Harakati ya molekuli katika imara. Fizikia

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 katika 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.

Muundo wa gesi, kioevu na yabisi.

Kanuni za msingi za nadharia ya kinetic ya Masi:

Dutu zote huundwa na molekuli, na molekuli zimeundwa na atomi,

atomi na molekuli ziko katika mwendo wa kudumu,

Kuna nguvu za kuvutia na kukataa kati ya molekuli.

KATIKA gesi molekuli hutembea kwa machafuko, umbali kati ya molekuli ni kubwa, nguvu za Masi ni ndogo, gesi inachukua kiasi kizima kilichotolewa kwake.

KATIKA vimiminika molekuli hupangwa kwa utaratibu tu kwa umbali mfupi, na kwa umbali mkubwa utaratibu (ulinganifu) wa mpangilio unakiukwa - "utaratibu wa masafa mafupi". Nguvu za mvuto wa molekuli huweka molekuli karibu pamoja. Mwendo wa molekuli ni "kuruka" kutoka nafasi moja thabiti hadi nyingine (kawaida ndani ya safu moja. Mwendo huu unaelezea umajimaji wa kioevu. Kioevu hakina umbo, lakini kina kiasi.

Solids ni vitu vinavyohifadhi sura yao, imegawanywa katika fuwele na amorphous. Mango ya fuwele miili ina kimiani kioo, katika nodi ambayo inaweza kuwa ions, molekuli au atomi Wao oscillate jamaa na nafasi ya usawa imara.

Miili ya Amorphous kuhifadhi umbo lao, lakini usiwe na kimiani cha kioo na, kwa sababu hiyo, usiwe na kiwango cha kuyeyuka kilichotamkwa. Wanaitwa vimiminika vilivyogandishwa, kwani wao, kama vile vimiminiko, wana mpangilio wa "masafa mafupi" wa mpangilio wa Masi.

Nguvu za mwingiliano wa molekuli

Molekuli zote za dutu huingiliana kwa njia ya nguvu za mvuto na kukataliwa. Ushahidi wa mwingiliano wa molekuli: hali ya wetting, upinzani dhidi ya compression na mvutano, chini compressibility ya yabisi na gesi, nk Sababu ya mwingiliano wa molekuli ni mwingiliano wa sumakuumeme ya chembe chaji katika dutu. Jinsi ya kuelezea hili? Atomi ina kiini chenye chaji chanya na ganda la elektroni lililo na chaji hasi. Chaji ya kiini ni sawa na malipo ya jumla ya elektroni zote, hivyo atomi kwa ujumla haina umeme. Molekuli inayojumuisha atomi moja au zaidi pia haina umeme. Wacha tuchunguze mwingiliano kati ya molekuli kwa kutumia mfano wa molekuli mbili zilizosimama. Nguvu za mvuto na sumakuumeme zinaweza kuwepo kati ya miili katika asili. Kwa kuwa wingi wa molekuli ni ndogo sana, nguvu zisizo na maana za mwingiliano wa mvuto kati ya molekuli zinaweza kupuuzwa. Katika umbali mkubwa sana pia hakuna mwingiliano wa sumakuumeme kati ya molekuli. Lakini, wakati umbali kati ya molekuli hupungua, molekuli huanza kujielekeza kwa njia ambayo pande zao zinakabiliwa na kila mmoja zitakuwa na malipo ya ishara tofauti (kwa ujumla, molekuli hubakia neutral), na nguvu za kuvutia hutokea kati ya molekuli. Kwa kupungua zaidi kwa umbali kati ya molekuli, nguvu za kuchukiza huibuka kama matokeo ya mwingiliano wa chaji hasi. makombora ya elektroniki atomi za molekuli. Matokeo yake, molekuli inachukuliwa na jumla ya nguvu za kuvutia na kukataa. Kwa umbali mkubwa, nguvu ya kivutio inatawala (kwa umbali wa kipenyo cha 2-3 cha molekuli, kivutio ni cha juu), kwa umbali mfupi nguvu ya kukataa inashinda. Kuna umbali kati ya molekuli ambazo nguvu za kuvutia huwa sawa na nguvu za kukataa. Nafasi hii ya molekuli inaitwa nafasi ya usawa thabiti. Molekuli ziko umbali kutoka kwa kila mmoja na kuunganishwa na nguvu za sumakuumeme zina nishati inayowezekana. Katika nafasi ya usawa thabiti, nishati inayowezekana ya molekuli ni ndogo. Katika dutu, kila molekuli huingiliana kwa wakati mmoja na molekuli nyingi za jirani, ambayo pia huathiri thamani ya kiwango cha chini. nishati inayowezekana molekuli. Kwa kuongeza, molekuli zote za dutu ziko katika mwendo unaoendelea, i.e. kuwa na nishati ya kinetic. Kwa hivyo, muundo wa dutu na mali yake (miili thabiti, kioevu na gesi) imedhamiriwa na uhusiano kati ya nishati ya chini ya mwingiliano wa molekuli na hifadhi ya nishati ya kinetic. harakati za joto molekuli.

