Predstavuje energiu, ktorá je určená rýchlosťou pohybu rôznych bodov patriacich do tohto systému. V tomto prípade treba rozlišovať medzi energiou, ktorá charakterizuje translačný pohyb a rotačným pohybom. Priemerná kinetická energia je zároveň priemerným rozdielom medzi celkovou energiou celého systému a jeho pokojovou energiou, to znamená, že jeho hodnota je v podstate priemernou hodnotou.
Jeho fyzikálna hodnota je určená vzorcom 3 / 2 kT, v ktorom sú uvedené: T - teplota, k - Boltzmannova konštanta. Táto hodnota môže slúžiť ako akési porovnávacie kritérium (norma) 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 najvyššiu 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.
V prípade pevných látok 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 pevná hmota 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 rozsudky sme uviedli, aby sme ukázali, že sú platné pre všetky typy. súhrnné stavy 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 viete, ak sa dve fyzické telá dostanú do vzájomnej interakcie, potom medzi nimi nastáva proces prenosu 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 ani vtedy, keď sa teleso dostane do termodynamickej rovnováhy. V tomto stave sa molekuly pohybujú vo vnútri telies, menia svoje rýchlosti, dopady a zrážky. Preto je pravdivé len jedno z viacerých našich tvrdení – objem telesa, tlak (ak rozprávame sa o plyne) sa môžu líšiť, ale teplota zostane stále konštantná. To opäť potvrdzuje tvrdenie, že priemerná kinetická energia tepelného pohybu v je určená výlučne teplotným indexom.
Tento vzor vytvoril v priebehu experimentov J. Charles v roku 1787. Pri vykonávaní experimentov si všimol, že keď sa telesá (plyny) zohrievajú 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 v tvare pV=n RT alebo p = nkT možno doložiť aj metódami kinetickej teórie plynov. Na základe kinetického prístupu je relatívne jednoducho odvodený 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. . Hodnota výsledného tlaku je definovaná ako
Kde by v 2 s je priemerná hodnota druhej mocniny rýchlosti molekúl, m je hmotnosť molekuly.
Priemerná kinetická energia molekúl plynu (na 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 merané 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 molekúl považuje za nulovú. 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, dostávame
Pre akúkoľvek hmotnosť m plynu, t.j. pre ľubovoľný počet kilomolov, vnútorná energia
Z tohto výrazu vyplýva, že vnútorná energia je jednohodnotovou funkciou stavu, a preto, keď systém vykoná akýkoľvek proces, v dôsledku ktorého sa systém vráti do pôvodného stavu, celková zmena vnútornej energie je nulová. . Matematicky je to napísané ako identita
Maxwellova distribúcia
Maxwellova distribúcia -rozdelenia pravdepodobnosti nájdený v fyzika A chémia. Leží na základni kinetická teória plynov, ktorý vysvetľuje mnohé zo základných vlastností plynov, vrátane tlak A difúzia. Maxwellova distribúcia je použiteľná aj pre elektronické transportné procesy a iné javy. Maxwellova distribúcia sa vzťahuje na rôzne vlastnosti jednotlivých molekúl v plyne. Zvyčajne sa to považuje za distribúciu energie molekúl v plyne, ale možno ju použiť aj na distribúciu rýchlostí, hybnosti a modulu hybnosti molekúl. Môže byť tiež vyjadrená ako diskrétne rozloženie cez súbor diskrétnych energetických úrovní alebo ako spojité rozloženie cez nejaké energetické kontinuum.
