Štruktúra plynov, kvapalín a pevných látok.
Základné ustanovenia molekulárnej kinetickej teórie:
Všetky látky sú tvorené molekulami a molekuly sú tvorené atómami.
atómy a molekuly sú v neustálom pohybe,
Medzi molekulami sú príťažlivé a odpudivé sily.
IN plynov molekuly sa pohybujú náhodne, vzdialenosti medzi molekulami sú veľké, molekulárne sily malé, plyn zaberá celý objem, ktorý je mu poskytnutý.
IN kvapaliny molekuly sú usporiadané iba na malé vzdialenosti a na veľké vzdialenosti je porušené poradie (symetria) usporiadania - „poradie krátkeho dosahu“. Molekulárne príťažlivé sily držia molekuly blízko seba. Pohyb molekúl je „skákanie“ z jednej stabilnej polohy do druhej (zvyčajne v rámci jednej vrstvy. Tento pohyb vysvetľuje tekutosť kvapaliny. Kvapalina nemá tvar, ale má objem.
Pevné látky - látky, ktoré si zachovávajú svoj tvar, sa delia na kryštalické a amorfné. kryštalická pevná látka telesá majú kryštálovú mriežku, v uzloch ktorej môžu byť ióny, molekuly alebo atómy oscilujú vzhľadom k stabilným rovnovážnym polohám Kryštáľové mriežky majú v celom objeme pravidelnú štruktúru – „riadok umiestnenia na veľké vzdialenosti“.
Amorfné telá si zachovávajú svoj tvar, ale nemajú kryštálovú mriežku a v dôsledku toho nemajú výraznú teplotu topenia. Nazývajú sa mrazené kvapaliny, pretože majú podobne ako kvapaliny „takmer“ poradie molekulárneho usporiadania.
Interakčné sily molekúl
Všetky molekuly látky interagujú navzájom príťažlivými a odpudivými silami. Dôkaz interakcie molekúl: jav zmáčania, odolnosť voči stlačeniu a natiahnutiu, nízka stlačiteľnosť pevných látok a plynov atď. Dôvodom interakcie molekúl je elektromagnetická interakcia nabitých častíc v hmote. ako to vysvetliť? Atóm pozostáva z kladne nabitého jadra a záporne nabitého elektrónového obalu. Náboj jadra sa rovná celkovému náboju všetkých elektrónov, preto je atóm ako celok elektricky neutrálny. Molekula pozostávajúca z jedného alebo viacerých atómov je tiež elektricky neutrálna. Zvážte interakciu medzi molekulami na príklade dvoch imobilných molekúl. Medzi telesami v prírode môžu existovať gravitačné a elektromagnetické sily. Keďže hmotnosti molekúl sú extrémne malé, zanedbateľné sily gravitačnej interakcie medzi molekulami možno ignorovať. Vo veľmi veľkých vzdialenostiach nedochádza ani k elektromagnetickej interakcii medzi molekulami. So zmenšovaním vzdialenosti medzi molekulami sa však molekuly začínajú orientovať tak, že ich strany smerujúce k sebe budú mať náboje rôznych znakov (vo všeobecnosti molekuly zostávajú neutrálne) a medzi molekulami vznikajú príťažlivé sily. S ešte väčším zmenšením vzdialenosti medzi molekulami vznikajú odpudivé sily v dôsledku interakcie negatívne nabitých elektrónových obalov atómov molekúl. V dôsledku toho je molekula ovplyvnená súčtom síl príťažlivosti a odpudzovania. Na veľké vzdialenosti prevláda príťažlivá sila (vo vzdialenosti 2-3 priemerov molekúl je príťažlivosť maximálna), na krátke vzdialenosti odpudivá sila. Medzi molekulami je taká vzdialenosť, pri ktorej sa príťažlivé sily rovnajú silám odpudzovania. Táto poloha molekúl sa nazýva poloha stabilnej rovnováhy. Molekuly umiestnené vo vzájomnej vzdialenosti a spojené elektromagnetickými silami majú potenciálnu energiu. V polohe stabilnej rovnováhy je potenciálna energia molekúl minimálna. V látke každá molekula interaguje súčasne s mnohými susednými molekulami, čo ovplyvňuje aj hodnotu minimálnej potenciálnej energie molekúl. Okrem toho sú všetky molekuly látky v nepretržitom pohybe, t.j. majú kinetickú energiu. Štruktúra látky a jej vlastnosti (pevné, kvapalné a plynné telesá) sú teda určené pomerom medzi minimálnou potenciálnou energiou interakcie molekúl a rezervou kinetickej energie. tepelný pohyb molekuly.
