Διάταξη μορίων σε στερεά. Υγρά. Η κίνηση των μορίων στα υγρά Ποια είναι η διάταξη των μορίων στα στερεά

Αυτό το υλικό δεν μιλά μόνο για το πώς βρίσκονται τα σωματίδια στα στερεά, αλλά και για το πώς κινούνται σε αέρια ή υγρά. Θα περιγραφούν επίσης οι τύποι κρυσταλλικών δικτυωμάτων σε διάφορες ουσίες.

Κατάσταση συγκέντρωσης

Υπάρχουν ορισμένα πρότυπα που υποδεικνύουν την παρουσία τριών τυπικών καταστάσεων συσσωμάτωσης, δηλαδή: υγρού και αερίου.

Ας ορίσουμε τα στοιχεία για κάθε κατάσταση συνάθροισης.

Τα στερεά είναι ουσιαστικά σταθερά σε όγκο και σχήμα. Είναι εξαιρετικά προβληματική η αλλαγή του τελευταίου χωρίς πρόσθετο κόστος ενέργειας.
Ένα υγρό μπορεί εύκολα να αλλάξει σχήμα, αλλά διατηρεί τον όγκο του.
Οι αέριες ουσίες δεν διατηρούν ούτε σχήμα ούτε όγκο.

Το κύριο κριτήριο με το οποίο καθορίζεται η κατάσταση συσσωμάτωσης είναι η διάταξη των μορίων και οι μέθοδοι κίνησής τους. Σε μια αέρια ουσία, η ελάχιστη απόσταση μεταξύ των μεμονωμένων μορίων είναι πολύ μεγαλύτερη από τα ίδια. Με τη σειρά τους, τα μόρια δεν αποκλίνουν σε μεγάλες αποστάσεις υπό τις συνήθεις συνθήκες τους και διατηρούν τον όγκο τους. Τα ενεργά σωματίδια στα στερεά είναι διατεταγμένα σε μια αυστηρά καθορισμένη σειρά, καθένα από αυτά, όπως το εκκρεμές ενός ρολογιού, κινείται γύρω από ένα ορισμένο σημείο του κρυσταλλικού πλέγματος. Αυτό δίνει στα στερεά ιδιαίτερη αντοχή και ακαμψία.

Επομένως, σε αυτή την περίπτωση, το πιο σχετικό ερώτημα είναι πώς βρίσκονται τα δρώντα σωματίδια στα στερεά. Σε όλες τις άλλες περιπτώσεις, τα άτομα (μόρια) δεν έχουν τέτοια διατεταγμένη δομή.

Χαρακτηριστικά υγρών

Είναι απαραίτητο να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στο γεγονός ότι τα υγρά είναι ένα είδος ενδιάμεσου κρίκου μεταξύ της στερεάς κατάστασης του σώματος και της αέριας φάσης του. Έτσι, όταν η θερμοκρασία πέφτει, το υγρό στερεοποιείται και όταν ανεβαίνει πάνω από το σημείο βρασμού μιας δεδομένης ουσίας, περνά σε αέρια κατάσταση. Ωστόσο, το υγρό έχει κοινά χαρακτηριστικά τόσο με στερεές όσο και με αέριες ουσίες. Έτσι, το 1860, ο εξαιρετικός Ρώσος επιστήμονας D. I. Mendeleev καθιέρωσε την ύπαρξη της λεγόμενης κρίσιμης θερμοκρασίας - απόλυτου βρασμού. Αυτή είναι η τιμή στην οποία εξαφανίζεται το λεπτό όριο μεταξύ του αερίου και της στερεάς κατάστασης.

Το επόμενο κριτήριο που συνδυάζει δύο γειτονικές καταστάσεις συσσωμάτωσης είναι η ισοτροπία. Σε αυτή την περίπτωση, οι ιδιότητές τους είναι ίδιες προς όλες τις κατευθύνσεις. Οι κρύσταλλοι, με τη σειρά τους, είναι ανισότροποι. Όπως τα αέρια, έτσι και τα υγρά δεν έχουν σταθερό σχήμα και καταλαμβάνουν όλο τον όγκο του δοχείου στο οποίο βρίσκονται. Έχουν δηλαδή χαμηλό ιξώδες και υψηλή ρευστότητα. Σε σύγκρουση μεταξύ τους, τα μικροσωματίδια ενός υγρού ή αερίου κάνουν ελεύθερες κινήσεις. Παλαιότερα, πίστευαν ότι στον όγκο που καταλαμβάνει ένα υγρό, δεν υπάρχει διατεταγμένη κίνηση των μορίων. Έτσι, το υγρό και το αέριο ήταν αντίθετα με τους κρυστάλλους. Αλλά ως αποτέλεσμα μεταγενέστερων μελετών, αποδείχθηκε η ομοιότητα μεταξύ στερεών και υγρών σωμάτων.

Στην υγρή φάση σε θερμοκρασία κοντά στη στερεοποίηση, η θερμική κίνηση μοιάζει με την κίνηση στα στερεά. Σε αυτή την περίπτωση, το υγρό μπορεί να έχει ακόμα μια συγκεκριμένη δομή. Επομένως, δίνοντας απάντηση στο ερώτημα πώς βρίσκονται τα σωματίδια στα στερεά σε υγρά και αέρια, μπορούμε να πούμε ότι στα τελευταία η κίνηση των μορίων είναι χαοτική, διαταραγμένη. αλλά στα στερεά, τα μόρια στις περισσότερες περιπτώσεις καταλαμβάνουν μια ορισμένη, σταθερή θέση.

Σε αυτή την περίπτωση, το υγρό είναι ένα είδος ενδιάμεσου συνδέσμου. Επιπλέον, όσο πιο κοντά η θερμοκρασία του στο βρασμό, τόσο περισσότερο τα μόρια κινούνται όπως στα αέρια. Εάν η θερμοκρασία είναι πιο κοντά στη μετάβαση στη στερεά φάση, τότε τα μικροσωματίδια αρχίζουν να κινούνται όλο και πιο ομαλά.