Maxwellovu distribúciu možno a treba získať pomocou štatistická mechanika(pozri pôvod oddielové funkcie). Ako rozloženie energie zodpovedá najpravdepodobnejšiemu rozdeleniu energie v kolízne ovládanom systéme pozostávajúcom 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, ktorá existuje 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). veľký význam, 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 kvantum 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 a nie všetky stavy systému). Pretože rýchlosť súvisí s energiou, rovnica (1) sa môže 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- rozloženie 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 pohyb častíc podlieha klasickej mechanike, energiu možno považovať za zloženú
transferový jav. Difúzia
prenosové javytepelná vodivosť(prenos energie), difúzia(hromadný presun) a vnútorné trenie(prenos hybnosti). Obmedzujeme sa na jednorozmerné prenosové javy. Referenčnú sústavu zvolíme tak, aby os x smerovala do strany v smere jazdného pruhu
Difúzia . Keď dôjde k samovoľnému prenikaniu a zmiešaniu častíc dvoch susediacich plynov, kvapalín a dokonca pevné látky; difúzia je výmena hmotností častíc týchto telies, pričom jav vzniká a pokračuje dovtedy, kým existuje hustotný gradient. Počas formovania molekulárno-kinetickej teórie vznikli spory v otázke fenoménu difúzie. Keďže sa molekuly pohybujú v priestore 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 atmosferický tlak molekuly majú krátku strednú voľnú dráhu a pri zrážkach s inými molekulami väčšinou „stoja“ na mieste. Difúzny jav 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 - difúzia (difúzny koeficient), dρ/dx je gradient hustoty, ktorý sa rovná rýchlosti zmeny hustoty na jednotku dĺžky x v smere normály k tomuto miestu. 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 pri gradiente hustoty rovnajúcom sa jednotke. Podľa kinetickej teórie plynov (4)
Transferový jav. Tepelná vodivosť
V termodynamicky nerovnovážnych systémoch špeciálne nezvratné procesy, volal prenosové javy, v dôsledku čoho sa uskutočňuje priestorový prenos hmoty, hybnosti, energie. Transferové javy zahŕňajú tepelná vodivosť(prenos energie), difúzia(hromadný presun) a vnútorné trenie(prenos hybnosti). Obmedzujeme sa na jednorozmerné prenosové javy. Vzťažnú sústavu zvolíme tak, aby os x smerovala do strany v smere translácie. Tepelná vodivosť . Ak je v prvej oblasti plynu priemerná kinetická energia molekúl väčšia ako v druhej, tak v dôsledku neustálych zrážok molekúl časom nastáva proces vyrovnávania priemerných kinetických energií molekúl, tj. , vyrovnanie teplôt. Prenos energie vo forme tepla podlieha Fourierov zákon: (1) kde j E - hustota tepelného toku- množstvo, ktoré je určené energiou prenesenou vo forme tepla za jednotku času cez jednotku plochy kolmú na os x, λ - tepelná vodivosť, - 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 s V - špecifické teplo plyn pri konštantnom objeme (množstvo tepla, ktoré je potrebné na zohriatie 1 kg plynu o 1 K pri konštantnom objeme), ρ je hustota plynu,<ν > - priemerná rýchlosť tepelný pohyb molekúl,<l> - znamená voľnú cestu.
transferový jav. Viskozita
V termodynamicky nerovnovážnych systémoch dochádza k zvláštnym ireverzibilným procesom, tzv prenosové javy, v dôsledku čoho sa uskutočňuje priestorový prenos hmoty, hybnosti, energie. Transferové javy zahŕňajú tepelná vodivosť(prenos energie), difúzia(hromadný presun) a vnútorné trenie(prenos hybnosti). Obmedzujeme sa na jednorozmerné prenosové javy. Vzťažnú sústavu zvolíme tak, aby os x smerovala do strany v smere translácie.
