Chuyển động của các phân tử trong chất khí, chất lỏng và chất rắn. Rắn, lỏng, khí - cách các phân tử chuyển động

Trong chất khí, khoảng cách giữa các phân tử và nguyên tử thường lớn hơn nhiều so với kích thước của các phân tử, và các lực hút rất nhỏ. Do đó, các chất khí không có hình dạng riêng và thể tích không đổi. Các chất khí dễ bị nén vì lực đẩy ở khoảng cách lớn cũng nhỏ. Các chất khí có đặc tính là giãn nở vô hạn, lấp đầy toàn bộ khối lượng được cung cấp cho chúng. Các phân tử khí chuyển động với vận tốc rất lớn, va chạm vào nhau, bật ra ngoài nhau theo nhiều hướng khác nhau. Nhiều tác động của các phân tử lên thành bình tạo ra áp suất khí ga.

Chuyển động của các phân tử trong chất lỏng

Trong chất lỏng, các phân tử không chỉ dao động quanh vị trí cân bằng mà còn nhảy từ vị trí cân bằng này sang vị trí cân bằng khác. Những bước nhảy này diễn ra theo chu kỳ. Khoảng thời gian giữa các bước nhảy như vậy được gọi là thời gian trung bình của cuộc sống định cư(hoặc thời gian thư giãn trung bình) và được ký hiệu bằng chữ cái nào ?. Nói cách khác, thời gian giãn là thời gian dao động quanh một vị trí cân bằng cụ thể. Ở nhiệt độ phòng, thời gian này trung bình là 10-11 s. Thời gian của một dao động là 10 -12 ... 10 -13 s.

Thời gian của cuộc sống định cư giảm khi nhiệt độ tăng. Khoảng cách giữa các phân tử chất lỏng nhỏ hơn kích thước của các phân tử, các hạt ở gần nhau thì lực hút giữa các phân tử lớn. Tuy nhiên, sự sắp xếp của các phân tử chất lỏng không có trật tự nghiêm ngặt trong toàn bộ thể tích.

Chất lỏng, giống như chất rắn, giữ nguyên thể tích của chúng nhưng không có hình dạng riêng. Do đó, chúng có hình dạng của con tàu mà chúng được đặt ở đó. Chất lỏng có đặc tính tính lưu động. Do tính chất này, chất lỏng không chống lại sự thay đổi hình dạng, nó nén ít, và các tính chất vật lý của nó giống nhau theo mọi hướng bên trong chất lỏng (đẳng hướng của chất lỏng). Lần đầu tiên, bản chất của chuyển động phân tử trong chất lỏng được xác lập bởi nhà vật lý Liên Xô Yakov Ilyich Frenkel (1894 - 1952).

Chuyển động của các phân tử trong chất rắn

Các phân tử, nguyên tử của vật rắn được sắp xếp theo một trật tự và hình thức nhất định mạng tinh thể. Những chất rắn như vậy được gọi là chất kết tinh. Các nguyên tử dao động về vị trí cân bằng và lực hút giữa chúng rất mạnh. Do đó, vật rắn ở điều kiện bình thường vẫn giữ được thể tích và có hình dạng riêng.

Chuyển động của các phân tử trong chất khí

Các quy định cơ bản của lý thuyết động học phân tử (chứng minh thực nghiệm)

Cốt lõi lý thuyết động học phân tử Cấu trúc của vật chất nằm ở ba vị trí:

1. Tất cả các cơ thể bao gồm các hạt (nguyên tử, phân tử, ion, v.v.);

2. Các hạt liên tục chuyển động ngẫu nhiên;

3. Các hạt tương tác với nhau.

22)Chuyển động Brown- chuyển động hỗn loạn của các hạt cực nhỏ, có thể nhìn thấy, lơ lửng trong chất lỏng (hoặc khí) của chất rắn (hạt bụi, hạt phấn hoa thực vật, v.v.), gây ra bởi chuyển động nhiệt của các hạt chất lỏng (hoặc khí). Không nên nhầm lẫn khái niệm "chuyển động Brown" và "chuyển động nhiệt": Chuyển động Brown là hệ quả và bằng chứng về sự tồn tại của chuyển động nhiệt.

23) nốt ruồi(Chỉ định của Nga: nốt ruồi; Quốc tế: mol) là một đơn vị đo lượng chất trong Hệ đơn vị quốc tế (SI), một trong bảy đơn vị SI cơ bản.

