حركة الجزيئات في الغازات والسوائل والمواد الصلبة. صلبة ، سائلة ، غازية - كيف تتحرك الجزيئات

في الغازات ، عادة ما تكون المسافة بين الجزيئات والذرات أكبر بكثير من حجم الجزيئات ، وتكون قوى الجذب صغيرة جدًا. لذلك ، ليس للغازات شكلها وحجمها الثابت. يتم ضغط الغازات بسهولة لأن قوى التنافر على مسافات كبيرة صغيرة أيضًا. تتميز الغازات بخاصية التوسع إلى أجل غير مسمى ، وملء الحجم الكامل المقدم لها. تتحرك جزيئات الغاز بسرعات عالية جدًا ، وتتصادم مع بعضها البعض ، وترتد عن بعضها البعض في اتجاهات مختلفة. تحدث تأثيرات عديدة للجزيئات على جدران الوعاء ضغط الغاز.

حركة الجزيئات في السوائل

في السوائل ، لا تتذبذب الجزيئات حول موضع التوازن فحسب ، بل تقفز أيضًا من موضع توازن إلى آخر. تحدث هذه القفزات بشكل دوري. يتم استدعاء الفاصل الزمني بين هذه القفزات متوسط وقت الحياة المستقرة(أو متوسط وقت الاسترخاء) ويشار إليها بالحرف؟. بمعنى آخر ، وقت الاسترخاء هو وقت التذبذب حول موضع توازن معين. في درجة حرارة الغرفة ، هذه المرة في المتوسط 10-11 ثانية. وقت التذبذب الواحد هو 10-12 ... 10-13 ثانية.

وقت الحياة المستقرة يتناقص مع زيادة درجة الحرارة. المسافة بين الجزيئات السائلة أصغر من حجم الجزيئات ، والجسيمات قريبة من بعضها البعض ، والجاذبية بين الجزيئات كبيرة. ومع ذلك ، لا يتم ترتيب الجزيئات السائلة بدقة في جميع أنحاء الحجم.

السوائل ، مثل المواد الصلبة ، تحتفظ بحجمها ولكن ليس لها شكلها الخاص. لذلك ، يأخذون شكل السفينة التي يوجدون فيها. السائل له خاصية سيولة. بسبب هذه الخاصية ، فإن السائل لا يقاوم التغيير في الشكل ، بل يضغط قليلاً ، وخصائصه الفيزيائية هي نفسها في جميع الاتجاهات داخل السائل (خواص السوائل). لأول مرة ، أسس الفيزيائي السوفيتي ياكوف إيليتش فرنكل (1894 - 1952) طبيعة الحركة الجزيئية في السوائل.

حركة الجزيئات في المواد الصلبة

يتم ترتيب جزيئات وذرات الجسم الصلب بترتيب وشكل معين شعرية الكريستال. تسمى هذه المواد الصلبة بلورية. تتذبذب الذرات حول وضع التوازن ، ويكون التجاذب بينهما قويًا جدًا. لذلك ، تحتفظ الأجسام الصلبة في الظروف العادية بالحجم ولها شكلها الخاص.

حركة الجزيئات في الغازات

الأحكام الأساسية للنظرية الحركية الجزيئية (الإثبات التجريبي)

في الصميم النظرية الحركية الجزيئيةتكمن بنية المادة في ثلاثة أوضاع:

1. تتكون كل الأجسام من جسيمات (ذرات ، جزيئات ، أيونات ، إلخ) ؛

2. تتحرك الجسيمات بشكل عشوائي بشكل مستمر.

3. تتفاعل الجسيمات مع بعضها البعض.

22)الحركة البراونية- الحركة الفوضوية للميكروسكوب ، المرئي ، المعلق في جسيمات سائلة (أو غازية) من مادة صلبة (جزيئات الغبار ، جزيئات حبوب اللقاح النباتية ، وما إلى ذلك) ، بسبب الحركة الحرارية لجسيمات سائل (أو غاز). يجب عدم الخلط بين مفهومي "الحركة البراونية" و "الحركة الحرارية": فالحركة البراونية هي نتيجة ودليل على وجود الحركة الحرارية.

