Predstavuje energiu, ktorá je určená rýchlosťou pohybu rôznych bodov patriacich do tohto systému. V tomto prípade je potrebné rozlišovať medzi energiou, ktorá charakterizuje translačný pohyb a rotačný pohyb. Zároveň priemer kinetická energia- toto je priemerný rozdiel medzi celkovou energiou celého systému a jeho pokojovou energiou, to znamená, že jeho hodnota je v podstate priemerná hodnota
Jeho fyzikálna hodnota je určená vzorcom 3 / 2 kT, ktorý udáva: T - teplota, k - Boltzmannova konštanta. Táto hodnota môže slúžiť ako akési kritérium na porovnanie (štandard) pre energie obsiahnuté v rôznych typoch tepelného pohybu. Napríklad priemerná kinetická energia pre molekuly plynu v štúdii pohyb vpred, sa rovná 17 (- 10) nJ pri teplote plynu 500 C. Elektróny majú spravidla najväčšiu energiu pri translačnom pohybe, ale energia neutrálnych atómov a iónov je oveľa menšia.
Táto hodnota, ak uvažujeme akýkoľvek roztok, plyn alebo kvapalinu pri danej teplote, má konštantnú hodnotu. Toto tvrdenie platí aj pre koloidné roztoky.
Pri pevných látkach je situácia trochu odlišná. V týchto látkach je priemerná kinetická energia akejkoľvek častice príliš malá na to, aby prekonala sily molekulárnej príťažlivosti, a preto sa môže pohybovať len okolo určitého bodu, ktorý podmienečne fixuje určitú rovnovážnu polohu častice na dlhý čas. Táto vlastnosť umožňuje pevný byť dostatočne tvarovo a objemovo stabilné.
Ak vezmeme do úvahy podmienky: translačný pohyb a potom tu priemerná kinetická energia nie je závislá na veličine a preto je definovaná ako hodnota priamo úmerná hodnote
Všetky tieto úsudky sme vydali s cieľom ukázať, že sú platné pre všetky typy stavov agregácie látky - v ktorejkoľvek z nich pôsobí teplota ako hlavná charakteristika, odrážajúca dynamiku a intenzitu tepelného pohybu prvkov. A to je podstata molekulárnej kinetická teória a obsah pojmu tepelná rovnováha.
Ako je známe, ak sa dve fyzické telá dostanú do vzájomnej interakcie, dochádza medzi nimi k procesu výmeny tepla. Ak je teleso uzavretým systémom, to znamená, že neinteraguje so žiadnymi telesami, potom jeho proces výmeny tepla bude trvať tak dlho, kým sa vyrovnajú teploty tohto telesa a životné prostredie. Tento stav sa nazýva termodynamická rovnováha. Tento záver opakovane potvrdili experimentálne výsledky. Na určenie priemernej kinetickej energie by sme sa mali odvolávať na charakteristiky teploty daného telesa a jeho vlastnosti prenosu tepla.
Je tiež dôležité vziať do úvahy, že mikroprocesy vo vnútri telies nekončia, keď sa teleso dostane do termodynamickej rovnováhy. V tomto stave sa molekuly pohybujú vo vnútri telies, menia svoju rýchlosť, dopady a zrážky. Preto je pravdivé iba jedno z našich niekoľkých tvrdení - telesný objem, tlak (ak hovoríme o o plyne), sa môže meniť, ale teplota zostane stále konštantná. To opäť potvrdzuje tvrdenie, že priemerná kinetická energia tepelného pohybu je určená výlučne ukazovateľom teploty.
Tento vzor bol stanovený počas experimentov J. Charlesa v roku 1787. Pri vykonávaní experimentov si všimol, že keď sa telesá (plyny) ohrievajú rovnakým množstvom, ich tlak sa mení v súlade s priamo úmerným zákonom. Toto pozorovanie umožnilo vytvoriť mnoho užitočných nástrojov a vecí, najmä plynový teplomer.
Stavová rovnica ideálneho plynu vo forme pV= n RT alebo p = nkT možno zdôvodniť aj metódami kinetickej teórie plynov. Na základe kinetického prístupu je odvodený pomerne jednoduchý výraz pre tlak ideálneho plynu v nádobe, ktorý sa získa ako výsledok spriemerovania hybnosti molekúl prenášaných na stenu nádoby pri početných zrážkach molekúl so stenou. . Množstvo tlaku získaného v tomto prípade je určené ako
Kde by v 2 s – priemerná hodnota druhej mocniny rýchlosti molekúl, m- hmotnosť molekuly.
Priemerná kinetická energia molekúl plynu (na jednu molekulu) je určená výrazom
Kinetická energia translačného pohybu atómov a molekúl, spriemerovaná za obrovský počet náhodne sa pohybujúcich častíc, je mierou toho, čo sa nazýva teplota. Ak teplota T sa meria v stupňoch Kelvina (K), potom jeho vzťah s Ek je daný vzťahom
Tento pomer umožňuje najmä dať zreteľnejšie fyzický význam Boltzmannova konštanta
Vnútorná energia ideálneho plynu.