Nốt ruồi đã được Hội nghị lần thứ XIV về Trọng lượng và Đo lường thông qua làm đơn vị SI vào năm 1971. Định nghĩa chính xác của một nốt ruồi được xây dựng như sau:

Một mol là lượng chất trong một hệ chứa bao nhiêu nguyên tố cấu tạo mà nguyên tử cacbon-12 có khối lượng là 0,012 kg. Khi sử dụng một mol, các yếu tố cấu trúc phải được chỉ định và có thể là nguyên tử, phân tử, ion, electron và các hạt khác, hoặc các nhóm hạt cụ thể.

Số avogadro, Hằng số Avogadro- hằng số vật lý về mặt số bằng số đơn vị cấu trúc xác định (nguyên tử, phân tử, ion, electron hoặc bất kỳ hạt nào khác) trong 1 mol chất. Được xác định bằng số nguyên tử trong 12 gam (chính xác) của đồng vị cacbon-12 nguyên chất. Thường được ký hiệu là N A, ít thường xuyên hơn L .

N A = 6,022 141 29 (27) 10 23 mol −1.

Trong chất khí, khoảng cách giữa các phân tử và nguyên tử thường lớn hơn nhiều so với kích thước của các phân tử, và lực hấp dẫn rất nhỏ. Do đó, các chất khí không có hình dạng riêng và thể tích không đổi. Các chất khí dễ bị nén vì lực đẩy ở khoảng cách lớn cũng nhỏ. Các chất khí có đặc tính là giãn nở vô hạn, lấp đầy toàn bộ khối lượng được cung cấp cho chúng. Các phân tử khí chuyển động với vận tốc rất lớn, va chạm vào nhau, bật ra ngoài nhau theo nhiều hướng khác nhau. Nhiều tác động của các phân tử lên thành bình tạo ra áp suất khí ga.

Thời gian của cuộc sống định cư giảm khi nhiệt độ tăng. Khoảng cách giữa các phân tử chất lỏng nhỏ hơn kích thước của các phân tử, các hạt nằm gần nhau, và sự hấp dẫn giữa các phân tử Tuyệt. Tuy nhiên, sự sắp xếp của các phân tử chất lỏng không có trật tự nghiêm ngặt trong toàn bộ thể tích.

Cân bằng nhiệt là trạng thái của một hệ nhiệt động mà nó tự phát sau một khoảng thời gian đủ dài trong điều kiện cách ly với môi trường.

Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho động năng trung bình của các hạt thuộc hệ vĩ mô ở trạng thái cân bằng nhiệt động. Ở trạng thái cân bằng, nhiệt độ có giá trị như nhau đối với tất cả các bộ phận vĩ mô của hệ thống.

Độ C(Biểu tượng: ° C) là đơn vị nhiệt độ phổ biến được sử dụng trong Hệ đơn vị quốc tế (SI) cùng với kelvin.

Nhiệt kế y tế thủy ngân

Nhiệt kế cơ học

Độ C được đặt theo tên của nhà khoa học Thụy Điển Anders Celsius, người vào năm 1742 đã đề xuất một thang đo mới để đo nhiệt độ. 0 trên thang độ C là điểm nóng chảy của băng và 100 ° là điểm sôi của nước ở áp suất khí quyển tiêu chuẩn. (Ban đầu, độ C lấy nhiệt độ tan chảy của băng là 100 ° và nhiệt độ sôi của nước là 0 °. Và chỉ sau này, Carl Linnaeus đương thời của ông mới “lật tẩy” thang đo này). Thang đo này là tuyến tính trong phạm vi 0-100 ° và cũng tiếp tục tuyến tính trong vùng dưới 0 ° và trên 100 °. Độ tuyến tính là một vấn đề lớn đối với các phép đo nhiệt độ chính xác. Chỉ cần đề cập rằng một nhiệt kế cổ điển chứa đầy nước không thể được đánh dấu cho nhiệt độ dưới 4 độ C, bởi vì trong phạm vi này, nước bắt đầu nở ra trở lại.

Định nghĩa ban đầu của độ C phụ thuộc vào định nghĩa của áp suất khí quyển tiêu chuẩn, bởi vì cả điểm sôi của nước và điểm nóng chảy của nước đá đều phụ thuộc vào áp suất. Điều này không thuận tiện lắm cho việc chuẩn hóa đơn vị đo lường. Do đó, sau khi sử dụng kelvin K làm đơn vị cơ bản của nhiệt độ, định nghĩa về độ C đã được sửa đổi.