Αλλαγή στην κατάσταση των ουσιών

Εξετάστε το απλούστερο παράδειγμα αλλαγής της κατάστασης του νερού. Ο πάγος είναι η στερεά φάση του νερού. Η θερμοκρασία του είναι κάτω από το μηδέν. Σε θερμοκρασία ίση με το μηδέν, ο πάγος αρχίζει να λιώνει και μετατρέπεται σε νερό. Αυτό οφείλεται στην καταστροφή του κρυσταλλικού πλέγματος: όταν θερμαίνεται, τα σωματίδια αρχίζουν να κινούνται. Η θερμοκρασία στην οποία μια ουσία αλλάζει την κατάσταση συσσωμάτωσης ονομάζεται σημείο τήξης (στην περίπτωσή μας, για το νερό είναι 0). Σημειώστε ότι η θερμοκρασία του πάγου θα παραμείνει στα ίδια επίπεδα μέχρι να λιώσει τελείως. Σε αυτή την περίπτωση, τα άτομα ή τα μόρια του υγρού θα κινούνται με τον ίδιο τρόπο όπως στα στερεά.

Μετά από αυτό, συνεχίζουμε να ζεσταίνουμε το νερό. Σε αυτή την περίπτωση, τα σωματίδια αρχίζουν να κινούνται πιο εντατικά έως ότου η ουσία μας φτάσει στο επόμενο σημείο αλλαγής της κατάστασης συσσωμάτωσης - το σημείο βρασμού. Μια τέτοια στιγμή συμβαίνει όταν οι δεσμοί μεταξύ των μορίων που το σχηματίζουν σπάνε λόγω της επιτάχυνσης της κίνησης - τότε αποκτά έναν ελεύθερο χαρακτήρα και το εν λόγω υγρό περνά στην αέρια φάση. Η διαδικασία μετατροπής μιας ουσίας (νερού) από υγρή φάση σε αέρια ονομάζεται βρασμός.

Η θερμοκρασία στην οποία βράζει το νερό ονομάζεται σημείο βρασμού. Στην περίπτωσή μας, αυτή η τιμή είναι ίση με 100 βαθμούς Κελσίου (η θερμοκρασία εξαρτάται από την πίεση, η κανονική πίεση είναι μία ατμόσφαιρα). Σημείωση: μέχρι το υπάρχον υγρό να μετατραπεί πλήρως και πλήρως σε ατμό, η θερμοκρασία του παραμένει σταθερή.

Είναι επίσης δυνατή η αντίστροφη διαδικασία μετάβασης του νερού από αέρια κατάσταση (ατμός) σε υγρό, που ονομάζεται συμπύκνωση.

Στη συνέχεια, μπορείτε να παρατηρήσετε τη διαδικασία της κατάψυξης - τη διαδικασία μετάβασης ενός υγρού (νερό) σε στερεή μορφή (η αρχική κατάσταση περιγράφεται παραπάνω - αυτός είναι ο πάγος). Οι διαδικασίες που περιγράφηκαν προηγουμένως παρέχουν μια άμεση απάντηση στο πώς τα σωματίδια είναι διατεταγμένα σε στερεά, υγρά και αέρια. Η θέση και η κατάσταση των μορίων μιας ουσίας εξαρτάται από την κατάσταση συσσώρευσής της.

Τι είναι ένα συμπαγές σώμα; Πώς συμπεριφέρονται τα μικροσωματίδια σε αυτό;

Ένα στερεό σώμα είναι μια κατάσταση του υλικού περιβάλλοντος, το χαρακτηριστικό γνώρισμα του οποίου είναι η διατήρηση ενός σταθερού σχήματος και η σταθερή φύση της θερμικής κίνησης των μικροσωματιδίων που προκαλούν ελαφρούς κραδασμούς. Τα σώματα μπορεί να βρίσκονται σε στερεή, υγρή και αέρια κατάσταση. Υπάρχει επίσης μια τέταρτη κατάσταση, την οποία οι σύγχρονοι επιστήμονες τείνουν να ταξινομούν ως αδρανές - αυτό είναι το λεγόμενο πλάσμα.

Έτσι, στην πρώτη περίπτωση, οποιαδήποτε ουσία, κατά κανόνα, έχει ένα σταθερό, αμετάβλητο σχήμα και ο τρόπος που τα σωματίδια είναι διατεταγμένα σε στερεά έχει καθοριστική επίδραση σε αυτό. Σε μικροσκοπικό επίπεδο, μπορεί να φανεί ότι τα άτομα που αποτελούν ένα στερεό σώμα συνδέονται μεταξύ τους με χημικούς δεσμούς και βρίσκονται στους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος.

Αλλά υπάρχει μια εξαίρεση - άμορφες ουσίες που βρίσκονται σε στερεή κατάσταση, αλλά δεν μπορούν να καυχηθούν ότι έχουν κρυσταλλικό πλέγμα. Ξεκινώντας από αυτό μπορεί κανείς να δώσει μια απάντηση στο πώς βρίσκονται τα σωματίδια στα στερεά. Η φυσική στην πρώτη περίπτωση δείχνει ότι άτομα ή μόρια βρίσκονται στις θέσεις του πλέγματος. Αλλά στη δεύτερη περίπτωση, σίγουρα δεν υπάρχει τέτοια σειρά, και μια τέτοια ουσία μοιάζει περισσότερο με υγρό.

Φυσική και πιθανή δομή ενός στερεού σώματος

Σε αυτή την περίπτωση, η ουσία τείνει να διατηρεί τον όγκο της και, φυσικά, το σχήμα της. Δηλαδή για να αλλάξει αυτό το τελευταίο πρέπει να γίνουν προσπάθειες και δεν έχει σημασία αν πρόκειται για μεταλλικό αντικείμενο, κομμάτι πλαστικό ή πλαστελίνη. Ο λόγος έγκειται στη μοριακή του δομή. Και για να είμαστε πιο ακριβείς, στην αλληλεπίδραση των μορίων που απαρτίζουν το σώμα. Σε αυτή την περίπτωση, βρίσκονται πιο κοντά. Αυτή η διάταξη των μορίων είναι επαναλαμβανόμενη. Γι' αυτό οι δυνάμεις αμοιβαίας έλξης μεταξύ καθενός από αυτά τα συστατικά είναι πολύ μεγάλες.