V teórii ideálneho plynu sa potenciálna energia interakcie medzi molekulami považuje za rovnú nule. Preto je vnútorná energia ideálneho plynu určená kinetickou energiou pohybu všetkých jeho molekúl. Priemerná energia pohybu jednej molekuly sa rovná
Keďže jeden kilomol obsahuje molekuly, bude vnútorná energia jedného kilomolu plynu
Vzhľadom na to dostaneme
Pre akúkoľvek hmotnosť plynu m, t.j. pre ľubovoľný počet kilomólov vnútornej energie
Z tohto výrazu vyplýva, že vnútorná energia je jedinečná funkcia stavu, a preto, keď systém vykoná akýkoľvek proces, v dôsledku ktorého sa systém vráti do pôvodného stavu, celková zmena vnútornej energie sa rovná nule. Matematicky je to napísané ako identita
Maxwellova distribúcia
Maxwellova distribúcia -rozdelenie pravdepodobnosti, nájdené v fyzika A chémia. Leží na základni kinetická teória plynov, ktorý vysvetľuje mnohé základné vlastnosti plynov, vrátane tlak A difúzia. Maxwellova distribúcia je použiteľná aj pre procesy elektronického prenosu a iné javy. Maxwellovo rozdelenie platí pre mnohé vlastnosti jednotlivých molekúl v plyne. Zvyčajne sa to považuje za distribúciu energií molekúl v plyne, ale môže sa použiť aj na distribúciu rýchlostí, hybnosti a modulu molekúl. Môže sa tiež vyjadriť ako diskrétne rozdelenie na mnohých diskrétnych energetických úrovniach alebo ako spojité rozdelenie na určité kontinuum energie.
Maxwellova distribúcia môže a mala by sa získať pomocou štatistická mechanika(pozri pôvod štatistické sumy). Ako rozloženie energie zodpovedá najpravdepodobnejšiemu rozdeleniu energie v systéme s prevahou kolízie, ktorý pozostáva z veľkého počtu neinteragujúcich častíc, v ktorých sú kvantové efekty zanedbateľné. Keďže interakcia medzi molekulami v plyne je zvyčajne dosť malá, Maxwellova distribúcia poskytuje pomerne dobrú aproximáciu situácie existujúcej v plyne.
V mnohých iných prípadoch však podmienka dominancie nie je splnená ani približne elastické zrážky nad všetkými ostatnými procesmi. Platí to napríklad vo fyzike ionosféra a priestor plazma, kde majú procesy rekombinácie a zrážkovej excitácie (čiže radiačné procesy). veľkú hodnotu, najmä pre elektróny. Predpoklad použiteľnosti Maxwellovho rozdelenia by v tomto prípade dával nielen kvantitatívne nesprávne výsledky, ale dokonca by bránil správnemu pochopeniu fyziky procesov na kvalitatívnej úrovni. Aj v prípade, že kvant de Broglieho vlnová dĺžkačastice plynu nie sú malé v porovnaní so vzdialenosťou medzi časticami, budú pozorované odchýlky od Maxwellovej distribúcie v dôsledku kvantových efektov.
Maxwellovu distribúciu energie možno vyjadriť ako diskrétnu distribúciu energie:
,
kde je počet molekúl, ktoré majú energiu pri teplote systému, je celkový počet molekúl v systéme a- Boltzmannova konštanta. (Všimnite si, že vyššie uvedená rovnica je niekedy napísaná s faktorom označujúcim stupeň degenerácie energetických hladín. V tomto prípade bude súčet pre všetky energie, nie všetky stavy systému.) Keďže rýchlosť súvisí s energiou, rovnicu (1) možno použiť na odvodenie vzťahu medzi teplotou a rýchlosťami molekúl v plyne. Menovateľ v rovnici (1) je známy ako kanonický oddielová funkcia.
Boltzmannovo rozdelenie.
Boltzmannovo rozdelenie- rozdelenie pravdepodobnosti rôznych energetických stavov ideálny termodynamický systém (ideálny plyn atómov alebo molekúl) v podmienkach termodynamická rovnováha; OTVORENÉ L. Boltzmann V 1868 -1871 .
Podľa Boltzmannovo rozdelenie priemerný počet častíc s celkovou energiou je
kde je násobnosť stavu častice s energiou - počet možných stavov častice s energiou. Konštanta sa zistí z podmienky, že súčet všetkých možných hodnôt sa rovná danému celkovému počtu častíc v systéme (normalizačná podmienka):
V prípade, že sa pohyb častíc riadi klasickou mechanikou, energiu možno považovať za zloženú
Fenomén prenosu.
Difúziaprenosové javy tepelná vodivosť (prenos energie), difúzia (hromadný presun) a vnútorné trenie
(prenos hybnosti). Obmedzme sa na jednorozmerné prenosové javy. Referenčnú sústavu zvolíme tak, aby os x smerovala bočne v smere k . Keď dôjde k spontánnemu prenikaniu a zmiešaniu častíc dvoch kontaktujúcich plynov, kvapalín a dokonca aj pevných látok; difúzia je výmena hmotností častíc týchto telies a jav vzniká a pokračuje dovtedy, kým existuje hustotný gradient. Počas formovania molekulárnej kinetickej teórie vznikli rozpory týkajúce sa fenoménu difúzie. Keďže molekuly sa pohybujú vesmírom obrovskou rýchlosťou, k difúzii musí dôjsť veľmi rýchlo. Ak otvoríte veko nádoby s pachovou látkou v miestnosti, vôňa sa šíri pomerne pomaly. Ale tu nie je žiadny rozpor. O atmosférický tlak molekuly majú krátku voľnú dráhu a pri zrážkach s inými molekulami väčšinou „stoja“ na mieste. Fenomén difúzie pre chemicky homogénny plyn sa riadi Fickov zákon: (3) kde j m - hustota hmotnostného toku- hodnota určená hmotnosťou látky difundujúcej za jednotku času cez jednotkovú plochu kolmú na os x, D - (prenos energie), (difúzny koeficient), dρ/dx je gradient hustoty, ktorý sa rovná rýchlosti zmeny hustoty na jednotku dĺžky x v smere normály k tejto oblasti. Znamienko mínus znamená, že k prenosu hmoty dochádza v smere klesajúcej hustoty (preto sú znamienka j m a dρ/dx opačné). Difúzia D sa číselne rovná hustote hmotnostného toku s gradientom hustoty rovným jednotke. Podľa kinetickej teórie plynov (4)
Fenomén prenosu.
