هيكل الأجسام الغازية والسائلة والصلبة. هيكل السائل والغاز التركيب الجزيئي للسائل

تتيح النظرية الحركية الجزيئية فهم سبب وجود مادة ما في حالات غازية وسائلة وصلبة.

غاز.في الغازات ، تكون المسافة بين الذرات أو الجزيئات ، في المتوسط ​​، أكبر بعدة مرات من حجم الجزيئات نفسها (الشكل 10). على سبيل المثال ، عند الضغط الجوي ، يكون حجم الوعاء أكبر بعشرات الآلاف من المرات من حجم جزيئات الغاز في الوعاء.

يتم ضغط الغازات بسهولة ، لأنه عندما يتم ضغط الغاز ، يقل متوسط ​​المسافة بين الجزيئات فقط ، ولكن الجزيئات لا "تضغط" على بعضها البعض (الشكل 11).


الجزيئات ذات السرعات الهائلة - مئات الأمتار في الثانية - تتحرك في الفضاء. عند الاصطدام ، يرتد كل منهما الآخر في اتجاهات مختلفة مثل كرات البلياردو.
إن قوى الجذب الضعيفة لجزيئات الغاز غير قادرة على إبقائها بالقرب من بعضها البعض. لذلك ، يمكن أن تتمدد الغازات إلى أجل غير مسمى. لا يحتفظون بالشكل ولا الحجم.
تخلق التأثيرات العديدة للجزيئات على جدران الوعاء ضغط الغاز.

السوائل. في السوائل ، توجد الجزيئات بالقرب من بعضها البعض تقريبًا (الشكل 12). لذلك ، يتصرف الجزيء في السائل بشكل مختلف عنه في الغاز. يتم تثبيته ، كما هو الحال في الخلية ، بواسطة جزيئات أخرى ، وهو يؤدي "الجري في المكان" (يتأرجح حول موضع التوازن ، ويصطدم بالجزيئات المجاورة). من وقت لآخر فقط تقوم "بقفزة" ، مخترقة "قضبان القفص" ، لكنها تسقط بعد ذلك في "قفص" جديد شكله جيران جدد. إن وقت "الحياة المستقرة" لجزيء الماء ، أي وقت التذبذب حول موضع توازن معين ، عند درجة حرارة الغرفة هو في المتوسط ​​10-11 ثانية. وقت التذبذب الواحد أقصر بكثير (10-12-10-13 ثانية). مع ارتفاع درجة الحرارة ، تقل "الحياة المستقرة" للجزيئات. إن طبيعة الحركة الجزيئية في السوائل ، التي أسسها لأول مرة الفيزيائي السوفيتي Ya. I Frenkel ، تجعل من الممكن فهم الخصائص الأساسية للسوائل.

فرينكل ياكوف إيليتش (1894 - 1952) - عالم فيزيائي نظري سوفيتي بارز قدم مساهمة كبيرة في مختلف مجالات الفيزياء. Ya. I. Frenkel هو مؤلف النظرية الحديثة للحالة السائلة للمادة. وضع أسس نظرية المغناطيسية الحديدية. إن أعمال Ya. I. Frenkel حول كهرباء الغلاف الجوي وأصل المجال المغناطيسي للأرض معروفة على نطاق واسع. تم إنشاء أول نظرية كمية لانشطار نوى اليورانيوم بواسطة Ya. I Frenkel.

توجد الجزيئات السائلة بجوار بعضها البعض مباشرة. لذلك ، عندما تحاول تغيير حجم السائل حتى بكمية صغيرة ، يبدأ تشوه الجزيئات نفسها (الشكل 13). وهذا يتطلب الكثير من القوة. هذا ما يفسر انخفاض انضغاط السوائل.

السوائل ، كما تعلم ، سائلة ، أي أنها لا تحتفظ بشكلها. هذا يفسر كالتالي. إذا لم يتدفق السائل ، فإن قفز الجزيئات من موضع "ثابت" إلى آخر يحدث بنفس التردد ولكن في جميع الاتجاهات (الشكل 12). لا تغير القوة الخارجية بشكل ملحوظ عدد القفزات الجزيئية في الثانية ، ولكن تقفز الجزيئات من موضع "مستقر" إلى آخر يحدث غالبًا في اتجاه القوة الخارجية (الشكل 14). هذا هو السبب في أن السائل يتدفق ويأخذ شكل وعاء.
المواد الصلبة.تتذبذب ذرات أو جزيئات المواد الصلبة ، على عكس السوائل ، حول مواضع توازن معينة. صحيح أن الجزيئات في بعض الأحيان تغير موقع توازنها ، لكن هذا نادرًا ما يحدث. هذا هو السبب في أن المواد الصلبة لا تحتفظ بالحجم فحسب ، بل بالشكل أيضًا.


هناك فرق مهم آخر بين السوائل والمواد الصلبة. يمكن مقارنة السائل بحشد ، أفراده يدفعون بشكل غير مريح في مكانهم ، والجسم الصلب يشبه مجموعة رفيعة ، أعضاءها ، على الرغم من أنهم لا ينتبهون (بسبب الحركة الحرارية) ، يحافظون فترات معينة في المتوسط ​​فيما بينهم. إذا قمنا بتوصيل مراكز توازن الذرات أو أيونات الجسم الصلب ، فإننا نحصل على الشبكة المكانية الصحيحة ، والتي تسمى بلوري. يوضح الشكلان 15 و 16 المشابك البلورية لملح المائدة والماس. يؤدي الترتيب الداخلي في ترتيب ذرات البلورات إلى أشكال خارجية صحيحة هندسيًا. يوضح الشكل 17 ماس ياقوت.

التفسير النوعي للخصائص الأساسية للمادة على أساس النظرية الحركية الجزيئية ، كما رأيت ، ليس صعبًا بشكل خاص. ومع ذلك ، فإن النظرية التي تؤسس العلاقات الكمية بين الكميات المقاسة تجريبياً (الضغط ودرجة الحرارة وما إلى ذلك) وخصائص الجزيئات نفسها وعددها وسرعة حركتها معقدة للغاية. نحن نقتصر على دراسة نظرية الغازات.

1. تقديم أدلة على وجود حركة حرارية للجزيئات. 2. لماذا تكون الحركة البراونية ملحوظة فقط للجسيمات ذات الكتلة الصغيرة؟ 3. ما هي طبيعة القوى الجزيئية؟ 4. كيف تعتمد قوى التفاعل بين الجزيئات على المسافة بينها؟ 5. لماذا يلتصق اثنان من قضبان الرصاص مع قطع ناعمة ونظيفة معًا عند الضغط عليهما ببعضهما البعض؟ 6. ما هو الفرق بين الحركة الحرارية لجزيئات الغازات والسوائل والمواد الصلبة؟

الخصائص الفيزيائية الأساسية للسوائل والغازات.