Muundo na mali ya miili imara, kioevu na gesi

Muundo wa miili unaelezewa na mwingiliano wa chembe za mwili na asili ya harakati zao za joto.

Imara

Mango yana umbo la mara kwa mara na kiasi na ni kivitendo incompressible. Nishati ya chini inayowezekana ya mwingiliano wa molekuli ni kubwa kuliko nishati ya kinetic ya molekuli. Mwingiliano wenye nguvu wa chembe. Mwendo wa joto wa molekuli katika imara huonyeshwa tu na vibrations ya chembe (atomi, molekuli) karibu na msimamo thabiti wa usawa.

Kwa sababu ya nguvu kubwa za kivutio, molekuli kivitendo haziwezi kubadilisha msimamo wao katika maada, hii inaelezea kutobadilika kwa kiasi na sura ya vitu vikali. Yabisi nyingi zina mpangilio wa chembe zilizopangwa kwa anga zinazounda kimiani ya kioo ya kawaida. Chembe za maada (atomi, molekuli, ioni) ziko kwenye vipeo - nodi za kimiani za kioo. Nodi za kimiani za kioo zinapatana na nafasi ya msawazo thabiti wa chembe. Mango kama hayo huitwa fuwele.

Kioevu

Vioevu vina kiasi fulani, lakini hawana sura yao wenyewe; Nishati ya chini inayowezekana ya mwingiliano kati ya molekuli inalinganishwa na nishati ya kinetic ya molekuli. Mwingiliano dhaifu wa chembe. Mwendo wa joto wa molekuli katika kioevu unaonyeshwa na vibrations karibu na msimamo wa usawa wa utulivu ndani ya kiasi kilichotolewa kwa molekuli na majirani zake. Molekuli haziwezi kusonga kwa uhuru katika kiasi kizima cha dutu, lakini mabadiliko ya molekuli hadi maeneo ya jirani yanawezekana. Hii inaelezea fluidity ya kioevu na uwezo wa kubadilisha sura yake.

Katika vinywaji, molekuli zimefungwa kwa nguvu kwa kila mmoja na nguvu za kivutio, ambayo inaelezea kutofautiana kwa kiasi cha kioevu. Katika kioevu, umbali kati ya molekuli ni takriban sawa na kipenyo cha molekuli. Wakati umbali kati ya molekuli hupungua (mgandamizo wa kioevu), nguvu za kukataa huongezeka kwa kasi, hivyo maji hayawezi kupunguzwa. Kwa upande wa muundo wao na asili ya harakati za joto, vinywaji huchukua nafasi ya kati kati ya vitu vikali na gesi. Ingawa tofauti kati ya kioevu na gesi ni kubwa zaidi kuliko kati ya kioevu na ngumu. Kwa mfano, wakati wa kuyeyuka au fuwele, kiasi cha mwili hubadilika mara nyingi chini kuliko wakati wa uvukizi au condensation.

Gesi hazina kiasi cha mara kwa mara na huchukua kiasi kizima cha chombo ambacho ziko. Nishati ya chini inayowezekana ya mwingiliano kati ya molekuli ni chini ya nishati ya kinetic ya molekuli. Chembe za jambo kivitendo haziingiliani. Gesi zina sifa ya usumbufu kamili katika mpangilio na harakati za molekuli.