23) خلد(التسمية الروسية: خلد؛ دولي: مول) هي وحدة قياس لكمية المادة في النظام الدولي للوحدات (SI) ، وهي إحدى وحدات النظام الدولي السبع الأساسية.

تم اعتماد المول كوحدة SI من قبل المؤتمر العام الرابع عشر للأوزان والمقاييس في عام 1971. تتم صياغة التعريف الدقيق للشامة على النحو التالي:

الخلد هو كمية المادة في نظام يحتوي على العديد من العناصر الهيكلية كما هو الحال في ذرات الكربون 12 بكتلة 0.012 كجم. عند استخدام الخلد ، يجب تحديد العناصر الهيكلية وقد تكون ذرات أو جزيئات أو أيونات أو إلكترونات وجزيئات أخرى أو مجموعات محددة من الجسيمات.

رقم أفوجادرو, ثابت أفوجادرو- ثابت فيزيائي يساوي عدديًا عدد الوحدات الهيكلية المحددة (الذرات أو الجزيئات أو الأيونات أو الإلكترونات أو أي جسيمات أخرى) في 1 مول من مادة ما. مُعرَّف بأنه عدد الذرات في 12 جرامًا (بالضبط) من نظير الكربون 12 النقي. عادة ما يشار إليها باسم ن A ، في كثير من الأحيان مثل إل .

نأ = 6.022 141 29 (27) 10 23 مول −1.

في الغازات ، عادة ما تكون المسافة بين الجزيئات والذرات أكبر بكثير من حجم الجزيئات ، و قوى جذابةصغير جدا. لذلك ، ليس للغازات شكلها وحجمها الثابت. يتم ضغط الغازات بسهولة لأن قوى التنافر على مسافات كبيرة صغيرة أيضًا. تتميز الغازات بخاصية التوسع إلى أجل غير مسمى ، وملء الحجم الكامل المقدم لها. تتحرك جزيئات الغاز بسرعات عالية جدًا ، وتتصادم مع بعضها البعض ، وترتد عن بعضها البعض في اتجاهات مختلفة. تحدث تأثيرات عديدة للجزيئات على جدران الوعاء ضغط الغاز.

وقت الحياة المستقرة يتناقص مع زيادة درجة الحرارة. المسافة بين الجزيئات السائلة أصغر من حجم الجزيئات ، والجسيمات تقع بالقرب من بعضها البعض ، و جاذبية بين الجزيئاترائعة. ومع ذلك ، لا يتم ترتيب الجزيئات السائلة بدقة في جميع أنحاء الحجم.

التوازن الحراري هو حالة النظام الديناميكي الحراري الذي يمر فيه تلقائيًا بعد فترة زمنية طويلة بما فيه الكفاية في ظل ظروف العزلة عن البيئة.

درجة الحرارة هي كمية فيزيائية تميز متوسط الطاقة الحركية لجزيئات النظام العياني في حالة توازن ديناميكي حراري. في حالة التوازن ، يكون لدرجة الحرارة نفس القيمة لجميع الأجزاء العيانية من النظام.

درجة مئوية(رمز: درجة مئوية) هي وحدة شائعة لدرجة الحرارة مستخدمة في النظام الدولي للوحدات (SI) جنبًا إلى جنب مع كلفن.

ميزان حرارة طبي زئبقي

ميزان حرارة ميكانيكي

سميت الدرجة المئوية على اسم العالم السويدي أندرس سيلسيوس ، الذي اقترح في عام 1742 مقياسًا جديدًا لقياس درجة الحرارة. الصفر على مقياس سيليزيوس هو نقطة انصهار الجليد ، و 100 درجة هي نقطة غليان الماء عند الضغط الجوي القياسي. (في البداية ، أخذت مئوية درجة حرارة انصهار الجليد على أنها 100 درجة ، ونقطة غليان الماء تساوي صفرًا. وبعد ذلك فقط قام كارل لينيوس المعاصر "بقلب" هذا المقياس). هذا المقياس خطي في النطاق 0-100 درجة ويستمر أيضًا خطيًا في المنطقة التي تقل عن 0 درجة وما فوق 100 درجة. الخطية هي مشكلة رئيسية مع قياسات دقيقة لدرجة الحرارة. يكفي أن نذكر أن مقياس الحرارة الكلاسيكي المملوء بالماء لا يمكن تمييزه لدرجات حرارة أقل من 4 درجات مئوية ، لأنه في هذا النطاق يبدأ الماء في التمدد مرة أخرى.

