Рух молекул у твердому тілі. Фізика

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.

Будова газів, рідин та твердих тіл.

Основні положення молекулярно-кінетичної теорії:

всі речовини складаються з молекул, а молекули з атомів,

атоми і молекули перебувають у постійному русі,

між молекулами існують сили тяжіння та відштовхування.

У газахмолекули рухаються хаотично, відстані між молекулами великі, молекулярні сили малі, газ займає весь наданий йому обсяг.

У рідинахмолекули розташовуються впорядково лише з малих відстанях, але в великих відстанях порядок (симетрія) розташування порушується – “ближній порядок”. Сили молекулярного тяжіння утримують молекули на близькій відстані. Рух молекул - "перескоки" з одного стійкого положення в інше (як правило, в межах одного шару. Таким рухом пояснюється плинність рідини. Рідина не має форми, але має об'єм.

Тверді тіла – речовини, які зберігають форму, поділяються на кристалічні та аморфні. Кристалічні твердітіла мають кристалічну решітку, у вузлах якої можуть знаходитися іони, молекули або атоми. Вони здійснюють коливання щодо стійких положень рівноваги.

Аморфні тілазберігають форму, але не мають кристалічних ґрат і, як наслідок, не мають яскраво вираженої температури плавлення. Їх називають застиглими рідинами, оскільки вони, як рідини мають “ближній ” порядок розташування молекул.

Сили взаємодії молекул

Усі молекули речовини взаємодіють між собою силами тяжіння та відштовхування. Доказ взаємодії молекул: явище змочування, опір стиску та розтягуванню, мала стисливість твердих тіл і газів та ін. Причина взаємодії молекул – це електромагнітні взаємодії заряджених частинок у речовині. Як це пояснити? Атом складається з позитивно зарядженого ядра та негативно зарядженої електронної оболонки. Заряд ядра дорівнює сумарному заряду всіх електронів, тому загалом атом електрично нейтральний. Молекула, що складається з одного або кількох атомів, теж електрично нейтральна. Розглянемо взаємодію між молекулами з прикладу двох нерухомих молекул. Між тілами в природі можуть існувати гравітаційні та електромагнітні сили. Оскільки маси молекул дуже малі, мізерно малі сили гравітаційного взаємодії між молекулами можна розглядати. На дуже великих відстанях електромагнітної взаємодії між молекулами також немає. Але, при зменшенні відстані між молекулами молекули починають орієнтуватися так, що їх звернені одна до одної сторони матимуть різні по знаку заряди (загалом молекули залишаються нейтральними) і між молекулами виникають сили тяжіння. При ще більшому зменшенні відстані між молекулами виникають сили відштовхування, як наслідок взаємодії негативно заряджених електронних оболонок атомів молекул. У результаті молекулу діє сума сил тяжіння і відштовхування. На великих відстанях переважає сила тяжіння (на відстані 2-3 діаметрів молекули тяжіння максимально), на малих відстанях сила відштовхування. Існує така відстань між молекулами, на якій сили тяжіння стають рівними силам відштовхування. Таке положення молекул називається положенням сталої рівноваги. Знаходяться на відстані один від одного і пов'язані електромагнітними силами молекули мають потенційну енергію. У положенні сталого рівноваги потенційна енергія молекул мінімальна. У речовині кожна молекула взаємодіє одночасно з багатьма сусідніми молекулами, що впливає на величину мінімальної потенційної енергії молекул. З іншого боку, все молекули речовини перебувають у безперервному русі, тобто. мають кінетичну енергію. Таким чином, структура речовини та її властивості (твердих, рідких та газоподібних тіл) визначаються співвідношенням між мінімальною потенційною енергією взаємодії молекул та запасом кінетичної енергії теплового руху молекул.

Будова та властивості твердих, рідких та газоподібних тіл

Будова тіл пояснюється взаємодією частинок тіла та характером їх теплового руху.

Тверде тіло

Тверді тіла мають постійну форму та об'єм, практично стисливі. Мінімальна потенційна енергія взаємодії молекул більша за кінетичну енергію молекул. Сильна взаємодія частинок. Тепловий рух молекул на жорсткому тілі виражається тільки коливаннями частинок (атомів, молекул) біля положення стійкого рівноваги.

Через великі сили тяжіння молекули мало можуть змінювати своє становище у речовині, цим пояснюється незмінність обсягу і форми твердих тіл. Більшість твердих тіл має упорядковане в просторі розташування частинок, які утворюють правильні кристалічні грати. Частинки речовини (атоми, молекули, іони) розташовані у вершинах – вузлах кристалічних ґрат. Вузли кристалічної решітки збігаються зі становищем стійкого рівноваги частинок. Такі тверді тіла називають кристалічними.