المحاضرة 3

موضوع دراسة ميكانيكا الموائع والغاز هو الجسم المادي ، حيث يتغير الموضع النسبي لعناصره بمقدار كبير عند تطبيق قوى صغيرة بما فيه الكفاية للاتجاه المقابل. وبالتالي ، فإن الخاصية الرئيسية للجسم السائل (أو السائل ببساطة) هي سيولة.تمتلك خاصية السيولة كلا من السوائل المسقطة (في الواقع السوائل ، مثل ، على سبيل المثال ، الماء والبنزين والزيوت الصناعية) والغازات (الهواء والنيتروجين والهيدروجين وثاني أكسيد الكربون). سيتم تحديد اختلاف كبير في سلوك السوائل والغازات ، موضحًا من وجهة نظر التركيب الجزيئي ، من خلال وجود سطح حر في السائل المتساقط المجاور للغاز ، ووجود التوتر السطحي ، وإمكانية حدوث مرحلة الانتقال ، إلخ.

جميع الأجسام المادية ، بغض النظر عن حالة تجميعها: صلبة أو سائلة أو غازية ، لها بنية جزيئية (ذرية) داخلية ذات خاصية حرارية داخلية ، مجهريحركة الجزيئات. اعتمادًا على العلاقة الكمية بين الطاقة الحركية للحركة الجزيئية والطاقة الكامنة لتفاعل القوة بين الجزيئات ، تنشأ تراكيب جزيئية مختلفة وأنواع مختلفة من الحركة الداخلية للجزيئات.

في المواد الصلبةله أهمية قصوى طاقة التفاعل الجزيئيالجزيئات ، ونتيجة لذلك ، تحت تأثير قوى الالتصاق ، يتم ترتيب الجزيئات في شبكات بلورية منتظمة مع مواضع توازن مستقر عند عقد هذه الشبكة. الحركات الحرارية في مادة صلبة هي اهتزازات الجزيئات بالنسبة للعقد الشبكية بتردد حوالي 10 12 هرتز وسعة تتناسب مع المسافة بين العقد الشبكية.

على عكس الجسم الصلب ، غازاتلا توجد قوى تماسك بين الجزيئات. تقوم جزيئات الغاز بعمل حركات عشوائية ، ويتم تقليل تفاعلها إلى الاصطدامات فقط. في الفترات الفاصلة بين الاصطدامات ، يمكن إهمال التفاعل بين الجزيئات ، وهو ما يتوافق مع صغر الطاقة الكامنة لتفاعل القوة بين الجزيئات مقارنة بالطاقة الحركية لحركتها الفوضوية. يحدد متوسط ​​المسافة بين تصادمين متتاليين للجزيئات طول المسار الحر.إن متوسط ​​سرعة الحركة الحرارية للجزيئات يمكن مقارنته بسرعة انتشار الاضطرابات الصغيرة (سرعة الصوت) في حالة معينة من الغاز.

الأجسام السائلةمن حيث التركيب الجزيئي والحركة الحرارية ، تحتل الجزيئات حالة وسيطة بين الأجسام الصلبة والغازية. وفقًا لوجهات النظر الموجودة حول البعض ، وسط، يتم تجميع الجزيئات حسب الجزيئات المجاورة التي تؤدي اهتزازات صغيرة بتردد قريب من تردد اهتزازات الجزيئات في شعرية الجسم الصلب وسعة ترتيب متوسط ​​المسافة بين الجزيئات. الجزيء المركزي إما (عندما يكون السائل في حالة راحة) يظل غير متحرك أو يهاجر بسرعة تتطابق في القيمة والاتجاه مع متوسط ​​سرعة الحركة العيانية للسائل. في السائل ، الطاقة الكامنة لتفاعل الجزيئات قابلة للمقارنة بالترتيبمع الطاقة الحركية لحركتهم الحرارية. والدليل على وجود اهتزازات الجزيئات في السوائل هو "الحركة البراونية" لأصغر الجسيمات الصلبة التي يتم إدخالها في السائل. يمكن ملاحظة اهتزازات هذه الجسيمات بسهولة في مجال المجهر ويمكن اعتبارها نتيجة تصادم الجسيمات الصلبة مع الجزيئات السائلة. يحدد وجود التفاعل بين الجزيئات في السوائل وجود التوتر السطحي للسائل عند حدوده مع أي وسيط آخر ، مما يجبره على اتخاذ شكل يكون فيه سطحه ضئيلاً. عادة ما تكون الأحجام الصغيرة من السائل على شكل قطرة كروية. وبسبب هذا ، يتم استدعاء السوائل في المكونات الهيدروليكية تقطر.

وتجدر الإشارة إلى أن الحد الفاصل بين الأجسام الصلبة والسائلة ليس دائمًا محددًا بوضوح. وبالتالي ، عندما يتم تطبيق قوى كبيرة على سائل متساقط (على سبيل المثال ، نفاث سائل) ، مع وقت تفاعل قصير ، فإن الأخير يكتسب خصائص قريبة من خصائص مادة صلبة هشة. نفاثة من السائل عند ضغوط عالية أمام الحفرة لها خصائص قريبة من خصائص الجسم الصلب. لذلك ، عند ضغوط أكبر من 10 8 Pa ، تقوم طائرة مائية بقطع لوح فولاذي ؛ عند ضغط حوالي 5 10 7 Pa - يقطع الجرانيت ، عند ضغوط 1.5 10 7 - 2 10 7 Pa - يدمر الفحم. الضغط (1.5 - 2) · 10 6 باسكال كافٍ لتدمير أنواع مختلفة من التربة.

في ظل ظروف معينة ، قد تكون الحدود بين الأجسام السائلة والغازية غائبة أيضًا. تملأ الغازات الحجم الكامل المقدم لها ، ويمكن أن تختلف كثافتها على نطاق واسع اعتمادًا على القوى المطبقة. السوائل ، التي تملأ وعاء بحجم أكبر من حجم السائل ، تشكل سطحًا حرًا - السطح البيني بين السائل والغاز. في ظل الظروف العادية ، يعتمد حجم السائل قليلاً على القوى المطبقة عليه. بالقرب من الحالة الحرجة ، يصبح الفرق بين السائل والغاز بالكاد ملحوظًا. في الآونة الأخيرة ، ظهر مفهوم الحالة السائلة ، عندما يتم خلط جسيمات سائلة بأحجام عدة نانومترات بشكل موحد بشكل كافٍ مع بخارها. في هذه الحالة ، لا يوجد فرق بصري بين السائل والبخار.

يختلف البخار عن الغاز في أن حالته عندما تكون الحركة قريبة من التشبع. لذلك ، في ظل ظروف معينة ، يمكن أن يتكثف جزئيًا ويشكل وسيطًا من مرحلتين. مع التوسع السريع ، تتأخر عملية التكثيف ، وبعد ذلك ، عندما يتم الوصول إلى تبريد فائق معين ، فإنها تستمر مثل الانهيار الجليدي. في هذه الحالة ، يمكن أن تختلف قوانين تدفق البخار بشكل كبير عن قوانين تدفق السوائل والغازات.

ترجع خصائص المواد الصلبة والسوائل والغازات إلى اختلاف تركيبها الجزيئي . ومع ذلك ، فإن الفرضية الرئيسية لميكانيكا السوائل والغاز هي فرضية الاستمرارية ، والتي بموجبها يتم تمثيل السائل على أنه مادة موزعة باستمرار (سلسلة متصلة) تملأ الفراغات بدون فراغات.

