Движение на молекули в газове, течности и твърди вещества. Твърди, течни, газообразни - как се движат молекулите

В газовете разстоянието между молекулите и атомите обикновено е много по-голямо от размера на молекулите и силите на привличане са много малки. Следователно газовете нямат собствена форма и постоянен обем. Газовете лесно се компресират, тъй като силите на отблъскване на големи разстояния също са малки. Газовете имат свойството да се разширяват неограничено, запълвайки целия предоставен им обем. Молекулите на газа се движат с много високи скорости, сблъскват се една с друга, отскачат една от друга в различни посоки. Многобройните удари на молекули върху стените на съда създават налягане на газа.

Движение на молекули в течности

В течностите молекулите не само осцилират около равновесното положение, но и скачат от едно равновесно положение в следващо. Тези скокове се случват периодично. Интервалът от време между такива скокове се нарича средно време на уседнал живот(или средно време за релаксация) и се обозначава с буквата ?. С други думи, времето на релаксация е времето на колебания около едно конкретно равновесно положение. При стайна температура това време е средно 10 -11 s. Времето на едно трептене е 10 -12 ... 10 -13 s.

Времето на уседнал живот намалява с повишаване на температурата. Разстоянието между течните молекули е по-малко от размера на молекулите, частиците са близо една до друга и междумолекулното привличане е голямо. Подреждането на течните молекули обаче не е строго подредено в целия обем.

Течностите, както и твърдите вещества, запазват обема си, но нямат собствена форма. Следователно те приемат формата на съда, в който се намират. Течността има свойството течливост. Поради това свойство течността не се съпротивлява на промяна във формата, тя се компресира малко и нейните физически свойства са еднакви във всички посоки вътре в течността (изотропия на течности). За първи път природата на движението на молекулите в течности е установена от съветския физик Яков Илич Френкел (1894 - 1952).

Движение на молекули в твърди тела

Молекулите и атомите на твърдото тяло са подредени в определен ред и форма кристална решетка. Такива твърди вещества се наричат кристални. Атомите се колебаят около равновесното положение и привличането между тях е много силно. Следователно твърдите тела при нормални условия запазват обем и имат собствена форма.

Движение на молекулите в газовете

Основни положения на молекулярната кинетична теория (експериментално обосноваване)

В основата молекулярно-кинетична теорияСтруктурата на материята се намира в три позиции:

1. Всички тела се състоят от частици (атоми, молекули, йони и др.);

2. Частиците непрекъснато се движат произволно;

3. Частиците взаимодействат една с друга.

22)Брауново движение- хаотично движение на микроскопични, видими, суспендирани в течност (или газ) частици от твърдо вещество (прахови частици, частици от растителен прашец и т.н.), причинено от топлинното движение на частици от течност (или газ). Не бива да се бъркат понятията „брауново движение“ и „топлинно движение“: брауновото движение е следствие и доказателство за съществуването на топлинно движение.

23) къртица(Руско обозначение: къртица; международен: мол) е мерна единица за количество вещество в Международната система единици (SI), една от седемте основни единици SI.

Молът е приет като единица SI от XIV Генерална конференция по мерки и теглилки през 1971 г. Точната дефиниция на бенка е формулирана, както следва:

Един мол е количеството вещество в система, съдържаща толкова структурни елементи, колкото има атоми във въглерод-12 с маса 0,012 kg. Когато се използва мол, структурните елементи трябва да бъдат посочени и могат да бъдат атоми, молекули, йони, електрони и други частици или определени групи от частици.

Числото на Авогадро, Константа на Авогадро- физическа константа, числено равна на броя на определени структурни единици (атоми, молекули, йони, електрони или всякакви други частици) в 1 мол вещество. Дефинира се като броя на атомите в 12 грама (точно) от чистия изотоп въглерод-12. Обикновено се нарича нА, по-рядко като Л .

н A = 6,022 141 29(27) 10 23 mol −1.

В газовете разстоянието между молекулите и атомите обикновено е много по-голямо от размера на молекулите и притегателни силимного малък. Следователно газовете нямат собствена форма и постоянен обем. Газовете лесно се компресират, тъй като силите на отблъскване на големи разстояния също са малки. Газовете имат свойството да се разширяват неограничено, запълвайки целия предоставен им обем. Молекулите на газа се движат с много високи скорости, сблъскват се една с друга, отскачат една от друга в различни посоки. Многобройните удари на молекули върху стените на съда създават налягане на газа.