Tepelná vodivosť V termodynamicky nerovnovážnych systémoch špeciálne nezvratné procesy Difúzia, volal prenosové javy tepelná vodivosť (prenos energie), difúzia (hromadný presun) a, v dôsledku čoho dochádza k priestorovému prenosu hmoty, hybnosti a energie. Transferové javy zahŕňajú (prenos hybnosti). Obmedzme sa na jednorozmerné prenosové javy. Vzťažný systém zvolíme tak, aby os x smerovala k smeru translácie. Tepelná vodivosť . Ak je v prvej oblasti plynu priemerná kinetická energia molekúl väčšia ako v druhej, potom v dôsledku konštantných zrážok molekúl v priebehu času nastáva proces vyrovnávania priemerných kinetických energií molekúl, t.j. vyrovnávanie teplôt. Prenos energie vo forme tepla podlieha Fourierov zákon : (1) kde j E - hustota tepelného toku prenosové javy, - teplotný gradient rovný rýchlosti zmeny teploty na jednotku dĺžky x v smere normály k tejto oblasti. Znamienko mínus znamená, že pri vedení tepla sa energia pohybuje v smere klesajúcej teploty (preto sú znamienka j E a opačné). Tepelná vodivosť λ sa rovná hustote tepelného toku pri teplotnom gradiente rovnajúcom sa jednotke. Dá sa ukázať, že (2) kde c V - špecifické teplo plyn pri konštantnom objeme (množstvo tepla potrebné na zohriatie 1 kg plynu o 1 K pri konštantnom objeme), ρ - hustota plynu,<ν > - priemerná rýchlosť tepelný pohyb molekúl,<l> - priemerná voľná cesta.
Fenomén prenosu.
Viskozita Difúzia, volal prenosové javy tepelná vodivosť (prenos energie), difúzia (hromadný presun) a V termodynamicky nerovnovážnych systémoch dochádza k zvláštnym ireverzibilným procesom, tzv
(prenos hybnosti). Obmedzme sa na jednorozmerné prenosové javy. Vzťažný systém zvolíme tak, aby os x smerovala k smeru translácie. (Vnútorné trenie ). viskozita Podstatou mechanizmu vzniku vnútorného trenia medzi rovnobežnými vrstvami plynu (kvapaliny), ktoré sa pohybujú rôznou rýchlosťou, je to, že v dôsledku chaotického tepelného pohybu dochádza medzi vrstvami k výmene molekúl, v dôsledku čoho sa zvyšuje hybnosť vrstva, ktorá sa pohybuje rýchlejšie, klesá, ktorá sa pohybuje pomalšie - zvyšuje sa, čo vedie k brzdeniu vrstvy, ktorá sa pohybuje rýchlejšie, a zrýchleniu vrstvy, ktorá sa pohybuje pomalšie. Ako je známe, sila vnútorného trenia medzi dvoma vrstvami plynu (kvapaliny) sa riadi Newtonov zákon ν : (5) kde η je dynamická viskozita (viskozita), d /dx je gradient rýchlosti, ktorý ukazuje rýchlosť zmeny rýchlosti v smere x kolmo na smer pohybu vrstiev, S je plocha, na ktorú pôsobí sila F Podľa druhého Newtonovho zákona interakcia dvoch vrstvy možno považovať za proces, pri ktorom sa za jednotku času z jednej vrstvy prenesie impulz na druhú, ktorej modul sa rovná pôsobiaca sila . Potom výraz (5) môžeme zapísať ako (6), kde j p - hustota toku hybnosti ν - hodnota, ktorá je určená celkovým impulzom preneseným za jednotku času v kladnom smere osi x cez jednotkovú plochu kolmú na os x, d ν /dx - gradient rýchlosti. Znamienko mínus znamená, že hybnosť sa prenáša v smere klesajúcej rýchlosti (preto znamienka j p a d /dx sú opačné).η sa číselne rovná hustote toku hybnosti s gradientom rýchlosti rovným jednotke; vypočíta sa pomocou vzorca (7) Z porovnania vzorcov (1), (3) a (6), ktoré opisujú prenosové javy, vyplýva, že vzory všetkých prenosových javov sú si navzájom podobné. Tieto zákony boli známe dlho predtým, ako boli podložené a odvodené z molekulárnej kinetickej teórie, ktorá umožnila zistiť, že vonkajšia podobnosť ich matematických vyjadrení je dôsledkom zhody základných javov tepelnej vodivosti, difúzie a vnútorného trenia. molekulárny mechanizmus miešania molekúl v procese ich chaotického pohybu a vzájomných zrážok. Uvažované Fourierove, Fickovo a Newtonove zákony neodhaľujú molekulárnu kinetickú podstatu koeficientov λ, D a η. Vyjadrenia pre koeficienty prenosu sú získané z kinetickej teórie. Sú písané bez záveru, keďže striktné a formálne zvažovanie fenoménov prenosu je dosť ťažkopádne a kvalitatívne nedáva zmysel. Vzorce (2), (4) a (7) udávajú vzťah medzi koeficientmi prenosu a charakteristikami tepelného pohybu molekúl. Z týchto vzorcov vyplývajú jednoduché vzťahy medzi λ, D a η: a
Skutočné plyny.
Van der Waalsova rovnica. Izotermy skutočného plynu. -Skutočný plyn plynu , ktorá nie je popísaná.