Umbali kati ya molekuli za gesi ni mara nyingi zaidi kuliko ukubwa wa molekuli. Nguvu ndogo za kuvutia haziwezi kuweka molekuli karibu na kila mmoja, hivyo gesi zinaweza kupanua bila kikomo. Gesi zinasisitizwa kwa urahisi chini ya ushawishi wa shinikizo la nje, kwa sababu umbali kati ya molekuli ni kubwa, na nguvu za mwingiliano hazizingatiwi. Shinikizo la gesi kwenye kuta za chombo huundwa na athari za kusonga molekuli za gesi.

Mpangilio wa molekuli katika yabisi. Katika yabisi, umbali kati ya molekuli ni sawa na saizi ya molekuli, kwa hivyo vitu vikali huhifadhi umbo lao. Molekuli zimepangwa kwa mpangilio maalum unaoitwa kiini kioo, kwa hiyo, chini ya hali ya kawaida, imara huhifadhi kiasi chao.

Picha ya 5 kutoka kwa uwasilishaji "majimbo 3 ya jambo" kwa masomo ya fizikia juu ya mada " Matukio ya joto»

Vipimo: pikseli 960 x 720, umbizo: jpg. Ili kupakua picha bila malipo somo la fizikia, bofya kulia kwenye picha na ubofye "Hifadhi Picha Kama ...". Ili kuonyesha picha kwenye somo, unaweza pia kupakua bila malipo wasilisho lote "3 state of matter.ppt" pamoja na picha zote kwenye hifadhi ya zip. Saizi ya kumbukumbu ni 2714 KB.

Pakua wasilisho

Matukio ya joto

"Kuenea kwa Asili" - Inatumika sana katika Sekta ya Chakula wakati wa kuweka mboga mboga na matunda. Wakati wa kutengeneza chuma. Mfano wa kueneza ni mchanganyiko wa gesi au maji. Usambazaji ni nini? Kuenea kwa kupumua. Jambo la kuenea lina maonyesho muhimu katika asili na hutumiwa katika sayansi na sekta.

"Mabadiliko katika hali ya jumla ya maada" - Mabadiliko ya jumla ya jambo. Joto maalum mvuke. Joto la kuchemsha. Kuchemka. Grafu ya joto ya mabadiliko katika majimbo ya jumla ya maji. Kiwango cha kuyeyuka na fuwele. Masharti ya mvuke. Mabadiliko ya jumla. Mvuke. Uhesabuji wa kiasi cha joto. Mchakato wa kuyeyuka na uimarishaji.

"hali 3 za jambo" - Tatua fumbo la maneno. Uwekaji fuwele. Mpangilio wa molekuli katika yabisi. Mifano ya taratibu. Mataifa. Dawa. Tabia za gesi. Mvuke. Maswali kwa neno mtambuka. Tabia za kioevu. Mpangilio wa molekuli katika kioevu. Barafu. Mali ya yabisi. Condensation. Asili ya harakati na mwingiliano wa chembe.

"Utawanyiko wa vitu" - Majani yenye harufu nzuri. Rangi ya giza. Methali. Thales ya Mileto. Heraclitus. Hebu kutatua matatizo. Wanasayansi Ugiriki ya Kale. Kuenea kwa teknolojia na asili. Kazi kwa wapenzi wa biolojia. Usambazaji. Jambo la kueneza. Democritus Uchunguzi. Kueneza kwa gesi.

"Matukio ya joto wakati wa kufutwa" - D.I. Mendeleev. Muhtasari. Kufutwa kwa permanganate ya potasiamu katika maji. Mchakato wa exothermic. Angalia jirani yako ya dawati. Tunakutakia mafanikio katika ufahamu zaidi wa sheria za fizikia na kemia. Kiwango cha uenezi. Ni nini kinachoitwa mwendo wa joto. Kupenya kwa pamoja kwa molekuli. Maana ya suluhisho. Matatizo ya vitendo.

"Muingiliano wa molekuli" - Je, inawezekana kuunganisha vipande viwili vya msumari wa chuma? Kivutio hushikilia chembe pamoja. Chaguo I Mchanganyiko wa asili haujumuishi: a) udongo; b) saruji; c) udongo. Dutu za gesi. Chaguo II Mchanganyiko wa bandia ni: a) udongo; b) saruji; c) udongo. Umbali kati ya molekuli za gesi ni kubwa kuliko saizi ya molekuli zenyewe.

