เนื้อหานี้ไม่เพียงแต่พูดถึงวิธีการที่อนุภาคอยู่ในของแข็ง แต่ยังรวมถึงวิธีการเคลื่อนที่ของอนุภาคในก๊าซหรือของเหลวด้วย จะมีการอธิบายประเภทของโครงผลึกในสารต่างๆ ด้วย

สถานะของการรวมตัว

มีมาตรฐานบางอย่างที่ระบุสถานะการรวมตัวโดยทั่วไปสามสถานะ ได้แก่ ของเหลวและก๊าซ

ให้เรากำหนดองค์ประกอบสำหรับแต่ละสถานะของการรวม

1. ของแข็งมีปริมาตรและรูปร่างคงที่อย่างมาก การเปลี่ยนหลังโดยไม่ต้องเสียค่าพลังงานเพิ่มเติมเป็นปัญหาอย่างมาก
2. ของเหลวสามารถเปลี่ยนรูปร่างได้ง่าย แต่ยังคงปริมาตรไว้
3. สารที่เป็นแก๊สจะไม่คงรูปร่างหรือปริมาตรไว้

เกณฑ์หลักที่กำหนดสถานะของการรวมตัวคือการจัดเรียงของโมเลกุลและวิธีการเคลื่อนไหว ในสารที่เป็นแก๊ส ระยะห่างขั้นต่ำระหว่างโมเลกุลแต่ละโมเลกุลจะมากกว่าตัวมันเองมาก ในทางกลับกัน โมเลกุลจะไม่แยกออกจากกันในระยะทางไกลภายใต้สภาวะปกติและคงปริมาตรไว้ อนุภาคแอกทีฟในของแข็งถูกจัดเรียงตามลำดับที่กำหนดไว้อย่างเข้มงวด แต่ละอนุภาคจะเคลื่อนไปรอบๆ จุดหนึ่งในโครงตาข่ายคริสตัล เช่นเดียวกับลูกตุ้มนาฬิกา สิ่งนี้ให้ความแข็งแกร่งและความแข็งแกร่งเป็นพิเศษแก่ของแข็ง

ดังนั้น ในกรณีนี้ คำถามที่เกี่ยวข้องมากที่สุดคืออนุภาคที่ทำหน้าที่อยู่ในของแข็งได้อย่างไร ในกรณีอื่นๆ ทั้งหมด อะตอม (โมเลกุล) ไม่มีโครงสร้างที่สั่งเช่นนั้น

คุณสมบัติของเหลว

จำเป็นต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษกับความจริงที่ว่าของเหลวเป็นตัวเชื่อมระหว่างสถานะของแข็งของร่างกายกับเฟสก๊าซ ดังนั้น เมื่ออุณหภูมิลดลง ของเหลวจะแข็งตัว และเมื่อมันสูงขึ้นเหนือจุดเดือดของสสารที่กำหนด มันจะเปลี่ยนสถานะเป็นก๊าซ อย่างไรก็ตาม ของเหลวมีคุณสมบัติทั่วไปทั้งกับสารที่เป็นของแข็งและก๊าซ ดังนั้นในปี 1860 นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียที่โดดเด่น D. I. Mendeleev ได้สร้างการมีอยู่ของอุณหภูมิวิกฤตที่เรียกว่าการเดือดอย่างแท้จริง นี่คือค่าที่ขอบเขตบางๆ ระหว่างก๊าซและสถานะของแข็งหายไป

เกณฑ์ต่อไปที่รวมสองสถานะการรวมตัวที่อยู่ใกล้เคียงกันคือไอโซโทรปี ในกรณีนี้คุณสมบัติจะเหมือนกันทุกทิศทาง ในทางกลับกันคริสตัลเป็นแบบแอนไอโซโทรปิก เช่นเดียวกับก๊าซ ของเหลวไม่มีรูปร่างคงที่และครอบครองปริมาตรทั้งหมดของภาชนะที่พวกมันตั้งอยู่ นั่นคือมีความหนืดต่ำและมีความลื่นไหลสูง อนุภาคขนาดเล็กของของเหลวหรือก๊าซชนกันทำให้เกิดการเคลื่อนไหวอย่างอิสระ ก่อนหน้านี้เชื่อกันว่าในปริมาตรที่ครอบครองโดยของเหลวไม่มีการเคลื่อนที่ของโมเลกุลตามคำสั่ง ดังนั้น ของเหลวและก๊าซจึงตรงข้ามกับคริสตัล แต่จากผลการศึกษาต่อมาได้พิสูจน์ความคล้ายคลึงกันระหว่างวัตถุที่เป็นของแข็งและของเหลว

ในสถานะของเหลวที่อุณหภูมิใกล้เคียงกับการแข็งตัว การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนจะคล้ายกับการเคลื่อนที่ในของแข็ง ในกรณีนี้ ของเหลวอาจยังมีโครงสร้างที่แน่นอน ดังนั้น การให้คำตอบสำหรับคำถามที่ว่าอนุภาคอยู่ในของแข็งในของเหลวและก๊าซได้อย่างไร เราสามารถพูดได้ว่าในระยะหลังการเคลื่อนที่ของโมเลกุลนั้นวุ่นวายและไม่เป็นระเบียบ แต่ในของแข็ง โมเลกุลส่วนใหญ่จะอยู่ในตำแหน่งที่แน่นอนและคงที่

ในกรณีนี้ของเหลวเป็นตัวเชื่อมระหว่างกลาง ยิ่งไปกว่านั้น ยิ่งอุณหภูมิใกล้ถึงจุดเดือดมากเท่าไร โมเลกุลก็จะยิ่งเคลื่อนที่เหมือนอยู่ในก๊าซมากขึ้นเท่านั้น หากอุณหภูมิใกล้เคียงกับการเปลี่ยนเฟสเป็นของแข็ง อนุภาคขนาดเล็กจะเริ่มเคลื่อนที่อย่างเป็นระเบียบมากขึ้น

เปลี่ยนสถานะของสาร

พิจารณาตัวอย่างที่ง่ายที่สุดของการเปลี่ยนแปลงสถานะของน้ำ น้ำแข็งเป็นสถานะของแข็งของน้ำ อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์ ที่อุณหภูมิเท่ากับศูนย์ น้ำแข็งเริ่มละลายและกลายเป็นน้ำ นี่เป็นเพราะการทำลายของตาข่ายคริสตัล: เมื่อได้รับความร้อน อนุภาคจะเริ่มเคลื่อนที่ อุณหภูมิที่สารเปลี่ยนสถานะของการรวมตัวเรียกว่าจุดหลอมเหลว (ในกรณีของเราสำหรับน้ำคือ 0) โปรดทราบว่าอุณหภูมิของน้ำแข็งจะยังคงอยู่ในระดับเดิมจนกว่าจะละลายหมด ในกรณีนี้อะตอมหรือโมเลกุลของของเหลวจะเคลื่อนที่ในลักษณะเดียวกับของแข็ง

หลังจากนั้นเรายังคงให้ความร้อนแก่น้ำ ในกรณีนี้ อนุภาคเริ่มเคลื่อนที่อย่างเข้มข้นมากขึ้นจนกระทั่งสารของเราถึงจุดเปลี่ยนถัดไปในสถานะของการรวมตัว นั่นคือจุดเดือด ช่วงเวลาดังกล่าวเกิดขึ้นเมื่อพันธะระหว่างโมเลกุลที่ก่อตัวขึ้นถูกทำลายเนื่องจากการเร่งความเร็วของการเคลื่อนที่ - จากนั้นจะได้รับลักษณะอิสระและของเหลวที่เป็นปัญหาจะผ่านเข้าสู่เฟสก๊าซ กระบวนการเปลี่ยนสถานะของสาร (น้ำ) จากสถานะของเหลวเป็นก๊าซเรียกว่าการเดือด

อุณหภูมิที่น้ำเดือดเรียกว่าจุดเดือด ในกรณีของเรา ค่านี้เท่ากับ 100 องศาเซลเซียส (อุณหภูมิขึ้นอยู่กับความดัน ความดันปกติคือหนึ่งบรรยากาศ) หมายเหตุ: จนกว่าของเหลวที่มีอยู่จะเปลี่ยนเป็นไออย่างสมบูรณ์และสมบูรณ์ อุณหภูมิของมันจะคงที่

