Рух молекул у газах, рідинах та твердих тілах. Тверде, рідке, газоподібне – як рухаються молекули

У газах зазвичай відстань між молекулами та атомами значно більша за розміри молекул, а сили тяжіння дуже малі. Тому гази не мають власної форми та постійного обсягу. Гази легко стискаються, тому що сили відштовхування на великих відстанях також малі. Гази мають властивість необмежено розширюватися, заповнюючи весь наданий їм обсяг. Молекули газу рухаються з дуже великими швидкостями, зіштовхуються між собою, відскакують одна від одної у різні боки. Численні удари молекул об стінки судини створюють тиск газу.

Рух молекул у рідинах

У рідинах молекули як коливаються біля положення рівноваги, а й роблять перескоки з одного положення рівноваги до сусіднього. Ці перескоки відбуваються періодично. Тимчасовий відрізок між такими перескоками отримав назву середній час осілого життя(або середній час релаксації) і позначається буквою? Інакше кажучи, час релаксації – це коливань близько одного певного становища рівноваги. При кімнатній температурі цей час становить середньому 10 -11 з. Час одного коливання становить 10-12 …10-13 с.

Час осілого життя зменшується із підвищенням температури. Відстань між молекулами рідини менша за розміри молекул, частинки розташовані близько одна до одної, а міжмолекулярне тяжіння велике. Проте розташування молекул рідини не є строго впорядкованим по всьому об'єму.

Рідина, як і тверді тіла, зберігає свій обсяг, але не має власної форми. Тому вони набувають форми судини, в якій знаходяться. Рідина має таку властивість, як плинність. Завдяки цій властивості рідина не чинить опір зміні форми, мало стискається, а її фізичні властивості однакові за всіма напрямками всередині рідини (ізотропія рідин). Вперше характер молекулярного руху на рідинах встановив радянський фізик Яків Ілліч Френкель (1894 – 1952).

Рух молекул у твердих тілах

Молекули та атоми твердого тіла розташовані у певному порядку і утворюють кристалічні грати. Такі тверді речовини називають кристалічними. Атоми здійснюють коливальні рухи біля положення рівноваги, а тяжіння між ними дуже велике. Тому тверді тіла у звичайних умовах зберігають об'єм та мають власну форму.

Рух молекул у газах

Основні Положення Молекулярно-Кінетичної Теорії (Дослідне обґрунтування)

В основі молекулярно-кінетичної теоріїбудови речовини лежать три положення:

1. Усі тіла складаються з частинок (атомів, молекул, іонів та ін.);

2. Частинки безперервно хаотично рухаються;

3. Частинки взаємодіють одна з одною.

22)Броунівський рух- безладний рух мікроскопічних, видимих, зважених у рідині (або газі) частинок твердої речовини (пилинки, частинки пилку рослини і так далі), що викликається тепловим рухом частинок рідини (або газу). Не слід змішувати поняття «броунівський рух» та «тепловий рух»: броунівський рух є наслідком та свідченням існування теплового руху.

23) Міль(російське позначення: моль; міжнародне: mol) - одиниця виміру кількості речовини в Міжнародній системі одиниць (СІ), одна з семи основних одиниць СІ.

Міль прийнятий як одиниця СІ XIV Генеральною конференцією з мір і ваг в 1971 році. Точне визначення моляться так:

Моль є кількість речовини системи, що містить стільки ж структурних елементів, скільки міститься атомів у вуглеці-12 масою 0,012 кг. При застосуванні моля структурні елементи повинні бути специфіковані та можуть бути атомами, молекулами, іонами, електронами та іншими частинками або специфікованими групами частинок.

Число Авогадро, константа Авогадро- фізична константа, чисельно рівна кількості специфікованих структурних одиниць (атомів, молекул, іонів, електронів або будь-яких інших частинок) в 1 моле речовини. Визначається як кількість атомів у 12 грамах (точно) чистого ізотопу вуглецю-12. Позначається зазвичай як N A , рідше як L .

N A = 6,022 141 29(27)·10 23 моль −1 .

У газах зазвичай відстань між молекулами та атомами значно більша за розміри молекул, а сили тяжіннядуже малі. Тому гази не мають власної форми та постійного обсягу. Гази легко стискаються, тому що сили відштовхування на великих відстанях також малі. Гази мають властивість необмежено розширюватися, заповнюючи весь наданий їм обсяг. Молекули газу рухаються з дуже великими швидкостями, зіштовхуються між собою, відскакують одна від одної у різні боки. Численні удари молекул об стінки судини створюють тиск газу.