Clapeyron - Mendelejevova stavová rovnica pre ideálny plyn
Vzťahy medzi jeho parametrami ukazujú, že molekuly v skutočnom plyne navzájom interagujú a zaberajú určitý objem. Stav skutočného plynu sa v praxi často opisuje zovšeobecnenou Mendelejevovou-Clapeyronovou rovnicou: kde p je tlak; V - objem; T - teplota; Zr = Zr (p,T) - faktor stlačiteľnosti plyn; m - hmotnosť; M - molárnej hmotnosti ; R-.
plynová konštanta -Van der Waalsova rovnica stavu plynu rovnica , pripojenie hlavného termodynamické veličiny v plynovom modeli.
van der Waals Aj keď model ideálny plyn dobre popisuje správanie skutočné plyny pri nízkej tlakov a vysoké teploty , v iných podmienkach jej korešpondencia s skúsenosti oveľa horšie. Najmä sa to prejavuje v tom, že skutočné plyny možno preložiť do kvapalina a dokonca aj v pevný stav
, ale tie ideálne nemôžu. Pre presnejšie popísanie správania sa reálnych plynov pri nízkych teplotách bol vytvorený van der Waalsov model plynu, ktorý zohľadňuje sily medzimolekulovej interakcie. V tomto modeli vnútornej energie sa stáva nielen funkciou teplota , ale aj.
Van der Waalsova rovnica je jednou zo známych približných stavových rovníc, ktorá má kompaktný tvar a zohľadňuje základné charakteristiky plynu s medzimolekulovou interakciou. .
Pretože celý proces prebieha pri konštantnej teplote T, krivka, ktorá znázorňuje závislosť tlaku p od objemu V, volal izoterma . Na objeme V 1 začína kondenzácii plynu, a pri objeme V 2 končí. Ak V > V 1, látka bude v plynnom stave a ak V< V 2 - в жидком.
Pevné. Dulongov a Petitov zákon. Tepelná rozťažnosť pevných látok. Topenie.
Pevné - toto je jedna zo štyroch stavov hmoty, odlišný od ostatných stavov agregácie ( kvapaliny, plynov, plazma) stálosť formy a charakteru tepelný pohyb atómov, spáchanie malých výkyvy v blízkosti rovnovážnych polôh .
Rozlišovať kryštalický A amorfný pevné látky. kapitola fyzikov, ktorá študuje zloženie a vnútornú štruktúru tuhých látok, je tzv fyzika pevných látok. Spôsob, akým pevné telo mení tvar pod vplyvom nárazov a pohybu, sa študuje v samostatnej disciplíne - mechanika pevného (deformovateľného) telesa. Tretia veda sa zaoberá pohybom absolútne tuhého telesa - kinematika tuhého telesa.
Technické zariadenia vytvorené človekom využívajú rôzne vlastnosti pevného telesa. V minulosti sa pevné látky používali ako konštrukčný materiál a použitie bolo založené na priamo hmotných mechanické vlastnosti niečo také tvrdosť, hmotnosť, plast, elasticita, krehkosť. IN modernom svete Použitie tuhej látky je založené na fyzikálnych vlastnostiach, ktoré sú často objavené iba laboratórnym testovaním.
zákon Dulong - Petit (Zákon konštantnej tepelnej kapacity) - empirický zákon, podľa ktorého molárna tepelná kapacita pevné látky pri teplote miestnosti blízkej 3R :
Kde R - univerzálna plynová konštanta.
Zákon je odvodený za predpokladu, že kryštálová mriežka telesa pozostáva z atómov, z ktorých každý funguje harmonické vibrácie v troch smeroch, určených štruktúrou mriežky, a vibrácie v rôznych smeroch sú navzájom absolútne nezávislé. Ukazuje sa, že každý atóm predstavuje tri oscilátor s energiou E, definovaný nasledujúcim vzorcom:
Vzorec vyplýva z vety o ekvipartícii energie podľa stupňov voľnosti. Pretože každý oscilátor má jeden stupeň voľnosti, potom jeho priemer kinetická energia sa rovná , a keďže oscilácie prebiehajú harmonicky, potom priemer potenciálnu energiu rovná priemernej kinetickej a celkovej energii - podľa ich súčtu. Počet oscilátorov v jednom mole látky je , ich celková energia sa číselne rovná tepelnej kapacite telesa – odtiaľ Dulong-Petitov zákon.
Uveďme tabuľku experimentálnych hodnôt tepelnej kapacity série chemické prvky pre normálne teploty:
Tepelná rozťažnosť -zmena lineárnych rozmerov a tvaru tela pri jeho zmene sa stáva nielen funkciou. Kvantitatívne sa tepelná rozťažnosť kvapalín a plynov pri konštantnom tlaku vyznačuje izobarický expanzný koeficient(objemový koeficient tepelnej rozťažnosti). Na charakterizáciu tepelnej rozťažnosti pevných látok sa dodatočne zavádza koeficient lineárnej tepelnej rozťažnosti.
kapitola fyzikov ten, kto študuje túto vlastnosť, sa nazýva dilatometria .
Tepelná rozťažnosť telies sa berie do úvahy pri navrhovaní všetkých inštalácií, prístrojov a strojov pracujúcich pri premenlivých teplotných podmienkach.
Základný zákon tepelnej rozťažnosti uvádza, že teleso s lineárnou veľkosťou v zodpovedajúcom rozmere sa so zvyšujúcou sa teplotou rozťahuje o hodnotu rovnajúcu sa:
kde je tzv koeficient lineárnej tepelnej rozťažnosti. Podobné vzorce sú k dispozícii na výpočet zmien plochy a objemu tela. V najjednoduchšom prezentovanom prípade, keď koeficient tepelnej rozťažnosti nezávisí ani od teploty, ani od smeru expanzie, látka sa bude rozpínať rovnomerne vo všetkých smeroch presne podľa vyššie uvedeného vzorca.