กระบวนการย้อนกลับของการเปลี่ยนสถานะของน้ำจากสถานะก๊าซ (ไอ) เป็นของเหลวซึ่งเรียกว่าการควบแน่นก็เป็นไปได้เช่นกัน

จากนั้นคุณสามารถสังเกตกระบวนการแช่แข็ง - กระบวนการเปลี่ยนสถานะของของเหลว (น้ำ) เป็นของแข็ง (สถานะเริ่มต้นอธิบายไว้ข้างต้น - นี่คือน้ำแข็ง) กระบวนการที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ให้คำตอบโดยตรงถึงวิธีการจัดเรียงอนุภาคในของแข็ง ของเหลว และก๊าซ ตำแหน่งและสถานะของโมเลกุลของสารขึ้นอยู่กับสถานะของการรวมตัว

ร่างกายที่แข็งแรงคืออะไร? อนุภาคขนาดเล็กมีพฤติกรรมอย่างไร

วัตถุที่เป็นของแข็งคือสถานะของสภาพแวดล้อมของวัสดุ คุณลักษณะที่โดดเด่นคือการรักษารูปร่างให้คงที่และลักษณะคงที่ของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคขนาดเล็กที่ทำให้เกิดการสั่นสะเทือนเล็กน้อย ร่างกายสามารถอยู่ในสถานะของแข็ง ของเหลว และก๊าซ นอกจากนี้ยังมีสถานะที่สี่ซึ่งนักวิทยาศาสตร์สมัยใหม่มักจะจัดว่าเป็นมวลรวม - นี่คือพลาสมาที่เรียกว่า

ดังนั้น ในกรณีแรก ตามกฎแล้ว สสารใดๆ จะมีรูปร่างคงที่และไม่เปลี่ยนแปลง และวิธีการจัดเรียงอนุภาคในของแข็งก็มีผลสำคัญต่อสิ่งนี้ ในระดับจุลทรรศน์จะเห็นได้ว่าอะตอมที่ประกอบกันเป็นของแข็งนั้นเชื่อมต่อกันด้วยพันธะเคมีและอยู่ที่โหนดของผลึกขัดแตะ

แต่มีข้อยกเว้น - สารอสัณฐานที่อยู่ในสถานะของแข็ง แต่ไม่สามารถอวดว่ามีตาข่ายคริสตัลได้ เริ่มต้นจากสิ่งนี้ที่สามารถให้คำตอบว่าอนุภาคอยู่ในของแข็งได้อย่างไร ฟิสิกส์ในกรณีแรกระบุว่าอะตอมหรือโมเลกุลอยู่ที่ไซต์แลตทิซ แต่ในกรณีที่สองไม่มีคำสั่งดังกล่าวอย่างแน่นอนและสารดังกล่าวมีลักษณะเป็นของเหลวมากกว่า

ฟิสิกส์และโครงสร้างที่เป็นไปได้ของร่างกายที่เป็นของแข็ง

ในกรณีนี้ สารมีแนวโน้มที่จะรักษาปริมาตรและรูปร่างของมันไว้ นั่นคือเพื่อที่จะเปลี่ยนสิ่งหลัง ต้องใช้ความพยายาม และไม่สำคัญว่าจะเป็นวัตถุโลหะ ชิ้นพลาสติก หรือดินน้ำมัน เหตุผลอยู่ในโครงสร้างโมเลกุล และแม่นยำยิ่งขึ้น ในการทำงานร่วมกันของโมเลกุลที่ประกอบกันเป็นร่างกาย ในกรณีนี้จะอยู่ใกล้ที่สุด การจัดเรียงตัวของโมเลกุลนี้ซ้ำๆ นั่นคือเหตุผลที่แรงดึงดูดระหว่างแต่ละองค์ประกอบเหล่านี้มีขนาดใหญ่มาก

ปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคขนาดเล็กอธิบายถึงธรรมชาติของการเคลื่อนไหว เป็นเรื่องยากมากที่จะแก้ไขรูปร่างหรือปริมาตรของร่างกายที่มั่นคงในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง อนุภาคของวัตถุที่เป็นของแข็งไม่สามารถเคลื่อนที่แบบสุ่มได้ตลอดปริมาตรของวัตถุที่เป็นของแข็ง แต่สามารถแกว่งไปรอบๆ จุดหนึ่งในอวกาศเท่านั้น โมเลกุลของวัตถุที่เป็นของแข็งจะสั่นสะเทือนแบบสุ่มในทิศทางต่างๆ แต่ไปสะดุดกับโมเลกุลที่คล้ายกันซึ่งทำให้พวกมันกลับคืนสู่สภาพเดิม นั่นคือเหตุผลที่อนุภาคในของแข็งถูกจัดเรียงตามกฎในลำดับที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด

อนุภาคและตำแหน่งของมันในของแข็ง

ของแข็งสามารถมีได้สามประเภท: ผลึก อสัณฐาน และคอมโพสิต เป็นองค์ประกอบทางเคมีที่มีผลต่อการจัดเรียงตัวของอนุภาคในของแข็ง

ของแข็งที่เป็นผลึกมีโครงสร้างที่เป็นระเบียบ โมเลกุลหรืออะตอมของพวกมันก่อตัวเป็นโครงตาข่ายเชิงพื้นที่ผลึกในรูปแบบที่ถูกต้อง ดังนั้น วัตถุที่เป็นของแข็งในสถานะผลึกจึงมีตาข่ายคริสตัลบางอย่าง ซึ่งจะกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพบางอย่าง นี่คือคำตอบของการจัดเรียงอนุภาคในของแข็ง

ลองยกตัวอย่าง: เมื่อหลายปีก่อนในเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก สต็อกปุ่มดีบุกสีขาวแวววาวถูกเก็บไว้ในโกดัง ซึ่งเมื่ออุณหภูมิลดลง ความแวววาวจะหายไปและเปลี่ยนเป็นสีเทาจากสีขาว กระดุมร่วงเป็นผงสีเทา "โรคระบาดดีบุก" - นี่คือวิธีที่เรียกว่า "โรค" นี้ แต่ในความเป็นจริงมันเป็นการปรับโครงสร้างของผลึกภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิต่ำ ดีบุกเมื่อเปลี่ยนจากสีขาวเป็นสีเทาจะแตกเป็นผง ในทางกลับกันคริสตัลจะแบ่งออกเป็นโมโนและโพลีคริสตัล

ผลึกเดี่ยวและโพลีคริสตัล

ผลึกเดี่ยว (เกลือทั่วไป) คือผลึกเดี่ยวที่เป็นเนื้อเดียวกัน ซึ่งแสดงด้วยโครงผลึกต่อเนื่องในรูปของรูปหลายเหลี่ยมปกติ Polycrystals (ทราย น้ำตาล โลหะ หิน) เป็นเนื้อผลึกที่เติบโตร่วมกันจากผลึกขนาดเล็กที่จัดเรียงแบบสุ่ม ในผลึกจะสังเกตเห็นปรากฏการณ์เช่นแอนไอโซโทรปี

อสัณฐาน: กรณีพิเศษ

วัตถุอสัณฐาน (เรซิน ขัดสน แก้ว อำพัน) ไม่มีระเบียบที่ชัดเจนในการจัดเรียงอนุภาค นี่เป็นกรณีที่ไม่ได้มาตรฐานของลำดับที่อนุภาคอยู่ในของแข็ง ในกรณีนี้มีการสังเกตปรากฏการณ์ของไอโซโทรปีคุณสมบัติทางกายภาพของวัตถุอสัณฐานจะเหมือนกันในทุกทิศทาง ที่อุณหภูมิสูง พวกมันจะกลายเป็นของเหลวหนืด และที่อุณหภูมิต่ำ พวกมันจะกลายเป็นของแข็ง ภายใต้อิทธิพลจากภายนอก คุณสมบัติยืดหยุ่นจะถูกตรวจพบพร้อมกัน นั่นคือ เมื่อเกิดการกระแทก พวกมันแตกตัวเป็นอนุภาคขนาดเล็ก เช่น ของแข็ง และการไหล เมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิเป็นเวลานาน พวกมันจะเริ่มไหลเหมือนของเหลว พวกเขาไม่มีอุณหภูมิหลอมเหลวและการตกผลึกที่เฉพาะเจาะจง เมื่อถูกความร้อน ร่างอสัณฐานจะอ่อนตัว