اعتمد التعريف الأصلي للدرجة المئوية على تعريف الضغط الجوي القياسي ، لأن كلا من نقطة غليان الماء ونقطة انصهار الجليد تعتمدان على الضغط. هذا ليس مناسبًا جدًا لتوحيد وحدة القياس. لذلك ، بعد اعتماد كلفن K كوحدة أساسية لدرجة الحرارة ، تم تعديل تعريف الدرجة المئوية.

وفقًا للتعريف الحديث ، فإن الدرجة المئوية تساوي واحدًا كلفن كلفن ، ويتم ضبط صفر مقياس سلزيوس بحيث تكون درجة حرارة النقطة الثلاثية للماء 0.01 درجة مئوية. نتيجة لذلك ، يتم إزاحة مقياسي Celsius و Kelvin بمقدار 273.15:

26)غاز مثالي- نموذج رياضي للغاز ، يُفترض فيه أن الطاقة الكامنة لتفاعل الجزيئات يمكن إهمالها بالمقارنة مع طاقتها الحركية. لا توجد قوى جذب أو تنافر بين الجزيئات ، اصطدام الجسيمات بينها وبين جدران الوعاء مرن تمامًا ، ووقت التفاعل بين الجزيئات صغير بشكل مهم مقارنة بمتوسط الوقت بين الاصطدامات.

، أين كهل ثابت بولتزمان (نسبة ثابت الغاز العام صلعدد أفوجادرو لا), أنا- عدد درجات حرية الجزيئات (في معظم المشكلات المتعلقة بالغازات المثالية ، حيث يُفترض أن تكون الجزيئات كرات ذات نصف قطر صغير ، يمكن أن يكون التناظرية الفيزيائية غازات خاملة) ، و تيهي درجة الحرارة المطلقة.

تربط المعادلة الأساسية لـ MKT المعلمات العيانية (الضغط والحجم ودرجة الحرارة) لنظام الغاز بالمعلمات المجهرية (الكتلة الجزيئية ، ومتوسط سرعة حركتها).

الطاقة الحركية للجزيء

في الغاز ، تقوم الجزيئات بحركة حرة (معزولة عن الجزيئات الأخرى) ، فقط من وقت لآخر تصطدم ببعضها البعض أو بجدران الوعاء. طالما أن الجزيء في حركة حرة ، فله طاقة حركية فقط. أثناء التصادم ، تمتلك الجزيئات أيضًا طاقة كامنة. وبالتالي ، فإن الطاقة الإجمالية للغاز هي مجموع الطاقة الحركية والطاقات المحتملة لجزيئاته. كلما تخلخل الغاز ، زاد عدد الجزيئات في كل لحظة من الزمن في حالة حرية الحركة ، مع وجود طاقة حركية فقط. وبالتالي ، عندما يتخلخ الغاز ، تقل حصة الطاقة الكامنة مقارنة بالطاقة الحركية.

متوسطتتميز الطاقة الحركية لجزيء في توازن الغاز المثالي بميزة مهمة جدًا: في مزيج من الغازات المختلفة ، يكون متوسط الطاقة الحركية للجزيء لمكونات مختلفة من الخليط هو نفسه.

على سبيل المثال ، الهواء عبارة عن خليط من الغازات. متوسط طاقة جزيء الهواء لجميع مكوناته في ظل الظروف العادية ، عندما لا يزال من الممكن اعتبار الهواء غازًا مثاليًا ، هو نفسه. يمكن إثبات خاصية الغازات المثالية هذه على أساس اعتبارات إحصائية عامة. يتبع ذلك نتيجة مهمة: إذا كان غازان مختلفان (في أوعية مختلفة) في حالة توازن حراري مع بعضهما البعض ، فإن متوسط الطاقات الحركية لجزيئاتهما هو نفسه.

