăm pe mecanica cuantică, care se caracterizează prin modificări discrete ale energiei oscilatorului. Discretitatea energiei oscilatorului devine nesemnificativă numai la valori suficient de mari ale energiei sale. Aceasta înseamnă că (2) poate fi utilizat numai la temperaturi suficient de ridicate. La temperaturi ridicate ale unui solid, aproape de punctul de topire, legea distribuției uniforme a energiei pe gradele de libertate decurge din legea lui Boltzmann. Daca in gaze pentru fiecare grad de libertate exista in medie o cantitate de energie egala cu (1/2) kT, atunci oscilatorul are un grad de libertate, pe langa cel cinetic, cu energie potentiala. Prin urmare, pentru un grad de libertate într-un solid la o temperatură suficient de ridicată există o energie egală cu kT. Pe baza acestei legi, nu este dificil să se calculeze energia internă totală a unui corp solid și, după aceasta, capacitatea sa de căldură. Un mol dintr-un solid conține atomi de NA și fiecare atom are trei grade de libertate. Prin urmare, molul conține 3 oscilatoare NA. Energia unui mol dintr-un solid
iar capacitatea de căldură molară a unui solid la temperaturi suficient de ridicate este
Experiența confirmă această lege.
Lichidele ocupă o poziție intermediară între gaze și solide. Moleculele lichide nu se dispersează pe distanțe lungi, iar lichidul în condiții normale își păstrează volumul. Dar, spre deosebire de solide, moleculele nu doar vibrează, ci și sar din loc în loc, adică efectuează mișcări libere. Pe măsură ce temperatura crește, lichidele fierb (există un așa-numit punct de fierbere) și se transformă în gaz. Pe măsură ce temperatura scade, lichidele se cristalizează și devin solide. Există un punct în câmpul de temperatură în care granița dintre gaz (vapori saturati) și lichid dispare (punct critic). Modelul mișcării termice a moleculelor din lichide în apropierea temperaturii de solidificare este foarte asemănător cu comportamentul moleculelor din solide. De exemplu, coeficienții capacității termice sunt exact aceiași. Deoarece capacitatea de căldură a unei substanțe se modifică ușor în timpul topirii, putem concluziona că natura mișcării particulelor într-un lichid este apropiată de mișcarea într-un solid (la temperatura de topire). Când este încălzit, proprietățile lichidului se schimbă treptat și devine mai mult ca un gaz. În lichide, energia cinetică medie a particulelor este mai mică decât energia potențială a interacțiunii lor intermoleculare. Energia interacțiunii intermoleculare în lichide și solide diferă nesemnificativ. Dacă comparăm căldura de fuziune și căldura de evaporare, vom vedea că în timpul trecerii de la o stare de agregare la alta, căldura de fuziune este semnificativ mai mică decât căldura de vaporizare. O descriere matematică adecvată a structurii unui lichid poate fi dată doar cu ajutorul fizicii statistice. De exemplu, dacă un lichid este format din molecule sferice identice, atunci structura lui poate fi descrisă prin funcția de distribuție radială g(r), care dă probabilitatea de a detecta orice moleculă la distanța r de cea dată aleasă ca punct de referință. Această funcție poate fi găsită experimental prin studierea difracției razelor X sau neutronilor, sau o simulare computerizată a acestei funcții poate fi efectuată folosind mecanica newtoniană.
Teoria cinetică a lichidului a fost dezvoltată de Ya.I. Frenkel. În această teorie, un lichid este considerat, ca și în cazul unui solid, ca un sistem dinamic de oscilatoare armonioase. Dar, spre deosebire de un corp solid, poziția de echilibru a moleculelor într-un lichid este temporară. După ce oscilează în jurul unei poziții, molecula lichidă sare într-o nouă poziție situată în apropiere. Un astfel de salt are loc cu cheltuirea energiei. Timpul mediu de „viață stabilită” al unei molecule lichide poate fi calculat astfel:
\[\left\langle t\right\rangle =t_0e^(\frac(W)(kT))\left(5\right),\]
unde $t_0\ $ este perioada de oscilații în jurul unei poziții de echilibru. Energia pe care o moleculă trebuie să o primească pentru a se deplasa dintr-o poziție în alta se numește energia de activare W, iar timpul în care molecula se află în poziția de echilibru se numește timpul t de „viață stabilită”.