ตัวอย่างของสารอสัณฐาน

ยกตัวอย่างเช่น น้ำตาลธรรมดาและค้นหาการจัดเรียงตัวของอนุภาคในของแข็งในกรณีต่างๆ โดยใช้ตัวอย่าง ในกรณีนี้ วัสดุชนิดเดียวกันอาจเกิดขึ้นในรูปแบบผลึกหรืออสัณฐาน หากน้ำตาลที่ละลายแข็งตัวช้า โมเลกุลจะก่อตัวเป็นแถวคู่ - ผลึก (น้ำตาลก้อนหรือน้ำตาลทราย) ตัวอย่างเช่น หากน้ำตาลละลายถูกเทลงในน้ำเย็น การทำความเย็นจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว และอนุภาคจะไม่มีเวลาสร้างแถวที่ถูกต้อง - การหลอมจะแข็งตัวโดยไม่ก่อตัวเป็นผลึก นี่คือวิธีที่ได้ลูกอมน้ำตาล (นี่คือน้ำตาลที่ไม่มีผลึก)

แต่หลังจากผ่านไประยะหนึ่ง สารดังกล่าวสามารถตกผลึกใหม่ได้ อนุภาคจะรวมตัวกันเป็นแถวสม่ำเสมอ หากลูกอมน้ำตาลอยู่หลายเดือน มันจะเริ่มปกคลุมด้วยชั้นหลวมๆ นี่คือลักษณะของคริสตัลที่ปรากฏบนพื้นผิว สำหรับน้ำตาลระยะเวลาจะหลายเดือนและสำหรับหิน - หลายล้านปี คาร์บอนเป็นตัวอย่างที่ไม่เหมือนใคร กราไฟท์เป็นคาร์บอนที่เป็นผลึก มีโครงสร้างเป็นชั้นๆ และเพชรเป็นแร่ที่แข็งที่สุดในโลก สามารถตัดกระจกและเลื่อยหินได้ ใช้สำหรับการเจาะและขัดเงา ในกรณีนี้สารเป็นคาร์บอนเดียว แต่ลักษณะเฉพาะอยู่ที่ความสามารถในการสร้างรูปแบบผลึกที่แตกต่างกัน นี่เป็นอีกคำตอบหนึ่งของการจัดเรียงตัวของอนุภาคในของแข็ง

ผลลัพธ์. บทสรุป

โครงสร้างและการจัดเรียงตัวของอนุภาคในของแข็งขึ้นอยู่กับชนิดของสารที่เป็นปัญหา หากสารมีลักษณะเป็นผลึก การเรียงตัวของอนุภาคขนาดเล็กจะถูกจัดลำดับ โครงสร้างอสัณฐานไม่มีคุณสมบัตินี้ แต่คอมโพสิตสามารถเป็นของทั้งกลุ่มที่หนึ่งและสอง

ในกรณีหนึ่ง ของเหลวมีพฤติกรรมคล้ายกับของแข็ง (ที่อุณหภูมิต่ำซึ่งใกล้เคียงกับอุณหภูมิการตกผลึก) แต่ก็สามารถประพฤติตัวเหมือนก๊าซได้เช่นกัน (เมื่อมันเพิ่มขึ้น) ดังนั้นในเอกสารทบทวนนี้ จึงพิจารณาว่าอนุภาคอยู่ได้อย่างไร ไม่เพียงแต่ในของแข็งเท่านั้น แต่ยังอยู่ในสถานะมวลรวมพื้นฐานอื่นๆ ของสสารด้วย

พลังงานจลน์ของโมเลกุล

ในแก๊ส โมเลกุลจะเคลื่อนที่อย่างอิสระ (แยกจากโมเลกุลอื่น) โดยจะชนกันหรือชนกับผนังของภาชนะเป็นครั้งคราวเท่านั้น ตราบใดที่โมเลกุลยังเคลื่อนที่อิสระ ก็จะมีพลังงานจลน์เท่านั้น ในระหว่างการชน โมเลกุลยังมีพลังงานศักย์ ดังนั้น พลังงานทั้งหมดของแก๊สคือผลรวมของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของโมเลกุล ยิ่งก๊าซหายากมากเท่าใด โมเลกุลจำนวนมากขึ้นในแต่ละช่วงเวลาก็จะอยู่ในสถานะของการเคลื่อนที่อย่างอิสระโดยมีเพียงพลังงานจลน์เท่านั้น ดังนั้น เมื่อก๊าซหายากขึ้น ส่วนแบ่งของพลังงานศักย์จะลดลงเมื่อเปรียบเทียบกับพลังงานจลน์

พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลในสภาวะสมดุลของแก๊สในอุดมคติมีคุณลักษณะที่สำคัญอย่างหนึ่ง: ในส่วนผสมของแก๊สต่างๆ พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลสำหรับส่วนประกอบต่างๆ ของส่วนผสมจะเท่ากัน

ตัวอย่างเช่น อากาศเป็นส่วนผสมของก๊าซ พลังงานเฉลี่ยของโมเลกุลอากาศสำหรับส่วนประกอบทั้งหมดภายใต้สภาวะปกติ ซึ่งอากาศยังถือได้ว่าเป็นก๊าซในอุดมคติจะเท่ากัน คุณสมบัติของก๊าซในอุดมคตินี้สามารถพิสูจน์ได้บนพื้นฐานของการพิจารณาทางสถิติทั่วไป ผลลัพธ์ที่สำคัญตามมา: หากก๊าซสองชนิด (ในภาชนะที่แตกต่างกัน) อยู่ในสมดุลทางความร้อนซึ่งกันและกัน พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลของพวกมันจะเท่ากัน

ในก๊าซ ระยะห่างระหว่างโมเลกุลและอะตอมมักจะมากกว่าขนาดของโมเลกุลเอง แรงปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลมีไม่มาก เป็นผลให้ก๊าซไม่มีรูปร่างและปริมาตรคงที่ ก๊าซสามารถบีบอัดได้ง่ายและสามารถขยายตัวได้อย่างไม่มีกำหนด โมเลกุลของแก๊สเคลื่อนที่อย่างอิสระ (แปลได้ว่า พวกมันสามารถหมุนได้) มีเพียงบางครั้งเท่านั้นที่ชนกับโมเลกุลอื่นและผนังของภาชนะที่มีแก๊สตั้งอยู่ และพวกมันจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมาก

การเคลื่อนที่ของอนุภาคในของแข็ง

โครงสร้างของของแข็งนั้นแตกต่างจากโครงสร้างของก๊าซโดยพื้นฐาน ในระยะทางระหว่างโมเลกุลมีขนาดเล็กและพลังงานศักย์ของโมเลกุลเทียบได้กับพลังงานจลน์ อะตอม (หรือไอออน หรือทั้งโมเลกุล) ไม่สามารถเรียกว่าเคลื่อนที่ไม่ได้ พวกมันทำการเคลื่อนที่แบบสั่นแบบสุ่มรอบตำแหน่งตรงกลาง ยิ่งอุณหภูมิสูงขึ้น พลังงานของการสั่นก็จะยิ่งมากขึ้น และด้วยเหตุนี้แอมพลิจูดเฉลี่ยของการสั่นก็จะยิ่งมากขึ้น การสั่นสะเทือนทางความร้อนของอะตอมยังอธิบายความจุความร้อนของของแข็งด้วย ให้เราพิจารณารายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคในของแข็งที่เป็นผลึก คริสตัลทั้งหมดโดยรวมเป็นระบบออสซิลเลเตอร์คู่ที่ซับซ้อนมาก การเบี่ยงเบนของอะตอมจากตำแหน่งเฉลี่ยมีน้อย ดังนั้นเราสามารถสรุปได้ว่าอะตอมอยู่ภายใต้การกระทำของแรงกึ่งยืดหยุ่นที่เป็นไปตามกฎของ Hooke เชิงเส้น ระบบการสั่นดังกล่าวเรียกว่าเส้นตรง