Η αλληλεπίδραση των μικροσωματιδίων εξηγεί τη φύση της κίνησής τους. Είναι πολύ δύσκολο να διορθωθεί το σχήμα ή ο όγκος ενός τόσο συμπαγούς σώματος προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση. Τα σωματίδια ενός στερεού σώματος δεν μπορούν να κινηθούν τυχαία σε ολόκληρο τον όγκο ενός στερεού σώματος, αλλά μπορούν να ταλαντωθούν μόνο γύρω από ένα ορισμένο σημείο του χώρου. Τα μόρια ενός στερεού σώματος δονούνται τυχαία προς διαφορετικές κατευθύνσεις, αλλά σκοντάφτουν σε παρόμοια, που τα επαναφέρουν στην αρχική τους κατάσταση. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα σωματίδια στα στερεά είναι διατεταγμένα, κατά κανόνα, σε μια αυστηρά καθορισμένη σειρά.

Τα σωματίδια και η θέση τους σε ένα στερεό

Τα στερεά μπορεί να είναι τριών τύπων: κρυσταλλικά, άμορφα και σύνθετα. Είναι η χημική σύνθεση που επηρεάζει τη διάταξη των σωματιδίων στα στερεά.

Τα κρυσταλλικά στερεά έχουν διατεταγμένη δομή. Τα μόρια ή τα άτομά τους σχηματίζουν ένα κρυσταλλικό χωρικό πλέγμα της σωστής μορφής. Έτσι, ένα στερεό σώμα σε κρυσταλλική κατάσταση έχει ένα ορισμένο κρυσταλλικό πλέγμα, το οποίο, με τη σειρά του, καθορίζει ορισμένες φυσικές ιδιότητες. Αυτή είναι η απάντηση στο πώς τα σωματίδια είναι διατεταγμένα σε ένα στερεό.

Ας δώσουμε ένα παράδειγμα: πριν από πολλά χρόνια στην Αγία Πετρούπολη ένα απόθεμα από γυαλιστερά λευκά κουμπιά από τσίγκινο αποθηκεύτηκε σε μια αποθήκη, τα οποία, όταν έπεσε η θερμοκρασία, έχασαν τη λάμψη τους και έγιναν γκρι από άσπρα. Τα κουμπιά θρυμματίστηκαν σε γκρίζα σκόνη. "Tin Plague" - έτσι ονομαζόταν αυτή η "ασθένεια", αλλά στην πραγματικότητα ήταν μια αναδιάρθρωση της δομής των κρυστάλλων υπό την επίδραση της χαμηλής θερμοκρασίας. Ο κασσίτερος, κατά τη μετάβαση από μια λευκή ποικιλία σε μια γκρίζα, θρυμματίζεται σε σκόνη. Οι κρύσταλλοι, με τη σειρά τους, χωρίζονται σε μονο- και πολυκρυστάλλους.

Μονοκρύσταλλοι και πολυκρυστάλλοι

Οι απλοί κρύσταλλοι (κοινό αλάτι) είναι απλοί ομοιογενείς κρύσταλλοι, που αντιπροσωπεύονται από ένα συνεχές κρυσταλλικό πλέγμα με τη μορφή κανονικών πολυγώνων. Οι πολυκρυστάλλοι (άμμος, ζάχαρη, μέταλλα, πέτρες) είναι κρυσταλλικά σώματα που έχουν αναπτυχθεί μαζί από μικρούς, τυχαία διατεταγμένους κρυστάλλους. Στους κρυστάλλους, παρατηρείται ένα τέτοιο φαινόμενο όπως η ανισοτροπία.

Άμορφο: ειδική περίπτωση

Τα άμορφα σώματα (ρητίνη, κολοφώνιο, γυαλί, κεχριμπάρι) δεν έχουν σαφή αυστηρή σειρά στη διάταξη των σωματιδίων. Αυτή είναι μια μη τυπική περίπτωση της σειράς με την οποία τα σωματίδια βρίσκονται σε στερεά. Στην περίπτωση αυτή, παρατηρείται το φαινόμενο της ισοτροπίας, οι φυσικές ιδιότητες των άμορφων σωμάτων είναι ίδιες προς όλες τις κατευθύνσεις. Σε υψηλές θερμοκρασίες γίνονται σαν παχύρρευστα υγρά και σε χαμηλές μοιάζουν με στερεά. Υπό εξωτερική επίδραση, οι ελαστικές ιδιότητες ανιχνεύονται ταυτόχρονα, δηλαδή, κατά την πρόσκρουση, σπάνε σε μικροσκοπικά σωματίδια, όπως στερεά, και ρευστότητα: με παρατεταμένη έκθεση σε θερμοκρασία, αρχίζουν να ρέουν σαν υγρά. Δεν έχουν συγκεκριμένες θερμοκρασίες τήξης και κρυστάλλωσης. Όταν θερμαίνονται, τα άμορφα σώματα μαλακώνουν.

Παραδείγματα άμορφων ουσιών

Πάρτε, για παράδειγμα, τη συνηθισμένη ζάχαρη και μάθετε τη διάταξη των σωματιδίων σε στερεά σε διάφορες περιπτώσεις χρησιμοποιώντας το παράδειγμά της. Σε αυτή την περίπτωση, το ίδιο υλικό μπορεί να εμφανιστεί σε κρυσταλλική ή άμορφη μορφή. Αν η λιωμένη ζάχαρη σκληραίνει αργά, τα μόρια σχηματίζουν ομοιόμορφες σειρές - κρυστάλλους (ζάχαρη άχνη, ή κρυσταλλική ζάχαρη). Εάν η λιωμένη ζάχαρη, για παράδειγμα, χυθεί σε κρύο νερό, η ψύξη θα συμβεί πολύ γρήγορα και τα σωματίδια δεν θα έχουν χρόνο να σχηματίσουν τις σωστές σειρές - το τήγμα θα στερεοποιηθεί χωρίς να σχηματίσει κρυστάλλους. Έτσι λαμβάνεται η καραμέλα ζάχαρης (αυτή είναι η μη κρυσταλλική ζάχαρη).