بسبب الروابط الضعيفة بين جزيئات السوائل والغازات (وهذا هو سبب كونها سائلة) ، لا يمكن تطبيق قوة مركزة على أسطحها ، ولكن فقط حمولة موزعة. تتكون الحركة الموجهة للسائل من حركة عدد هائل من الجزيئات تتحرك بشكل عشوائي في جميع الاتجاهات بالنسبة لبعضها البعض. في ميكانيكا الموائع والغاز ، التي تدرس حركتها الاتجاهية ، يُفترض أن يكون توزيع جميع خصائص السوائل في الفضاء قيد الدراسة مستمرًا. يتم أخذ التركيب الجزيئي في الاعتبار فقط في الوصف الرياضي للخصائص الفيزيائية للسائل أو الغاز ، والذي تم إجراؤه عند النظر في عمليات النقل في الغازات.

يعتبر نموذج الوسيط المستمر مفيدًا جدًا في دراسة حركته ، حيث يسمح باستخدام جهاز رياضي متطور للوظائف المستمرة.

من الناحية الكمية ، يتم تعيين حدود قابلية تطبيق الجهاز الرياضي لميكانيكا الاستمرارية للغاز بواسطة قيمة معيار كنودسن - نسبة متوسط ​​المسار الحر لجزيئات الغاز لللحجم المميز للتدفق إل

اذا كان كن< 0.01 ، ثم يمكن اعتبار تدفق الغاز كتدفق متوسط ​​مستمر. عندما يتدفق وسيط مستمر حول سطح صلب ، تلتصق جزيئاته به (فرضية Prandtl بالالتصاق) ، وبالتالي فإن سرعة السائل على سطح المواد الصلبة دائمًا ما تكون مساوية لسرعة هذا السطح ، ودرجة حرارة السائل على الحائط يساوي درجة حرارة الحائط.

اذا كان كن> 0.01 ، ثم يتم النظر في حركة الغاز المتخلخل باستخدام الجهاز الرياضي للنظرية الحركية الجزيئية.

في الهندسة الميكانيكية ، قد لا تكون فرضية الاستمرارية صحيحة عند حساب تدفق سائل أو غاز في فجوات ضيقة. الجزيئات لها أبعاد 10-10 م ؛ عند فجوات تتراوح بين 10 و 9 أمتار ، وهي نموذجية لتكنولوجيا النانو ، يمكن ملاحظة انحرافات كبيرة في البيانات المحسوبة التي تم الحصول عليها باستخدام المعادلات المعتادة لديناميكيات الموائع

تجمع الحالة السائلة ، التي تشغل موقعًا وسيطًا بين الغازات والبلورات ، بعض ميزات كلتا الحالتين. على وجه الخصوص ، بالنسبة للسوائل ، وكذلك بالنسبة للأجسام البلورية ، فإن وجود حجم معين هو سمة مميزة ، وفي الوقت نفسه ، يأخذ السائل ، مثل الغاز ، شكل الوعاء الذي يوجد فيه. علاوة على ذلك ، تتميز الحالة البلورية بترتيب منظم للجسيمات (ذرات أو جزيئات) ؛ في الغازات ، بهذا المعنى ، تسود الفوضى الكاملة. وفقًا للدراسات الشعاعية ، فيما يتعلق بطبيعة ترتيب جزيئات السائل ، فإنها تحتل أيضًا موقعًا وسيطًا. يتم ملاحظة ما يسمى بالترتيب قصير المدى في ترتيب الجسيمات السائلة. هذا يعني أنه فيما يتعلق بأي جسيم ، يتم ترتيب موقع أقرب جيرانه. ومع ذلك ، عندما يتحرك المرء بعيدًا عن جسيم معين ، يصبح ترتيب الجسيمات الأخرى فيما يتعلق به أقل ترتيبًا ، وبسرعة يختفي الترتيب في ترتيب الجسيمات تمامًا. في البلورات ، يوجد ترتيب بعيد المدى: الترتيب المرتب للجسيمات فيما يتعلق بأي جسيم يتم ملاحظته ضمن حجم كبير.

إن وجود ترتيب قصير المدى في السوائل هو السبب في أن بنية السوائل تسمى شبه بلورية (تشبه الكريستال).

نظرًا لعدم وجود ترتيب بعيد المدى ، فإن السوائل ، مع استثناءات قليلة ، لا تُظهر تباين الخواص الذي يميز البلورات بترتيبها المنتظم للجسيمات. في السوائل ذات الجزيئات الممدودة ، يُلاحظ نفس اتجاه الجزيئات ضمن حجم كبير ، والذي يحدد تباين الخواص البصرية وبعض الخصائص الأخرى. تسمى هذه السوائل بالبلورات السائلة. لقد أمروا فقط بتوجيه الجزيئات ، بينما الترتيب المتبادل للجزيئات ، كما هو الحال في السوائل العادية ، لا يُظهر ترتيبًا بعيد المدى.

يرجع الوضع الوسيط للسوائل إلى حقيقة أن الحالة السائلة معقدة بشكل خاص في خصائصها. لذلك ، فإن نظريته أقل تطوراً بكثير من نظرية الحالات البلورية والغازية. حتى الآن ، لا توجد نظرية كاملة ومقبولة بشكل عام عن السوائل. مساهمات كبيرة في تطوير عدد من المشاكل في نظرية الحالة السائلة تنتمي إلى العالم السوفيتي Ya. I. Frenkel.

وفق. Frenkel ، الحركة الحرارية في السوائل لها الصفة التالية. يتأرجح كل جزيء حول موضع توازن معين لبعض الوقت. من وقت لآخر ، يغير الجزيء مكان توازنه ، ويقفز إلى موضع جديد ، مفصولًا عن الموضع السابق بمسافة ترتيب حجم الجزيئات نفسها. وبالتالي ، فإن الجزيئات تتحرك ببطء داخل السائل ، وتبقى جزءًا من الوقت بالقرب من أماكن معينة. وفقًا للتعبير المجازي لـ Ya. I. Frenkel ، تتجول الجزيئات في جميع أنحاء الحجم الكامل للسائل ، مما يؤدي إلى نمط حياة بدوي ، حيث يتم استبدال الرحلات القصيرة المدى بفترات طويلة نسبيًا من الحياة المستقرة. تختلف فترات هذه التوقفات اختلافًا كبيرًا وتتناوب بشكل عشوائي مع بعضها البعض ، ولكن تبين أن متوسط ​​مدة التذبذب حول نفس موضع التوازن قيمة معينة لكل سائل ، والتي تنخفض بشكل حاد مع زيادة درجة الحرارة. في هذا الصدد ، مع زيادة درجة الحرارة ، تزداد حركة الجزيئات بشكل كبير ، مما يؤدي بدوره إلى انخفاض لزوجة السوائل.