في الغازات ، عادة ما تكون المسافة بين الجزيئات والذرات أكبر بكثير من حجم الجزيئات نفسها ، وقوى التفاعل للجزيئات ليست كبيرة. نتيجة لذلك ، لا يكون للغاز شكله وحجمه الثابت. الغاز سهل الانضغاط ويمكن أن يتمدد إلى أجل غير مسمى. تتحرك جزيئات الغاز بحرية (يمكن أن تدور بشكل انتقالي) ، وتتصادم أحيانًا فقط مع الجزيئات الأخرى وجدران الوعاء الذي يوجد فيه الغاز ، وتتحرك بسرعات عالية جدًا.

حركة الجسيمات في المواد الصلبة

تختلف بنية المواد الصلبة اختلافًا جوهريًا عن بنية الغازات. في نفوسهم ، تكون المسافات بين الجزيئات صغيرة والطاقة الكامنة للجزيئات قابلة للمقارنة مع الطاقة الحركية. لا يمكن تسمية الذرات (أو الأيونات أو الجزيئات الكاملة) بأنها غير متحركة ، فهي تؤدي حركة تذبذبية عشوائية حول مواقعها الوسطى. كلما ارتفعت درجة الحرارة ، زادت طاقة التذبذبات ، وبالتالي متوسط سعة التذبذبات. تفسر الاهتزازات الحرارية للذرات أيضًا السعة الحرارية للمواد الصلبة. دعونا نفكر بمزيد من التفصيل في حركات الجسيمات في المواد الصلبة البلورية. البلورة بأكملها هي نظام تذبذب مقترن معقد للغاية. إن انحرافات الذرات عن المواضع المتوسطة صغيرة ، وبالتالي يمكننا أن نفترض أن الذرات تخضع لعمل قوى شبه مرنة تخضع لقانون هوك الخطي. تسمى هذه الأنظمة التذبذبية الخطية.

هناك نظرية رياضية مطورة للأنظمة الخاضعة للتذبذبات الخطية. إنه يثبت نظرية مهمة للغاية ، جوهرها كما يلي. إذا كان النظام ينفذ تذبذبات صغيرة (خطية) مترابطة ، فعند تحويل الإحداثيات يمكن تقليصه رسميًا إلى نظام من المذبذبات المستقلة (حيث لا تعتمد معادلات التذبذب على بعضها البعض). يتصرف نظام المذبذبات المستقلة مثل الغاز المثالي بمعنى أن ذرات الأخير يمكن اعتبارها مستقلة أيضًا.

باستخدام فكرة استقلال ذرات الغاز وصلنا إلى قانون بولتزمان. يوفر هذا الاستنتاج المهم للغاية أساسًا بسيطًا وموثوقًا لنظرية المواد الصلبة بأكملها.

قانون بولتزمان

يتم تحديد عدد المذبذبات ذات المعلمات المحددة (الإحداثيات والسرعات) بنفس طريقة تحديد عدد جزيئات الغاز في حالة معينة ، وفقًا للصيغة:

طاقة المذبذب.