vnútorné trenie (viskozita ). Podstata mechanizmu vzniku vnútorného trenia medzi rovnobežnými vrstvami plynu (kvapaliny), ktoré sa pohybujú rôznymi rýchlosťami, spočíva v tom, že v dôsledku chaotického tepelného pohybu dochádza k výmene molekúl medzi vrstvami, v dôsledku čoho dochádza k hybnosti vrstvy. ktorá sa pohybuje rýchlejšie klesá, ktorá sa pohybuje pomalšie - zvyšuje, čo vedie k spomaleniu 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: (5) kde η - dynamická viskozita (viskozita), d ν /dx je rýchlostný gradient, 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 dve vrstvy možno považovať za proces, pri ktorom sa za jednotku času z jednej vrstvy prenesie impulz do druhej, čo je modulo prevádzková sila. Potom výraz (5) môžeme zapísať ako (6), kde j p - hustota toku hybnosti- 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 ν /dx sú opačné). Dynamická viskozitaη sa numericky rovná hustote toku hybnosti pri gradiente rýchlosti rovnajúcom sa jednotke; vypočítava sa podľa vzorca (7) Z porovnania vzorcov (1), (3) a (6), ktoré opisujú dopravné javy, vyplýva, že zákonitosti všetkých dopravných javov sú si navzájom podobné. Tieto zákony boli známe dlho predtým, ako boli podložené a získané z molekulárnej kinetickej teórie, čo umožnilo zistiť, že vonkajšia podobnosť ich matematických vyjadrení je dôsledkom všeobecnosti molekulárneho mechanizmu miešania molekúl v procese, ktorý je základom javy vedenia tepla, difúzie a vnútorného trenia.ich chaotický pohyb a vzájomné kolízie. Uvažované Fourierove, Fickovo a Newtonove zákony neodhaľujú molekulárno-kinetickú podstatu koeficientov λ, D a η. Výrazy pre koeficienty prenosu sú získané z kinetickej teórie. Sú napísané bez odvodenia, pretože rigorózna a formálna úvaha o fenoméne prenosu je dosť ťažkopádna a kvalitatívna nedáva zmysel. Vzorce (2), (4) a (7) udávajú vzťah medzi koeficientmi prenosu a charakteristikami tepelného pohybu molekúl. Tieto vzorce znamenajú 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.
Závislosti medzi jeho parametrami ukazujú, že molekuly v skutočnom plyne spolu interagujú a zaberajú určitý objem. Stav skutočného plynu sa v praxi často opisuje zovšeobecnenou Mendelejevovou-Clapeyronovou rovnicou:
kde p - tlak; V - objem; T - teplota; Zr = Zr (p, T) - faktor stlačiteľnosti plyn; m - hmotnosť; M - molárna hmota; R- plynová konštanta.
Van der Waalsova rovnica stavu plynu -rovnica prepojenie 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 jeho korešpondencia s skúsenosti oveľa horšie. Najmä sa to prejavuje v tom, že skutočné plyny možno preložiť do kvapalina a dokonca aj v pevné skupenstvo zatiaľ čo tí ideálni nemôžu.
Pre presnejší popis 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 tiež objem.
Van der Waalsova rovnica je jednou zo všeobecne známych približných stavových rovníc, ktorá má kompaktný tvar a zohľadňuje hlavné charakteristiky plynu s medzimolekulovou interakciou. .
Keďže celý proces prebieha pri konštantnej teplote T, krivka, ktorá znázorňuje závislosť tlaku p od objemu V, volal izoterma . S objemom V 1 začína kondenzácii plynu a pri objeme V 2 končí. Ak V > V 1 potom bude látka v plynnom stave a pri V< V 2 - в жидком.
Pevné. Dulongov a Petitov zákon. Tepelná rozťažnosť pevných látok. Topenie.
Pevné je jedným zo štyroch súhrnné stavy hmoty, ktorý sa líši od ostatných agregovaných štátov ( tekutiny, plynov, plazma) tvarová stálosť a charakter tepelný pohyb atómov robiť malé výkyvy v blízkosti rovnovážnych pozícií .
Rozlišovať kryštalický A amorfný pevné telesá. kapitola fyzika, študujúci zloženie a vnútornú štruktúru pevných látok, je tzv fyzika pevných látok. Ako pevné telo mení tvar pod vplyvom vplyvov a pohybu, študuje samostatná disciplína - mechanika pevných (deformovateľných) telies. Pohybom absolútne tuhého telesa sa zaoberá tretia veda - kinematika tuhého telesa.
Umelé technické zariadenia využívajú rôzne vlastnosti pevného telesa. V minulosti sa ako konštrukčný materiál využívalo pevné teleso a jeho použitie vychádzalo z priamo hmatateľných mechanických vlastností, ako napr. tvrdosť, hmotnosť, plast, elasticita, krehkosť. IN modernom svete použitie pevného telesa je založené na fyzikálnych vlastnostiach, ktoré sa často nachádzajú iba v laboratórnych štúdiách.
zákon Dulong - Petit (Zákon stálosti tepelnej kapacity) - empirický zákon, Pričom molárna tepelná kapacita tuhých látok pri teplote miestnosti je blízko 3R :
kde R - univerzálna plynová konštanta.