هناك مواد صلبة أقرب إلى السوائل من البلورات في كثير من النواحي. مثل هذه الأجسام ، التي تسمى غير متبلورة ، لا تظهر تباين الخواص. في ترتيب جسيماتها ، كما في السوائل ، يوجد ترتيب قصير المدى فقط. يحدث الانتقال من مادة صلبة غير متبلورة إلى سائل عند التسخين بشكل مستمر ، بينما يحدث الانتقال من بلورة إلى سائل بشكل مفاجئ (سيتم مناقشة المزيد حول هذا في الفقرة 125). كل هذا يعطي أسبابًا لاعتبار المواد الصلبة غير المتبلورة سوائل فائقة التبريد ، تكون جزيئاتها ، بسبب اللزوجة المتزايدة بشكل كبير ، محدودة الحركة.

الزجاج هو مثال نموذجي على مادة صلبة غير متبلورة. تشمل الأجسام غير المتبلورة أيضًا الراتنجات والقار وما إلى ذلك.

محتوى المقال

نظرية السوائل.يمكن لكل منا أن يتذكر بسهولة العديد من المواد التي يعتبرها سوائل. ومع ذلك ، ليس من السهل إعطاء تعريف دقيق لهذه الحالة من المادة ، لأن السوائل لها خصائص فيزيائية تشبه في بعض النواحي المواد الصلبة ، وفي حالات أخرى تشبه الغازات. يظهر التشابه بين السوائل والمواد الصلبة أكثر وضوحًا في المواد الزجاجية. يحدث انتقالها من الحالة الصلبة إلى السائلة مع زيادة درجة الحرارة تدريجياً ، وتصبح أكثر ليونة ونعومة ، لذلك من المستحيل تحديد نطاق درجة الحرارة التي يجب أن يطلق عليها المواد الصلبة ، وفي أي - السوائل. لا يسعنا إلا أن نقول إن لزوجة مادة زجاجية في الحالة السائلة أقل مما هي عليه في الحالة الصلبة. لذلك غالبًا ما يُشار إلى الزجاج الصلب على أنه سائل فائق التبريد.

على ما يبدو ، فإن الخاصية الأكثر تميزًا للسوائل ، والتي تميزها عن المواد الصلبة ، هي اللزوجة المنخفضة (السيولة العالية). بفضلها ، أخذوا شكل الإناء الذي يسكبون فيه. على المستوى الجزيئي ، تعني السيولة العالية حرية كبيرة نسبيًا لجزيئات السوائل. في هذا ، تشبه السوائل الغازات ، على الرغم من أن قوى التفاعل بين الجزيئات للسوائل أكبر ، فإن الجزيئات تكون أقرب وأكثر محدودية في حركتها.

يمكن تناول ما قيل بطريقة أخرى - من وجهة نظر فكرة النظام بعيد المدى وقصير المدى. يوجد ترتيب بعيد المدى في المواد الصلبة البلورية ، حيث يتم ترتيب ذراتها بطريقة منظمة بدقة ، وتشكيل هياكل ثلاثية الأبعاد يمكن الحصول عليها من خلال التكرار المتعدد لخلية الوحدة. يظهر مثال لترتيب طويل المدى ثنائي الأبعاد في الشكل. واحد، أ. لا يوجد ترتيب بعيد المدى في السائل والزجاج. هذا ، مع ذلك ، لا يعني أنه لم يتم طلبها على الإطلاق. يتميز السائل بنمط مشابه للنمط الموضح في الشكل. واحد، ب. عدد أقرب الجيران لجميع الذرات هو نفسه تقريبًا ، لكن ترتيب الذرات عند ابتعادها عن أي موضع محدد يصبح أكثر وأكثر فوضوية. وهكذا ، لا يوجد النظام إلا على مسافات صغيرة ، ومن هنا جاء الاسم: ترتيب قصير المدى. 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 بوظيفة التوزيع الشعاعي ز(ص) ، مما يعطي احتمالية الكشف عن أي جزيء على مسافة صمن المعطى المختار كنقطة مرجعية. تجريبيًا ، يمكن العثور على هذه الوظيفة من خلال دراسة حيود الأشعة السينية أو النيوترونات ، ومع ظهور أجهزة الكمبيوتر عالية السرعة ، بدأ حسابها عن طريق محاكاة الكمبيوتر ، بناءً على البيانات المتاحة حول طبيعة القوى المؤثرة بين الجزيئات ، أو على افتراضات حول هذه القوى ، وكذلك على قوانين ميكانيكا نيوتن. بمقارنة وظائف التوزيع الشعاعي التي تم الحصول عليها نظريًا وتجريبيًا ، يمكن للمرء التحقق من صحة الافتراضات حول طبيعة القوى بين الجزيئات.

في المواد العضوية ، التي يكون لجزيئاتها شكل ممدود ، في نطاق درجة حرارة واحد أو آخر ، توجد أحيانًا مناطق من الطور السائل بترتيب توجيهي بعيد المدى ، والتي تتجلى في ميل إلى المحاذاة المتوازية للمحاور الطويلة لـ الجزيئات. في هذه الحالة ، يمكن أن يكون الترتيب التوجيهي مصحوبًا بترتيب تنسيق للمراكز الجزيئية. يشار عادة إلى المراحل السائلة من هذا النوع بالبلورات السائلة ؛ المحاكاة الحاسوبية مفيدة جدًا أيضًا لفهم خصائصها الهيكلية.

في الغازات ، لا يوجد ترتيب في ترتيب الجزيئات. وبالتالي ، تحتل السوائل موقعًا وسيطًا بين المواد الصلبة والغازات البلورية ، أي بين الأنظمة الجزيئية مرتبة تمامًا والمضطربة تمامًا. هذا هو السبب في أن نظرية السوائل معقدة للغاية. أدناه ، سننظر في العلاقة بين المواد الصلبة والسوائل والغازات ، وكذلك بين الخصائص المختلفة للسوائل ، باستخدام نماذج جزيئية بسيطة.

القوى السائلة والغازية والجزيئية.

1 سم 3 من الغاز عند درجة حرارة 0 درجة مئوية والضغط العادي يحتوي على ما يقرب من 2.7 × 10 19 جزيء ، بحيث يكون متوسط ​​المسافة بينهما حوالي 30 × 10 -8 سم ، أو 30 درجة مئوية. نظرًا لأن قطر الجزيئات نفسها ليس سوى عدد قليل من الأنجسترومات ، فمن المنطقي أن نفترض أن التفاعل بين جزيئات الغاز دائمًا صغير بشكل مهم ، باستثناء لحظات تصادماتها. وهكذا ، نصل إلى نموذج للغاز ، حيث يتم تمثيل الجزيئات على شكل كرات تتحرك بشكل مستقل عن بعضها البعض ، وتتصادم مع بعضها البعض ومع جدران الوعاء الذي يحيط به الغاز. عند درجة حرارة 0 درجة مئوية ، تكون سرعة الجزيئات عدة مئات من الأمتار في الثانية ، ويؤدي اصطدامها بجدران الوعاء إلى حدوث ضغط ملحوظ. تعطي دراسة أكثر تفصيلاً لهذا النموذج العلاقة بين الضغط ص، الصوت الخامسودرجة الحرارة الديناميكية الحرارية تي (تي= ° C + 273)

(1)PV/تي= const (لكمية معينة من الغاز).