Topenie je proces prechodu tela z kryštalický tuhé do kvapalného skupenstva, teda prechod látky z jedn stav agregácie inému. Pri absorpcii dochádza k topeniu špecifické teplo topenia a je fázový prechod prvého druhu, ktorý je sprevádzaný kŕčovitý zmeniť tepelná kapacita pri špecifickom teplotnom bode premeny pre každú látku - bod topenia.
Schopnosť topenia odkazuje na fyzikálne vlastnosti látok
Pri normálnom tlaku maximálne bod topenia medzi kovy má volfrám(3422 °C), medzi nimi jednoduché látky - uhlíka(podľa rôznych zdrojov 3500 - 4500 °C ) a medzi ľubovoľnými látkami - karbid hafnia tantalu Ta4HfC5 (4216 °C). Môžeme predpokladať, že najnižšia teplota topenia je hélium: o normálny tlak zostáva kvapalný pri ľubovoľne nízkych teplotách.
Mnohé látky pri normálnom tlaku nemajú kvapalnú fázu. Pri zahriatí sa sublimácia okamžite prejsť do plynného stavu.
Kvapaliny.
Povrchové tavenie. Zmáčanie. Kvapalina - látka nachádzajúca sa v kvapaline stav agregácie , ktoré zaujímajú medzipolohu medzi pevným a plynným skupenstvom
. Hlavnou vlastnosťou kvapaliny, ktorá ju odlišuje od látok v iných skupenstvách agregácie, je schopnosť neobmedzene meniť svoj tvar pod vplyvom tangenciálnych mechanických namáhaní, dokonca aj ľubovoľne malých, pri prakticky zachovaní svojho objemu. Povrchové javy , fyzikálne a chemické javy, ktoré sú spôsobené špeciálnymi (v porovnaní s objemovými) vlastnosťami povrchových vrstiev kvapaliny a pevné látky. Najvšeobecnejšou a najdôležitejšou vlastnosťou týchto vrstiev je prebytok voľnej energie F = s S , kde s je povrchové (medzipovrchové) napätie, pre tuhé látky - špecifické voľné. a pevné látky. Najvšeobecnejšou a najdôležitejšou vlastnosťou týchto vrstiev je prebytok voľnej energie F = s povrchová energia - oblasť rozhrania. Povrchové javy sa najvýraznejšie vyskytujú v heterogénnych systémoch s vysoko vyvinutým fázovým rozhraním, t.j. rozptýlené systémy. Neoddeliteľnou súčasťou je štúdium vzorov povrchových javov koloidná chémia
a je mimoriadne dôležitý pre všetky jeho praktické aplikácie. Spontánne povrchové javy vznikajú v dôsledku poklesu v povrchová energia systémov. Môžu byť spôsobené znížením celkového povrchu systému alebo znížením povrchového napätia na rozhraní. Povrchové javy spojené s poklesom celkového povrchu zahŕňajú: 1) kapilárne javy . najmä získavanie guľovitých kvapiek (v hmle) a bublín plynu (v kvapalnom médiu). forma, pri ktorej je povrch kvapky (bubliny) minimálny. 2) koalescencia - splývanie kvapiek do emulzie (alebo plynové bubliny dovnútra peny ) priamo s nimi. kontakt. 3) Spekanie malé pevné častice v prášky pri pomerne vysokých teplotách. 4) Kolektívna rekryštalizácia - zväčšovanie zŕn polykryštalického materiálu so zvyšujúcou sa teplotou. 5) Izotermický destiláciou - zväčšenie objemu veľkých kvapiek zmenšením malých. Navyše v dôsledku zvýšenej tlak výpary vznikajú kvapaliny s vyšším zakrivením povrchu odparovanie kondenzácii malé kvapky a ich následné (prenos energie), na väčších kvapkách. Pre kvapalinu umiestnenú na pevnom substráte hrá povrchový povrch významnú úlohu pri prenose hmoty z malých kvapiek na veľké. pri pomerne vysokých teplotách. 4) Kolektívna rekryštalizácia - zväčšovanie zŕn polykryštalického materiálu so zvyšujúcou sa teplotou. 5) Izotermický. Izotermický
Za určitých podmienok môžu v systéme nastať spontánne povrchové javy sprevádzané zväčšením celkového medzifázového povrchu. Teda spontánna disperzia a tvorba stabilných lyofilných látok koloidné systémy(napríklad kritické emulzie) sa vyskytuje za podmienok, keď je zvýšenie povrchovej energie spôsobené brúseniečastice, je kompenzovaný ich zapojením do tepelného pohybu a zodpovedajúcim nárastom entropia(cm. mikroemulzie). Pri homogénnej tvorbe zárodkov novej fázy počas kondenzácie pár, varu. kryštalizácia z riešení a roztápa sa zvýšenie energie systému v dôsledku tvorby nového povrchu je kompenzované poklesom chemickej látky. potenciál látky pri fázový prechod. Kritické veľkosti jadier, nad ktorými sa spontánne uvoľňuje nová fáza, závisia od povrchového napätia, ako aj od veľkosti prehriatia (prechladenie, presýtenie). Vzťah medzi týmito parametrami je určený Gibbsovou rovnicou (pozri. Vznik novej fázy).
Zmáčanie - fyzická interakcia kvapaliny s povrchom pevný alebo iná kvapalina. Existujú dva typy zvlhčovania:
Ponorenie(celý povrch tuhej látky je v kontakte s kvapalinou)
Kontaktovať(pozostáva z troch fáz - tuhá, kvapalná, plynná)
Zmáčanie závisí od vzťahu medzi adhéznymi silami molekuly kvapaliny s molekulami (príp atómov) mokré telo ( priľnavosť) a sily vzájomnej adhézie molekúl kvapaliny ( súdržnosť).