لا توجد قيود على قانون بولتزمان (1) في نظرية الجسم الصلب ، ومع ذلك ، فإن الصيغة (2) لطاقة المذبذب مأخوذة من الميكانيكا الكلاسيكية. في الاعتبار النظري للمواد الصلبة ، من الضروري الاعتماد على ميكانيكا الكم ، والتي تتميز بتغير منفصل في طاقة المذبذب. يصبح تقديص طاقة المذبذب ضئيلًا فقط عند القيم العالية بما فيه الكفاية لطاقتها. هذا يعني أنه لا يمكن استخدام (2) إلا في درجات حرارة عالية بما فيه الكفاية. في درجات حرارة عالية من مادة صلبة ، قريبة من نقطة الانصهار ، يشير قانون بولتزمان إلى قانون التوزيع المنتظم للطاقة على درجات الحرية. إذا كان في الغازات لكل درجة من الحرية ، في المتوسط ، هناك كمية من الطاقة تساوي (1/2) كيلو طن ، فإن المذبذب لديه درجة واحدة من الحرية ، بالإضافة إلى الحركية ، لديه طاقة كامنة. لذلك ، درجة واحدة من الحرية في مادة صلبة عند درجة حرارة عالية بدرجة كافية لها طاقة تساوي kT. بناءً على هذا القانون ، ليس من الصعب حساب إجمالي الطاقة الداخلية لمادة صلبة ، وبعدها ، سعتها الحرارية. يحتوي الخلد الصلب على ذرات NA ، ولكل ذرة ثلاث درجات من الحرية. لذلك ، يحتوي الخلد على 3 مذبذبات NA. طاقة الخلد لجسم صلب

والقدرة الحرارية المولية لمادة صلبة عند درجات حرارة عالية بدرجة كافية

الخبرة تؤكد هذا القانون.

تحتل السوائل موقعًا وسيطًا بين الغازات والمواد الصلبة. لا تتباعد جزيئات السائل عبر مسافات طويلة ، ويحتفظ السائل في الظروف العادية بحجمه. ولكن على عكس المواد الصلبة ، لا تتذبذب الجزيئات فحسب ، بل تقفز أيضًا من مكان إلى آخر ، أي أنها تقوم بحركات حرة. عندما ترتفع درجة الحرارة ، تغلي السوائل (هناك ما يسمى نقطة الغليان) وتتحول إلى غاز. مع انخفاض درجة الحرارة ، تتبلور السوائل وتصبح صلبة. هناك نقطة في مجال درجة الحرارة تختفي عندها الحدود بين الغاز (البخار المشبع) والسائل (النقطة الحرجة). إن نمط الحركة الحرارية للجزيئات في السوائل بالقرب من درجة حرارة التصلب مشابه جدًا لسلوك الجزيئات في المواد الصلبة. على سبيل المثال ، معاملات السعة الحرارية هي نفسها تقريبًا. نظرًا لأن السعة الحرارية للمادة أثناء الانصهار تتغير قليلاً ، يمكن استنتاج أن طبيعة حركة الجسيمات في السائل قريبة من الحركة في مادة صلبة (عند درجة حرارة الانصهار). عند تسخينه ، تتغير خصائص السائل تدريجيًا ، ويصبح أشبه بالغاز. في السوائل ، يكون متوسط الطاقة الحركية للجسيمات أقل من الطاقة الكامنة لتفاعلها بين الجزيئات. تختلف طاقة التفاعل بين الجزيئات في السوائل والمواد الصلبة بشكل ضئيل. إذا قارنا حرارة الانصهار وحرارة التبخر ، فسنرى أنه أثناء الانتقال من حالة تجميع إلى أخرى ، تكون حرارة الانصهار أقل بكثير من حرارة التبخر. لا يمكن إعطاء وصف رياضي مناسب لهيكل السائل إلا بمساعدة الفيزياء الإحصائية. على سبيل المثال ، إذا كان السائل يتكون من جزيئات كروية متطابقة ، فيمكن وصف هيكلها من خلال دالة التوزيع الشعاعي g (r) ، والتي تعطي احتمال العثور على أي جزيء على مسافة r من المعطى ، المختار كنقطة مرجعية . تجريبيًا ، يمكن العثور على هذه الوظيفة من خلال دراسة حيود الأشعة السينية أو النيوترونات ؛ من الممكن إجراء محاكاة حاسوبية لهذه الوظيفة باستخدام ميكانيكا نيوتن.