Αλλά μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, μια τέτοια ουσία μπορεί να ανακρυσταλλωθεί, τα σωματίδια συγκεντρώνονται σε κανονικές σειρές. Εάν η καραμέλα ζάχαρη βρίσκεται για αρκετούς μήνες, θα αρχίσει να καλύπτεται με ένα χαλαρό στρώμα. Έτσι εμφανίζονται οι κρύσταλλοι στην επιφάνεια. Για τη ζάχαρη, η περίοδος θα είναι αρκετοί μήνες, και για την πέτρα - εκατομμύρια χρόνια. Ο άνθρακας είναι ένα μοναδικό παράδειγμα. Ο γραφίτης είναι κρυσταλλικός άνθρακας, η δομή του είναι στρωμένη. Και το διαμάντι είναι το σκληρότερο ορυκτό στη γη, ικανό να κόβει γυαλί και να πριονίζει πέτρες, χρησιμοποιείται για διάτρηση και στίλβωση. Σε αυτή την περίπτωση, η ουσία είναι μία - άνθρακας, αλλά η ιδιαιτερότητα έγκειται στην ικανότητα σχηματισμού διαφορετικών κρυσταλλικών μορφών. Αυτή είναι μια άλλη απάντηση στο πώς τα σωματίδια είναι διατεταγμένα σε ένα στερεό.

Αποτελέσματα. συμπέρασμα

Η δομή και η διάταξη των σωματιδίων στα στερεά εξαρτάται από τον τύπο της εν λόγω ουσίας. Εάν η ουσία είναι κρυσταλλική, τότε θα παραγγελθεί η διάταξη των μικροσωματιδίων. Οι άμορφες δομές δεν έχουν αυτό το χαρακτηριστικό. Όμως τα σύνθετα υλικά μπορούν να ανήκουν τόσο στην πρώτη όσο και στη δεύτερη ομάδα.

Σε μια περίπτωση, το υγρό συμπεριφέρεται παρόμοια με ένα στερεό (σε χαμηλή θερμοκρασία, η οποία είναι κοντά στη θερμοκρασία κρυστάλλωσης), αλλά μπορεί επίσης να συμπεριφέρεται σαν αέριο (καθώς ανεβαίνει). Επομένως, σε αυτό το υλικό ανασκόπησης, εξετάστηκε πώς τα σωματίδια βρίσκονται όχι μόνο σε στερεά, αλλά και σε άλλες βασικές αθροιστικές καταστάσεις της ύλης.

Κινητική ενέργεια ενός μορίου

Σε ένα αέριο, τα μόρια εκτελούν ελεύθερη (απομονωμένα από άλλα μόρια) κίνηση, μόνο από καιρό σε καιρό συγκρούονται μεταξύ τους ή με τα τοιχώματα του αγγείου. Όσο το μόριο βρίσκεται σε ελεύθερη κίνηση, έχει μόνο κινητική ενέργεια. Κατά τη σύγκρουση, τα μόρια έχουν επίσης δυναμική ενέργεια. Έτσι, η συνολική ενέργεια ενός αερίου είναι το άθροισμα της κινητικής και της δυνητικής ενέργειας των μορίων του. Όσο σπάνια είναι το αέριο, τόσο περισσότερα μόρια βρίσκονται σε κατάσταση ελεύθερης κίνησης σε κάθε στιγμή, έχοντας μόνο κινητική ενέργεια. Κατά συνέπεια, όταν το αέριο αραιώνεται, το μερίδιο της δυναμικής ενέργειας μειώνεται σε σύγκριση με την κινητική ενέργεια.

Η μέση κινητική ενέργεια ενός μορίου στην ισορροπία ενός ιδανικού αερίου έχει ένα πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό: σε ένα μείγμα διαφορετικών αερίων, η μέση κινητική ενέργεια ενός μορίου για διαφορετικά συστατικά του μείγματος είναι η ίδια.

Για παράδειγμα, ο αέρας είναι ένα μείγμα αερίων. Η μέση ενέργεια ενός μορίου αέρα για όλα τα συστατικά του υπό κανονικές συνθήκες, όταν ο αέρας μπορεί ακόμα να θεωρηθεί ως ιδανικό αέριο, είναι η ίδια. Αυτή η ιδιότητα των ιδανικών αερίων μπορεί να αποδειχθεί με βάση γενικές στατιστικές εκτιμήσεις. Μια σημαντική συνέπεια προκύπτει από αυτό: εάν δύο διαφορετικά αέρια (σε διαφορετικά δοχεία) βρίσκονται σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους, τότε οι μέσες κινητικές ενέργειες των μορίων τους είναι οι ίδιες.

Στα αέρια, η απόσταση μεταξύ μορίων και ατόμων είναι συνήθως πολύ μεγαλύτερη από το μέγεθος των ίδιων των μορίων, οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης των μορίων δεν είναι μεγάλες. Ως αποτέλεσμα, το αέριο δεν έχει το δικό του σχήμα και σταθερό όγκο. Το αέριο είναι εύκολα συμπιέσιμο και μπορεί να διαστέλλεται επ' αόριστον. Τα μόρια αερίου κινούνται ελεύθερα (μεταφραστικά, μπορούν να περιστρέφονται), μόνο περιστασιακά συγκρούονται με άλλα μόρια και τα τοιχώματα του δοχείου στο οποίο βρίσκεται το αέριο και κινούνται με πολύ υψηλές ταχύτητες.