هذه العلاقة - ما يسمى بمعادلة الغاز المثالية للحالة - هي سجل معمم لقوانين بويل - ماريوت وجاي لوساك وتشارلز ، وقد وصف سلوك معظم الغازات بدقة جيدة. ستظل المعادلة (1) ثابتة دائمًا إذا ظل الغاز غازًا ، بغض النظر عن انخفاض درجة الحرارة أو زيادة الضغط. ومع ذلك ، فمن المعروف أن جميع الغازات يمكن تسييلها إذا تم ضغطها أو تبريدها بشكل كافٍ. لكل غاز هناك ما يسمى بالحرارة الحرجة تي ج، والتي تحتها يمكن دائمًا تسييلها عن طريق زيادة الضغط ؛ في الاعلى تي جلا يمكن تسييل الغاز تحت أي ظرف من الظروف. هذا يعني أن نموذجًا يتحرك بشكل مستقل للجزيئات في ظل ظروف تكون فيها درجة الحرارة أعلى تي ج، تقريبي فقط ، وأدناه تي جعند الضغط العالي والكثافة ، فإنه غير صحيح بشكل عام. وجود حالة سائلة أدناه تي جيقترح أن قوى الجذب تعمل بين الجزيئات ، لأنه بخلاف ذلك من المستحيل عمومًا فهم سبب بقائها قريبة من بعضها البعض. ومع ذلك ، بالإضافة إلى الجاذبية ، تتعرض الجزيئات أيضًا للتنافر المتبادل - فنحن مقتنعون بذلك عندما نحاول تقليل حجم السائل (أو الصلب). تعمل القوى الجاذبة على مسافات أكبر من قوى التنافر ، لكن كلاهما ذو طبيعة كهروستاتيكية.

إذا أدخلنا تصحيحات لتماسك الجزيئات وحجمها في نموذج الغاز المثالي ، فإننا نحصل على معادلة ، بشكل عام ، تختلف عن (1). إحدى هذه المعادلات ، مشتقة من قبل J. van der Waals ، لها الشكل

(2)(ص + أ/الخامس 2) (الخامس - ب)/تي= const.

هنا أو بهي ثوابت مميزة للغاز المعطى. تتنبأ هذه المعادلة أيضًا بوجود درجة حرارة حرجة تي جويصف نوعيا الانتقال الملحوظ بين المرحلتين الغازية والسائلة.

دعونا نفكر في بعض النتائج العملية للمعادلة (2). على التين. 2 عبارة عن مخطط لضغط الغاز مقابل الحجم. دع كمية من الغاز تشغل الحجم الخامس 1 في درجة الحرارة تي 1 والضغط صواحد . مع انخفاض الحجم ، يزداد الضغط وتتغير حالة الغاز: من النقطة أيذهب إلى النقطة ب. هنا ، يبدأ الغاز بالتكثف ، ولا يؤدي المزيد من الانخفاض في الحجم إلى تغيير الضغط. عند التحرك على طول خط مستقيم قبل الميلادكمية السائل تزداد حتى هذه النقطة جلن يتم تسييل الغاز بالكامل. يسمى الضغط الثابت المقابل لهذه العملية ضغط بخار التشبع عند درجة حرارة معينة. تيواحد . في جميع نقاط الجزء قبل الميلادهناك توازن (ديناميكي حراري) بين السائل والغاز. هذا يعني أن عدد الجزيئات التي تتبخر من سطح سائل في ثانية واحدة يساوي تمامًا عدد الجزيئات التي تتكاثف من بخار إلى سائل. لتقليل الحجم بشكل أكبر ، من الضروري إنشاء ضغط مرتفع جدًا للتغلب على قوى التنافر المتبادل للجزيئات السائلة. هذا الموقف يتوافق مع الخط العمودي قرص مضغوط. منحنى ا ب ت ثيسمى متساوي الحرارة لأن جميع نقاطه لها نفس درجة الحرارة. إذا تم إجراء نفس التجربة عند درجة حرارة أعلى ، فوفقًا لمعادلة فان دير فال ، سنحصل على متساوي الحرارة بنفس المسار ، فقط الجزء قبل الميلادسيصبح أقصر. أخيرًا ، عند درجة الحرارة الحرجة تي جيتم تقليص هذا الجزء بشكل عام إلى نقطة ذات إحداثيات تي جو كمبيوتر. في هذه المرحلة ، لا يمكن التمييز بين السائل والغاز. في درجات حرارة أعلى تي ج، تتحول معادلة فان دير فال (2) إلى المعادلة (1) (المنحنى المقابل لدرجة الحرارة تي 2 في الشكل. 2). يتم إعطاء قيم درجات الحرارة الحرجة والضغوط المقابلة لها في الجدول التالي:

التوتر السطحي.

كما رأينا ، فإن أخذ القوى بين الجزيئات في الاعتبار يجعل من الممكن شرح عملية تكثيف الغاز بشكل صحيح. دعونا نحاول الآن وصف بعض الخصائص الفيزيائية للسوائل ، مع مراعاة هذه القوى.

تخيل قطرة من الزئبق. يمكننا تسطيحها قليلاً بإصبعنا ، ولكن بمجرد إزالة الإصبع ، سوف تتجمع القطرة مرة أخرى في كرة. إنها تتصرف كما لو كانت ملفوفة في فيلم مرن. هذا هو مظهر من مظاهر تأثير التوتر السطحي. سوف تتضح طبيعتها إذا لجأنا إلى الشكل. 3. هنا أو ب- جزيئين من السائل ، الأول في الحجم ، والثاني على السطح. في كلتا الحالتين ، يتأثرون بقوى جذب من جزيئات أخرى ، ولكن فقط تلك الموجودة داخل كرة بقطر عدة أنغستروم ، لأن هذه القوى تتناقص بسرعة مع المسافة. لجزيء أتقع مثل هذه الكرة داخل المائع تمامًا ، لذا فإن محصلة كل القوى هي صفر. مركب ب، الموجودة على السطح ، سيتم سحبها إلى السائل ، نظرًا لأن القوى الجاذبة فقط من الجزيئات الموجودة في النصف السفلي من الكرة الأرضية تؤثر عليه. نفس القوى ، عمودية على السطح وموجهة داخل السائل ، تعمل على جميع الجزيئات القريبة من السطح ؛ أنها تخلق التوتر السطحي.

التوتر السطحي ستُعرَّف كميًا بأنها القوة المؤثرة لكل وحدة طول خط على سطح سائل. فكر في فيلم صابون ممتد فوق إطار رأسي من سلكين رفيعين توفالوو PQ(الشكل 4). الأسلاك PQغير ثابت ويمكن أن تتحرك بحرية. سوف يتحرك إلى أسفل تحت تأثير الجاذبية حتى يتم موازنة الأخير بالقوة بسبب التوتر السطحي. نظرًا لأن الفيلم يحتوي على سطحين ، فإن القوة المؤثرة على السلك هي 2 SL، أين إل- طول مقطع السلك PQعلى اتصال بالفيلم.

بسبب وجود التوتر السطحي ، فإن أي زيادة في مساحة سطح السائل ترتبط بتكاليف الطاقة. هذا هو السبب في أن القطرات السائلة الصغيرة تأخذ شكلًا كرويًا: تصبح نسبة مساحة سطحها إلى الحجم ضئيلة ، وبعد ذلك ، يتم أيضًا تقليل الطاقة الكامنة. قطرات كبيرة مشوهة تحت تأثير الجاذبية.