Ak sa kvapalina dostane do kontaktu s pevnou látkou, existujú dve možnosti:
Kvapalné molekuly sa k sebe priťahujú silnejšie ako k tuhým molekulám. V dôsledku príťažlivej sily medzi molekulami kvapaliny sa zhromažďuje do kvapôčky. Takto sa správa ortuť na sklo, voda na parafín alebo „mastný“ povrch. V tomto prípade hovoria, že kvapalina nezmáča sa povrch;
Molekuly kvapalín sa navzájom priťahujú menej ako pevné molekuly. V dôsledku toho má kvapalina tendenciu tlačiť na povrch a šíriť sa po ňom. Takto sa správa ortuť zinok tanier, voda na čisté sklo alebo drevo. V tomto prípade hovoria, že kvapalina mokrá povrch.
Stupeň zmáčania je charakterizovaný kontaktným uhlom. Kontaktný uhol (alebo kontaktný uhol) je uhol, ktorý zvierajú dotykové roviny k povrchom rozhrania obmedzujúcim zmáčaciu kvapalinu a vrchol uhla leží na línii oddelenia troch fáz. Merané metódou sessile drop . V prípade práškov sa používajú spoľahlivé metódy, ktoré poskytujú vysoký stupeň reprodukovateľnosť, ešte nebola vyvinutá (stav z roku 2008). Bola navrhnutá gravimetrická metóda na určenie stupňa zmáčania, ktorá však ešte nebola štandardizovaná.
Meranie stupňa zmáčania je veľmi dôležité v mnohých priemyselných odvetviach (farby, farmaceutický priemysel, kozmetika atď.). Napríklad na čelné sklá áut sa nanášajú špeciálne nátery, ktoré musia byť odolné voči rôznym druhom znečistenia. Zloženie a fyzikálne vlastnosti povlaky skla a kontaktných šošoviek možno optimalizovať na základe meraní kontaktného uhla .
Napríklad populárny spôsob zvýšenia produkcie ropy vstrekovaním vody do nádrže je založený na skutočnosti, že voda vypĺňa póry a vytláča oleja. V prípade malých pórov a čistá voda to zďaleka nie je pravda, takže musíme pridať špeciálne Povrchovo aktívna látka. Hodnotenie zmáčavosti hornín pri pridávaní roztokov rôzneho zloženia je možné merať rôznymi prístrojmi.
Aby bolo možné porovnávať stavová rovnica ideálneho plynu a základná rovnica molekulárnej kinetickej teórie, napíšme ich v čo najdôslednejšej forme.
Z týchto vzťahov je zrejmé, že:
(1.48)
množstvo, ktoré sa nazýva konštantný Boltzmann- koeficient umožňujúci energie pohyb molekuly(priemer, samozrejme) vyjadriť V jednotiek sa stáva nielen funkciou, a nielen v joulov, ako doteraz.
Ako už bolo spomenuté, „vysvetliť“ vo fyzike znamená vytvoriť spojenie medzi novým javom, v tomto prípade tepelným, s niečím, čo už bolo preštudované - mechanickým pohybom. Toto je vysvetlenie tepelných javov. Práve za účelom nájdenia takéhoto vysvetlenia bola teraz vyvinutá celá veda - štatistickéfyzika. Slovo „štatistický“ znamená, že predmetom skúmania sú javy, na ktorých sa podieľa množstvo častíc s náhodnými (pre každú časticu) vlastnosťami. Štúdium takýchto objektov v ľudských populáciách - národoch, populáciách - je predmetom štatistiky.
Je to štatistická fyzika, ktorá je základom chémie ako vedy, a nie ako v kuchárskej knihe - „vypustite to a to, dostanete, čo potrebujete! Prečo to bude fungovať? Odpoveď je vo vlastnostiach (štatistických vlastnostiach) molekúl.
Všimnite si, že je samozrejme možné použiť zistené vzťahy medzi energiou pohybu molekúl a teplotou plynu v inom smere na identifikáciu vlastností samotného pohybu molekúl a vlastností plynu vo všeobecnosti. Napríklad je jasné, že molekuly vo vnútri plynu majú energiu:
(1.50)
Táto energia sa nazýva - interné.Vnútorná energia vždy existuje! Aj keď je telo v pokoji a neinteraguje so žiadnymi inými telami, má vnútornú energiu.
Ak molekula nie je „guľatá guľa“, ale je to „činka“ (dvojatómová molekula), potom kinetická energia je súčtom energie translačného pohybu (doteraz sa uvažovalo iba s translačným pohybom) a rotačného pohybu ( ryža. 1.18 ).
Ryža. 1.18. Rotácia molekuly
Svojvoľné otáčanie si možno predstaviť ako postupné otáčanie najprv okolo osi x a potom okolo osi z.
Energetická rezerva takéhoto pohybu by sa nemala nijako líšiť od rezervy pohybu v priamke. Molekula „nevie“, či letí alebo sa točí. Potom je potrebné vo všetkých vzorcoch zadať číslo „päť“ namiesto čísla „tri“.
(1.51)
Plyny ako dusík, kyslík, vzduch atď. sa musia posudzovať podľa najnovších vzorcov.
Vo všeobecnosti, ak je potrebná prísna fixácia molekuly v priestore ičísla (hovoria "I stupne voľnosti"), To
(1.52)
Ako sa hovorí, „na podlahe kT pre každý stupeň voľnosti“.
Ideálne nápady na plyn nachádzajú zaujímavé aplikácie pri vysvetľovaní osmotický tlak, vznikajúce v riešení.