Theo định nghĩa hiện đại, độ C bằng một kelvin K, và 0 của thang độ C được đặt để nhiệt độ của điểm ba của nước là 0,01 ° C. Kết quả là, các thang độ C và Kelvin được dịch chuyển 273,15:

26)Khí lý tưởng- một mô hình toán học của một chất khí, trong đó giả thiết rằng thế năng tương tác của các phân tử có thể được bỏ qua so với động năng của chúng. Không có lực hút hoặc lực đẩy giữa các phân tử, va chạm của các hạt giữa chúng với nhau và với thành bình là đàn hồi tuyệt đối, và thời gian tương tác giữa các phân tử nhỏ hơn đáng kể so với thời gian trung bình giữa các va chạm.

, ở đâu k là hằng số Boltzmann (tỷ lệ của hằng số khí phổ Rđến số Avogadro N A), tôi- số bậc tự do của các phân tử (trong hầu hết các bài toán về khí lý tưởng, trong đó các phân tử được giả định là hình cầu có bán kính nhỏ, chất tương tự vật lý của chúng có thể là khí trơ), và T là nhiệt độ tuyệt đối.

Phương trình cơ bản của MKT kết nối các thông số vĩ mô (áp suất, thể tích, nhiệt độ) của hệ khí với các thông số vi mô (khối lượng phân tử, tốc độ chuyển động trung bình của chúng).

Động năng của phân tử

Trong chất khí, các phân tử thực hiện chuyển động tự do (cô lập với các phân tử khác), chỉ thỉnh thoảng va chạm với nhau hoặc với thành bình. Khi phân tử chuyển động tự do, nó chỉ có động năng. Trong quá trình va chạm, các phân tử cũng có thế năng. Như vậy, tổng năng lượng của một chất khí là tổng động năng và thế năng của các phân tử của nó. Chất khí càng hiếm thì tại mỗi thời điểm càng có nhiều phân tử ở trạng thái chuyển động tự do, chỉ có động năng. Do đó, khi hiếm khí, phần thế năng giảm so với động năng.

Vừa phảiĐộng năng của phân tử ở trạng thái cân bằng của khí lý tưởng có một đặc điểm rất quan trọng: trong hỗn hợp các khí khác nhau, động năng trung bình của một phân tử đối với các thành phần khác nhau của hỗn hợp là như nhau.

Ví dụ, không khí là một hỗn hợp của các chất khí. Năng lượng trung bình của một phân tử không khí đối với tất cả các thành phần của nó ở điều kiện bình thường, khi không khí vẫn có thể được coi là khí lý tưởng, là như nhau. Tính chất này của khí lý tưởng có thể được chứng minh trên cơ sở các xem xét thống kê chung. Từ đó dẫn đến một hệ quả quan trọng: nếu hai chất khí khác nhau (trong các bình khác nhau) ở trạng thái cân bằng nhiệt với nhau, thì động năng trung bình của các phân tử của chúng là như nhau.

Trong chất khí, khoảng cách giữa các phân tử, nguyên tử thường lớn hơn nhiều so với kích thước của bản thân các phân tử, lực tương tác của các phân tử không lớn. Kết quả là chất khí không có hình dạng riêng và thể tích không đổi. Chất khí dễ nén và có thể giãn nở vô hạn. Các phân tử khí chuyển động tự do (tịnh tiến, chúng có thể quay), chỉ thỉnh thoảng va chạm với các phân tử khác và thành bình chứa khí, và chúng chuyển động với tốc độ rất cao.

Chuyển động của các hạt trong chất rắn

Cấu trúc của chất rắn về cơ bản khác với cấu trúc của chất khí. Trong đó, khoảng cách giữa các phân tử là nhỏ và thế năng của các phân tử có thể so sánh với động năng. Nguyên tử (hoặc ion, hoặc toàn bộ phân tử) không thể được gọi là bất động, chúng thực hiện chuyển động dao động ngẫu nhiên xung quanh vị trí giữa của chúng. Nhiệt độ càng cao thì năng lượng của dao động càng lớn và do đó biên độ dao động trung bình. Dao động nhiệt của nguyên tử cũng giải thích nhiệt dung của chất rắn. Chúng ta hãy xem xét chi tiết hơn chuyển động của các hạt trong chất rắn kết tinh. Toàn bộ tinh thể nói chung là một hệ dao động ghép nối rất phức tạp. Độ lệch của các nguyên tử so với vị trí trung bình là nhỏ, và do đó chúng ta có thể cho rằng các nguyên tử chịu tác dụng của các lực bán đàn hồi tuân theo định luật Hooke tuyến tính. Hệ thống dao động như vậy được gọi là tuyến tính.

