Harakati za molekuli katika gesi, kioevu na yabisi. Imara, kioevu, gesi - jinsi molekuli zinavyosonga

Katika gesi, umbali kati ya molekuli na atomi kawaida ni kubwa zaidi kuliko saizi ya molekuli, na nguvu zinazovutia ni ndogo sana. Kwa hiyo, gesi hazina sura yao wenyewe na kiasi cha mara kwa mara. Gesi hubanwa kwa urahisi kwa sababu nguvu za kurudisha nyuma umbali mkubwa pia ni ndogo. Gesi zina mali ya kupanua kwa muda usiojulikana, kujaza kiasi chote kilichotolewa kwao. Molekuli za gesi husogea kwa kasi ya juu sana, hugongana, na kurukana ndani pande tofauti. Athari nyingi za molekuli kwenye kuta za chombo huunda shinikizo la gesi.

Harakati za molekuli katika kioevu

Katika vimiminika, molekuli sio tu huzunguka kwenye nafasi ya usawa, lakini pia hufanya kuruka kutoka nafasi moja ya usawa hadi nyingine. Kuruka hizi hutokea mara kwa mara. Muda wa muda kati ya kuruka vile huitwa wastani wa muda wa kuishi maisha(au wastani wa muda wa kupumzika) na imeteuliwa na barua? Kwa maneno mengine, wakati wa kupumzika ni wakati wa oscillations karibu na nafasi moja maalum ya usawa. Kwa joto la kawaida wakati huu wastani wa 10 -11 s. Wakati wa oscillation moja ni 10 -12 ... 10 -13 s.

Wakati wa maisha ya kukaa hupungua kwa kuongezeka kwa joto. Umbali kati ya molekuli kioevu ukubwa mdogo molekuli, chembe ziko karibu na kila mmoja, na kivutio cha intermolecular ni nguvu. Walakini, mpangilio wa molekuli za kioevu haujaamriwa madhubuti kwa kiasi.

Vimiminika, kama vile vitu vikali, huhifadhi kiasi chao, lakini hazina umbo lao. Kwa hiyo, wanachukua sura ya chombo ambacho wanapatikana. Kioevu kina mali zifuatazo: majimaji. Shukrani kwa mali hii, kioevu haina kupinga kubadilisha sura, ni compressed kidogo, na yake mali za kimwili kufanana kwa pande zote ndani ya kioevu (isotropi ya vinywaji). Asili ya mwendo wa Masi katika vinywaji ilianzishwa kwanza na mwanafizikia wa Soviet Yakov Ilyich Frenkel (1894 - 1952).

Mwendo wa molekuli katika yabisi

Molekuli na atomi za kitu kigumu hupangwa kwa mpangilio na umbo fulani kimiani kioo . Mango kama hayo huitwa fuwele. Atomi hufanya harakati za vibrational karibu na nafasi ya usawa, na mvuto kati yao ni nguvu sana. Kwa hivyo, yabisi ndani hali ya kawaida kuhifadhi kiasi na kuwa na sura yao wenyewe.

Harakati za molekuli katika gesi

Masharti ya Msingi ya Nadharia ya Kinetiki ya Molekuli ( Uthibitisho wa Majaribio)

Katika msingi nadharia ya kinetic ya molekuli Muundo wa maada uko katika nafasi tatu:

1. Miili yote inajumuisha chembe (atomi, molekuli, ioni, nk);

2. Chembe huendelea kusonga kwa machafuko;

3. Chembe huingiliana.

22)Mwendo wa Brownian- harakati ya nasibu ya microscopic, chembe zinazoonekana za suala imara kusimamishwa katika kioevu (au gesi) (nafaka za vumbi, chembe za poleni ya mimea, nk), husababishwa na harakati ya joto ya chembe za kioevu (au gesi). Dhana hazipaswi kuchanganyikiwa Mwendo wa Brownian" na "mwendo wa joto": Mwendo wa Brownian ni tokeo na ushahidi wa kuwepo kwa mwendo wa joto.

23) Mole (Jina la Kirusi: mole; kimataifa: mol) - kitengo cha kipimo cha kiasi cha dutu ndani Mfumo wa kimataifa vitengo (SI), moja ya vitengo saba vya msingi vya SI.