Nech sú medzi molekulami rozpúšťadla častice nejakej inej rozpustenej látky. Ako je známe, častice rozpustenej látky majú tendenciu zaberať celý dostupný objem. Solút expanduje presne rovnakým spôsobom ako expandujeSkutočný plyn,obsadiť priestor na to určený.
Rovnako ako plyn vyvíja tlak na steny nádoby, rozpustená látka vyvíja tlak na hranicu, ktorá oddeľuje roztok od čistého rozpúšťadla. Tento dodatočný tlak sa nazýva osmotický tlak. Tento tlak je možné pozorovať, ak sa roztok oddelí od čistého rozpúšťadla polotesná priečka, cez ktorý ľahko prechádza rozpúšťadlo, ale rozpustená látka nie ( ryža. 1.19 ).
Ryža. 1.19. Vznik osmotického tlaku v oddelení s rozpustenou látkou
Častice rozpustenej látky majú tendenciu odtláčať priehradku od seba a ak je priehradka mäkká, vydúva sa. Ak je prepážka pevne pripevnená, potom sa hladina kvapaliny skutočne posunie, hladina roztok v oddelení s rozpustenou látkou sa zvyšuje (pozri. ryža. 1.19 ).
Zvýšenie úrovne riešenia h bude pokračovať až do dosiahnutia výsledného hydrostatického tlakuρ gh(ρ je hustota roztoku) sa nebude rovnať osmotickému tlaku. Medzi molekulami plynu a molekulami rozpustenej látky je úplná podobnosť. Obaja sú ďaleko od seba a obaja sa pohybujú chaoticky. Samozrejme, medzi molekulami rozpustenej látky je rozpúšťadlo a medzi molekulami plynu nie je nič (vákuum), ale to nie je dôležité. Pri odvodzovaní zákonov nebolo použité žiadne vákuum! Z toho vyplýva častice rozpustenej látkyv slabom roztoku sa správajú rovnako ako molekuly ideálneho plynu. Inými slovami, osmotický tlak vyvíjaný rozpustenou látkou,rovná tlaku, ktorý by rovnaká látka vytvorila v plynestav v rovnakom objeme a pri rovnakej teplote. Potom to dostaneme osmotický tlakπ úmerné teplote a koncentrácii roztoku(počet častíc n na jednotku objemu).
(1.53)
Tento zákon je tzv van't Hoffov zákon, vzorec ( 1.53 ) -van't Hoffov vzorec.
Úplná podobnosť van't Hoffovho zákona s Clapeyronovou-Mendelejevovou rovnicou pre ideálny plyn je zrejmá.
Osmotický tlak samozrejme nezávisí od typu semipermeabilnej priehradky alebo typu rozpúšťadla. Akékoľvek roztoky s rovnakou molárnou koncentráciou majú rovnaký osmotický tlak.
Podobnosť v správaní rozpustenej látky a ideálneho plynu je spôsobená skutočnosťou, že v zriedenom roztoku častice rozpustenej látky spolu prakticky neinteragujú, rovnako ako molekuly ideálneho plynu neinteragujú.
Veľkosť osmotického tlaku je často dosť významná. Napríklad, ak liter roztoku obsahuje 1 mol rozpustenej látky, potom van't Hoffov vzorec pri izbovej teplote máme π ≈ 24 atm.
Ak sa rozpustená látka počas rozpúšťania rozloží na ióny (disociuje), potom podľa van’t Hoffovho vzorca
π V = NkT(1.54)
je možné určiť celkový počet N výsledné častice - ióny oboch znakov a neutrálne (nedisociované) častice. A preto to môžete zistiť stupňa disociácia látok. Ióny môžu byť solvatované, ale táto okolnosť nemá vplyv na platnosť Van't Hoffovho vzorca.
Van't Hoffov vzorec sa často používa v chémii na stanovenie molekulhmotnosti proteínov a polymérov. K tomu do objemového rozpúšťadla V pridať m gram testovanej látky, zmerajte tlak π. Zo vzorca
(1.55)
nájsť molekulovú hmotnosť.
Prečo plyn vyvíja tlak? Molekuly plynu sa neustále chaoticky pohybujú, narážajú na steny nádoby a prenášajú na ne svoju hybnosť p=m v Tlak je celkový impulz prenášaný molekulami 1 m2. m steny na 1s.
Tepelná rovnováha
- ide o stav sústavy telies v tepelnom kontakte, pri ktorom nedochádza k prenosu tepla z jedného telesa na druhé a všetky makroskopické parametre telies zostávajú nezmenené. Teplota je fyzikálny parameter rovnaký pre všetky telesá v tepelnej rovnováhe. Možnosť zavedenia pojmu teplota vyplýva zo skúseností a je tzv nulový zákon termodynamiky.
V sústave telies v stave termodynamickej rovnováhy môžu byť objemy a tlaky rôzne, ale teploty sú nevyhnutne rovnaké. Teplota teda charakterizuje stav termodynamickej rovnováhy izolovanej sústavy telies.
Teplota T, tlak r a objemV
– makroskopické veličiny, charakterizujúce stav obrovského množstva molekúl, t.j. stav plynu všeobecne Plynové teplomery. Ak chcete kalibrovať plynový teplomer s konštantným objemom, môžete merať tlak pri dvoch teplotách (napríklad 0 °C a 100 °C), vyniesť body p 0 a p 100 do grafu a potom medzi nimi nakresliť priamku. . Pomocou takto získanej kalibračnej krivky je možné určiť teploty zodpovedajúce iným hodnotám tlaku.