Zákon je odvodený za predpokladu, že kryštálovú mriežku telesa tvoria atómy, z ktorých každý funguje harmonické vibrácie v troch smeroch určených mriežkovou štruktúrou 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 jej priemer Kinetická energia rovná, a keďže oscilácie prebiehajú harmonicky, priemer potenciálna energia 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 - z toho vyplýva Dulong-Petitov zákon.
Uvádzame tabuľku experimentálnych hodnôt tepelnej kapacity série chemické prvky pre normálne teploty:
tepelná rozťažnosť -zmena lineárnych rozmerov a tvaru tela pri jeho zmene teplota. Kvantitatívne sa tepelná rozťažnosť kvapalín a plynov pri konštantnom tlaku vyznačuje izobarický expanzný faktor(objemový koeficient tepelnej rozťažnosti). Na charakterizáciu tepelnej rozťažnosti pevných látok sa dodatočne zavádza koeficient lineárnej tepelnej rozťažnosti.
kapitola fyzikaštudent tejto vlastnosti sa nazýva dilatometria .
Tepelná rozťažnosť telies sa berie do úvahy pri projektovaní všetkých inštalácií, nástrojov a strojov pracujúcich v premenlivých teplotných podmienkach.
Základný zákon tepelnej rozťažnosti uvádza, že teleso s lineárnym rozmerom v zodpovedajúcom rozmere sa so zvýšením jeho teploty roztiahne 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, čiže prechod látky z jedn stav agregácie do iného. Pri absorpcii dochádza k topeniu špecifické teplo topenia a je fázový prechod prvý druh, ktorý je sprevádzaný kŕčovitý zmeniť tepelná kapacita pri špecifickom bode transformácie teploty pre každú látku - teplota topenia.
Schopnosť topiť odkazuje na fyzikálne vlastnosti látok
Pri normálnom tlaku, max bod topenia medzi kovy má volfrám(3422 °C), medzi jednoduché látky - uhlíka(podľa rôznych zdrojov 3500 - 4500 °C ) a medzi ľubovoľnými látkami - karbid tantal-hafnia Ta4HfC5 (4216 °C). Môžeme predpokladať, že najnižší bod topenia má 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 skupenstva.
Kvapaliny. povrchové tavenie. Zmáčanie.
Kvapalina - látka v kvapaline stav agregácie, ktorý zaujíma medzipolohu medzi pevným a plynným skupenstvom . Hlavnou vlastnosťou kvapaliny, ktorá ju odlišuje od látok v iných skupenstvách agregácie, je schopnosť neobmedzene meniť svoj tvar pôsobením tangenciálnych mechanických namáhaní, dokonca aj ľubovoľne malých, pri prakticky zachovaní objemu.
Povrchové javy , fyzikálne a chemické javy, ktoré sú spôsobené špeciálnymi (v porovnaní s objemovými) vlastnosťami povrchových vrstiev tekutiny a pevné látky. Najvšeobecnejšou a najdôležitejšou vlastnosťou týchto vrstiev je prebytok voľnej energie F = s S, kde s-povrchové (medzipovrchové) napätie, pre tuhé látky - špecifické voľno povrchová energia. S- povrchová plocha oddelenia fáz. Povrchové javy sa najvýraznejšie vyskytujú v heterogénnych systémoch s vysoko vyvinutým fázovým rozhraním, t.j rozptýlené systémy. Neoddeliteľnou súčasťou je štúdium zákonitostí povrchových javov koloidná chémia a mimoriadne dôležité pre všetky jeho praktické aplikácie.