Рідина

Рідини мають певний обсяг, але не мають своєї форми, вони набувають форми судини, в якій знаходяться. Мінімальна потенційна енергія взаємодії молекул можна порівняти з кінетичною енергією молекул. Слабка взаємодія частинок. Тепловий рух молекул у рідині виражено коливаннями при становищі стійкого рівноваги всередині обсягу, наданого молекулі її сусідами. Молекули що неспроможні вільно переміщатися у всьому об'єму речовини, але можливі переходи молекул на сусідні місця. Цим пояснюється плинність рідини, здатність змінювати свою форму.

У рідинах молекули досить міцно пов'язані один з одним силами тяжіння, що пояснює незмінність обсягу рідини. У рідині відстань між молекулами дорівнює приблизно діаметру молекули. При зменшенні відстані між молекулами (стисканні рідини) різко збільшуються сили відштовхування, тому рідини не стискаються. За своєю будовою та характером теплового руху рідини займають проміжне положення між твердими тілами та газами. Хоча різниця між рідиною та газом значно більша, ніж між рідиною та твердим тілом. Наприклад, при плавленні або кристалізації об'єм тіла змінюється набагато менше, ніж при випаровуванні або конденсації.

Гази не мають постійного обсягу і займають весь обсяг судини, в якій вони знаходяться. Мінімальна потенційна енергія взаємодії молекул менша від кінетичної енергії молекул. Частинки речовини практично не взаємодіють. Гази характеризуються повною безладністю розташування та руху молекул.

Відстань між молекулами газу набагато більше розмірів молекул. Малі сили тяжіння не можуть утримати молекули одна біля одної, тому гази можуть необмежено розширюватись. Гази легко стискаються під впливом зовнішнього тиску, т.к. відстані між молекулами великі, а сили взаємодії зневажливо малі. Тиск газу на стінки судини створюється ударами рухомих молекул газу.

Розташування молекул у твердих тілах. У твердих тілах відстані між молекулами дорівнює розмірам молекул, тому тверді тіла зберігають форму. Молекули розташовані у певному порядку, званому кристалічні грати, тому у звичайних умовах тверді тіла зберігають свій обсяг.

Картинка 5 із презентації «3 стани речовини»до уроків фізики на тему «Теплові явища»

Розміри: 960 х 720 пікселів, формат: jpg. Щоб безкоштовно скачати картинку для уроку фізики, клацніть правою кнопкою мишки на зображенні і натисніть «Зберегти зображення як...». Для показу картинок на уроці Ви також можете безкоштовно скачати презентацію «3 стану речовини.ppt» повністю з усіма картинками у zip-архіві. Розмір архіву – 2714 КБ.

Завантажити презентацію

Теплові явища

«Дифузія в природі» – широко використовується в харчовій промисловості при консервуванні овочів та фруктів. При виплавці сталі. Прикладом дифузії може бути перемішування газів чи рідин. Що таке дифузія? Дифузія у диханні. Явище дифузії має важливі прояви у природі, використовується в науці та на виробництві.

"Зміна агрегатних станів речовини" - Агрегатні перетворення речовини. Питома теплота пароутворення. Температура кипіння. Кипіння. Температурний графік зміни агрегатних станів води. Температура плавлення та кристалізації. Умови пароутворення. Агрегатні перетворення. Пароутворення. Розрахунок кількості теплоти. Процес плавлення та затвердіння.

«3 стани речовини» - Виріши кросворд. Кристалізація. Розташування молекул у твердих тілах. Приклади процесів. Стану. Речовина. Властивості газів. Пароутворення. Запитання до кросворду. Властивості рідин. Розташування молекул у рідинах. Лід. Властивості твердих тіл. Конденсація. Характер руху та взаємодії частинок.

«Дифузія речовин» - запашні листочки. Темний колір. Прислів'я. Фалес Мілетський. Геракліт. Розв'язуємо задачі. Вчені Стародавньої Греції. Дифузії у техніці та природі. Завдання любителям біології. Дифузія. Явище дифузії. Демокріт. Спостереження. Дифузія у газах.

"Теплові явища при розчиненні" - Д.І. Менделєєв. Інструктаж. Розчинення марганцевокислого калію у воді. Екзотермічний процес. Перевір сусіда по парті. Бажаємо успіхів у подальшому пізнанні законів фізики та хімії. Швидкість дифузії. Що називається тепловим рухом. Взаємне проникнення молекул. Значення розчинів. Практичні задачі.

«Взаємодія молекул» - Чи можна поєднати два шматки залізного цвяха? Тяжіння утримує частинки між собою. I варіант До природних сумішей не відносять: а) глину; б) цемент; в) ґрунт. Газоподібні речовини. II варіант Штучною сумішшю є: а) глина; б) цемент; в) ґрунт. Відстань між молекулами газів більша за розміри самих молекул.

Всього у темі 23 презентації

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.

Середня кінетична 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.