Extrapolácia grafu na oblasť nízke tlaky môžete určiť nejakú „hypotetickú“ teplotu, pri ktorom by sa tlak plynu stal nulovým. Prax ukazuje, že táto teplota je –273,15 °C a nezávisí od vlastností plynu. Anglický fyzik W. Kelvin (Thomson) v roku 1848 navrhol použiť bod nulového tlaku plynu na zostrojenie novej teplotnej stupnice (Kelvinova stupnica). V tejto stupnici je jednotka teploty rovnaká ako v stupnici Celzia, ale nulový bod je posunutý:T = t +273,15. Ideálny plyn je plyn pozostávajúci z guľovitých molekúl mizive malých veľkostí, ktoré interagujú medzi sebou a so stenami iba počas elastických zrážok. Ideálny plyn (model) 1. Sada veľké množstvo molekuly s hmotnosťou m0, veľkosti molekúl sa zanedbávajú (molekuly sa berú ako hmotné body) 2. Molekuly sú od seba vo veľkých vzdialenostiach a pohybujú sa chaoticky. 3. Molekuly interagujú podľa zákonov elastických zrážok, príťažlivé sily medzi molekulami sú zanedbané. 4. Rýchlosti molekúl sa líšia, ale pri určitej teplote zostáva priemerná rýchlosť molekúl konštantná. Reálny plyn 1. Molekuly reálneho plynu nie sú bodové útvary, priemery molekúl sú len desaťkrát menšie ako vzdialenosti medzi molekulami. 2. Molekuly neinteragujú podľa zákonov elastických zrážok
V praxi sa na popis procesov vyskytujúcich sa v plynoch používajú makroskopické parametre - tlak r, objem V a teplotu T. Tieto veličiny charakterizujú stav plynu a ľahko sa merajú rôznymi prístrojmi. Vzťahy medzi nimi sú vytvorené vo forme zákonov o plyne, ktoré zvážime neskôr.
Pojem teplota úzko súvisí s pojmom tepelná rovnováha . Tepelná rovnováha je stav sústavy telies v tepelnom kontakte, v ktorom nedochádza k prenosu tepla z jedného telesa na druhé a všetky makroskopické parametre telies zostávajú nezmenené. Teplota je fyzikálny parameter, ktorý je rovnaký pre všetky telesá v tepelnej rovnováhe.
Na meranie teploty sa používajú fyzikálne prístroje - teplomery, v ktorých sa hodnota teploty posudzuje podľa zmeny ktoréhokoľvek fyzikálneho parametra. IN rôzne prevedenia Teplomery využívajú rôzne fyzikálne vlastnosti látky (napríklad zmeny lineárnych rozmerov pevných látok alebo zmeny elektrického odporu vodičov pri zahrievaní). Teplomery musia byť kalibrované. Na tento účel sú privedené do tepelného kontaktu s telesami, ktorých teploty sa považujú za známe. Na Celziovej teplotnej stupnici je teplote topenia ľadu priradená teplota 0 °C a teplote varu vody 100 °C.
Anglický fyzik W. Kelvin v roku 1848 navrhol použiť bod nulového tlaku plynu na zostavenie novej teplotnej stupnice - Kelvinova stupnica. V tejto stupnici je jednotka teploty rovnaká ako v stupnici Celzia, ale nulový bod je posunutý:
T = t + 273,15. (7,10)
V sústave SI sa jednotka teploty meraná na Kelvinovej stupnici nazýva kelvin a označuje sa písmenom K.
Kelvinova teplotná stupnica sa nazýva stupnica absolútnej teploty. Ukázalo sa, že je to najvhodnejšie pri konštrukcii fyzikálnych teórií.
Experimentálne bolo dokázané, že tlak riedeného plynu v nádobe s konštantným objemom V sa mení priamo úmerne k jeho absolútnej teplote: p ~ T. Na druhej strane skúsenosti ukazujú, že pri konštantnom objeme V a teplote T sa plyn tlak sa mení priamo úmerne koncentrácii n molekuly plynu, t.j. počet molekúl plynu na jednotku objemu. Pre akýkoľvek riedený plyn platí nasledujúci vzťah:
kde k je nejaká konštantná hodnota univerzálna pre všetky plyny. Nazýva sa Boltzmannova konštanta na počesť rakúskeho fyzika L. Boltzmanna, jedného z tvorcov molekulárnej kinetickej teórie. Boltzmannova konštanta je jednou zo základných fyzikálnych konštánt. Jeho číselná hodnota v SI je:
k = 1,38.10-23 J/K. (7.12)
Porovnaním vzťahov (7.11) a (7.9) môžeme získať:
Priemerná kinetická energia chaotického pohybu molekúl plynu je priamo úmerná absolútnej teplote. teda teplota je mierou priemernej kinetickej energie translačného pohybu molekúl.
Treba poznamenať, že priemerná kinetická energia translačného pohybu molekuly nezávisí od jej hmotnosti. Brownova častica suspendovaná v kvapaline alebo plyne má rovnakú priemernú kinetickú energiu ako jednotlivá molekula, ktorej hmotnosť je o mnoho rádov menšia ako hmotnosť Brownovej častice. Tento záver platí aj pre prípad, keď nádoba obsahuje zmes chemicky neinteragujúcich plynov, ktorých molekuly majú rôznu hmotnosť. V rovnovážnom stave budú mať molekuly rôznych plynov rovnaké priemerné kinetické energie tepelného pohybu, určené iba teplotou zmesi. Tlak plynnej zmesi na steny nádoby bude pozostávať z parciálne tlaky každý plyn:
V tomto pomere sú n 1, n 2, n 3, ... koncentrácie molekúl rôznych plynov v zmesi. Tento vzťah je vyjadrený v jazyku molekulárnej kinetickej teórie, experimentálne stanovenej v r začiatkom XIX storočia Daltonov zákon: tlak v zmesi chemicky neinteragujúcich plynov sa rovná súčtu ich parciálnych tlakov .