Mole ilipitishwa kama kitengo cha SI na Mkutano Mkuu wa XIV wa Uzito na Vipimo mnamo 1971. Ufafanuzi sahihi Sala hiyo imeandaliwa kama ifuatavyo:

Mole ni kiasi cha dutu katika mfumo ulio na idadi sawa ya vipengele vya kimuundo kama kuna atomi katika kaboni-12 yenye uzito wa kilo 0.012. Wakati wa kutumia mole vipengele vya muundo lazima ibainishwe na inaweza kuwa atomi, molekuli, ayoni, elektroni na chembe nyingine au makundi maalum ya chembe.

Nambari ya jina la Avogadro, Avogadro ya mara kwa mara- kimwili mara kwa mara, kwa nambari sawa na idadi ya maalum vitengo vya miundo(atomi, molekuli, ayoni, elektroni au chembe nyingine yoyote) katika mole 1 ya dutu. Inafafanuliwa kama idadi ya atomi katika gramu 12 (haswa) ya isotopu safi ya kaboni-12. Kawaida huonyeshwa kama N A, mara chache zaidi kama L .

N A = 6.022 141 29(27) 10 23 mol -1.

Katika gesi, umbali kati ya molekuli na atomi kawaida ni kubwa zaidi kuliko saizi ya molekuli. mvuto ndogo sana. Kwa hiyo, gesi hazina sura yao wenyewe na kiasi cha mara kwa mara. Gesi hubanwa kwa urahisi kwa sababu nguvu za kurudisha nyuma umbali mkubwa pia ni ndogo. Gesi zina mali ya kupanua kwa muda usiojulikana, kujaza kiasi chote kilichotolewa kwao. Molekuli za gesi husogea kwa kasi ya juu sana, hugongana, na kurukana katika pande tofauti. Athari nyingi za molekuli kwenye kuta za chombo huunda shinikizo la gesi.

Wakati wa maisha ya kukaa hupungua kwa kuongezeka kwa joto. Umbali kati ya molekuli za kioevu ni chini ya saizi ya molekuli, chembe ziko karibu na kila mmoja. kivutio cha intermolecular kubwa. Walakini, mpangilio wa molekuli za kioevu haujaamriwa madhubuti kwa kiasi.

Vimiminika, kama vile vitu vikali, huhifadhi kiasi chao, lakini hazina umbo lao. Kwa hiyo, wanachukua sura ya chombo ambacho wanapatikana. Kioevu kina mali zifuatazo: majimaji. Shukrani kwa mali hii, kioevu haipinga kubadilisha sura, imesisitizwa kidogo, na mali yake ya kimwili ni sawa katika pande zote ndani ya kioevu (isotropy ya liquids). Asili ya mwendo wa Masi katika vinywaji ilianzishwa kwanza na mwanafizikia wa Soviet Yakov Ilyich Frenkel (1894 - 1952).

Molekuli na atomi za kitu kigumu hupangwa kwa mpangilio na umbo fulani kimiani kioo. Mango kama hayo huitwa fuwele. Atomi hufanya harakati za vibrational karibu na nafasi ya usawa, na mvuto kati yao ni nguvu sana. Kwa hiyo, imara chini ya hali ya kawaida huhifadhi kiasi chao na kuwa na sura yao wenyewe.

Usawa wa joto ni hali ya mfumo wa thermodynamic ambao hupita kwa hiari baada ya muda mrefu wa kutosha chini ya hali ya kutengwa na mazingira.

Joto - wingi wa kimwili, inayoonyesha wastani wa nishati ya kinetic ya chembe za mfumo wa macroscopic katika hali ya usawa wa thermodynamic. Katika hali ya usawa, hali ya joto ina thamani sawa kwa sehemu zote za macroscopic za mfumo.

Shahada ya Selsiasi(maalum: °C) ni kitengo cha halijoto kinachotumiwa sana, kinachotumiwa katika Mfumo wa Kimataifa wa Vitengo (SI) pamoja na kelvin.