มีการพัฒนาทฤษฎีทางคณิตศาสตร์ของระบบภายใต้การสั่นเชิงเส้น มันพิสูจน์ทฤษฎีบทที่สำคัญมากซึ่งมีสาระสำคัญดังนี้ หากระบบทำการออสซิลเลชันขนาดเล็ก (เชิงเส้น) ที่เชื่อมต่อกัน จากนั้นโดยการแปลงพิกัด จะสามารถลดลงอย่างเป็นทางการให้เป็นระบบออสซิลเลเตอร์อิสระ (ซึ่งสมการการสั่นไม่ได้ขึ้นอยู่กับกันและกัน) ระบบออสซิลเลเตอร์อิสระทำตัวเหมือนก๊าซในอุดมคติในแง่ที่ว่าอะตอมของออสซิลเลเตอร์หลังสามารถพิจารณาได้ว่าเป็นอิสระเช่นกัน

มันใช้แนวคิดเรื่องความเป็นอิสระของอะตอมของก๊าซที่เรามาถึงกฎของ Boltzmann ข้อสรุปที่สำคัญมากนี้เป็นพื้นฐานที่ง่ายและเชื่อถือได้สำหรับทฤษฎีของแข็งทั้งหมด

กฎของโบลต์ซมันน์

จำนวนออสซิลเลเตอร์ที่มีพารามิเตอร์ที่กำหนด (พิกัดและความเร็ว) ถูกกำหนดในลักษณะเดียวกับจำนวนโมเลกุลของก๊าซในสถานะที่กำหนด ตามสูตร:

พลังงานออสซิลเลเตอร์

กฎของ Boltzmann (1) ในทฤษฎีของวัตถุทึบไม่มีข้อจำกัด อย่างไรก็ตาม สูตร (2) สำหรับพลังงานของออสซิลเลเตอร์นั้นนำมาจากกลศาสตร์คลาสสิก ในการพิจารณาทางทฤษฎีของของแข็ง จำเป็นต้องพึ่งพากลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือการเปลี่ยนแปลงพลังงานของออสซิลเลเตอร์แบบไม่ต่อเนื่อง ความไม่ต่อเนื่องของพลังงานออสซิลเลเตอร์จะไม่มีนัยสำคัญเฉพาะเมื่อค่าพลังงานสูงเพียงพอ ซึ่งหมายความว่า (2) สามารถใช้งานได้ในอุณหภูมิที่สูงเพียงพอเท่านั้น ที่อุณหภูมิสูงของของแข็งใกล้กับจุดหลอมเหลว กฎของ Boltzmann แสดงถึงกฎของการกระจายพลังงานที่สม่ำเสมอเหนือระดับความอิสระ หากในก๊าซสำหรับระดับอิสระแต่ละระดับ โดยเฉลี่ยมีจำนวนพลังงานเท่ากับ (1/2) kT แสดงว่าออสซิลเลเตอร์มีระดับอิสระหนึ่งระดับ นอกเหนือจากจลนศาสตร์แล้ว ยังมีพลังงานศักย์ ดังนั้น ระดับความอิสระ 1 ระดับในของแข็งที่มีอุณหภูมิสูงเพียงพอจะมีพลังงานเท่ากับ kT ตามกฎหมายนี้ การคำนวณพลังงานภายในทั้งหมดของของแข็งนั้นไม่ใช่เรื่องยาก และหลังจากนั้นก็คือความจุความร้อน โมลของของแข็งประกอบด้วยอะตอมของ NA และแต่ละอะตอมมีระดับอิสระสามระดับ ดังนั้นโมลจึงมีออสซิลเลเตอร์ 3 NA พลังงานโมลของร่างกายที่เป็นของแข็ง

และความจุความร้อนโมลาร์ของของแข็งที่อุณหภูมิสูงเพียงพอ

ประสบการณ์ยืนยันกฎหมายนี้

ของเหลวครอบครองตำแหน่งกึ่งกลางระหว่างก๊าซและของแข็ง โมเลกุลของของเหลวจะไม่แยกออกจากกันในระยะทางไกล และของเหลวภายใต้สภาวะปกติจะคงปริมาตรไว้ แต่ไม่เหมือนของแข็ง โมเลกุลไม่เพียงแต่แกว่งไปมาเท่านั้น แต่ยังกระโดดจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งด้วย นั่นคือ พวกมันเคลื่อนไหวอย่างอิสระ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ของเหลวจะเดือด (มีจุดเดือดที่เรียกว่า) และกลายเป็นก๊าซ เมื่ออุณหภูมิลดลง ของเหลวจะตกผลึกและกลายเป็นของแข็ง มีจุดหนึ่งในฟิลด์อุณหภูมิที่ขอบเขตระหว่างก๊าซ (ไออิ่มตัว) และของเหลวหายไป (จุดวิกฤต) รูปแบบของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลในของเหลวใกล้กับอุณหภูมิการแข็งตัวจะคล้ายกันมากกับพฤติกรรมของโมเลกุลในของแข็ง ตัวอย่างเช่น ค่าสัมประสิทธิ์ความจุความร้อนเกือบจะเท่ากัน เนื่องจากความจุความร้อนของสารระหว่างการหลอมละลายเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย จึงสรุปได้ว่าธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของอนุภาคในของเหลวนั้นใกล้เคียงกับการเคลื่อนที่ในของแข็ง (ที่อุณหภูมิหลอมเหลว) เมื่อได้รับความร้อน คุณสมบัติของของเหลวจะค่อยๆ เปลี่ยนไป และจะกลายเป็นเหมือนก๊าซมากขึ้น ในของเหลว พลังงานจลน์เฉลี่ยของอนุภาคจะน้อยกว่าพลังงานศักย์ของปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล พลังงานของปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลในของเหลวและของแข็งแตกต่างกันเล็กน้อย หากเราเปรียบเทียบความร้อนของการหลอมรวมกับความร้อนของการระเหย เราจะเห็นว่าในระหว่างการเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งของการรวมตัวไปสู่อีกสถานะหนึ่ง ความร้อนของการหลอมรวมจะต่ำกว่าความร้อนของการกลายเป็นไออย่างมาก คำอธิบายทางคณิตศาสตร์ที่เพียงพอเกี่ยวกับโครงสร้างของของเหลวสามารถได้รับความช่วยเหลือจากฟิสิกส์สถิติเท่านั้น ตัวอย่างเช่น ถ้าของเหลวประกอบด้วยโมเลกุลทรงกลมที่เหมือนกัน โครงสร้างของมันสามารถอธิบายได้ด้วยฟังก์ชันการกระจายในแนวรัศมี g(r) ซึ่งจะให้ความน่าจะเป็นในการค้นหาโมเลกุลใดๆ ที่ระยะ r จากโมเลกุลที่กำหนด ซึ่งถูกเลือกเป็นจุดอ้างอิง . จากการทดลอง ฟังก์ชันนี้สามารถพบได้โดยการศึกษาการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์หรือนิวตรอน เป็นไปได้ที่จะทำการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ของฟังก์ชันนี้โดยใช้กลศาสตร์นิวตัน

ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ของของเหลวได้รับการพัฒนาโดย Ya.I. เฟรนเคล. ในทฤษฎีนี้ ของเหลวถือเป็นระบบไดนามิกของฮาร์มอนิกออสซิลเลเตอร์ เช่นเดียวกับในกรณีของร่างกายที่เป็นของแข็ง แต่ตำแหน่งสมดุลของโมเลกุลในของเหลวนั้นไม่เหมือนกับวัตถุที่เป็นของแข็ง หลังจากแกว่งไปรอบๆ ตำแหน่งหนึ่ง โมเลกุลของของเหลวจะกระโดดไปยังตำแหน่งใหม่ที่อยู่ในบริเวณใกล้เคียง การกระโดดดังกล่าวเกิดขึ้นกับการใช้พลังงาน เวลา "ชำระชีวิต" เฉลี่ยของโมเลกุลของเหลวสามารถคำนวณได้ดังนี้:

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

โดยที่ $t_0\ $ คือระยะเวลาของการสั่นรอบตำแหน่งสมดุลหนึ่งตำแหน่ง พลังงานที่โมเลกุลต้องได้รับเพื่อเคลื่อนที่จากตำแหน่งหนึ่งไปอีกตำแหน่งหนึ่งเรียกว่าพลังงานกระตุ้น W และเวลาที่โมเลกุลอยู่ในตำแหน่งสมดุลเรียกว่า "ชีวิตที่สงบ" เวลา t

ตัวอย่างเช่น สำหรับโมเลกุลของน้ำ ที่อุณหภูมิห้อง โมเลกุลหนึ่งจะสร้างการสั่นสะเทือนประมาณ 100 ครั้งและกระโดดไปยังตำแหน่งใหม่ แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของของเหลวมีผลดีต่อการรักษาปริมาตร แต่อายุที่จำกัดของโมเลกุลนำไปสู่การเกิดขึ้นของปรากฏการณ์เช่นการไหล ในระหว่างการสั่นของอนุภาคใกล้กับตำแหน่งสมดุล พวกมันชนกันอย่างต่อเนื่อง ดังนั้น แม้แต่การบีบอัดของเหลวเพียงเล็กน้อยก็นำไปสู่การชนกันของอนุภาค "แข็งตัว" อย่างรวดเร็ว ซึ่งหมายถึงความดันของของเหลวที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วบนผนังของภาชนะที่ถูกบีบอัด

ตัวอย่างที่ 1

งาน: กำหนดความจุความร้อนจำเพาะของทองแดง สมมติว่าทองแดงมีอุณหภูมิใกล้เคียงกับจุดหลอมเหลว (มวลโมลาร์ของทองแดง $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(kg)(mol))$

ตามกฎของ Dulong และ Petit โมลของสารทางเคมีอย่างง่ายที่อุณหภูมิใกล้กับจุดหลอมเหลวมีความจุความร้อน:

ความจุความร้อนจำเพาะของทองแดง:

\[C=\frac(c)(\mu )\to C=\frac(3R)(\mu )\left(1.2\right),\] \[C=\frac(3\cdot 8,31) (63\cdot 10^(-3))=0.39\ \cdot 10^3(\frac(J)(kgK))\]

คำตอบ: ความจุความร้อนจำเพาะของทองแดงคือ $0.39\ \cdot 10^3\left(\frac(J)(kgK)\right).$

ภารกิจ: อธิบายอย่างง่ายจากมุมมองของฟิสิกส์เกี่ยวกับกระบวนการละลายเกลือ (NaCl) ในน้ำ

พื้นฐานของทฤษฎีการแก้ปัญหาสมัยใหม่ถูกสร้างขึ้นโดย D.I. เมนเดเลเยฟ. เขาพบว่าระหว่างการละลาย กระบวนการสองอย่างเกิดขึ้นพร้อมกัน: ทางกายภาพ - การกระจายอนุภาคของสารที่ละลายอย่างสม่ำเสมอตลอดปริมาตรของสารละลาย และเคมี - ปฏิสัมพันธ์ของตัวทำละลายกับสารที่ละลาย เราสนใจกระบวนการทางกายภาพ โมเลกุลของเกลือไม่ทำลายโมเลกุลของน้ำ ในกรณีนี้จะทำให้น้ำระเหยไปไม่ได้ ถ้าโมเลกุลของเกลือจับกับโมเลกุลของน้ำ เราก็จะได้สารใหม่ และโมเลกุลของเกลือไม่สามารถแทรกซึมเข้าไปในโมเลกุลของน้ำได้

พันธะไอออนไดโพลเกิดขึ้นระหว่าง Na+ และ Cl-ion ของคลอรีนและโมเลกุลของน้ำมีขั้ว มันกลายเป็นว่าแข็งแกร่งกว่าพันธะไอออนิกในโมเลกุลของเกลือ อันเป็นผลมาจากกระบวนการนี้ พันธะระหว่างไอออนที่อยู่บนพื้นผิวของผลึก NaCl จะลดลง ไอออนของโซเดียมและคลอรีนจะถูกแยกออกจากคริสตัล และโมเลกุลของน้ำจะก่อตัวขึ้นรอบๆ พวกมันเรียกว่าเปลือกไฮเดรชั่น ไอออนไฮเดรตที่แยกออกมาภายใต้อิทธิพลของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนจะกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอระหว่างโมเลกุลของตัวทำละลาย

โมเลกุลและอะตอมของของแข็งถูกจัดเรียงตามลำดับและรูปแบบที่แน่นอน ตาข่ายคริสตัล. ของแข็งดังกล่าวเรียกว่าผลึก อะตอมแกว่งไปมารอบตำแหน่งสมดุล และแรงดึงดูดระหว่างกันนั้นแรงมาก ดังนั้นวัตถุที่เป็นของแข็งภายใต้สภาวะปกติจะรักษาปริมาตรและมีรูปร่างของมันเอง

สภาวะสมดุลทางความร้อนคือสถานะของระบบอุณหพลศาสตร์ที่มันผ่านไปเองตามธรรมชาติหลังจากระยะเวลานานเพียงพอภายใต้เงื่อนไขการแยกตัวจากสิ่งแวดล้อม

อุณหภูมิเป็นปริมาณทางกายภาพที่แสดงลักษณะของพลังงานจลน์เฉลี่ยของอนุภาคของระบบมหภาคในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ ในสภาวะสมดุล อุณหภูมิจะมีค่าเท่ากันสำหรับส่วนมหภาคทั้งหมดของระบบ

องศาเซลเซียส(เครื่องหมาย: องศาเซลเซียส) เป็นหน่วยอุณหภูมิทั่วไปที่ใช้ในระบบหน่วยสากล (SI) ร่วมกับเคลวิน

เครื่องวัดอุณหภูมิทางการแพทย์แบบปรอท

เครื่องวัดอุณหภูมิเชิงกล

องศาเซลเซียส ได้รับการตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์ชาวสวีเดนชื่อ แอนเดอร์ เซลเซียส ซึ่งในปี ค.ศ. 1742 ได้เสนอมาตราส่วนใหม่สำหรับการวัดอุณหภูมิ ศูนย์ในระดับเซลเซียสคือจุดหลอมเหลวของน้ำแข็ง และ 100° คือจุดเดือดของน้ำที่ความดันบรรยากาศมาตรฐาน (เริ่มแรกเซลเซียสใช้อุณหภูมิหลอมละลายของน้ำแข็งที่ 100 ° และจุดเดือดของน้ำที่ 0 ° และหลังจากนั้น Carl Linnaeus ร่วมสมัยของเขาก็ "เปลี่ยน" มาตราส่วนนี้) สเกลนี้เป็นเชิงเส้นในช่วง 0-100° และยังต่อเนื่องเป็นเส้นตรงในบริเวณที่ต่ำกว่า 0° และสูงกว่า 100° ความเป็นเชิงเส้นเป็นปัญหาหลักในการวัดอุณหภูมิที่แม่นยำ พอจะกล่าวได้ว่าเทอร์โมมิเตอร์แบบคลาสสิกที่เต็มไปด้วยน้ำไม่สามารถทำเครื่องหมายที่อุณหภูมิต่ำกว่า 4 องศาเซลเซียสได้ เนื่องจากในช่วงนี้น้ำจะเริ่มขยายตัวอีกครั้ง

คำจำกัดความเดิมขององศาเซลเซียสขึ้นอยู่กับคำจำกัดความของความดันบรรยากาศมาตรฐาน เนื่องจากทั้งจุดเดือดของน้ำและจุดหลอมเหลวของน้ำแข็งขึ้นอยู่กับความดัน สิ่งนี้ไม่สะดวกมากสำหรับการกำหนดมาตรฐานหน่วยวัด ดังนั้นหลังจากใช้เคลวิน K เป็นหน่วยพื้นฐานของอุณหภูมิ คำจำกัดความขององศาเซลเซียสจึงได้รับการแก้ไข