الظواهر الشعرية.

تفقد قطرة ماء على لوح زجاجي شكلها الكروي وتنتشر لتشكل غشاءً رقيقًا. يحدث هذا لأن قوى التماسك بين جزيئات الماء والزجاج تتجاوز القوى المتشابهة بين جزيئات الماء - الماء يبلل الزجاج. تظل قطرة من الزئبق على نفس اللوحة كروية: قوى التماسك بين جزيئات الزئبق أكبر من قوى التماسك بين جزيئات الزئبق والزجاج - الزئبق لا يبلل الزجاج. هذا ما يفسر ما يسمى بظاهرة الشعيرات الدموية التي لوحظت في أنبوب شعري زجاجي رفيع (الشكل 5). إذا قمت بخفض الشعيرات الدموية في وعاء به ماء ، فإن الماء سيرتفع من خلاله فوق مستوى الوعاء ، وسيكون سطحه (الغضروف المفصلي) مقعرًا. على العكس من ذلك ، سيكون مستوى الزئبق في نفس الشعيرات الدموية أقل من المستوى الموجود في الوعاء نفسه ، وسيكون الغضروف المفصلي محدبًا. نظرًا لأن الالتصاق بين جزيئات الماء والزجاج أقوى من الالتصاق بين جزيئات الماء نفسها ، فإن الماء "يتسلق" على طول جدران الشعيرات الدموية حتى يتم موازنة ضغط عمودها في الشعيرات الدموية بواسطة الضغط الناتج عن القوى بين الجزيئات. يتكون الغضروف المفصلي المقعر لأن جزيئات الماء بالقرب من جدران الشعيرات الدموية تتأثر بقوة غير صفرية موجهة نحو الجدار. بالنسبة للزئبق ، تنعكس الصورة.

سوائل الغليان.

عندما يغلي السائل في وعاء مفتوح ، يجب أن يكون الضغط داخل فقاعات البخار المتكونة في السائل مساويًا على الأقل للضغط الجوي - وإلا ستنهار الفقاعات ببساطة. لذلك ، عند نقطة الغليان ، يكون ضغط بخار السائل مساويًا للضغط الجوي. على ارتفاع عالٍ بدرجة كافية ، تكون درجة غليان السائل أقل من مستوى سطح البحر ، حيث يتناقص الضغط الجوي مع الارتفاع. وبالتالي ، فإن نقطة غليان الماء على ارتفاع 4000 متر هي فقط حوالي 85 درجة مئوية ، بينما عند مستوى سطح البحر تبلغ 100 درجة مئوية.

الغليان هو التبخر الشديد للسائل ، والذي لا يحدث فقط من السطح ، ولكن من خلال حجمه بالكامل ، داخل فقاعات البخار الناتجة. للانتقال من السائل إلى البخار ، يجب أن تكتسب الجزيئات الطاقة اللازمة للتغلب على القوى الجذابة التي تحتجزها في السائل. على سبيل المثال ، لتبخير 1 جرام من الماء عند درجة حرارة 100 درجة مئوية والضغط المقابل للضغط الجوي عند مستوى سطح البحر ، يلزم إنفاق 2258 جول ، منها 1880 تذهب لفصل الجزيئات عن السائل ، والباقي يذهب للعمل على زيادة الحجم الذي يشغله النظام ، ضد قوى الضغط الجوي (1 جم من بخار الماء عند 100 درجة مئوية والضغط العادي يحتل حجم 1.673 سم 3 ، بينما 1 جم من الماء في نفس الظروف 1.04 سم 3 فقط ).

عادة ما تكون نقطة غليان محلول مادة غير متطايرة أعلى من نقطة غليان مذيب نقي. نظرًا لأن السائل يغلي عندما يصبح ضغط بخاره مساويًا للضغط الجوي ، فإن هذا النمط يعني أن ضغط بخار محلول مادة غير متطايرة عند درجة حرارة معينة أقل من ضغط بخار مذيب نقي.

ترسيخ السوائل.

عادة ، عندما تتصلب السوائل ، ينخفض ​​حجمها إلى حد ما (بحوالي 10٪) ، على الرغم من وجود استثناءات لهذه القاعدة. على سبيل المثال ، الماء الغاليوم ويتمدد البزموت عند التصلب ، بحيث تطفو المادة الصلبة على سطح السائل. يمكن أن يُظهر سلوك السوائل بالقرب من درجة حرارة التجمد حالات شاذة أخرى ، على سبيل المثال ، عندما ترتفع درجة الحرارة في النطاق من 0 إلى 4 درجات مئوية ، يتقلص الماء. لشرح هذه الحقائق التجريبية ، دعونا أولاً نفكر في الانتقال من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة للمواد "العادية" ، مثل الألومنيوم. كما يوضح تحليل حيود الأشعة السينية ، يتبلور الألمنيوم بتكوين شبكة مكعبة محورها الوجه (الشكل 6) ، حيث تُحاط كل ذرة باثني عشر جيرانًا قريبين يقعون على مسافة 2.86 (2.86 × 10-8 سم) ) منه. إذا كانت الذرات تعتبر كرات ، فإن هذا الترتيب يتوافق مع أكثر حزمها كثافة (بنية "متماسكة"). في الألومنيوم السائل ، لا يوجد طلب طويل المدى ، ولكن لا يزال هناك بعض الطلبات قصيرة المدى. وفقًا لبيانات حيود الأشعة السينية ، فإن كل ذرة فيها محاطة بأقرب 10-11 جيران تقع على مسافة 2.96 منها ، أي هيكل الألومنيوم السائل بالقرب من درجة حرارة التجمد مشابه لهيكل الألومنيوم الصلب ، ولكنه أكثر "رخوًا" إلى حد ما. بالنسبة للماء والغاليوم والبزموت ، يتم ملاحظة الصورة المعاكسة: بالقرب من درجة حرارة التصلب ، يكون هيكلها أكثر "رخوًا" ليس في السائل ، ولكن في الحالة الصلبة. يجب البحث عن إجابة السؤال حول أسباب هذا الشذوذ في السمات الهيكلية لجزيئاتها والروابط بينها في حالات تجميعية مختلفة. ضع في اعتبارك ، على سبيل المثال ، الماء والثلج. كلاهما مبنيان من نفس الجزيئات ، والتي تتكون من أيونات أكسجين سالبة مؤينة مضاعفة (O 2–) واثنين من أيونات الهيدروجين المؤينة المفردة (H +). في جزيء الماء ، تشكل هذه الأيونات الثلاثة مثلثًا به بروتونان في القاعدة والأكسجين في الأعلى (على التوالي ، دائرتان صغيرتان ودائرة كبيرة واحدة في الشكل 7) ؛ الزاوية بين سندات O - H هي 104 درجة. في بنية الجليد ، يتم ترتيب جزيئات H 2 O بطريقة تجعل كل ذرة أكسجين محاطة بأربع ذرات هيدروجين تقع في رؤوس رباعي الوجوه. يوفر هذا أقصى كسب للطاقة بسبب التجاذب بين الأيونات الموجبة والسالبة ، لكن الهيكل يصبح أكثر مرونة. عندما يذوب الجليد ، يتم استبدال هذه التعبئة غير الاقتصادية لجزيئات H 2 O بالتدريج بحزمة أكثر كثافة ، وفي النطاق من 0 إلى 4 درجات مئوية ، يتناقص حجم المادة تدريجيًا. كما أن البنية الفضفاضة للغاليوم الصلب والبزموت ترجع أيضًا إلى خصائص التفاعلات بين الذرات ، لكن طبيعة هذه الروابط أكثر تعقيدًا من طبيعة الجليد.