Kipimajoto cha matibabu cha Mercury

Thermometer ya mitambo

Shahada ya Selsiasi imepewa jina la mwanasayansi wa Uswidi Anders Celsius, ambaye alipendekeza kipimo kipya cha kupima joto mnamo 1742. Kiwango myeyuko cha barafu kilichukuliwa kama sifuri kwenye kipimo cha Selsiasi, na kiwango cha kuchemsha cha maji kwa shinikizo la angahewa la kawaida kama 100°. (Hapo awali, Selsiasi ilichukua joto la kuyeyuka la barafu kama 100 °, na joto la maji linalochemka kuwa 0 °. Na baadaye tu Carl Linnaeus wa wakati huo "aligeuza" kiwango hiki). Mizani hii ni ya mstari katika safu ya 0-100 ° na pia inaendelea kwa mstari katika eneo chini ya 0 ° na zaidi ya 100 °. Linearity ni suala kuu katika vipimo sahihi vya joto. Inatosha kutaja kwamba thermometer ya classic iliyojaa maji haiwezi kuashiria kwa joto chini ya digrii 4 za Celsius, kwa kuwa katika safu hii maji huanza kupanua tena.

Ufafanuzi asili wa digrii Celsius ulitegemea ufafanuzi wa kiwango shinikizo la anga, kwa sababu kiwango cha kuchemsha cha maji na joto la barafu hutegemea shinikizo. Hii sio rahisi sana kwa kusawazisha kitengo cha kipimo. Kwa hivyo, baada ya kupitishwa kwa Kelvin K kama kitengo cha msingi cha joto, ufafanuzi wa digrii Celsius ulirekebishwa.

Kulingana na ufafanuzi wa kisasa, digrii Selsiasi ni sawa na kelvin K moja, na sifuri ya kipimo cha Selsiasi imewekwa ili halijoto ya sehemu tatu ya maji iwe 0.01 °C. Kama matokeo, mizani ya Celsius na Kelvin hubadilishwa na 273.15:

26)Gesi bora - mfano wa hisabati gesi, ambamo inadhaniwa kuwa nishati ya mwingiliano inayoweza kutokea ya molekuli inaweza kupuuzwa ikilinganishwa na nishati yao ya kinetic. Hakuna nguvu za kuvutia au kukataa kati ya molekuli, migongano ya chembe kwa kila mmoja na kwa kuta za chombo ni elastic kabisa, na muda wa mwingiliano kati ya molekuli ni mdogo ikilinganishwa na muda wa wastani kati ya migongano.

, Wapi k ni Boltzmann mara kwa mara(uwiano wa mara kwa mara wa gesi ya ulimwengu wote R kwa nambari ya Avogadro N A), i- idadi ya digrii za uhuru wa molekuli (katika shida nyingi kuhusu gesi bora, ambapo molekuli huchukuliwa kuwa nyanja za radius ndogo, analog ya kimwili ambayo inaweza kuwa gesi ya inert), na T- joto kabisa.

Equation ya msingi ya MKT inahusiana na vigezo vya macroscopic (shinikizo, kiasi, joto) mfumo wa gesi na microscopic (wingi wa molekuli, kasi ya wastani harakati zao).

Nishati ya kinetic ya molekuli

Katika gesi, molekuli huenda kwa uhuru (iliyotengwa na molekuli nyingine), mara kwa mara tu hugongana na kila mmoja au kwa kuta za chombo. Kwa muda mrefu kama molekuli inasonga kwa uhuru, ina tu nishati ya kinetic. Wakati wa mgongano, molekuli pia hupata nishati inayoweza kutokea. Hivyo, jumla ya nishati gesi inawakilisha jumla ya nishati ya kinetic na uwezo wa molekuli zake. Kadiri gesi inavyozidi kuwa nadra, ndivyo molekuli zaidi katika kila wakati wa wakati ziko katika hali ya harakati za bure, zikiwa na nishati ya kinetic tu. Kwa hiyo, wakati gesi ni rarefied, uwiano nishati inayowezekana ikilinganishwa na kinetic.