Κίνηση σωματιδίων σε στερεά

Η δομή των στερεών είναι θεμελιωδώς διαφορετική από τη δομή των αερίων. Σε αυτά οι διαμοριακές αποστάσεις είναι μικρές και η δυναμική ενέργεια των μορίων συγκρίσιμη με την κινητική. Τα άτομα (ή ιόντα ή ολόκληρα μόρια) δεν μπορούν να ονομαστούν ακίνητα, εκτελούν τυχαία ταλαντωτική κίνηση γύρω από τις μεσαίες θέσεις τους. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια των ταλαντώσεων και επομένως το μέσο πλάτος των ταλαντώσεων. Οι θερμικές δονήσεις των ατόμων εξηγούν επίσης τη θερμοχωρητικότητα των στερεών. Ας εξετάσουμε λεπτομερέστερα τις κινήσεις των σωματιδίων σε κρυσταλλικά στερεά. Ολόκληρος ο κρύσταλλος στο σύνολό του είναι ένα πολύ περίπλοκο συζευγμένο ταλαντευτικό σύστημα. Οι αποκλίσεις των ατόμων από τις μέσες θέσεις είναι μικρές, και επομένως μπορούμε να υποθέσουμε ότι τα άτομα υπόκεινται στη δράση οιονεί ελαστικών δυνάμεων που υπακούουν στον γραμμικό νόμο του Hooke. Τέτοια συστήματα ταλάντωσης ονομάζονται γραμμικά.

Υπάρχει μια ανεπτυγμένη μαθηματική θεωρία συστημάτων που υπόκεινται σε γραμμικές ταλαντώσεις. Αποδεικνύει ένα πολύ σημαντικό θεώρημα, η ουσία του οποίου είναι η εξής. Εάν το σύστημα εκτελεί μικρές (γραμμικές) διασυνδεδεμένες ταλαντώσεις, τότε μετασχηματίζοντας τις συντεταγμένες μπορεί να αναχθεί τυπικά σε ένα σύστημα ανεξάρτητων ταλαντωτών (για τους οποίους οι εξισώσεις ταλάντωσης δεν εξαρτώνται μεταξύ τους). Το σύστημα των ανεξάρτητων ταλαντωτών συμπεριφέρεται σαν ένα ιδανικό αέριο με την έννοια ότι τα άτομα του τελευταίου μπορούν επίσης να θεωρηθούν ανεξάρτητα.

Χρησιμοποιώντας την ιδέα της ανεξαρτησίας των ατόμων αερίου φτάνουμε στο νόμο του Boltzmann. Αυτό το πολύ σημαντικό συμπέρασμα παρέχει μια απλή και αξιόπιστη βάση για ολόκληρη τη θεωρία των στερεών.

ο νόμος του Boltzmann

Ο αριθμός των ταλαντωτών με δεδομένες παραμέτρους (συντεταγμένες και ταχύτητες) προσδιορίζεται με τον ίδιο τρόπο όπως ο αριθμός των μορίων αερίου σε μια δεδομένη κατάσταση, σύμφωνα με τον τύπο:

Ενέργεια ταλαντωτή.

Ο νόμος του Boltzmann (1) στη θεωρία ενός στερεού σώματος δεν έχει περιορισμούς, ωστόσο, ο τύπος (2) για την ενέργεια ενός ταλαντωτή λαμβάνεται από την κλασική μηχανική. Στη θεωρητική θεώρηση των στερεών, είναι απαραίτητο να βασιστούμε στην κβαντομηχανική, η οποία χαρακτηρίζεται από μια διακριτή αλλαγή στην ενέργεια ενός ταλαντωτή. Η διακριτικότητα της ενέργειας του ταλαντωτή γίνεται ασήμαντη μόνο σε επαρκώς υψηλές τιμές της ενέργειάς του. Αυτό σημαίνει ότι το (2) μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες. Σε υψηλές θερμοκρασίες ενός στερεού, κοντά στο σημείο τήξης, ο νόμος του Boltzmann υπονοεί το νόμο της ομοιόμορφης κατανομής της ενέργειας σε βαθμούς ελευθερίας. Αν στα αέρια για κάθε βαθμό ελευθερίας, κατά μέσο όρο, υπάρχει ποσότητα ενέργειας ίση με (1/2) kT, τότε ο ταλαντωτής έχει έναν βαθμό ελευθερίας, εκτός από κινητική, έχει και δυναμική ενέργεια. Επομένως, ένας βαθμός ελευθερίας σε ένα στερεό σε αρκετά υψηλή θερμοκρασία έχει ενέργεια ίση με kT. Με βάση αυτόν τον νόμο, δεν είναι δύσκολο να υπολογιστεί η συνολική εσωτερική ενέργεια ενός στερεού, και μετά από αυτήν, η θερμοχωρητικότητα του. Ένα mole ενός στερεού περιέχει άτομα ΝΑ και κάθε άτομο έχει τρεις βαθμούς ελευθερίας. Επομένως, το mole περιέχει 3 ταλαντωτές NA. Μοριακή ενέργεια στερεού σώματος

και τη μοριακή θερμοχωρητικότητα ενός στερεού σε επαρκώς υψηλές θερμοκρασίες

Η εμπειρία επιβεβαιώνει αυτόν τον νόμο.