Час осілого життя зменшується із підвищенням температури. Відстань між молекулами рідини менша від розмірів молекул, частинки розташовані близько одна до одної, а міжмолекулярне тяжіннявелике. Проте розташування молекул рідини не є строго впорядкованим по всьому об'єму.

Теплова рівновага - стан термодинамічної систем, який вона мимоволі переходить через досить великий проміжок часу в умовах ізоляції від навколишнього середовища.

Температура - фізична величина, що характеризує середню кінетичну енергію частинок макроскопічної системи, яка перебуває у стані термодинамічної рівноваги. У рівноважному стані температура має однакове значення всім макроскопічних частин системи.

Градус Цельсія(позначення: °C) - широко поширена одиниця виміру температури, застосовується в Міжнародній системі одиниць (СІ) поряд з кельвіном.

Ртутний медичний термометр

Механічний термометр

Градус Цельсія названий на честь шведського вченого Андерса Цельсія, який у 1742 році запропонував нову шкалу для вимірювання температури. За нуль за шкалою Цельсія приймалася точка плавлення льоду, а й за 100° - точка кипіння води при стандартному атмосферному тиску. (Спочатку Цельсій за 100 ° прийняв температуру танення льоду, а за 0 ° - температуру кипіння води. І лише пізніше його сучасник Карл Лінней «перевернув» цю шкалу). Ця шкала лінійна в інтервалі 0-100 ° і також лінійно продовжується в області нижче 0 ° і вище 100 °. Лінійність є основною проблемою при точних вимірах температури. Досить згадати, що класичний термометр, наповнений водою, неможливо розмітити для температур нижче 4 градусів Цельсія, тому що в цьому діапазоні вода починає знову розширюватися.

Початкове визначення градуса Цельсія залежало від визначення стандартного атмосферного тиску, тому що температура кипіння води і температура танення льоду залежать від тиску. Це не дуже зручно для стандартизації одиниці виміру. Тому після прийняття кельвіна K, як основна одиниця вимірювання температури, визначення градуса Цельсія було переглянуто.

Відповідно до сучасного визначення градус Цельсія дорівнює одному кельвіну K, а нуль шкали Цельсія встановлений таким чином, що температура потрійної точки води дорівнює 0,01 °C. У підсумку, шкали Цельсія та Кельвіна зрушені на 273,15:

26)Ідеальний газ- математична модель газу, в якій передбачається, що потенційної енергії взаємодії молекул можна знехтувати в порівнянні з їх кінетичною енергією. Між молекулами не діють сили тяжіння або відштовхування, зіткнення частинок між собою і зі стінками судини абсолютно пружні, а час взаємодії між молекулами дуже мало в порівнянні з середнім часом між зіткненнями.

, де kє постійною Больцмана (відношення універсальної газової постійної Rдо Авогадро N A), i- Число ступенів свободи молекул (у більшості завдань про ідеальні гази, де молекули передбачаються сферами малого радіусу, фізичним аналогом яких можуть служити інертні гази), а T- Абсолютна температура.

Основне рівняння МКТ пов'язує макроскопічні параметри (тиск, обсяг, температура) газової системи з мікроскопічними (маса молекул, середня швидкість руху).

Кінетична енергія молекули

У газі молекули здійснюють вільний (ізольований з інших молекул) рух, лише іноді зіштовхуючись друг з одним чи зі стінками судини. Доки молекула здійснює вільний рух, у неї є тільки кінетична енергія. Під час зіткнення молекул з'являється і потенційна енергія. Таким чином, повна енергія газу становить суму кінетичної та потенційної енергій її молекул. Чим розріджений газ, тим більше молекул у кожний момент часу перебуває у стані вільного руху, що мають лише кінетичну енергію. Отже, при розрідженні газу зменшується частка потенційної енергії порівняно з кінетичною.

Середнякінетична енергія молекули при рівновазі ідеального газу має одну дуже важливу особливість: у суміші різних газів середня кінетична енергія молекули для різних компонентів суміші одна і та ж.