تم تطوير النظرية الحركية للسائل بواسطة Ya.I. فرنكل. في هذه النظرية ، يعتبر السائل ، كما في حالة الجسم الصلب ، نظامًا ديناميكيًا للمذبذبات التوافقية. ولكن على عكس الجسم الصلب ، فإن موضع توازن الجزيئات في السائل يكون مؤقتًا. بعد التذبذب حول موضع واحد ، يقفز الجزيء السائل إلى موضع جديد يقع في الحي. تحدث هذه القفزة مع إنفاق الطاقة. يمكن حساب متوسط وقت "الحياة المستقرة" لجزيء سائل على النحو التالي:

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

حيث $ t_0 \ $ هي فترة التذبذب حول موضع توازن واحد. الطاقة التي يجب أن يتلقاها الجزيء من أجل الانتقال من موضع إلى آخر تسمى طاقة التنشيط W ، والوقت الذي يكون فيه الجزيء في وضع التوازن يسمى زمن "الحياة المستقرة" t.

بالنسبة لجزيء الماء ، على سبيل المثال ، في درجة حرارة الغرفة ، يُحدث جزيء واحد حوالي 100 اهتزاز ويقفز إلى موضع جديد. تعتبر قوى التجاذب بين جزيئات السائل كبيرة للحفاظ على الحجم ، ولكن الحياة المستقرة المحدودة للجزيئات تؤدي إلى ظهور ظاهرة مثل السيولة. أثناء تذبذبات الجسيمات بالقرب من وضع التوازن ، فإنها تتصادم باستمرار مع بعضها البعض ، لذلك ، حتى ضغط بسيط للسائل يؤدي إلى "تصلب" حاد في اصطدامات الجسيمات. هذا يعني زيادة حادة في ضغط السائل على جدران الوعاء الذي يتم ضغطه فيه.

مثال 1

المهمة: تحديد السعة الحرارية النوعية للنحاس. افترض أن درجة حرارة النحاس قريبة من نقطة الانصهار. (الكتلة المولية للنحاس $ \ mu = 63 \ cdot 10 ^ (- 3) \ frac (kg) (mol)) $

وفقًا لقانون Dulong and Petit ، فإن مولًا من المواد البسيطة كيميائيًا عند درجات حرارة قريبة من نقطة الانصهار له سعة حرارية:

السعة الحرارية النوعية للنحاس:

\ [C = \ frac (c) (\ mu) \ to C = \ frac (3R) (\ mu) \ left (1.2 \ right) ، \] \ [C = \ frac (3 \ cdot 8،31) (63 \ cdot 10 ^ (- 3)) = 0.39 \ cdot 10 ^ 3 (\ frac (J) (kgK)) \]

الإجابة: السعة الحرارية المحددة للنحاس هي 0.39 دولار \ cdot 10 ^ 3 \ left (\ frac (J) (kgK) \ right).

المهمة: اشرح بطريقة مبسطة من وجهة نظر الفيزياء عملية إذابة الملح (كلوريد الصوديوم) في الماء.

أسس نظرية الحلول الحديثة د. مندليف. وجد أنه أثناء الذوبان ، تحدث عمليتان في وقت واحد: فيزيائية - التوزيع المنتظم لجزيئات المادة المذابة في جميع أنحاء حجم المحلول ، والكيميائية - تفاعل المذيب مع المادة المذابة. نحن مهتمون بالعملية الفيزيائية. جزيئات الملح لا تدمر جزيئات الماء. في هذه الحالة ، سيكون من المستحيل تبخر الماء. إذا تم ربط جزيئات الملح بجزيئات الماء ، فسنحصل على مادة جديدة. ولا يمكن لجزيئات الملح اختراق جزيئات الماء.

تحدث الرابطة الأيونية ثنائية القطب بين Na و Cl- أيونات جزيئات الكلور والماء القطبي. اتضح أنه أقوى من الروابط الأيونية في جزيئات الملح. نتيجة لهذه العملية ، تضعف الرابطة بين الأيونات الموجودة على سطح بلورات كلوريد الصوديوم ، ويتم فصل أيونات الصوديوم والكلور عن البلورة ، وتتشكل جزيئات الماء حولها ما يسمى بقذائف الترطيب. يتم توزيع الأيونات المميهة المنفصلة تحت تأثير الحركة الحرارية بشكل موحد بين جزيئات المذيب.