Времето на уседнал живот намалява с повишаване на температурата. Разстоянието между течните молекули е по-малко от размера на молекулите, частиците са разположени близо една до друга и междумолекулно привличанестрахотен. Подреждането на течните молекули обаче не е строго подредено в целия обем.

Топлинното равновесие е състояние на термодинамична система, в което тя преминава спонтанно след достатъчно дълъг период от време при условия на изолация от околната среда.

Температурата е физична величина, която характеризира средната кинетична енергия на частиците на макроскопична система в състояние на термодинамично равновесие. В равновесно състояние температурата има еднаква стойност за всички макроскопични части на системата.

Градус по Целзии(символ: °C) е обща единица за температура, използвана в Международната система от единици (SI) заедно с келвин.

Живачен медицински термометър

Механичен термометър

Градусът Целзий е кръстен на шведския учен Андерс Целзий, който през 1742 г. предлага нова скала за измерване на температурата. Нула по скалата на Целзий беше точката на топене на леда, а 100° беше точката на кипене на водата при стандартно атмосферно налягане. (Първоначално Целзий взе температурата на топене на леда като 100 °, а точката на кипене на водата като 0 °. И едва по-късно неговият съвременник Карл Линей „преобърна” тази скала). Тази скала е линейна в диапазона 0-100° и също продължава линейно в областта под 0° и над 100°. Линейността е основен проблем при точните температурни измервания. Достатъчно е да споменем, че класическият термометър, напълнен с вода, не може да бъде маркиран за температури под 4 градуса по Целзий, тъй като в този диапазон водата започва да се разширява отново.

Първоначалната дефиниция на градуса по Целзий зависеше от дефиницията на стандартното атмосферно налягане, тъй като както точката на кипене на водата, така и точката на топене на леда зависят от налягането. Това не е много удобно за стандартизиране на мерната единица. Следователно, след приемането на келвин K като основна единица за температура, дефиницията на градуса по Целзий беше преразгледана.

Според съвременната дефиниция градус по Целзий е равен на един келвин K, а нулата на скалата по Целзий е настроена така, че температурата на тройната точка на водата да е 0,01 °C. В резултат на това скалите на Целзий и Келвин се изместват с 273,15:

26)Идеален газ- математически модел на газ, в който се приема, че потенциалната енергия на взаимодействието на молекулите може да бъде пренебрегната в сравнение с тяхната кинетична енергия. Между молекулите няма сили на привличане или отблъскване, сблъсъците на частиците помежду си и със стените на съда са абсолютно еластични, а времето на взаимодействие между молекулите е пренебрежимо малко в сравнение със средното време между сблъсъци.

, където ке константата на Болцман (отношението на универсалната газова константа Рдо числото на Авогадро N A), аз- броя на степените на свобода на молекулите (в повечето задачи за идеални газове, където се приема, че молекулите са сфери с малък радиус, чийто физически аналог могат да бъдат инертни газове), и Tе абсолютната температура.

Основното уравнение на MKT свързва макроскопичните параметри (налягане, обем, температура) на газовата система с микроскопичните (молекулна маса, средна скорост на движението им).

Кинетична енергия на молекула

В газ молекулите извършват свободно (изолирано от други молекули) движение, само от време на време се сблъскват една с друга или със стените на съда. Докато молекулата е в свободно движение, тя има само кинетична енергия. По време на сблъсъка молекулите имат и потенциална енергия. По този начин общата енергия на газа е сумата от кинетичната и потенциалната енергия на неговите молекули. Колкото по-разреден е газът, толкова повече молекули във всеки момент са в състояние на свободно движение, притежавайки само кинетична енергия. Следователно, когато газът е разреден, делът на потенциалната енергия намалява в сравнение с кинетичната енергия.

СреденКинетичната енергия на една молекула в равновесие на идеален газ има една много важна характеристика: в смес от различни газове средната кинетична енергия на една молекула за различните компоненти на сместа е една и съща.

Например въздухът е смес от газове. Средната енергия на една въздушна молекула за всички нейни компоненти при нормални условия, когато въздухът все още може да се счита за идеален газ, е една и съща. Това свойство на идеалните газове може да се докаже въз основа на общи статистически съображения. От това следва важно следствие: ако два различни газа (в различни съдове) са в топлинно равновесие един с друг, тогава средните кинетични енергии на техните молекули са еднакви.