Τα υγρά καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση μεταξύ αερίων και στερεών. Τα μόρια ενός υγρού δεν αποκλίνουν σε μεγάλες αποστάσεις και το υγρό υπό κανονικές συνθήκες διατηρεί τον όγκο του. Σε αντίθεση όμως με τα στερεά, τα μόρια όχι μόνο ταλαντώνονται, αλλά και πηδούν από μέρος σε μέρος, δηλαδή κάνουν ελεύθερες κινήσεις. Όταν η θερμοκρασία ανεβαίνει, τα υγρά βράζουν (υπάρχει το λεγόμενο σημείο βρασμού) και μετατρέπονται σε αέριο. Καθώς η θερμοκρασία πέφτει, τα υγρά κρυσταλλώνονται και γίνονται στερεά. Υπάρχει ένα σημείο στο πεδίο θερμοκρασίας στο οποίο εξαφανίζεται το όριο μεταξύ αερίου (κορεσμένος ατμός) και υγρού (κρίσιμο σημείο). Το σχέδιο της θερμικής κίνησης των μορίων στα υγρά κοντά στη θερμοκρασία στερεοποίησης είναι πολύ παρόμοιο με τη συμπεριφορά των μορίων στα στερεά. Για παράδειγμα, οι συντελεστές θερμοχωρητικότητας είναι σχεδόν οι ίδιοι. Δεδομένου ότι η θερμική ικανότητα μιας ουσίας κατά τη διάρκεια της τήξης αλλάζει ελαφρώς, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι η φύση της κίνησης των σωματιδίων σε ένα υγρό είναι κοντά στην κίνηση σε ένα στερεό (στη θερμοκρασία τήξης). Όταν θερμαίνεται, οι ιδιότητες του υγρού αλλάζουν σταδιακά και γίνεται περισσότερο σαν αέριο. Στα υγρά, η μέση κινητική ενέργεια των σωματιδίων είναι μικρότερη από τη δυναμική ενέργεια της διαμοριακής τους αλληλεπίδρασης. Η ενέργεια της διαμοριακής αλληλεπίδρασης σε υγρά και στερεά διαφέρει ασήμαντα. Εάν συγκρίνουμε τη θερμότητα της σύντηξης και τη θερμότητα της εξάτμισης, θα δούμε ότι κατά τη μετάβαση από τη μια κατάσταση συσσωμάτωσης στην άλλη, η θερμότητα της σύντηξης είναι σημαντικά χαμηλότερη από τη θερμότητα της εξάτμισης. Μια επαρκής μαθηματική περιγραφή της δομής ενός υγρού μπορεί να δοθεί μόνο με τη βοήθεια της στατιστικής φυσικής. Για παράδειγμα, εάν ένα υγρό αποτελείται από πανομοιότυπα σφαιρικά μόρια, τότε η δομή του μπορεί να περιγραφεί από τη συνάρτηση ακτινικής κατανομής g(r), η οποία δίνει την πιθανότητα εύρεσης οποιουδήποτε μορίου σε απόσταση r από το δεδομένο, επιλεγμένο ως σημείο αναφοράς. . Πειραματικά, αυτή η συνάρτηση μπορεί να βρεθεί μελετώντας τη διάθλαση ακτίνων Χ ή νετρονίων· είναι δυνατό να διεξαχθούν προσομοιώσεις σε υπολογιστή αυτής της συνάρτησης χρησιμοποιώντας τη Νευτώνεια μηχανική.

Η κινητική θεωρία του υγρού αναπτύχθηκε από τον Ya.I. Φρένκελ. Σε αυτή τη θεωρία, το υγρό θεωρείται, όπως στην περίπτωση ενός στερεού σώματος, ως ένα δυναμικό σύστημα αρμονικών ταλαντωτών. Αλλά σε αντίθεση με ένα στερεό σώμα, η θέση ισορροπίας των μορίων σε ένα υγρό είναι προσωρινή. Αφού ταλαντωθεί γύρω από μια θέση, το μόριο του υγρού μεταπηδά σε μια νέα θέση που βρίσκεται στη γειτονιά. Ένα τέτοιο άλμα συμβαίνει με τη δαπάνη ενέργειας. Ο μέσος χρόνος «καθιζημένης ζωής» ενός μορίου υγρού μπορεί να υπολογιστεί ως εξής:

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

όπου $t_0\ $ είναι η περίοδος των ταλαντώσεων γύρω από μια θέση ισορροπίας. Η ενέργεια που πρέπει να λάβει ένα μόριο για να μετακινηθεί από τη μια θέση στην άλλη ονομάζεται ενέργεια ενεργοποίησης W και ο χρόνος που το μόριο βρίσκεται στη θέση ισορροπίας ονομάζεται χρόνος «καθιζημένης ζωής» t.

Για ένα μόριο νερού, για παράδειγμα, σε θερμοκρασία δωματίου, ένα μόριο κάνει περίπου 100 δονήσεις και πηδά σε μια νέα θέση. Οι δυνάμεις έλξης μεταξύ των μορίων ενός υγρού είναι μεγάλες για τη διατήρηση του όγκου, αλλά η περιορισμένη καθιστική ζωή των μορίων οδηγεί στην εμφάνιση ενός τέτοιου φαινομένου όπως η ρευστότητα. Κατά τη διάρκεια των ταλαντώσεων των σωματιδίων κοντά στη θέση ισορροπίας, συγκρούονται συνεχώς μεταξύ τους, επομένως, ακόμη και μια μικρή συμπίεση του υγρού οδηγεί σε απότομη «σκλήρυνση» των συγκρούσεων σωματιδίων. Αυτό σημαίνει απότομη αύξηση της πίεσης του υγρού στα τοιχώματα του δοχείου στο οποίο συμπιέζεται.

Παράδειγμα 1

Εργασία: Προσδιορίστε την ειδική θερμοχωρητικότητα του χαλκού. Ας υποθέσουμε ότι η θερμοκρασία του χαλκού είναι κοντά στο σημείο τήξης. (Μοριακή μάζα χαλκού $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(kg)(mol))$

Σύμφωνα με τους νόμους Dulong και Petit, ένα mole χημικά απλών ουσιών σε θερμοκρασίες κοντά στο σημείο τήξης έχει θερμική ικανότητα:

Ειδική θερμοχωρητικότητα χαλκού:

\[C=\frac(c)(\mu )\to C=\frac(3R)(\mu )\left(1.2\right),\] \[C=\frac(3\cdot 8,31) (63\cdot 10^(-3))=0,39\ \cdot 10^3(\frac(J)(kgK))\]

Απάντηση: Η ειδική θερμοχωρητικότητα του χαλκού είναι $0,39\ \cdot 10^3\left(\frac(J)(kgK)\right).$

Εργασία: Εξηγήστε με απλοποιημένο τρόπο από τη σκοπιά της φυσικής τη διαδικασία διάλυσης του άλατος (NaCl) στο νερό.