Wastani nishati ya kinetic ya molekuli katika usawa wa gesi bora ina moja sana kipengele muhimu: katika mchanganyiko wa gesi mbalimbali, wastani wa nishati ya kinetiki ya molekuli vipengele mbalimbali mchanganyiko ni sawa.

Kwa mfano, hewa ni mchanganyiko wa gesi. Wastani wa nishati molekuli za hewa kwa vipengele vyake vyote wakati hali ya kawaida, wakati hewa bado inaweza kuchukuliwa kuwa gesi bora, ni sawa. Mali hii gesi bora inaweza kuthibitishwa kwa misingi ya masuala ya jumla ya takwimu. Suluhisho muhimu linafuata kutoka kwa hili: ikiwa gesi mbili tofauti (katika vyombo tofauti) ziko ndani usawa wa joto na kila mmoja, basi wastani wa nishati ya kinetic ya molekuli zao ni sawa.

Katika gesi, umbali kati ya molekuli na atomi kawaida ni kubwa zaidi kuliko saizi ya molekuli zenyewe; Matokeo yake, gesi haina sura yake na kiasi cha mara kwa mara. Gesi inabanwa kwa urahisi na inaweza kupanuka bila kikomo. Molekuli za gesi huenda kwa uhuru (kitafsiri, zinaweza kuzunguka), wakati mwingine tu hugongana na molekuli nyingine na kuta za chombo ambacho gesi iko, na huenda kwa kasi ya juu sana.

Mwendo wa chembe katika yabisi

Muundo wa yabisi kimsingi ni tofauti na muundo wa gesi. Ndani yao, umbali wa intermolecular ni ndogo na nishati inayowezekana ya molekuli inalinganishwa na nishati ya kinetic. Atomu (au ioni, au molekuli nzima) haziwezi kuitwa zisizo na mwendo; mwendo wa oscillatory karibu na nafasi za kati. Joto la juu, nishati kubwa ya oscillation, na kwa hiyo amplitude wastani wa oscillations. Mitetemo ya joto ya atomi pia inaelezea uwezo wa joto wa vitu vikali. Wacha tuchunguze kwa undani zaidi mienendo ya chembe katika vitu vikali vya fuwele. Kioo kizima kwa ujumla ni mfumo mgumu sana uliounganishwa wa oscillatory. Mikengeuko ya atomi kutoka nafasi zao za wastani ni ndogo, na kwa hivyo tunaweza kudhani kuwa atomi ziko chini ya hatua ya nguvu za nusu-elastiki ambazo zinatii sheria ya mstari ya Hooke. Mifumo kama hiyo ya oscillatory inaitwa linear.

Kuna maendeleo nadharia ya hisabati mifumo chini ya oscillations linear. Inathibitisha nadharia muhimu sana, ambayo kiini chake ni kama ifuatavyo. Ikiwa mfumo hufanya oscillations ndogo (linear) iliyounganishwa, basi kwa kubadilisha kuratibu inaweza kupunguzwa rasmi kwa mfumo wa oscillators huru (ambao oscillation equations haitegemei kila mmoja). Mfumo wa oscillators huru hufanya kama gesi bora kwa maana kwamba atomi za mwisho pia zinaweza kuchukuliwa kuwa huru.

Ni kwa kutumia wazo la uhuru wa atomi za gesi ndipo tunafika katika sheria ya Boltzmann. Hitimisho hili muhimu sana hutoa msingi rahisi na wa kuaminika kwa nadharia nzima ya vitu vikali.

Sheria ya Boltzmann

Idadi ya oscillator zilizo na vigezo vilivyopewa (kuratibu na kasi) imedhamiriwa kwa njia sawa na idadi ya molekuli za gesi katika hali fulani, kulingana na formula:

Nishati ya oscillator.