Наприклад, повітря є сумішшю газів. Середня енергія молекули повітря для всіх його компонентів за нормальних умов, коли повітря ще можна розглядати як ідеальний газ, однакова. Ця властивість ідеальних газів може бути доведена на підставі загальних статистичних міркувань. З нього випливає важливий наслідок: якщо два різних газу (у різних судинах) перебувають у тепловій рівновазі один з одним, то середні кінетичні енергії їх молекул однакові.

У газах зазвичай відстань між молекулами та атомами значно більша, ніж розміри самих молекул, сили взаємодії молекул не великі. Внаслідок чого газ не має власної форми та постійного обсягу. Газ легко стискається і може необмежено розширюватись. Молекули газу рухаються вільно (поступально можуть обертатися), лише іноді зіштовхуючись з іншими молекулами і стінками судини, в якому знаходиться газ, причому рухаються з дуже великими швидкостями.

Рух частинок у твердих тілах

Будова твердих тіл важливо на відміну від будови газів. Вони міжмолекулярні відстані малі і потенційна енергія молекул можна порівняти з кінетичною. Атоми (або іони, або цілі молекули) не можна назвати нерухомими, вони роблять безладний коливальний рух біля середніх положень. Чим більша температура, тим більша енергія коливань, а отже, і середня амплітуда коливань. Тепловими коливаннями атомів пояснюється теплоємність твердих тіл. Розглянемо докладніше рух частинок у кристалічних твердих тілах. Весь кристал в цілому є дуже складною пов'язаною коливальною системою. Відхилення атомів від середніх положень невеликі, і тому вважатимуться, що атоми піддаються дії квазіпружних сил, які підпорядковуються лінійному закону Гука. Такі коливальні системи називають лінійними.

Існує розвинена математична теорія систем, схильних до лінійних коливань. У ній доведено дуже важливу теорему, суть якої полягає в наступному. Якщо система здійснює малі (лінійні) взаємопов'язані коливання, шляхом перетворення координат її формально можна звести до системи незалежних осциляторів (у яких рівняння коливань не залежать один від одного). Система незалежних осциляторів поводиться подібно до ідеального газу в тому сенсі, що атоми останнього теж можна розглядати як незалежні.

Саме, використовуючи уявлення про незалежність атомів газу, ми приходимо до закону Больцмана. Цей дуже важливий висновок є простою і надійною основою для всієї теорії твердого тіла.

Закон Больцмана

Число осциляторів із заданими параметрами (координати та швидкості) визначається так само, як і число молекул газу в заданому стані, за формулою:

Енергія осцилятора.

Закон Больцмана (1) теоретично твердого тіла немає обмежень, проте формула (2) для енергії осцилятора взято з класичної механіки. При теоретичному розгляді твердих тіл потрібно спиратися на квантову механіку, для якої характерна дискретність зміни енергії осцилятора. Дискретність енергії осцилятора стає несуттєвою лише за досить високих значеннях його енергії. Це означає, що (2) можна користуватися лише за досить високих температур. При високих температурах твердого тіла, близьких до температури плавлення, із закону Больцмана випливає закон рівномірного розподілу енергії за ступенями свободи. Якщо в газах на кожний ступінь свободи в середньому припадає кількість енергії, що дорівнює (1/2) kT, то в осцилятора один ступінь свободи, крім кінетичної, має потенційну енергію. Тому на один ступінь свободи в твердому тілі при досить високій температурі припадає енергія, що дорівнює kT. Виходячи з цього закону, неважко розрахувати повну внутрішню енергію твердого тіла, а за нею і його теплоємність. Моль твердого тіла містить NA атомів, а кожен атом має три ступені свободи. Отже, у молі міститься 3 NA осциляторів. Енергія молячи твердого тіла

а молярна теплоємність твердого тіла при досить високих температурах

Досвід підтверджує цей закон.