Có một lý thuyết toán học được phát triển về các hệ thống tuân theo dao động tuyến tính. Nó chứng minh một định lý rất quan trọng, bản chất của nó là như sau. Nếu hệ thực hiện các dao động nhỏ (tuyến tính) liên kết với nhau, thì bằng cách biến đổi tọa độ, nó có thể được rút gọn chính thức thành một hệ dao động độc lập (mà phương trình dao động không phụ thuộc vào nhau). Hệ thống các dao động độc lập hoạt động giống như một khí lý tưởng theo nghĩa là các nguyên tử của chất sau cũng có thể được coi là độc lập.

Đó là sử dụng ý tưởng về sự độc lập của các nguyên tử khí mà chúng ta đi đến định luật Boltzmann. Kết luận rất quan trọng này cung cấp một cơ sở đơn giản và đáng tin cậy cho toàn bộ lý thuyết về chất rắn.

Định luật Boltzmann

Số lượng dao động với các tham số cho trước (tọa độ và vận tốc) được xác định giống như số phân tử khí ở một trạng thái nhất định, theo công thức:

Năng lượng dao động.

Định luật Boltzmann (1) trong lý thuyết về vật rắn không có hạn chế, tuy nhiên, công thức (2) cho năng lượng của một dao động được lấy từ cơ học cổ điển. Trong việc xem xét lý thuyết về chất rắn, cần phải dựa vào cơ học lượng tử, được đặc trưng bởi sự thay đổi rời rạc năng lượng của một dao động. Tính rời rạc của năng lượng dao động chỉ trở nên không đáng kể khi năng lượng của nó có giá trị đủ lớn. Điều này có nghĩa là (2) chỉ có thể được sử dụng ở nhiệt độ đủ cao. Ở nhiệt độ cao của chất rắn, gần với nhiệt độ nóng chảy, định luật Boltzmann ngụ ý quy luật phân bố năng lượng đồng đều theo bậc tự do. Nếu trong chất khí ứng với mỗi bậc tự do trung bình có một lượng năng lượng bằng (1/2) kT thì vật dao động điều hòa có một bậc tự do, ngoài động năng, còn có thế năng. Do đó, một bậc tự do trong vật rắn ở nhiệt độ đủ cao có năng lượng bằng kT. Dựa vào định luật này, không khó để tính tổng nội năng của một chất rắn, sau đó là nhiệt dung của nó. Một mol chất rắn chứa các nguyên tử NA, và mỗi nguyên tử có ba bậc tự do. Do đó, mol chứa 3 dao động NA. Năng lượng nốt ruồi của một cơ thể rắn

và nhiệt dung mol của chất rắn ở nhiệt độ cao vừa đủ

Kinh nghiệm xác nhận luật này.

Chất lỏng chiếm vị trí trung gian giữa chất khí và chất rắn. Các phân tử của chất lỏng không phân kỳ trong một khoảng cách dài, và chất lỏng ở điều kiện bình thường vẫn giữ được thể tích của nó. Nhưng khác với chất rắn, các phân tử không chỉ dao động mà còn nhảy từ nơi này sang nơi khác, tức là chúng chuyển động tự do. Khi nhiệt độ tăng, chất lỏng sôi (có cái gọi là nhiệt độ sôi) và biến thành chất khí. Khi nhiệt độ giảm, chất lỏng kết tinh và trở thành chất rắn. Có một điểm trong trường nhiệt độ tại đó ranh giới giữa khí (hơi bão hòa) và chất lỏng biến mất (điểm tới hạn). Dạng chuyển động nhiệt của các phân tử trong chất lỏng gần nhiệt độ đông đặc rất giống với dạng chuyển động của các phân tử trong chất rắn. Ví dụ, các hệ số nhiệt dung gần như giống nhau. Vì nhiệt dung của một chất trong quá trình nóng chảy thay đổi đôi chút nên có thể kết luận rằng bản chất của chuyển động của các hạt trong chất lỏng gần giống với chuyển động trong chất rắn (ở nhiệt độ nóng chảy). Khi bị đốt nóng, các tính chất của chất lỏng dần dần thay đổi và nó trở nên giống chất khí hơn. Trong chất lỏng, động năng trung bình của các hạt nhỏ hơn thế năng của tương tác giữa các phân tử của chúng. Năng lượng của tương tác giữa các phân tử trong chất lỏng và chất rắn khác nhau không đáng kể. Nếu chúng ta so sánh nhiệt của phản ứng tổng hợp và nhiệt của sự bay hơi, chúng ta sẽ thấy rằng trong quá trình chuyển từ trạng thái tập hợp này sang trạng thái tập hợp khác, nhiệt của phản ứng tổng hợp thấp hơn đáng kể so với nhiệt hóa hơi. Chỉ có thể đưa ra mô tả toán học đầy đủ về cấu trúc của chất lỏng khi có sự trợ giúp của vật lý thống kê. Ví dụ, nếu một chất lỏng bao gồm các phân tử hình cầu giống hệt nhau, thì cấu trúc của nó có thể được mô tả bằng hàm phân bố xuyên tâm g (r), cho xác suất tìm thấy bất kỳ phân tử nào ở khoảng cách r so với phân tử đã cho, được chọn làm điểm chuẩn. . Thực nghiệm, hàm này có thể được tìm thấy bằng cách nghiên cứu sự nhiễu xạ của tia X hoặc neutron; có thể tiến hành mô phỏng trên máy tính của hàm này bằng cách sử dụng cơ học Newton.