Pentru o moleculă de apă, de exemplu, la temperatura camerei, o moleculă suferă aproximativ 100 de vibrații și sare într-o nouă poziție. Forțele de atracție dintre moleculele unui lichid sunt puternice, astfel încât volumul este menținut, dar viața sedentară limitată a moleculelor duce la apariția unui astfel de fenomen precum fluiditatea. În timpul oscilațiilor particulelor în apropierea poziției de echilibru, acestea se ciocnesc continuu unele cu altele, astfel încât chiar și o mică compresie a lichidului duce la o „întărire” bruscă a ciocnirilor de particule. Aceasta înseamnă o creștere bruscă a presiunii lichidului pe pereții vasului în care este comprimat.
Exemplul 1
Sarcină: Determinați capacitatea termică specifică a cuprului. Să presupunem că temperatura cuprului este aproape de punctul de topire. (Masa molară a cuprului $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(kg)(mol))$
Conform legii lui Dulong și Petit, un mol de substanțe simple din punct de vedere chimic la temperaturi apropiate de punctul de topire are o capacitate termică:
Capacitatea termică specifică a cuprului:
\[С=\frac(с)(\mu )\la С=\frac(3R)(\mu )\left(1.2\right),\] \[С=\frac(3\cdot 8.31) (63 \cdot 10^(-3))=0,39\ \cdot 10^3(\frac(J)(kgK))\]
Răspuns: Capacitatea termică specifică a cuprului $0,39\ \cdot 10^3\left(\frac(J)(kgK)\right).$
Temă: Explicați într-un mod simplificat din punct de vedere fizic procesul de dizolvare a sării (NaCl) în apă.
Baza teoriei moderne a soluțiilor a fost creată de D.I. Mendeleev. El a stabilit că în timpul dizolvării au loc două procese simultan: fizice - distribuția uniformă a particulelor de dizolvat în întregul volum al soluției și chimice - interacțiunea solventului cu solutul. Suntem interesați de procesul fizic. Moleculele de sare nu distrug moleculele de apă. În acest caz, ar fi imposibil să se evapore apa. Dacă moleculele de sare s-ar uni cu moleculele de apă, am obține o substanță nouă. Și moleculele de sare nu pot pătrunde în interiorul moleculelor.
O legătură ion-dipol are loc între ionii Na+ și Cl- ai moleculelor de clor și apă polară. Se dovedește a fi mai puternic decât legăturile ionice din moleculele de sare de masă. Ca urmare a acestui proces, legătura dintre ionii aflați pe suprafața cristalelor de NaCl este slăbită, ionii de sodiu și clor sunt desprinși din cristal, iar moleculele de apă formează așa-numitele învelișuri de hidratare în jurul lor. Ionii hidratați separați, sub influența mișcării termice, sunt distribuiți uniform între moleculele de solvent.
Teoria moleculară a materiei se bazează pe presupunerea unei mișcări haotice continue a moleculelor. Mai mult, natura mișcării moleculelor este determinată de valorile forțelor care acționează între molecule. Astfel, în gazele obișnuite (nu foarte comprimate), practic nu există forțe de atracție reciprocă între molecule, astfel încât moleculele de gaz se mișcă în linie dreaptă, ciocnindu-se simultan între ele și cu pereții vasului.
Ca urmare a ciocnirii, direcția și valoarea modulului de viteză al moleculelor se modifică haotic. Cu un număr mare de molecule, nicio direcție de mișcare moleculară nu este preferată, toate sunt la fel de posibile.
Mai mult, natura aleatorie a coliziunilor (unele molecule experimentează o coliziune frontală, altele „alunecare”) duce la valori foarte diferite ale modulului de viteză, care formează o serie continuă de numere, începând de la zero până la cele mai mari valori. .