В газовете разстоянието между молекулите и атомите обикновено е много по-голямо от размера на самите молекули, силите на взаимодействие на молекулите не са големи. В резултат на това газът няма собствена форма и постоянен обем. Газът е лесно свиваем и може да се разширява неограничено. Молекулите на газа се движат свободно (транслационно, те могат да се въртят), само от време на време се сблъскват с други молекули и стените на съда, в който се намира газът, и се движат с много високи скорости.

Движение на частици в твърди тела

Структурата на твърдите тела е коренно различна от структурата на газовете. При тях междумолекулните разстояния са малки и потенциалната енергия на молекулите е сравнима с кинетичната. Атомите (или йоните, или цели молекули) не могат да бъдат наречени неподвижни, те извършват произволно осцилаторно движение около средните си позиции. Колкото по-висока е температурата, толкова по-голяма е енергията на трептенията, а оттам и средната амплитуда на трептенията. Топлинните вибрации на атомите също обясняват топлинния капацитет на твърдите тела. Нека разгледаме по-подробно движенията на частиците в кристални твърди тела. Целият кристал като цяло е много сложна свързана осцилаторна система. Отклоненията на атомите от средните позиции са малки, поради което можем да приемем, че атомите са подложени на действието на квазиеластични сили, подчиняващи се на линейния закон на Хук. Такива колебателни системи се наричат линейни.

Има развита математическа теория на системите, подложени на линейни трептения. Той доказва една много важна теорема, чиято същност е следната. Ако системата извършва малки (линейни) взаимосвързани трептения, тогава чрез трансформиране на координатите тя може формално да се сведе до система от независими осцилатори (за които уравненията на трептенията не зависят едно от друго). Системата от независими осцилатори се държи като идеален газ в смисъл, че атомите на последния също могат да се считат за независими.

Използвайки идеята за независимостта на газовите атоми, стигаме до закона на Болцман. Това много важно заключение осигурява проста и надеждна основа за цялата теория на твърдите тела.

Закон на Болцман

Броят на осцилаторите с дадени параметри (координати и скорости) се определя по същия начин, както броят на газовите молекули в дадено състояние, по формулата:

Осцилаторна енергия.

Законът на Болцман (1) в теорията на твърдото тяло няма ограничения, но формула (2) за енергията на осцилатор е взета от класическата механика. При теоретичното разглеждане на твърдите тела е необходимо да се разчита на квантовата механика, която се характеризира с дискретна промяна в енергията на осцилатор. Дискретността на енергията на осцилатора става незначителна само при достатъчно високи стойности на неговата енергия. Това означава, че (2) може да се използва само при достатъчно високи температури. При високи температури на твърдо вещество, близки до точката на топене, законът на Болцман предполага закона за равномерно разпределение на енергията по степени на свобода. Ако в газовете за всяка степен на свобода средно има количество енергия, равно на (1/2) kT, тогава осцилаторът има една степен на свобода, в допълнение към кинетичната, има потенциална енергия. Следователно една степен на свобода в твърдо тяло при достатъчно висока температура има енергия, равна на kT. Въз основа на този закон не е трудно да се изчисли общата вътрешна енергия на твърдото тяло, а след това и неговият топлинен капацитет. Един мол твърдо вещество съдържа NA атоми и всеки атом има три степени на свобода. Следователно молът съдържа 3 NA осцилатора. Молна енергия на твърдо тяло

и моларния топлинен капацитет на твърдо вещество при достатъчно високи температури

Опитът потвърждава този закон.