V dôsledku poklesu dochádza k spontánnym povrchovým javom povrchová energia systémov. Môžu byť spôsobené znížením celkového povrchu systému alebo znížením povrchového napätia na fázovom rozhraní. Povrchové javy spojené s poklesom celkového povrchu zahŕňajú: 1) kapilárne javy. najmä zachytávanie kvapkami (v hmle) a bublinami plynu (v kvapalnom médiu) je sférické. tvar, pri ktorom je povrch kvapky (bubliny) minimálny. 2) koalescencia- koalescencia kvapiek emulzie(alebo plynové bubliny dovnútra pena) okamžite kontakt. 3) spekanie jemné pevné častice prášky pri dostatočne vysokých teplotách. 4) Kolektívna rekryštalizácia - zväčšovanie zŕn polykryštalického materiálu so zvyšujúcou sa teplotou. 5) Izotermický destiláciou- zvýšenie objemu veľkých kvapiek v dôsledku poklesu malých. Avšak vzhľadom na zvýšenú tlak para vznikajú kvapaliny s vyšším zakrivením povrchu odparovanie malé kvapky a ich následné kondenzácii na väčších kvapkách. Pre kvapalinu umiestnenú na pevnom substráte hrá povrchová vrstva významnú úlohu pri prenose hmoty z malých kvapiek na veľké. difúzia. Izotermický destiláciou tuhé častice sa môžu vyskytovať v kvapalnej fáze v dôsledku zvýšenej rozpustnosti menších častíc.
Za určitých podmienok môžu v systéme nastať spontánne povrchové javy sprevádzané zväčšením celkového medzifázového povrchu. Teda spontánna disperzia a tvorba stabilných lyofilných koloidné systémy(napríklad kritické emulzie) sa vyskytuje za podmienok, keď je zvýšenie povrchovej energie spôsobené brúseniečastíc, je kompenzovaný ich zapojením do tepelného pohybu a zodpovedajúcim zvýšením v entropia(cm. mikroemulzie). Pri homogénnej tvorbe zárodkov novej fázy počas kondenzácie pár, vriaci. kryštalizácia z riešení a roztápa sa zvýšenie energie systému v dôsledku tvorby nového povrchu je kompenzované poklesom chem. látkový potenciál pri fázový prechod. Kritické veľkosti jadier, nad ktorými dochádza k samovoľnému oddeľovaniu novej fázy, závisia od povrchového napätia, ako aj od veľkosti prehriatia (podchladenie, presýtenie). Vzťah medzi týmito parametrami je určený Gibbsovou rovnicou (pozri. zrod novej fázy).
zmáčanie -fyzická interakcia tekutiny s povrchom pevné telo alebo inej tekutiny. Vlhčenie je dvoch typov:
Ponorenie(celý povrch pevného telesa je v kontakte s kvapalinou)
kontakt(pozostáva z troch fáz - tuhá, kvapalná, plynná)
Zmáčanie závisí od pomeru medzi kohéznymi silami molekuly kvapaliny s molekulami (príp atómov) mokré telo ( priľnavosť) a sily vzájomnej adhézie molekúl kvapaliny ( súdržnosť).
Ak je kvapalina v kontakte s pevnou látkou, potom 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 Merkúr na sklo, voda na parafín alebo mastný povrch. V tomto prípade sa hovorí, že kvapalina nezmáča sa povrch;
Molekuly kvapaliny sa k sebe priťahujú slabšie ako molekuly pevnej látky. Výsledkom je, že kvapalina má tendenciu priľnúť k povrchu, šíri sa po ňom. Takto sa správa ortuť zinok tanier, voda na čisté sklo alebo drevo. V tomto prípade sa hovorí, že kvapalina mokrá povrch.
Stupeň zmáčania je charakterizovaný uhlom zmáčania. Uhol zmáčania (alebo kontaktný uhol zmáčania) je uhol, ktorý zvierajú dotykové roviny k povrchom rozhrania, ktoré obmedzujú zmáčaciu kvapalinu, a vrchol uhla leží na deliacej čiare troch fáz. Merané metódou sediacich kvapiek . V prípade práškov spoľahlivé metódy poskytujúce vysoký stupeň reprodukovateľnosť, ešte nebola vyvinutá (stav z roku 2008). Bola navrhnutá váhová metóda na určenie stupňa zmáčania, ale ešte nebola štandardizovaná.
Meranie zmáčania je veľmi dôležité v mnohých priemyselných odvetviach (farby, farmaceutický priemysel, kozmetika atď.). Napríklad na predné sklá áut sa nanášajú špeciálne nátery, ktoré musia byť odolné voči rôznym druhom znečistenia. Zloženie a fyzikálne vlastnosti povlaky okuliarov a kontaktných šošoviek je možné optimalizovať meraním kontaktného uhla .