Η βάση της σύγχρονης θεωρίας των λύσεων δημιουργήθηκε από τον D.I. Μεντελέεφ. Βρήκε ότι κατά τη διάλυση, δύο διεργασίες συμβαίνουν ταυτόχρονα: φυσική - η ομοιόμορφη κατανομή των σωματιδίων της διαλυμένης ουσίας σε όλο τον όγκο του διαλύματος και χημική - η αλληλεπίδραση του διαλύτη με τη διαλυμένη ουσία. Μας ενδιαφέρει η φυσική διαδικασία. Τα μόρια του αλατιού δεν καταστρέφουν τα μόρια του νερού. Σε αυτή την περίπτωση, θα ήταν αδύνατο να εξατμιστεί το νερό. Εάν τα μόρια άλατος ήταν συνδεδεμένα με μόρια νερού, θα παίρναμε κάποια νέα ουσία. Και τα μόρια αλατιού δεν μπορούν να διεισδύσουν μέσα στα μόρια του νερού.

Ένας δεσμός ιόντος-διπόλου εμφανίζεται μεταξύ των ιόντων Na+ και Cl- του χλωρίου και των μορίων του πολικού νερού. Αποδεικνύεται ότι είναι ισχυρότερο από τους ιοντικούς δεσμούς στα μόρια του άλατος. Ως αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας, ο δεσμός μεταξύ των ιόντων που βρίσκονται στην επιφάνεια των κρυστάλλων NaCl εξασθενεί, τα ιόντα νατρίου και χλωρίου αποσπώνται από τον κρύσταλλο και μόρια νερού σχηματίζουν γύρω τους τα λεγόμενα κελύφη ενυδάτωσης. Τα διαχωρισμένα ενυδατωμένα ιόντα υπό την επίδραση της θερμικής κίνησης κατανέμονται ομοιόμορφα μεταξύ των μορίων του διαλύτη.

Τα μόρια και τα άτομα ενός στερεού σώματος είναι διατεταγμένα με συγκεκριμένη σειρά και μορφή κρυσταλλικού πλέγματος. Τέτοια στερεά ονομάζονται κρυσταλλικά. Τα άτομα ταλαντώνονται γύρω από τη θέση ισορροπίας και η έλξη μεταξύ τους είναι πολύ ισχυρή. Επομένως, τα στερεά σώματα υπό κανονικές συνθήκες διατηρούν όγκο και έχουν το δικό τους σχήμα.

Θερμική ισορροπία είναι η κατάσταση ενός θερμοδυναμικού συστήματος στην οποία περνά αυθόρμητα μετά από μια αρκετά μεγάλη χρονική περίοδο υπό συνθήκες απομόνωσης από το περιβάλλον.

Η θερμοκρασία είναι ένα φυσικό μέγεθος που χαρακτηρίζει τη μέση κινητική ενέργεια των σωματιδίων ενός μακροσκοπικού συστήματος σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας. Σε κατάσταση ισορροπίας, η θερμοκρασία έχει την ίδια τιμή για όλα τα μακροσκοπικά μέρη του συστήματος.

Βαθμοί Κελσίου(σύμβολο: °C) είναι μια κοινή μονάδα θερμοκρασίας που χρησιμοποιείται στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (SI) μαζί με το Κέλβιν.

Ιατρικό θερμόμετρο υδραργύρου

Μηχανικό θερμόμετρο

Ο βαθμός Κελσίου πήρε το όνομά του από τον Σουηδό επιστήμονα Anders Celsius, ο οποίος το 1742 πρότεινε μια νέα κλίμακα για τη μέτρηση της θερμοκρασίας. Μηδέν στην κλίμακα Κελσίου ήταν το σημείο τήξης του πάγου και 100° ήταν το σημείο βρασμού του νερού σε τυπική ατμοσφαιρική πίεση. (Αρχικά, ο Κέλσιος πήρε τη θερμοκρασία τήξης του πάγου ως 100 °, και το σημείο βρασμού του νερού ως 0 °. Και μόνο αργότερα ο σύγχρονος του Carl Linnaeus «ανέστρεψε» αυτήν την κλίμακα). Αυτή η κλίμακα είναι γραμμική στην περιοχή 0-100° και συνεχίζει επίσης γραμμικά στην περιοχή κάτω από 0° και πάνω από 100°. Η γραμμικότητα είναι ένα σημαντικό ζήτημα με τις ακριβείς μετρήσεις θερμοκρασίας. Αρκεί να αναφέρουμε ότι ένα κλασικό θερμόμετρο γεμάτο με νερό δεν μπορεί να επισημανθεί για θερμοκρασίες κάτω των 4 βαθμών Κελσίου, γιατί σε αυτό το εύρος το νερό αρχίζει να διαστέλλεται ξανά.

Ο αρχικός ορισμός του βαθμού Κελσίου εξαρτιόταν από τον ορισμό της τυπικής ατμοσφαιρικής πίεσης, επειδή τόσο το σημείο βρασμού του νερού όσο και το σημείο τήξης του πάγου εξαρτώνται από την πίεση. Αυτό δεν είναι πολύ βολικό για την τυποποίηση της μονάδας μέτρησης. Επομένως, μετά την υιοθέτηση του Kelvin K ως βασικής μονάδας θερμοκρασίας, αναθεωρήθηκε ο ορισμός του βαθμού Κελσίου.

Σύμφωνα με τον σύγχρονο ορισμό, ένας βαθμός Κελσίου είναι ίσος με ένα Κέλβιν Κ και το μηδέν της κλίμακας Κελσίου ορίζεται έτσι ώστε η θερμοκρασία του τριπλού σημείου του νερού να είναι 0,01 °C. Ως αποτέλεσμα, οι κλίμακες Κελσίου και Κέλβιν μετατοπίζονται κατά 273,15:

26)Ιδανικό αέριο- ένα μαθηματικό μοντέλο ενός αερίου, στο οποίο θεωρείται ότι η δυναμική ενέργεια της αλληλεπίδρασης των μορίων μπορεί να αγνοηθεί σε σύγκριση με την κινητική τους ενέργεια. Δεν υπάρχουν δυνάμεις έλξης ή απώθησης μεταξύ των μορίων, οι συγκρούσεις των σωματιδίων μεταξύ τους και με τα τοιχώματα του αγγείου είναι απολύτως ελαστικές και ο χρόνος αλληλεπίδρασης μεταξύ των μορίων είναι αμελητέα μικρός σε σύγκριση με τον μέσο χρόνο μεταξύ των συγκρούσεων.