Calculele arată că proporția de molecule cu viteză mică și mare este mică. Majoritatea moleculelor se mișcă la viteze care diferă relativ puțin de valoarea medie a modulului de viteză al mișcării haotice a moleculelor.
Odată cu creșterea temperaturii, proporția de molecule lente scade, proporția de molecule rapide crește, iar valoarea medie a modulului vitezei mișcării haotice a unei molecule crește.
Cometariu. Când indicăm viteza de mișcare haotică a unei molecule, ne referim la valoarea medie a vitezei acestei mișcări.
Dacă ar fi posibilă urmărirea mișcării unei molecule de gaz, atunci traiectoria acesteia ar fi un fel de linie în zig-zag (Fig. 2).
Segmentul drept al acestei traiectorii corespunde mișcării uniforme a moleculei între cele două ciocniri succesive ale acesteia cu alte molecule. Lungimea unui astfel de segment se numește lungimea drumului liber.
Când se caracterizează mișcarea moleculelor, este implicată calea liberă medie medie, care crește odată cu scăderea densității gazului.
Natura mișcării moleculelor în diferite corpuri depinde de valoarea forțelor de interacțiune dintre ele. În solide, moleculele, atomii sau ionii suferă vibrații haotice în raport cu nodurile rețelei cristaline, care sunt pozițiile lor de echilibru.
Aleatoritatea mișcării particulelor structurale se manifestă prin faptul că direcția de mișcare se schimbă în timpul vibrației în mod complet imprevizibil, la fel ca și amplitudinea vibrației.
Odată cu creșterea temperaturii, intensitatea oscilațiilor haotice, care este determinată de amplitudine, și frecvența oscilațiilor cresc. Atunci când interacționează între ele, moleculele individuale pot câștiga exces de energie și, prin urmare, sunt capabile să părăsească poziția de echilibru, ceea ce duce la mișcarea particulelor, de exemplu. la mișcarea lor înainte. Acesta este ceea ce explică difuzia în solide care sunt în contact unul cu celălalt pentru o lungă perioadă de timp.
În lichide, forțele de atracție dintre molecule sunt mult mai mari decât forțele de atracție dintre moleculele de gaz. Conform teoriei lui Ya.I. Frenkel într-un lichid, fiecare moleculă oscilează pentru o anumită perioadă de timp în jurul poziției sale de echilibru. Mai mult, în mediul său imediat, alte molecule sunt aranjate într-o anumită secvență, care seamănă cu aranjarea particulelor într-o rețea cristalină. Cu toate acestea, spre deosebire de rețeaua cristalină, această ordine este „pe distanță scurtă”, adică apare doar într-un microvolum limitat și nu pe întregul volum al lichidului. În microvolumul învecinat, se observă o aranjare ordonată diferită a moleculelor.
După o anumită perioadă de timp, molecula, după ce a primit o sursă de energie de la moleculele vecine care interacționează cu ea, face un salt, își părăsește locul și se deplasează pe o distanță de ordinul mărimii moleculei în sine. Astfel, o moleculă dintr-un lichid este într-o stare „așezată” de ceva timp (expresia lui Frenkel), mișcându-se încet haotic în interiorul lichidului.
Deoarece intensitatea mișcării haotice a moleculelor din toate corpurile este legată de temperatură, mișcarea haotică este adesea numită și mișcarea termică a moleculelor. Pe măsură ce temperatura corpului crește, viteza de mișcare termică a moleculelor crește, iar pe măsură ce temperatura scade, aceasta scade.
Referință istorică. Fresnel Iakov Ilici(1894-1952) - fizician teoretician sovietic. Principalele lucrări se referă la fizica stării solide, magnetism și fizica lichidelor. Fizica nucleului atomic. El a introdus idei despre mișcarea vibrațional-translațională a moleculelor din lichide și a construit o teorie cinetică a lichidelor. El a dezvoltat teoria moleculară a fluidității solidelor, teoria difuziei și vâscozității.