Kuna mawasilisho 23 kwa jumla

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 hivyo, wakati gesi haipatikani tena, sehemu ya nishati inayowezekana hupungua kwa kulinganisha na nishati ya kinetic.

Nishati ya kinetiki ya wastani ya molekuli katika usawa bora wa gesi 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 ya molekuli ya hewa kwa vipengele vyake vyote 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 joto la juu la imara, karibu na kiwango cha kuyeyuka, sheria ya usambazaji sare 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 hiyo, 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.

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. Maadamu molekuli inasonga kwa uhuru, ina nishati ya kinetic tu. Wakati wa mgongano, molekuli pia hupata nishati inayoweza kutokea. Kwa hivyo, jumla ya nishati ya gesi ni 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 hivyo, wakati gesi haipatikani tena, sehemu ya nishati inayowezekana hupungua kwa kulinganisha na nishati ya kinetic.

Nishati ya kinetic ya wastani ya molekuli katika usawa wa gesi bora ina kipengele kimoja muhimu sana: katika mchanganyiko wa gesi tofauti, wastani wa nishati ya kinetic ya molekuli kwa vipengele tofauti vya mchanganyiko ni sawa.

Kwa mfano, hewa ni mchanganyiko wa gesi. Nishati ya wastani ya molekuli ya hewa kwa vipengele vyake vyote chini ya hali ya kawaida, wakati hewa bado inaweza kuchukuliwa kuwa gesi bora, ni sawa. Mali hii ya 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 katika usawa wa joto na kila mmoja, basi nishati ya wastani 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; 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 nadharia ya hisabati iliyoendelezwa ya mifumo iliyo chini ya oscillations ya mstari. 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 kuzingatiwa 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 kinadharia, mtu lazima ategemee mechanics ya quantum, ambayo ina sifa ya mabadiliko tofauti katika nishati ya oscillator. Uwazi wa nishati ya oscillator inakuwa haina maana tu kwa viwango vya juu vya kutosha vya nishati yake. Hii ina maana kwamba (2) inaweza tu kutumika kwa joto la juu vya kutosha. Katika joto la juu la imara, karibu na kiwango cha kuyeyuka, sheria ya usambazaji sare 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 hiyo, kwa kiwango kimoja cha uhuru katika imara kwenye joto la juu la kutosha kuna nishati sawa na kT. Kulingana na sheria hii, si vigumu kuhesabu jumla ya 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

na uwezo wa joto wa gego wa kingo kwa viwango vya juu vya joto 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. Halijoto inapopungua, vimiminika humeta na kuwa yabisi. Kuna hatua katika uwanja wa joto ambapo mpaka kati ya gesi (mvuke iliyojaa) na 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 vimiminika, wastani wa nishati ya kinetiki ya chembe ni chini ya nishati inayoweza kutokea ya mwingiliano wao wa kati ya molekuli. Nishati ya mwingiliano kati ya molekuli katika kioevu na yabisi hutofautiana kidogo. Ikiwa tunalinganisha joto la mchanganyiko na joto la uvukizi, tutaona kwamba wakati wa mpito kutoka hali moja ya mkusanyiko hadi nyingine, joto la fusion ni la chini sana kuliko joto la vaporization. Maelezo ya kutosha ya hisabati ya muundo wa kioevu yanaweza kutolewa tu kwa msaada wa 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 kuchunguza mtengano wa eksirei au neutroni, au uigaji wa kompyuta wa chaguo hili la kukokotoa unaweza kufanywa kwa kutumia mechanics ya Newton.

Nadharia ya kinetic ya kioevu ilitengenezwa na Ya.I. Frenkel. Katika nadharia hii, kioevu kinazingatiwa, kama ilivyo kwa dhabiti, kama mfumo wa nguvu wa oscillators yenye 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. (Molar molekuli ya shaba $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(kg)(mol))$

Kulingana na sheria ya Dulong na Petit, mole ya dutu rahisi za kemikali kwenye joto karibu na sehemu ya 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: Uwezo maalum wa joto wa 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 wa nadharia ya kisasa ya suluhisho iliundwa 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.

Dhamana ya ion-dipole hutokea kati ya Na+ na Cl- ions ya klorini na molekuli za maji ya polar. Inageuka kuwa na nguvu zaidi kuliko vifungo vya ionic katika molekuli ya 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.