Течностите заемат междинно положение между газовете и твърдите вещества. Молекулите на течността не се разминават на дълги разстояния и течността при нормални условия запазва обема си. Но за разлика от твърдите тела, молекулите не само осцилират, но и скачат от място на място, тоест правят свободни движения. Когато температурата се повиши, течностите кипят (има т.нар. точка на кипене) и се превръщат в газ. Когато температурата спадне, течностите кристализират и стават твърди. В температурното поле има точка, в която границата между газ (наситена пара) и течност изчезва (критична точка). Моделът на топлинно движение на молекулите в течности близо до температурата на втвърдяване е много подобен на поведението на молекулите в твърдите вещества. Например, коефициентите на топлинен капацитет са почти еднакви. Тъй като топлинният капацитет на веществото по време на топене се променя леко, може да се заключи, че естеството на движението на частиците в течност е близко до движението в твърдо вещество (при температурата на топене). При нагряване свойствата на течността постепенно се променят и тя става по-скоро като газ. В течностите средната кинетична енергия на частиците е по-малка от потенциалната енергия на тяхното междумолекулно взаимодействие. Енергията на междумолекулно взаимодействие в течности и твърди вещества се различава незначително. Ако сравним топлината на топене и топлината на изпарение, ще видим, че по време на прехода от едно състояние на агрегиране в друго, топлината на топене е значително по-ниска от топлината на изпарение. Адекватно математическо описание на структурата на течност може да се даде само с помощта на статистическата физика. Например, ако една течност се състои от еднакви сферични молекули, тогава нейната структура може да се опише чрез функцията на радиално разпределение g(r), която дава вероятността да се намери всяка молекула на разстояние r от дадената, избрана като референтна точка . Експериментално тази функция може да бъде открита чрез изучаване на дифракцията на рентгенови лъчи или неутрони; възможно е да се проведат компютърни симулации на тази функция с помощта на Нютонова механика.

Кинетичната теория на течността е разработена от Ya.I. Френкел. В тази теория течността се разглежда, както в случая на твърдо тяло, като динамична система от хармонични осцилатори. Но за разлика от твърдото тяло, равновесното положение на молекулите в течността е временно. След като осцилира около една позиция, течната молекула скача на нова позиция, разположена в съседство. Такъв скок се получава с разхода на енергия. Средното време на "утаен живот" на течна молекула може да се изчисли като:

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

където $t_0\ $ е периодът на трептене около едно равновесно положение. Енергията, която една молекула трябва да получи, за да се премести от една позиция в друга, се нарича енергия на активиране W, а времето, през което молекулата е в равновесно положение, се нарича време на „установен живот“ t.

За една водна молекула, например, при стайна температура, една молекула прави около 100 вибрации и скача на нова позиция. Силите на привличане между молекулите на течността са големи за поддържане на обема, но ограниченият заседнал живот на молекулите води до появата на такова явление като течливост. По време на трептенията на частиците близо до равновесното положение те непрекъснато се сблъскват една с друга, следователно дори малкото компресиране на течността води до рязко "втвърдяване" на сблъсъците на частици. Това означава рязко увеличаване на налягането на течността върху стените на съда, в който тя е компресирана.

Пример 1

Задача: Определете специфичния топлинен капацитет на медта. Да приемем, че температурата на медта е близо до точката на топене. (Моларна маса на мед $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(kg)(mol))$

Съгласно закона на Дюлонг и Пети, мол от химически прости вещества при температури, близки до точката на топене, има топлинен капацитет:

Специфичен топлинен капацитет на медта:

\[C=\frac(c)(\mu )\to C=\frac(3R)(\mu )\left(1.2\right),\] \[C=\frac(3\cdot 8,31) (63\cdot 10^(-3))=0,39\ \cdot 10^3(\frac(J)(kgK))\]

Отговор: Специфичният топлинен капацитет на медта е $0,39\ \cdot 10^3\left(\frac(J)(kgK)\right).$

Задача: Обяснете по опростен начин от гледна точка на физиката процеса на разтваряне на сол (NaCl) във вода.

Основата на съвременната теория на решенията е създадена от D.I. Менделеев. Той установи, че по време на разтварянето протичат едновременно два процеса: физически - равномерното разпределение на частиците от разтвореното вещество в целия обем на разтвора и химичен - взаимодействието на разтворителя с разтвореното вещество. Ние се интересуваме от физическия процес. Молекулите на солта не разрушават водните молекули. В този случай би било невъзможно водата да се изпари. Ако молекулите на солта бяха прикрепени към молекулите на водата, ще получим някакво ново вещество. А молекулите на солта не могат да проникнат във водните молекули.

Възниква йон-диполна връзка между Na+ и Cl- йоните на хлора и полярните водни молекули. Оказва се, че е по-силна от йонните връзки в молекулите на солта. В резултат на този процес връзката между йоните, разположени на повърхността на кристалите NaCl, се отслабва, натриевите и хлорните йони се отделят от кристала, а водните молекули образуват около тях така наречените хидратационни обвивки. Отделените хидратирани йони под въздействието на топлинно движение се разпределят равномерно между молекулите на разтворителя.