Рідини займають проміжне положення між газами та твердими тілами. Молекули рідини не розходяться великі відстані, і рідина у звичайних умовах зберігає свій обсяг. Але на відміну від твердих тіл молекули не тільки роблять коливання, а й перескакують з місця на місце, тобто вільні рухи. При підвищенні температури рідини киплять (існує так звана температура кипіння) та переходять у газ. При зниженні температури рідини кристалізуються та стають твердими речовинами. Існує така точка у полі температур, у якій межа між газом (насиченою парою) рідиною зникає (критична точка). Картина теплового руху молекул у рідинах поблизу температури твердіння дуже схожа на поведінку молекул у твердих тілах. Наприклад, коефіцієнти теплоємності майже збігаються. Так як теплоємність речовини при плавленні змінюється слабо, можна зробити висновок, що характер руху частинок в рідині близький руху в твердому тілі (при температурі плавлення). При нагріванні властивості рідини поступово змінюються, і вона стає більш схожою на газ. У рідин середня кінетична енергія частинок менша за потенційну енергію їхньої міжмолекулярної взаємодії. Енергія міжмолекулярної взаємодії в рідині та твердих тілах відрізняються несуттєво. Якщо порівняти теплоту плавлення та теплоту випаровування, то побачимо, що при переході з одного агрегатного стану в інший теплота плавлення суттєво нижча, теплоти пароутворення. Адекватний математичний опис структури рідини може бути лише за допомогою статистичної фізики. Наприклад, якщо рідина складається з однакових сферичних молекул, її структуру можна описати радіальною функцією розподілу g(r), яка дає ймовірність виявлення якої-небудь молекули на відстані r від даної, обраної в якості точки відліку. Експериментально цю функцію можна визначити, досліджуючи дифракцію рентгенівських променів чи нейтронів, можна провести комп'ютерне моделювання цієї функції, використовуючи механіку Ньютона.

Кінетична теорія рідини була розроблена Я.І. Френкель. У цій теорії рідина розглядається, як і у разі твердого тіла, як динамічна система гармонійно осциляторів. Але на відміну від твердого тіла положення рівноваги молекул рідини має тимчасовий характер. Повагавшись біля одного положення, молекула рідини перескакує в нове положення, розташоване по сусідству. Такий перескок відбувається із витратою енергії. Середній час «осілого життя» молекули рідини можна розрахувати як:

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

де $t_0 $ - період коливань близько одного положення рівноваги. Енергія, яку повинна отримати молекула, щоб з одного положення перейти в інше, називається енергією активації W, а час знаходження молекули в положенні рівноваги - часом осілого життя t.

У молекули води, наприклад, при кімнатній температурі одна молекула робить близько 100 коливань і перескакує в нове положення. Сили тяжіння між молекул рідини великі, щоб зберігався обсяг, але обмеженість осілого життя молекул веде до виникнення такого явища, як плинність. Під час коливань частки біля положення рівноваги вони безперервно стикаються один з одним, тому навіть мале стиснення рідини призводить до різкого «запеклості» зіткнень частинок. Це означає різке підвищення тиску рідини на стінки судини, де її стискають.

Приклад 1

Завдання: Визначити питому теплоємність міді. Вважати, що температура міді близька до температури плавлення. (Молярна маса міді $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(кг)(моль))$

Відповідно до закону Дюлонга і Пті моль хімічно простих речовин при температурах, близьких до температури плавлення, має теплоємність:

Питома теплоємність міді:

\[С=\frac(с)(\mu )\to С=\frac(3R)(\mu )\left(1.2\right),\] \[С=\frac(3\cdot 8,31) (63\cdot 10^(-3))=0,39\ \cdot 10^3(\frac(Дж)(кгК))\]

Відповідь: Питома теплоємність міді $0,39 \ cdot 10 ^ 3 \ left (\ frac (Дж) (кгК) \ right).

Пояснення спрощено з точки зору фізики процес розчинення солі (NaCl) у воді.

Основу сучасної теорії розчинів створив Д.І. Менделєєв. Він встановив, що при розчиненні протікають одночасно два процеси: фізичний - рівномірний розподіл частинок розчиняється речовини по всьому об'єму розчину, і хімічний - взаємодія розчинника з речовиною, що розчиняється. Нас цікавить фізичний процес. Молекули солі не руйнують молекули води. І тут не можна було б випарувати воду. Якби молекули солі приєднувалися до молекул води - ми отримували б якусь нову речовину. І всередину молекул воли молекули солі проникнути не можуть.

Між іонами Na+ та Cl-хлору та полярними молекулами води виникає іонно-дипольний зв'язок. Вона виявляється міцнішою, ніж іонні зв'язки в молекулах кухонної солі. В результаті цього процесу зв'язок між іонами, розташованими на поверхні кристалів NaCl, послаблюється, іони натрію та хлору відриваються від кристала, а молекули води утворюють навколо них так звані гідратні оболонки. гідратовані іони, що відокремилися, під впливом теплового руху рівномірно розподіляються між молекулами розчинника.