Οπου κείναι η σταθερά Boltzmann (ο λόγος της καθολικής σταθεράς του αερίου Rστον αριθμό του Avogadro Ν Α), Εγώ- τον αριθμό των βαθμών ελευθερίας των μορίων (στα περισσότερα προβλήματα σχετικά με τα ιδανικά αέρια, όπου τα μόρια υποτίθεται ότι είναι σφαίρες μικρής ακτίνας, το φυσικό ανάλογο των οποίων μπορεί να είναι αδρανή αέρια) και Τείναι η απόλυτη θερμοκρασία.

Η βασική εξίσωση του ΜΚΤ συνδέει τις μακροσκοπικές παραμέτρους (πίεση, όγκος, θερμοκρασία) ενός συστήματος αερίων με τις μικροσκοπικές (μοριακή μάζα, μέση ταχύτητα κίνησης τους).

Η φυσικη. Μόρια. Διάταξη μορίων σε αέρια, υγρά και στερεά απόσταση.

Στην αέρια κατάσταση, τα μόρια δεν συνδέονται μεταξύ τους, βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση μεταξύ τους. Brownian κίνηση. Το αέριο μπορεί να συμπιεστεί σχετικά εύκολα.
Σε ένα υγρό, τα μόρια είναι κοντά μεταξύ τους, δονώντας μεταξύ τους. Σχεδόν ασυμπίεστο.
Σε ένα στερεό - τα μόρια είναι διατεταγμένα με αυστηρή σειρά (σε κρυσταλλικά πλέγματα), δεν υπάρχει κίνηση των μορίων. Η συμπίεση δεν θα υποκύψει.
Η δομή της ύλης και η αρχή της χημείας:
http://samlib.ru/a/anemow_e_m/aa0.shtml
(χωρίς εγγραφή και μηνύματα SMS, σε βολική μορφή κειμένου: μπορείτε να χρησιμοποιήσετε Ctrl+C)
Δεν είναι σε καμία περίπτωση δυνατό να συμφωνήσουμε ότι στη στερεά κατάσταση τα μόρια δεν κινούνται.
Κίνηση μορίων στα αέρια
Στα αέρια, η απόσταση μεταξύ μορίων και ατόμων είναι συνήθως πολύ μεγαλύτερη από το μέγεθος των μορίων και οι ελκτικές δυνάμεις είναι πολύ μικρές. Επομένως, τα αέρια δεν έχουν δικό τους σχήμα και σταθερό όγκο. Τα αέρια συμπιέζονται εύκολα επειδή οι απωστικές δυνάμεις σε μεγάλες αποστάσεις είναι επίσης μικρές. Τα αέρια έχουν την ιδιότητα να διαστέλλονται απεριόριστα, γεμίζοντας ολόκληρο τον όγκο που τους παρέχεται. Τα μόρια αερίου κινούνται με πολύ υψηλές ταχύτητες, συγκρούονται μεταξύ τους, αναπηδούν το ένα από το άλλο προς διαφορετικές κατευθύνσεις. Πολυάριθμες κρούσεις μορίων στα τοιχώματα του δοχείου δημιουργούν πίεση αερίου.

Κίνηση μορίων σε υγρά
Στα υγρά, τα μόρια όχι μόνο ταλαντώνονται γύρω από τη θέση ισορροπίας, αλλά και μεταπηδούν από τη μια θέση ισορροπίας στην άλλη. Αυτά τα άλματα συμβαίνουν περιοδικά. Το χρονικό διάστημα μεταξύ τέτοιων πηδημάτων ονομάζεται μέσος χρόνος κατασταλαγμένης ζωής (ή μέσος χρόνος χαλάρωσης) και συμβολίζεται με το γράμμα?. Με άλλα λόγια, ο χρόνος χαλάρωσης είναι ο χρόνος ταλάντωσης γύρω από μια συγκεκριμένη θέση ισορροπίας. Σε θερμοκρασία δωματίου, αυτός ο χρόνος είναι κατά μέσο όρο 10–11 δευτερόλεπτα. Ο χρόνος μιας ταλάντωσης είναι 10-1210-13 s.

Ο χρόνος καθίζησης μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η απόσταση μεταξύ των υγρών μορίων είναι μικρότερη από το μέγεθος των μορίων, τα σωματίδια είναι κοντά το ένα στο άλλο και η διαμοριακή έλξη είναι μεγάλη. Ωστόσο, η διάταξη των υγρών μορίων δεν είναι αυστηρά διατεταγμένη σε όλο τον όγκο.
Τα υγρά, όπως και τα στερεά, διατηρούν τον όγκο τους, αλλά δεν έχουν το δικό τους σχήμα. Επομένως, παίρνουν τη μορφή του αγγείου στο οποίο βρίσκονται. Ένα υγρό έχει την ιδιότητα της ρευστότητας. Λόγω αυτής της ιδιότητας, το υγρό δεν αντιστέκεται σε αλλαγή σχήματος, συμπιέζεται ελάχιστα και οι φυσικές του ιδιότητες είναι ίδιες προς όλες τις κατευθύνσεις μέσα στο υγρό (ισοτροπία υγρών). Η φύση της μοριακής κίνησης στα υγρά καθιερώθηκε για πρώτη φορά από τον Σοβιετικό φυσικό Yakov Ilyich Frenkel (1894-1952).
Κίνηση μορίων σε στερεά
Τα μόρια και τα άτομα ενός στερεού σώματος είναι διατεταγμένα με μια ορισμένη σειρά και σχηματίζουν ένα κρυσταλλικό πλέγμα. Τέτοια στερεά ονομάζονται κρυσταλλικά. Τα άτομα ταλαντώνονται γύρω από τη θέση ισορροπίας και η έλξη μεταξύ τους είναι πολύ ισχυρή. Επομένως, τα στερεά σώματα υπό κανονικές συνθήκες διατηρούν τον όγκο τους και έχουν το δικό τους σχήμα.
Σε αέρια κίνηση τυχαία, κόψτε μέσα
Σε υγρό-κινούνται ευθυγραμμισμένα μεταξύ τους
Σε στερεά - μην κινηθείτε.