Napríklad populárny spôsob zvýšenia produkcie ropy čerpaním vody do zásobníka je založený na skutočnosti, že voda vypĺňa póry a vytláča oleja. V prípade malých pórov a čistej vody to zďaleka neplatí, takže musíte 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, píšeme ich v najdôslednejšom tvare.
Z týchto pomerov je zrejmé, že:
(1.48)
množstvo, ktoré je tzv konštantný Boltzmann- koeficient umožňujúci energie pohyby molekuly(samozrejme priemer) vyjadriť v Jednotky teplota, a nielen v joulov ako doteraz.
Ako už bolo spomenuté, „vysvetľovať“ vo fyzike znamená nadviazať spojenie medzi novým javom, v tomto prípade – tepelným, s už prebádaným – mechanickým pohybom. Toto je vysvetlenie tepelných javov. Práve s cieľom nájsť takéto vysvetlenie 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 zástupoch ľudí - národov, populácií - je predmetom štatistiky.
Práve štatistická fyzika je základom chémie ako vedy a nie ako z kuchárskej knihy - "vypustite to a to, ukáže sa, čo potrebujete!" Prečo to bude fungovať? Odpoveď spočíva vo vlastnostiach (štatistických vlastnostiach) molekúl.
Všimnite si, že je samozrejme možné využiť nájdené súvislosti medzi energiou pohybu molekúl a teplotou plynu iným smerom na odhalenie vlastností pohybu molekúl, vo všeobecnosti vlastností plynu. Napríklad je jasné, že molekuly vo vnútri plynu majú energiu:
(1.50)
Táto energia sa nazýva interné.Vnútorná energia tam je vždy! 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 molekúl
Ľubovoľné 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 do všetkých vzorcov vložiť číslo „päť“ namiesto čísla „tri“.
(1.51)
Plyny ako dusík, kyslík, vzduch atď. sa musia posudzovať presne podľa posledných vzorcov.
Vo všeobecnosti, ak je potrebná prísna fixácia molekuly v priestore ičísla (povedzme "I stupne voľnosti"), potom
(1.52)
Ako sa hovorí, „na podlahe kT pre každý stupeň voľnosti.
Myšlienky o ideálnom plyne nachádzajú zaujímavé využitie pri vysvetľovaní osmotický tlak ktorý sa vyskytuje v roztoku.
Nech sú medzi molekulami rozpúšťadla častice nejakej inej rozpustenej látky. Ako je známe, častice rozpustenej látky majú tendenciu zaberať celý dostupný objem. Rozpustená látka expanduje presne rovnakým spôsobom ako expandujeplynu,aby zabral priestor, ktorý mu bol daný.
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 neprechádza ( ryža. 1.19 ).
Ryža. 1.19. Výskyt osmotického tlaku v kompartmente rozpustenej látky
Častice rozpustenej látky majú tendenciu posúvať prepážku od seba, a ak je prepážka mäkká, potom sa vydutie. Ak je prepážka pevne upevnená, potom sa hladina kvapaliny skutočne posunie, hladina roztok v oddelení rozpustenej látky stúpa (pozri ryža. 1.19 ).
Zvýšenie hladiny roztoku h bude pokračovať až do dosiahnutia výsledného hydrostatického tlaku ρ gh(ρ je hustota roztoku) sa nebude rovnať osmotickému tlaku. Medzi molekulami plynu a molekulami rozpustenej látky je úplná podobnosť. Títo aj ostatní sú od seba ďaleko a obaja sa pohybujú chaoticky. Samozrejme, medzi molekulami rozpustenej látky je rozpúšťadlo a medzi molekulami plynu (vákuum) nie je nič, ale to nie je dôležité. Vákuum sa pri odvodzovaní zákonov nepoužívalo! Z toho teda 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 plynev 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 prepážky alebo typu rozpúšťadla. akýkoľvek 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 po rozpustení rozloží na ióny (disociuje), potom podľa van't Hoffovho vzorca
π V = NkT(1.54)
je možné určiť celkový počet N formované častice - ióny oboch znakov a neutrálne (nedisociované) častice. A preto sa dá vedieť stupňa disociácia látok. Ióny môžu byť solvatované, ale táto okolnosť neovplyvňuje platnosť van't Hoffovho vzorca.