Lý thuyết động học của chất lỏng được phát triển bởi Ya.I. Frenkel. Theo lý thuyết này, chất lỏng được coi như trong trường hợp vật rắn, là một hệ thống động của các dao động điều hòa. Nhưng khác với vật rắn, vị trí cân bằng của các phân tử trong chất lỏng là tạm thời. Sau khi dao động quanh một vị trí, phân tử chất lỏng nhảy đến một vị trí mới nằm trong vùng lân cận. Một bước nhảy như vậy xảy ra với sự tiêu hao năng lượng. Thời gian "sống ổn định" trung bình của một phân tử chất lỏng có thể được tính như sau:

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

trong đó $ t_0 \ $ là chu kỳ dao động quanh một vị trí cân bằng. Năng lượng mà một phân tử phải nhận để di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác được gọi là năng lượng hoạt hóa W, và thời gian phân tử ở vị trí cân bằng được gọi là “thời gian sống ổn định” thời gian t.

Ví dụ, đối với một phân tử nước, ở nhiệt độ phòng, một phân tử tạo ra khoảng 100 dao động và nhảy đến một vị trí mới. Lực hút giữa các phân tử của chất lỏng là rất lớn để duy trì thể tích, nhưng cuộc sống ít vận động của các phân tử dẫn đến sự xuất hiện của một hiện tượng như là tính lưu động. Trong quá trình dao động của các hạt gần vị trí cân bằng, chúng liên tục va chạm với nhau, do đó, ngay cả một lực nén nhỏ của chất lỏng cũng dẫn đến va chạm của các hạt "cứng". Điều này có nghĩa là áp suất của chất lỏng lên thành bình mà nó bị nén tăng mạnh.

ví dụ 1

Nhiệm vụ: Xác định nhiệt dung riêng của đồng. Giả sử rằng nhiệt độ đồng gần với nhiệt độ nóng chảy. (Khối lượng mol của đồng $ \ mu = 63 \ cdot 10 ^ (- 3) \ frac (kg) (mol)) $

Theo định luật Đơlông và Pôlôni, một mol chất đơn giản về mặt hóa học ở nhiệt độ gần với nhiệt độ nóng chảy có nhiệt dung là:

Nhiệt dung riêng của đồng:

\ [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)) \]

Trả lời: Nhiệt dung riêng của đồng là $ 0,39 \ \ cdot 10 ^ 3 \ left (\ frac (J) (kgK) \ right). $

Nhiệm vụ: Giải thích một cách đơn giản theo quan điểm vật lý quá trình hòa tan muối ăn (NaCl) trong nước.

Cơ sở của lý thuyết hiện đại về các giải pháp được tạo ra bởi D.I. Mendeleev. Ông phát hiện ra rằng trong quá trình hòa tan, hai quá trình xảy ra đồng thời: vật lý - sự phân bố đồng đều của các phần tử của chất hòa tan trong toàn bộ thể tích của dung dịch, và hóa học - sự tương tác của dung môi với chất hòa tan. Chúng tôi quan tâm đến quá trình vật lý. Các phân tử muối không phá hủy các phân tử nước. Trong trường hợp này, sẽ không thể làm bay hơi nước. Nếu các phân tử muối được gắn vào các phân tử nước, chúng ta sẽ nhận được một số chất mới. Và các phân tử muối không thể xâm nhập vào bên trong các phân tử nước.

Liên kết ion-lưỡng cực xảy ra giữa các ion Na + và Cl- của clo và các phân tử nước phân cực. Hóa ra nó mạnh hơn các liên kết ion trong phân tử muối. Kết quả của quá trình này, liên kết giữa các ion nằm trên bề mặt của tinh thể NaCl bị suy yếu, các ion natri và clo bị tách ra khỏi tinh thể, và các phân tử nước hình thành xung quanh chúng cái gọi là vỏ hydrat hóa. Các ion ngậm nước được tách ra dưới ảnh hưởng của chuyển động nhiệt được phân bố đồng đều giữa các phân tử dung môi.