ذوبان السوائل.

من المعروف أن الماء يذوب الكحول بأي كمية ، بينما لا يختلط بالزئبق والزيت إطلاقاً. وبالمثل ، يذيب البنزين الهيدروكربونات لكنه لا يذيب الماء. ما هو سبب هذه الظاهرة؟ هنا ، يمكن إعطاء إجابة عامة: تمتزج السوائل إذا كانت هياكلها الإلكترونية متشابهة ، والاختلافات في الهيكل الإلكتروني تجعل الخلط صعبًا. لتوضيح ما نعنيه بـ "البنية الإلكترونية" ، دعنا ننظر إلى الماء مرة أخرى. عندما يتشكل جزيء الماء ، يتم إعادة توزيع الشحنة بين الذرات المكونة له: تتبرع ذرات الهيدروجين بإلكترونات التكافؤ ، وتقبلها ذرة الأكسجين. وبالتالي ، فإن جزيء الماء له عزم ثنائي القطب غير صفري ، أي قطبي. وهذا ما يفسر ، على وجه الخصوص ، حقيقة أن الماء يحتوي على ثابت عازل عالي جدًا وأن الأملاح تذوب فيه جيدًا ، وتتفكك إلى أيونات. يعمل التفاعل ثنائي القطب - ثنائي القطب على تجميع جزيئات الماء معًا ، ونتيجة لذلك ترتفع نقطة غليانها. مثال آخر للسائل القطبي هو الكحول C 2 H 5 OH ؛ من السهل الامتزاج بالماء ، لأن العزم ثنائي القطب في جزيئاته يشبه العزم ثنائي القطب لجزيئات الماء.

إلى جانب السوائل القطبية ، التي ترتبط جزيئاتها ببعضها البعض إلى حد كبير ، هناك أيضًا سوائل غير قطبية ذات روابط جزيئية أضعف. مثال على هذه السوائل هو الهيدروكربونات - البنزين ، النفثالين ، إلخ. جزيئات هذه السوائل مبنية من ذرات الكربون والهيدروجين ، والتي تربط إلكترونات التكافؤ بها بدلاً من إعطائها أو إضافتها. يتضح الضعف النسبي للروابط بين جزيئات الهيدروكربون من خلال نقطة غليانها المنخفضة. بين السوائل ذات الخصائص القطبية المحددة بوضوح (الماء) والسوائل غير القطبية تمامًا (الهيدروكربونات) ، هناك مجموعة كاملة من فئات السوائل ، لذلك ليس من الممكن دائمًا أن نقول مسبقًا ما إذا كان سائلين معينين سيمتزجان أم لا. لكن في معظم الحالات ، يتم اتباع القاعدة التي تمت صياغتها في بداية القسم.

بالإضافة إلى الهيكل الإلكتروني ، يمكن أن يعتمد اختلاط السوائل بشكل كبير على حجم الجزيئات ، وكذلك على درجة الحرارة. على سبيل المثال ، النيكوتين قابل للامتزاج بالماء بأي نسبة تقل عن 60 درجة مئوية وما فوق 208 درجة مئوية ؛ في درجات الحرارة المتوسطة ، تكون الذوبان المتبادل للنيكوتين والماء محدودة للغاية.

التنافذ.

في عام 1748 ، اكتشف J.Nollet أن بعض الخلايا النباتية تتقلص في محلول ملحي مركز - يتركها الماء عبر غشاء الخلية. إذا تم نقل نفس الخلايا إلى الماء ، فإنها تنتفخ وتستعيد حجمها. تسمى حركة المادة (الانتشار) من خلال قسم شبه منفذ يفصل بين محلول ومذيب نقي أو محلولين بتركيزات مختلفة بالتناضح. يمكن تفسير هذه الظاهرة بحقيقة أن جزيئات المذيب ، كقاعدة عامة ، أصغر من جزيئات المذاب ، وبالتالي فهي تمر بسهولة أكبر عبر المسام الموجودة في الحاجز. نظرًا لأن عدد جزيئات المذيب في محلول مخفف (أو مذيب نقي) أكبر منه في محلول مركز ، يحدث نقل انتشار هذه الجزيئات باتجاه الأخير.

السوائل والمواد الصلبة.

تحدثنا سابقًا عن علاقة السوائل بأبخرتها بالقرب من درجة الحرارة الحرجة تي ج. توجد علاقات مماثلة بين السوائل والمواد الصلبة - على الأقل بالقرب من نقطة الانصهار تم.

عادة ، عندما تذوب مادة صلبة ، يزداد حجمها بحوالي 10٪ ، أي متوسط ​​المسافة بين الجزيئات المجاورة في الحالة الصلبة والسائلة هو نفسه تقريبًا. لا يختلف التماسك بين الذرات أو الجزيئات في الحالة الصلبة والسائلة كثيرًا ، ويمكن اعتبار ليونة المواد الصلبة مماثلة لسيولة السوائل. وبالتالي ، من حيث الخواص الفيزيائية ، فإن المواد الصلبة والسوائل لا تختلف جذريًا كما يبدو. وفقًا لذلك ، هناك نوعان من نظريات الحالة السائلة: يعتمد بعضها على أفكار نظرية الحالة الصلبة الحديثة ، والبعض الآخر يعتمد على أفكار مستعارة من نظرية الغازات. نظريات النوع الأول أكثر ملاءمة بالقرب من نقطة الانصهار تموالثاني - بالقرب من النقطة الحرجة تي ج.

معادن سائلة.

تتغير العديد من الخصائص الفيزيائية للمعادن الصلبة قليلاً عند الذوبان. في هذا الصدد ، يتم تطوير نظريات أكثر عمومية يتم فيها اعتبار خصائص المعادن السائلة والصلبة من وجهة نظر موحدة. في هذه النظريات ، يلعب العامل الهيكلي الذي يحدده الترتيب المتبادل للذرات دورًا مهمًا. اتضح أنه نظرًا للاهتزازات القوية نسبيًا لذرات مادة صلبة عند درجات حرارة مرتفعة ، فإن عامل التركيب للمادة الصلبة بالقرب من نقطة الانصهار لا يختلف كثيرًا عن عامل السائل. تستخدم المعادن ذات نقطة الانصهار المنخفضة ، مثل الصوديوم ، كمبردات في المفاعلات النووية في محطات الطاقة النووية.