Sheria ya Boltzmann (1) katika nadharia ya miili imara haina vikwazo, lakini formula (2) ya nishati ya oscillator inachukuliwa kutoka kwa mechanics ya classical. Wakati wa kuzingatia miili imara kinadharia, mtu lazima ategemee mechanics ya quantum, ambayo ina sifa ya mabadiliko tofauti katika nishati ya oscillator. Uwazi wa nishati ya oscillator inakuwa isiyo na maana tu wakati kuna kutosha maadili ya juu nishati yake. Hii ina maana kwamba (2) inaweza tu kutumika kwa joto la juu vya kutosha. Katika halijoto ya juu ya kingo, karibu na kiwango cha kuyeyuka, sheria ya usambazaji sawa wa nishati juu ya digrii za uhuru hufuata kutoka kwa sheria ya Boltzmann. Ikiwa katika gesi kwa kila shahada ya uhuru kuna wastani wa kiasi cha nishati sawa na (1/2) kT, basi oscillator ina shahada moja ya uhuru, pamoja na kinetic moja, na nishati inayowezekana. Kwa hivyo, kwa kiwango kimoja cha uhuru katika mwili imara ikiwa inatosha joto la juu kuna nishati sawa na kT. Kulingana na sheria hii, si vigumu kuhesabu jumla nishati ya ndani ya mwili imara, na baada yake uwezo wake wa joto. Mole ya kitu kigumu ina atomi za NA, na kila chembe ina digrii tatu za uhuru. Kwa hiyo, mole ina oscillators 3 NA. Nishati ya mole ya imara

A uwezo wa joto wa molar imara kwa joto la juu vya kutosha

Uzoefu unathibitisha sheria hii.

Liquids huchukua nafasi ya kati kati ya gesi na yabisi. Molekuli za kioevu hazitawanyiki kwa umbali mrefu, na kioevu chini ya hali ya kawaida huhifadhi kiasi chake. Lakini tofauti na mango, molekuli sio tu kutetemeka, lakini pia kuruka kutoka mahali hadi mahali, ambayo ni, hufanya harakati za bure. Joto linapoongezeka, vinywaji huchemka (kuna kinachojulikana kama kiwango cha kuchemsha) na kugeuka kuwa gesi. Kadiri halijoto inavyopungua, vimiminika humeta na kuwa yabisi. Kuna hatua katika uwanja wa joto ambapo mpaka kati ya gesi ( mvuke ulijaa kioevu hupotea ( hatua muhimu) Muundo wa mwendo wa joto wa molekuli katika vimiminika karibu na halijoto ya ugandishaji ni sawa na tabia ya molekuli katika vitu vikali. Kwa mfano, mgawo wa uwezo wa joto ni sawa kabisa. Kwa kuwa uwezo wa joto wa dutu hubadilika kidogo wakati wa kuyeyuka, tunaweza kuhitimisha kuwa asili ya harakati ya chembe kwenye kioevu iko karibu na harakati katika ngumu (kwa joto la kuyeyuka). Inapokanzwa, mali ya kioevu hubadilika polepole, na inakuwa zaidi kama gesi. Katika vimiminiko, wastani wa nishati ya kinetiki ya chembe ni chini ya uwezo wao wa nishati mwingiliano kati ya molekuli. Nishati ya mwingiliano kati ya molekuli katika kioevu na yabisi hutofautiana kidogo. Ikiwa tunalinganisha joto la fusion na joto la uvukizi, tutaona kwamba wakati wa kusonga kutoka kwa moja hali ya mkusanyiko kwa upande mwingine, joto la fusion ni chini sana kuliko joto la mvuke. Inatosha maelezo ya hisabati muundo wa kioevu unaweza kutolewa tu kwa kutumia fizikia ya takwimu. Kwa mfano, ikiwa kioevu kina molekuli za duara zinazofanana, basi muundo wake unaweza kuelezewa na kazi ya kukokotoa ya msambao wa radial g(r), ambayo inatoa uwezekano wa kugundua molekuli yoyote kwa umbali r kutoka kwa ile iliyotolewa iliyochaguliwa kama sehemu ya marejeleo. Chaguo hili la kukokotoa linaweza kupatikana kwa majaribio kwa kusoma utofautishaji eksirei au neutroni, mtu anaweza kutekeleza uundaji wa kompyuta kazi hii kwa kutumia mechanics ya Newton.