Van't Hoffov vzorec sa často používa v chémii na definície molekulárnychhmotnosť proteínov a polymérov. K tomu do objemového rozpúšťadla V pridať m gramov testovanej látky, zmerajte tlak π. Zo vzorca
(1.55)
nájsť molekulovú hmotnosť.
Prečo plyn vyvíja tlak? Molekuly plynu sa nepretržite náhodne pohybujú, narážajú na steny nádoby a prenášajú na ne svoju hybnosť p=m v Tlak je celkový impulz prenášaný molekulami s plochou 1 m2. m steny na 1s.
Tepelná rovnováha
- ide o taký 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 možno určiť teploty zodpovedajúce iným tlakom.
Extrapolácia pozemku na plochu nízke tlaky je možné určiť nejakú "hypotetickú" teplotu, pri ktorom by bol tlak plynu nulový. 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 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. Ideálny plyn je plyn pozostávajúci z miznúcich malých guľovitých molekúl, ktoré interagujú medzi sebou a so stenami iba počas elastických zrážok. Ideálny plyn (model) 1. Sada Vysoké číslo molekuly hmotnosti m0, rozmery molekúl sa zanedbávajú (molekuly berú ako hmotné body) 2. Molekuly sú od seba vo veľkých vzdialenostiach a pohybujú sa náhodne. 3. Molekuly interagujú podľa zákonov elastických zrážok, príťažlivé sily medzi molekulami sa zanedbávajú. 4. Rýchlosti molekúl sú rôzne, 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 stanovené vo forme zákonov o plyne, ktoré zvážime neskôr.
Pojem teplota úzko súvisí s pojmom tepelná rovnováha . Tepelná rovnováha je taký 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, ktorý je rovnaký pre všetky telesá v tepelnej rovnováhe.
Na meranie teploty sa používajú fyzikálne prístroje - teplomery, pri ktorých sa hodnota teploty posudzuje podľa zmeny niektorého fyzikálneho parametra. IN rôzne prevedenia teplomery využívajú rôzne fyzikálne vlastnosti látky (napríklad zmenu lineárnych rozmerov pevných látok alebo zmenu 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 stupnici Celzia je teplota topenia ľadu priradená teplote 0 ° C a teplota varu vody je 100 ° C.
Anglický fyzik W. Kelvin v roku 1848 navrhol použiť bod nulového tlaku plynu na vytvorenie novej teplotnej stupnice - Kelvinove stupnice. 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 merná jednotka teploty na Kelvinovej stupnici nazýva kelvin a označuje sa písmenom K.
Kelvinova teplotná stupnica sa nazýva stupnica absolútnej teploty. Ukazuje sa, že je najvhodnejší 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 vzťah:
kde k je nejaká konštantná hodnota, ktorá je univerzálna pre všetky plyny. Nazýva sa Boltzmannova konštanta na počesť rakúskeho fyzika L. Boltzmanna, jedného zo zakladateľov molekulárnej kinetickej teórie. Boltzmannova konštanta je jednou zo základných fyzikálnych konštánt. Jeho číselná hodnota v SI je:
k = 1,3810-23 J/K. (7.12)
Porovnaním vzťahov (7.11) a (7.9) môžeme dostať:
Priemerná kinetická energia náhodného pohybu molekúl plynu je priamo úmerná absolútnej teplote. Touto cestou, teplota je mierou priemernej kinetickej energie translačného pohybu molekúl.
Je potrebné 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 zmesi plynov na stenách nádoby bude súčtom parciálne tlaky každý plyn:
V tomto pomere sú n 1, n 2, n 3, ... koncentrácie molekúl rôznych plynov v zmesi. Tento vzťah vyjadruje v jazyku molekulárnej kinetickej teórie experimentálne zistené v začiatkom XIX storočia Daltonov zákon: tlak v zmesi chemicky neinteragujúcich plynov sa rovná súčtu ich parciálnych tlakov .
.jpg)