يحدد جاذبية وتنافر الجسيمات ترتيبها المتبادل في المادة. وتعتمد خصائص المواد بشكل كبير على موقع الجزيئات. لذلك ، بالنظر إلى الماس الشفاف شديد الصلابة (اللامع) (الشكل 111 ، أ) والجرافيت الأسود الناعم (الشكل 111 ، ب) (صنعت قضبان القلم الرصاص منه) ، فإننا لا نخمن أن كلتا المادتين تتكونان تمامًا من نفس ذرات الكربون. كل ما في الأمر أن هذه الذرات مرتبة في الجرافيت بشكل مختلف عن الألماس.

أرز. 111

لاحظ أن الأشكال لا تظهر الذرات نفسها ، ولكن نماذجها - كرات ، وفي الواقع لا توجد قضبان أو أسلاك توصيل بينها. هذا تمثيل تقليدي لترتيب الذرات في المادة.

يؤدي تفاعل جسيمات المادة إلى حقيقة أنها يمكن أن تكون في ثلاث حالات: صلبة وسائلة وغازية. على سبيل المثال ، الجليد والماء والبخار (الشكل 112). يمكن أن تكون أي مادة في ثلاث حالات ، ولكن هناك حاجة لشروط معينة لهذا: الضغط ودرجة الحرارة. على سبيل المثال ، الأكسجين الموجود في الهواء عبارة عن غاز ، ولكن عندما يتم تبريده إلى أقل من -193 درجة مئوية ، فإنه يتحول إلى سائل ، وعند درجة حرارة تصل إلى -219 درجة مئوية ، يصبح الأكسجين مادة صلبة. الحديد عند الضغط العادي ودرجة حرارة الغرفة في حالة صلبة. عند درجات حرارة تزيد عن 1539 درجة مئوية ، يصبح الحديد سائلًا ، وعند درجات حرارة أعلى من 3050 درجة مئوية ، يصبح غازيًا. يصبح الزئبق السائل المستخدم في موازين الحرارة الطبية صلبًا عند تبريده إلى درجات حرارة أقل من -39 درجة مئوية. عند درجات حرارة أعلى من 357 درجة مئوية ، يتحول الزئبق إلى بخار (غاز).

أرز. 112

تحويل الفضة المعدنية إلى غاز ، يتم رشها على الزجاج والحصول على نظارات "مرآة".

ما هي خصائص المواد في الدول المختلفة؟

لنبدأ بالغازات ، حيث يشبه سلوك الجزيئات (الشكل 113) حركة النحل في سرب. ومع ذلك ، فإن النحل الموجود في السرب يغير اتجاه الحركة بشكل مستقل ولا يصطدم ببعضه البعض. في الوقت نفسه ، بالنسبة لجزيئات الغاز ، فإن مثل هذه الاصطدامات ليست حتمية فحسب ، بل تحدث بشكل مستمر تقريبًا. نتيجة للتصادم ، تتغير اتجاهات وقيم سرعات الجزيئات.

أرز. 113

نتيجة هذه الحركة وعدم وجود تفاعل الجسيمات في الحركة هو ذلك لا يحتفظ الغاز بالحجم أو الشكل، ولكنها تحتل الحجم الكامل المقدم لها. سوف يعتبر كل واحد منكم العبارات "يشغل الهواء نصف حجم الغرفة" و "لقد قمت بضخ الهواء إلى ثلثي حجم الكرة المطاطية" على أنها عبثية محضة. يشغل الهواء ، مثل أي غاز ، الحجم الكامل للغرفة وحجم الكرة بالكامل.

ما هي خواص السوائل؟ لنقم بتجربة.

أرز. 114

صب الماء من الدورق 1 في الدورق 2. لقد تغير شكل السائل، لكن الصوتماء بقيت على حالها(الشكل 114). لم تنتشر الجزيئات في جميع أنحاء الحجم ، كما هو الحال مع الغاز. هذا يعني أن الجاذبية المتبادلة للجزيئات السائلة موجودة ، لكنها لا تحمل بشكل صارم الجزيئات المجاورة. إنها تتأرجح وتقفز من مكان إلى آخر (الشكل 115) ، وهو ما يفسر سيولة السوائل.

الشكل 115

الأقوى هو تفاعل الجسيمات في مادة صلبة. لا يسمح للجسيمات بالانتشار. تؤدي الجسيمات فقط حركات تذبذبية فوضوية حول مواضع معينة (الشكل 116). لهذا المواد الصلبة تحتفظ بالحجم والشكل. ستحتفظ الكرة المطاطية بشكل الكرة وحجمها أينما وُضعت: في وعاء أو على طاولة أو ما إلى ذلك.

أرز. 116

فكر ثم اجب

1. ما هي الخصائص الرئيسية للغاز؟
2. لماذا السائل لا يحتفظ بشكله؟
3. ما هو الفرق بين الحالة الصلبة للمادة والسائلة والغازية؟
4. هل تختلف جزيئات الماء عن جزيئات الجليد؟
5. أي من المواد التالية في الظروف العادية (في درجة حرارة الغرفة والضغط العادي) في حالة غازية ، وفي حالة سائلة أو صلبة: القصدير ، والبنزين ، والأكسجين ، والحديد ، والزئبق ، والهواء ، والزجاج ، والبلاستيك؟
6. هل يمكن أن يكون الزئبق في حالة صلبة وهواء في حالة سائلة؟ في ظل ظروف ما؟

الواجب المنزلي

1. املأ زجاجة بلاستيكية (0.5 لتر) إلى الأعلى بالماء وأغلق الغطاء بإحكام. جرب عصر الماء في زجاجة. ثم اسكب الماء وأغلق الزجاجة مرة أخرى. الآن قم بضغط الهواء فيه. بناءً على نتائج التجربة ، عبر عن فرضية حول بنية الغازات والسوائل.
2. منافسة المهام: ضع جدولًا تقارن فيه طبيعة الحركة ، وتفاعل الجسيمات ، بالإضافة إلى خصائص المادة في الحالات الغازية والصلبة والسائلة. سيكون الفائز في المسابقة هو الشخص الذي يحتوي جدوله على المعلومات الأكثر اكتمالا وصحة.

دعنا نكرر الشيء الرئيسي في الدراسة

• تتكون جميع المواد من جسيمات فردية (ذرات ، جزيئات) ، بينها مسافات.
• جزيئات المادة تتحرك بشكل مستمر وعشوائي.
• سرعة حركة الجسيمات أكبر ، كلما ارتفعت درجة حرارة الجسم.
• الانتشار هو ظاهرة الاختراق المتبادل للمواد في بعضها البعض. ينتشر الانتشار بسرعة خاصة في الغازات ، وبطء أبطأ في السوائل ، وببطء شديد في المواد الصلبة. مع زيادة درجة الحرارة ، يستمر الانتشار بشكل أسرع.
• على مسافات أكبر من حجم الجسيمات نفسها ، يسود جاذبية الجسيمات. على مسافات أصغر من حجم الجسيمات نفسها ، هناك تنافر. يضعف جاذبية الجسيمات بسرعة كبيرة عندما تبتعد عن بعضها البعض.
• يسمى التغيير في حجم الجسم عند تسخينه بالتمدد الحراري.
• يختلف التمدد الحراري للمواد الصلبة والسائلة المختلفة ، وجميع الغازات متشابهة.