Nadharia ya kinetic ya kioevu ilitengenezwa na Ya.I. Frenkel. Katika nadharia hii, kioevu kinazingatiwa, kama ilivyo kwa ngumu, kama mfumo wa nguvu oscillators kwa usawa. Lakini tofauti na mwili imara, nafasi ya usawa ya molekuli katika kioevu ni ya muda mfupi. Baada ya kuzunguka kwenye nafasi moja, molekuli ya kioevu inaruka kwenye nafasi mpya iko karibu. Kuruka vile hutokea kwa matumizi ya nishati. Wakati wa wastani wa "maisha yaliyotulia" ya molekuli ya kioevu inaweza kuhesabiwa kama:

\[\kushoto\lango t\kulia\rangle =t_0e^(\frac(W)(kT))\kushoto(5\kulia),\]

ambapo $t_0\ $ ni kipindi cha oscillations karibu na nafasi moja ya usawa. Nishati ambayo molekuli inapaswa kupokea ili kusonga kutoka nafasi moja hadi nyingine inaitwa nishati ya uanzishaji W, na wakati molekuli iko katika nafasi ya usawa inaitwa "maisha yaliyotulia" wakati t.

Kwa molekuli ya maji, kwa mfano, kwenye joto la kawaida, molekuli moja inakabiliwa na vibrations 100 na kuruka kwenye nafasi mpya. Nguvu za kivutio kati ya molekuli za kioevu ni nguvu ili kiasi kidumishwe, lakini maisha mafupi ya kukaa chini ya molekuli husababisha kuibuka kwa jambo kama vile maji. Wakati wa oscillations ya chembe karibu na nafasi ya usawa, wao huendelea kugongana na kila mmoja, hivyo hata ukandamizaji mdogo wa kioevu husababisha "ugumu" mkali wa migongano ya chembe. Hii inamaanisha kuongezeka kwa kasi kwa shinikizo la kioevu kwenye kuta za chombo ambacho kinasisitizwa.

Mfano 1

Kazi: Tambua uwezo maalum wa joto wa shaba. Fikiria kuwa joto la shaba liko karibu na kiwango cha kuyeyuka. ( Masi ya Molar shaba $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(kg)(mol))$

Kulingana na sheria ya Dulong na Petit, fuko ni kemikali vitu rahisi kwa joto karibu na kiwango cha kuyeyuka, ina uwezo wa joto:

Uwezo maalum wa joto wa shaba:

\[С=\frac(с)(\mu )\to С=\frac(3R)(\mu )\kushoto(1.2\kulia),\] \[С=\frac(3\cdot 8.31) (63) \cdoti 10^(-3))=0.39\ \cdot 10^3(\frac(J)(kgK))\]

Jibu: Joto maalum shaba $0.39\ \cdot 10^3\left(\frac(J)(kgK)\kulia).$

Kazi: Eleza kwa njia iliyorahisishwa kutoka kwa mtazamo wa fizikia mchakato wa kuyeyusha chumvi (NaCl) katika maji.

Msingi nadharia ya kisasa suluhisho ziliundwa na D.I. Mendeleev. Alianzisha kwamba wakati wa kufutwa, michakato miwili hutokea wakati huo huo: kimwili - usambazaji sare wa chembe za solute katika kiasi kizima cha ufumbuzi, na kemikali - mwingiliano wa kutengenezea na solute. Tunavutiwa na mchakato wa kimwili. Molekuli za chumvi haziharibu molekuli za maji. Katika kesi hii, haiwezekani kuyeyusha maji. Ikiwa molekuli za chumvi zilijiunga na molekuli za maji, tungepata dutu mpya. Na molekuli za chumvi haziwezi kupenya ndani ya molekuli.

Kati ya Na+ ions na Cl-- klorini na molekuli za maji ya polar huunda dhamana ya ion-dipole. Inageuka kuwa na nguvu zaidi kuliko vifungo vya ionic katika molekuli chumvi ya meza. Kama matokeo ya mchakato huu, dhamana kati ya ioni ziko juu ya uso wa fuwele za NaCl imedhoofika, ioni za sodiamu na klorini hutenganishwa na fuwele, na molekuli za maji huunda kinachojulikana kama ganda la hydration karibu nao. Ions zilizotenganishwa za hidrati, chini ya ushawishi wa mwendo wa joto, zinasambazwa sawasawa kati ya molekuli za kutengenezea.