ตามคำจำกัดความสมัยใหม่ องศาเซลเซียสเท่ากับหนึ่งเคลวิน K และศูนย์ของมาตราส่วนเซลเซียสถูกตั้งค่าเพื่อให้อุณหภูมิของจุดสามจุดของน้ำเท่ากับ 0.01 °C ส่งผลให้มาตราส่วนเซลเซียสและเคลวินเปลี่ยนไป 273.15:

26)ก๊าซในอุดมคติ- แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของก๊าซซึ่งสันนิษฐานว่าพลังงานศักย์ของการปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลสามารถถูกละเลยเมื่อเปรียบเทียบกับพลังงานจลน์ของพวกมัน ไม่มีแรงดึงดูดหรือแรงผลักระหว่างโมเลกุล การชนกันของอนุภาคระหว่างตัวมันเองและกับผนังของภาชนะนั้นยืดหยุ่นได้อย่างสมบูรณ์ และเวลาของปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลนั้นน้อยมากเมื่อเทียบกับเวลาเฉลี่ยระหว่างการชนกัน

ที่ไหน เคคือค่าคงที่ของ Boltzmann (อัตราส่วนของค่าคงที่ของก๊าซสากล รถึงจำนวนอาโวกาโดร เอ็น เอ), ฉัน- จำนวนองศาอิสระของโมเลกุล (ในปัญหาส่วนใหญ่เกี่ยวกับก๊าซในอุดมคติ ซึ่งถือว่าโมเลกุลเป็นทรงกลมที่มีรัศมีขนาดเล็ก ซึ่งอะนาล็อกทางกายภาพของก๊าซนี้สามารถเป็นก๊าซเฉื่อยได้) และ ตคืออุณหภูมิสัมบูรณ์

สมการพื้นฐานของ MKT เชื่อมต่อพารามิเตอร์ระดับมหภาค (ความดัน ปริมาตร อุณหภูมิ) ของระบบก๊าซกับค่าด้วยกล้องจุลทรรศน์ (มวลโมเลกุล ความเร็วเฉลี่ยของการเคลื่อนที่)

ฟิสิกส์. โมเลกุล การจัดเรียงตัวของโมเลกุลในระยะที่เป็นก๊าซ ของเหลว และของแข็ง

1. 
   
   
2. ในสถานะก๊าซ โมเลกุลจะไม่เชื่อมต่อกัน แต่จะอยู่ห่างจากกันและกันมาก การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน สามารถอัดแก๊สได้ค่อนข้างง่าย
   ในของเหลว โมเลกุลจะอยู่ใกล้กันและสั่นพร้อมกัน แทบจะอัดไม่ได้
   ในของแข็ง - โมเลกุลถูกจัดเรียงตามลำดับที่เข้มงวด (ในโครงผลึก) ไม่มีการเคลื่อนไหวของโมเลกุล การบีบอัดจะไม่ยอมแพ้
3. โครงสร้างของสสารและจุดเริ่มต้นของเคมี:
   http://samlib.ru/a/anemow_e_m/aa0.shtml
   (ไม่ต้องลงทะเบียนและข้อความ SMS ในรูปแบบข้อความที่สะดวก: คุณสามารถใช้ Ctrl+C)
4. เป็นไปไม่ได้ที่จะยอมรับว่าในสถานะของแข็งโมเลกุลจะไม่เคลื่อนที่

   การเคลื่อนที่ของโมเลกุลในแก๊ส

   ในก๊าซ ระยะห่างระหว่างโมเลกุลและอะตอมมักจะใหญ่กว่าขนาดของโมเลกุลมาก และแรงดึงดูดจะน้อยมาก ดังนั้นก๊าซจึงไม่มีรูปร่างและปริมาตรคงที่ในตัวเอง ก๊าซถูกบีบอัดได้ง่ายเนื่องจากแรงผลักที่ระยะห่างมากก็มีน้อยเช่นกัน ก๊าซมีคุณสมบัติขยายตัวไปเรื่อย ๆ เติมปริมาตรทั้งหมดที่มีให้ โมเลกุลของแก๊สเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมาก ชนกัน กระเด็นออกจากกันในทิศทางต่างๆ ผลกระทบมากมายของโมเลกุลบนผนังของเรือทำให้เกิดแรงดันก๊าซ

   การเคลื่อนที่ของโมเลกุลในของเหลว

   ในของเหลว โมเลกุลไม่เพียงแต่แกว่งไปรอบๆ ตำแหน่งสมดุลเท่านั้น แต่ยังกระโดดจากตำแหน่งสมดุลหนึ่งไปอีกตำแหน่งหนึ่งด้วย การกระโดดเหล่านี้เกิดขึ้นเป็นระยะ ช่วงเวลาระหว่างการกระโดดดังกล่าวเรียกว่าเวลาเฉลี่ยของชีวิตที่สงบ (หรือเวลาพักผ่อนเฉลี่ย) และเขียนแทนด้วยตัวอักษร? กล่าวอีกนัยหนึ่ง เวลาผ่อนคลายคือเวลาของการสั่นรอบตำแหน่งสมดุลเฉพาะตำแหน่งหนึ่ง ที่อุณหภูมิห้อง เวลานี้เฉลี่ย 10–11 วินาที เวลาของการสั่นหนึ่งครั้งคือ 10-1210-13 วินาที

   เวลาของชีวิตจะลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ระยะห่างระหว่างโมเลกุลของของเหลวมีขนาดเล็กกว่าขนาดของโมเลกุล อนุภาคอยู่ใกล้กัน และแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมีขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตาม การเรียงตัวของโมเลกุลของของเหลวไม่ได้เรียงลำดับอย่างเข้มงวดตลอดปริมาตร

   ของเหลวเช่นเดียวกับของแข็ง รักษาปริมาตร แต่ไม่มีรูปร่างของตัวเอง ดังนั้นพวกเขาจึงอยู่ในรูปของเรือที่พวกเขาอยู่ ของเหลวมีคุณสมบัติของการไหล เนื่องจากคุณสมบัตินี้ ของเหลวจึงไม่ต้านทานการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง บีบอัดเพียงเล็กน้อย และคุณสมบัติทางกายภาพของของเหลวจะเหมือนกันในทุกทิศทางภายในของเหลว (ไอโซโทรปีของของเหลว) ธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลในของเหลวเกิดขึ้นครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ชาวโซเวียต Yakov Ilyich Frenkel (พ.ศ. 2437-2495)

   การเคลื่อนที่ของโมเลกุลในของแข็ง

   โมเลกุลและอะตอมของของแข็งถูกจัดเรียงตามลำดับและก่อตัวเป็นตาข่ายคริสตัล ของแข็งดังกล่าวเรียกว่าผลึก อะตอมแกว่งไปมารอบตำแหน่งสมดุล และแรงดึงดูดระหว่างกันนั้นแรงมาก ดังนั้นวัตถุที่เป็นของแข็งภายใต้สภาวะปกติจะรักษาปริมาตรและมีรูปร่างของมันเอง

5. ในก๊าซเคลื่อนที่แบบสุ่ม ตัดเข้า
   ของเหลวเคลื่อนที่ในแนวเดียวกัน
   ในของแข็ง - อย่าขยับ

พลังงานจลน์ของโมเลกุล

ในแก๊ส โมเลกุลจะเคลื่อนที่อย่างอิสระ (แยกจากโมเลกุลอื่น) โดยจะชนกันหรือชนกับผนังของภาชนะเป็นครั้งคราวเท่านั้น ตราบใดที่โมเลกุลยังเคลื่อนที่อิสระ ก็จะมีพลังงานจลน์เท่านั้น ในระหว่างการชน โมเลกุลยังมีพลังงานศักย์ ดังนั้น พลังงานทั้งหมดของแก๊สคือผลรวมของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของโมเลกุล ยิ่งก๊าซหายากมากเท่าใด โมเลกุลจำนวนมากขึ้นในแต่ละช่วงเวลาก็จะอยู่ในสถานะของการเคลื่อนที่อย่างอิสระโดยมีเพียงพลังงานจลน์เท่านั้น ดังนั้น เมื่อก๊าซหายากขึ้น ส่วนแบ่งของพลังงานศักย์จะลดลงเมื่อเปรียบเทียบกับพลังงานจลน์

พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลในสภาวะสมดุลของแก๊สในอุดมคติมีคุณลักษณะที่สำคัญอย่างหนึ่ง: ในส่วนผสมของแก๊สต่างๆ พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลสำหรับส่วนประกอบต่างๆ ของส่วนผสมจะเท่ากัน

ตัวอย่างเช่น อากาศเป็นส่วนผสมของก๊าซ พลังงานเฉลี่ยของโมเลกุลอากาศสำหรับส่วนประกอบทั้งหมดภายใต้สภาวะปกติ ซึ่งอากาศยังถือได้ว่าเป็นก๊าซในอุดมคติจะเท่ากัน คุณสมบัติของก๊าซในอุดมคตินี้สามารถพิสูจน์ได้บนพื้นฐานของการพิจารณาทางสถิติทั่วไป ผลลัพธ์ที่สำคัญตามมา: หากก๊าซสองชนิด (ในภาชนะที่แตกต่างกัน) อยู่ในสมดุลทางความร้อนซึ่งกันและกัน พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลของพวกมันจะเท่ากัน

ในก๊าซ ระยะห่างระหว่างโมเลกุลและอะตอมมักจะมากกว่าขนาดของโมเลกุลเอง แรงปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลมีไม่มาก เป็นผลให้ก๊าซไม่มีรูปร่างและปริมาตรคงที่ ก๊าซสามารถบีบอัดได้ง่ายและสามารถขยายตัวได้อย่างไม่มีกำหนด โมเลกุลของแก๊สเคลื่อนที่อย่างอิสระ (แปลได้ว่า พวกมันสามารถหมุนได้) มีเพียงบางครั้งเท่านั้นที่ชนกับโมเลกุลอื่นและผนังของภาชนะที่มีแก๊สตั้งอยู่ และพวกมันจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมาก

การเคลื่อนที่ของอนุภาคในของแข็ง

โครงสร้างของของแข็งนั้นแตกต่างจากโครงสร้างของก๊าซโดยพื้นฐาน ในระยะทางระหว่างโมเลกุลมีขนาดเล็กและพลังงานศักย์ของโมเลกุลเทียบได้กับพลังงานจลน์ อะตอม (หรือไอออน หรือทั้งโมเลกุล) ไม่สามารถเรียกว่าเคลื่อนที่ไม่ได้ พวกมันทำการเคลื่อนที่แบบสั่นแบบสุ่มรอบตำแหน่งตรงกลาง ยิ่งอุณหภูมิสูงขึ้น พลังงานของการสั่นก็จะยิ่งมากขึ้น และด้วยเหตุนี้แอมพลิจูดเฉลี่ยของการสั่นก็จะยิ่งมากขึ้น การสั่นสะเทือนทางความร้อนของอะตอมยังอธิบายความจุความร้อนของของแข็งด้วย ให้เราพิจารณารายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคในของแข็งที่เป็นผลึก คริสตัลทั้งหมดโดยรวมเป็นระบบออสซิลเลเตอร์คู่ที่ซับซ้อนมาก การเบี่ยงเบนของอะตอมจากตำแหน่งเฉลี่ยมีน้อย ดังนั้นเราสามารถสรุปได้ว่าอะตอมอยู่ภายใต้การกระทำของแรงกึ่งยืดหยุ่นที่เป็นไปตามกฎของ Hooke เชิงเส้น ระบบการสั่นดังกล่าวเรียกว่าเส้นตรง

มีการพัฒนาทฤษฎีทางคณิตศาสตร์ของระบบภายใต้การสั่นเชิงเส้น มันพิสูจน์ทฤษฎีบทที่สำคัญมากซึ่งมีสาระสำคัญดังนี้ หากระบบทำการออสซิลเลชันขนาดเล็ก (เชิงเส้น) ที่เชื่อมต่อกัน จากนั้นโดยการแปลงพิกัด จะสามารถลดลงอย่างเป็นทางการให้เป็นระบบออสซิลเลเตอร์อิสระ (ซึ่งสมการการสั่นไม่ได้ขึ้นอยู่กับกันและกัน) ระบบออสซิลเลเตอร์อิสระทำตัวเหมือนก๊าซในอุดมคติในแง่ที่ว่าอะตอมของออสซิลเลเตอร์หลังสามารถพิจารณาได้ว่าเป็นอิสระเช่นกัน

มันใช้แนวคิดเรื่องความเป็นอิสระของอะตอมของก๊าซที่เรามาถึงกฎของ Boltzmann ข้อสรุปที่สำคัญมากนี้เป็นพื้นฐานที่ง่ายและเชื่อถือได้สำหรับทฤษฎีของแข็งทั้งหมด

กฎของโบลต์ซมันน์

จำนวนออสซิลเลเตอร์ที่มีพารามิเตอร์ที่กำหนด (พิกัดและความเร็ว) ถูกกำหนดในลักษณะเดียวกับจำนวนโมเลกุลของก๊าซในสถานะที่กำหนด ตามสูตร:

พลังงานออสซิลเลเตอร์

กฎของ Boltzmann (1) ในทฤษฎีของวัตถุทึบไม่มีข้อจำกัด อย่างไรก็ตาม สูตร (2) สำหรับพลังงานของออสซิลเลเตอร์นั้นนำมาจากกลศาสตร์คลาสสิก ในการพิจารณาทางทฤษฎีของของแข็ง จำเป็นต้องพึ่งพากลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือการเปลี่ยนแปลงพลังงานของออสซิลเลเตอร์แบบไม่ต่อเนื่อง ความไม่ต่อเนื่องของพลังงานออสซิลเลเตอร์จะไม่มีนัยสำคัญเฉพาะเมื่อค่าพลังงานสูงเพียงพอ ซึ่งหมายความว่า (2) สามารถใช้งานได้ในอุณหภูมิที่สูงเพียงพอเท่านั้น ที่อุณหภูมิสูงของของแข็งใกล้กับจุดหลอมเหลว กฎของ Boltzmann แสดงถึงกฎของการกระจายพลังงานที่สม่ำเสมอเหนือระดับความอิสระ หากในก๊าซสำหรับระดับอิสระแต่ละระดับ โดยเฉลี่ยมีจำนวนพลังงานเท่ากับ (1/2) kT แสดงว่าออสซิลเลเตอร์มีระดับอิสระหนึ่งระดับ นอกเหนือจากจลนศาสตร์แล้ว ยังมีพลังงานศักย์ ดังนั้น ระดับความอิสระ 1 ระดับในของแข็งที่มีอุณหภูมิสูงเพียงพอจะมีพลังงานเท่ากับ kT ตามกฎหมายนี้ การคำนวณพลังงานภายในทั้งหมดของของแข็งนั้นไม่ใช่เรื่องยาก และหลังจากนั้นก็คือความจุความร้อน โมลของของแข็งประกอบด้วยอะตอมของ NA และแต่ละอะตอมมีระดับอิสระสามระดับ ดังนั้นโมลจึงมีออสซิลเลเตอร์ 3 NA พลังงานโมลของร่างกายที่เป็นของแข็ง

และความจุความร้อนโมลาร์ของของแข็งที่อุณหภูมิสูงเพียงพอ

ประสบการณ์ยืนยันกฎหมายนี้

ของเหลวครอบครองตำแหน่งกึ่งกลางระหว่างก๊าซและของแข็ง โมเลกุลของของเหลวจะไม่แยกออกจากกันในระยะทางไกล และของเหลวภายใต้สภาวะปกติจะคงปริมาตรไว้ แต่ไม่เหมือนของแข็ง โมเลกุลไม่เพียงแต่แกว่งไปมาเท่านั้น แต่ยังกระโดดจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งด้วย นั่นคือ พวกมันเคลื่อนไหวอย่างอิสระ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ของเหลวจะเดือด (มีจุดเดือดที่เรียกว่า) และกลายเป็นก๊าซ เมื่ออุณหภูมิลดลง ของเหลวจะตกผลึกและกลายเป็นของแข็ง มีจุดหนึ่งในฟิลด์อุณหภูมิที่ขอบเขตระหว่างก๊าซ (ไออิ่มตัว) และของเหลวหายไป (จุดวิกฤต) รูปแบบของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลในของเหลวใกล้กับอุณหภูมิการแข็งตัวจะคล้ายกันมากกับพฤติกรรมของโมเลกุลในของแข็ง ตัวอย่างเช่น ค่าสัมประสิทธิ์ความจุความร้อนเกือบจะเท่ากัน เนื่องจากความจุความร้อนของสารระหว่างการหลอมละลายเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย จึงสรุปได้ว่าธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของอนุภาคในของเหลวนั้นใกล้เคียงกับการเคลื่อนที่ในของแข็ง (ที่อุณหภูมิหลอมเหลว) เมื่อได้รับความร้อน คุณสมบัติของของเหลวจะค่อยๆ เปลี่ยนไป และจะกลายเป็นเหมือนก๊าซมากขึ้น ในของเหลว พลังงานจลน์เฉลี่ยของอนุภาคจะน้อยกว่าพลังงานศักย์ของปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล พลังงานของปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลในของเหลวและของแข็งแตกต่างกันเล็กน้อย หากเราเปรียบเทียบความร้อนของการหลอมรวมกับความร้อนของการระเหย เราจะเห็นว่าในระหว่างการเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งของการรวมตัวไปสู่อีกสถานะหนึ่ง ความร้อนของการหลอมรวมจะต่ำกว่าความร้อนของการกลายเป็นไออย่างมาก คำอธิบายทางคณิตศาสตร์ที่เพียงพอเกี่ยวกับโครงสร้างของของเหลวสามารถได้รับความช่วยเหลือจากฟิสิกส์สถิติเท่านั้น ตัวอย่างเช่น ถ้าของเหลวประกอบด้วยโมเลกุลทรงกลมที่เหมือนกัน โครงสร้างของมันสามารถอธิบายได้ด้วยฟังก์ชันการกระจายในแนวรัศมี g(r) ซึ่งจะให้ความน่าจะเป็นในการค้นหาโมเลกุลใดๆ ที่ระยะ r จากโมเลกุลที่กำหนด ซึ่งถูกเลือกเป็นจุดอ้างอิง . จากการทดลอง ฟังก์ชันนี้สามารถพบได้โดยการศึกษาการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์หรือนิวตรอน เป็นไปได้ที่จะทำการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ของฟังก์ชันนี้โดยใช้กลศาสตร์นิวตัน

ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ของของเหลวได้รับการพัฒนาโดย Ya.I. เฟรนเคล. ในทฤษฎีนี้ ของเหลวถือเป็นระบบไดนามิกของฮาร์มอนิกออสซิลเลเตอร์ เช่นเดียวกับในกรณีของร่างกายที่เป็นของแข็ง แต่ตำแหน่งสมดุลของโมเลกุลในของเหลวนั้นไม่เหมือนกับวัตถุที่เป็นของแข็ง หลังจากแกว่งไปรอบๆ ตำแหน่งหนึ่ง โมเลกุลของของเหลวจะกระโดดไปยังตำแหน่งใหม่ที่อยู่ในบริเวณใกล้เคียง การกระโดดดังกล่าวเกิดขึ้นกับการใช้พลังงาน เวลา "ชำระชีวิต" เฉลี่ยของโมเลกุลของเหลวสามารถคำนวณได้ดังนี้:

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

โดยที่ $t_0\ $ คือระยะเวลาของการสั่นรอบตำแหน่งสมดุลหนึ่งตำแหน่ง พลังงานที่โมเลกุลต้องได้รับเพื่อเคลื่อนที่จากตำแหน่งหนึ่งไปอีกตำแหน่งหนึ่งเรียกว่าพลังงานกระตุ้น W และเวลาที่โมเลกุลอยู่ในตำแหน่งสมดุลเรียกว่า "ชีวิตที่สงบ" เวลา t

ตัวอย่างเช่น สำหรับโมเลกุลของน้ำ ที่อุณหภูมิห้อง โมเลกุลหนึ่งจะสร้างการสั่นสะเทือนประมาณ 100 ครั้งและกระโดดไปยังตำแหน่งใหม่ แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของของเหลวมีผลดีต่อการรักษาปริมาตร แต่อายุที่จำกัดของโมเลกุลนำไปสู่การเกิดขึ้นของปรากฏการณ์เช่นการไหล ในระหว่างการสั่นของอนุภาคใกล้กับตำแหน่งสมดุล พวกมันชนกันอย่างต่อเนื่อง ดังนั้น แม้แต่การบีบอัดของเหลวเพียงเล็กน้อยก็นำไปสู่การชนกันของอนุภาค "แข็งตัว" อย่างรวดเร็ว ซึ่งหมายถึงความดันของของเหลวที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วบนผนังของภาชนะที่ถูกบีบอัด

ตัวอย่างที่ 1

งาน: กำหนดความจุความร้อนจำเพาะของทองแดง สมมติว่าทองแดงมีอุณหภูมิใกล้เคียงกับจุดหลอมเหลว (มวลโมลาร์ของทองแดง $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(kg)(mol))$

ตามกฎของ Dulong และ Petit โมลของสารทางเคมีอย่างง่ายที่อุณหภูมิใกล้กับจุดหลอมเหลวมีความจุความร้อน:

ความจุความร้อนจำเพาะของทองแดง:

\[C=\frac(c)(\mu )\to C=\frac(3R)(\mu )\left(1.2\right),\] \[C=\frac(3\cdot 8,31) (63\cdot 10^(-3))=0.39\ \cdot 10^3(\frac(J)(kgK))\]

คำตอบ: ความจุความร้อนจำเพาะของทองแดงคือ $0.39\ \cdot 10^3\left(\frac(J)(kgK)\right).$

ภารกิจ: อธิบายอย่างง่ายจากมุมมองของฟิสิกส์เกี่ยวกับกระบวนการละลายเกลือ (NaCl) ในน้ำ

พื้นฐานของทฤษฎีการแก้ปัญหาสมัยใหม่ถูกสร้างขึ้นโดย D.I. เมนเดเลเยฟ. เขาพบว่าระหว่างการละลาย กระบวนการสองอย่างเกิดขึ้นพร้อมกัน: ทางกายภาพ - การกระจายอนุภาคของสารที่ละลายอย่างสม่ำเสมอตลอดปริมาตรของสารละลาย และเคมี - ปฏิสัมพันธ์ของตัวทำละลายกับสารที่ละลาย เราสนใจกระบวนการทางกายภาพ โมเลกุลของเกลือไม่ทำลายโมเลกุลของน้ำ ในกรณีนี้จะทำให้น้ำระเหยไปไม่ได้ ถ้าโมเลกุลของเกลือจับกับโมเลกุลของน้ำ เราก็จะได้สารใหม่ และโมเลกุลของเกลือไม่สามารถแทรกซึมเข้าไปในโมเลกุลของน้ำได้

พันธะไอออนไดโพลเกิดขึ้นระหว่าง Na+ และ Cl-ion ของคลอรีนและโมเลกุลของน้ำมีขั้ว มันกลายเป็นว่าแข็งแกร่งกว่าพันธะไอออนิกในโมเลกุลของเกลือ อันเป็นผลมาจากกระบวนการนี้ พันธะระหว่างไอออนที่อยู่บนพื้นผิวของผลึก NaCl จะลดลง ไอออนของโซเดียมและคลอรีนจะถูกแยกออกจากคริสตัล และโมเลกุลของน้ำจะก่อตัวขึ้นรอบๆ พวกมันเรียกว่าเปลือกไฮเดรชั่น ไอออนไฮเดรตที่แยกออกมาภายใต้อิทธิพลของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนจะกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอระหว่างโมเลกุลของตัวทำละลาย