Štruktúra a vlastnosti pevných, kvapalných a plynných telies
Stavba telies sa vysvetľuje interakciou častíc telesa a povahou ich tepelného pohybu.
Pevné
Pevné látky majú stály tvar a objem a sú prakticky nestlačiteľné. Minimálna potenciálna energia interakcie molekúl je väčšia ako kinetická energia molekúl. Silná interakcia častíc. Tepelný pohyb molekúl v pevnej látke je vyjadrený len kmitmi častíc (atómov, molekúl) okolo polohy stabilnej rovnováhy.
V dôsledku veľkých príťažlivých síl molekuly prakticky nemôžu zmeniť svoju polohu v látke, čo vysvetľuje nemennosť objemu a tvaru pevných látok. Väčšina pevných látok má priestorovo usporiadané usporiadanie častíc, ktoré tvoria pravidelnú kryštálovú mriežku. Častice hmoty (atómy, molekuly, ióny) sa nachádzajú vo vrcholoch - uzloch kryštálovej mriežky. Uzly kryštálovej mriežky sa zhodujú s polohou stabilnej rovnováhy častíc. Takéto pevné látky sa nazývajú kryštalické.
Kvapalina
Kvapaliny majú určitý objem, ale nemajú svoj vlastný tvar, majú tvar nádoby, v ktorej sa nachádzajú. Minimálna potenciálna energia interakcie molekúl je porovnateľná s kinetickou energiou molekúl. Slabá interakcia častíc. Tepelný pohyb molekúl v kvapaline je vyjadrený osciláciami okolo polohy stabilnej rovnováhy v rámci objemu, ktorý molekule poskytujú jej susedia. Molekuly sa nemôžu voľne pohybovať v celom objeme látky, ale sú možné prechody molekúl do susedných miest. To vysvetľuje tekutosť kvapaliny, schopnosť meniť svoj tvar.
V kvapalinách sú molekuly navzájom dosť silne viazané príťažlivými silami, čo vysvetľuje nemennosť objemu kvapaliny. V kvapaline je vzdialenosť medzi molekulami približne rovnaká ako priemer molekuly. So zmenšovaním vzdialenosti medzi molekulami (stláčaním kvapaliny) sa odpudivé sily prudko zvyšujú, takže kvapaliny sú nestlačiteľné. Kvapaliny z hľadiska svojej štruktúry a povahy tepelného pohybu zaujímajú medzipolohu medzi pevnými látkami a plynmi. Aj keď rozdiel medzi kvapalinou a plynom je oveľa väčší ako medzi kvapalinou a pevnou látkou. Napríklad pri tavení alebo kryštalizácii sa objem telesa mení mnohonásobne menej ako pri vyparovaní alebo kondenzácii.
Plyny nemajú stály objem a zaberajú celý objem nádoby, v ktorej sa nachádzajú. Minimálna potenciálna energia interakcie molekúl je menšia ako kinetická energia molekúl. Častice hmoty prakticky neinteragujú. Plyny sa vyznačujú úplnou poruchou usporiadania a pohybu molekúl.
Vzdialenosť medzi molekulami plynu je mnohonásobne väčšia ako veľkosť molekúl. Malé príťažlivé sily nedokážu udržať molekuly blízko seba, takže plyny môžu expandovať donekonečna. Plyny sa pôsobením vonkajšieho tlaku ľahko stlačia, pretože. vzdialenosti medzi molekulami sú veľké a interakčné sily sú zanedbateľné. Tlak plynu na steny nádoby vzniká nárazmi pohybujúcich sa molekúl plynu.
Kinetická energia molekuly
V plyne molekuly vykonávajú voľný (izolovaný od ostatných molekúl) pohyb, len z času na čas narážajú do seba alebo do stien nádoby. Pokiaľ je molekula vo voľnom pohybe, má len Kinetická energia. Počas zrážky majú molekuly tiež potenciálnu energiu. Celková energia plynu je teda súčtom kinetických a potenciálnych energií jeho molekúl. Čím je plyn riedky, tým viac molekúl je v každom okamihu v stave voľného pohybu a má iba kinetickú energiu. V dôsledku toho pri riedení plynu klesá podiel potenciálnej energie v porovnaní s kinetickou energiou.
Priemerná kinetická energia molekuly v rovnováhe ideálneho plynu má jednu veľmi dôležitá vlastnosť: v zmesi rôznych plynov je priemerná kinetická energia molekuly pre rôzne zložky zmesi rovnaká.
Napríklad vzduch je zmes plynov. Priemerná energia molekuly vzduchu pre všetky jej zložky pri normálnych podmienkach, keď vzduch možno stále považovať za ideálny plyn, je rovnaký. Túto vlastnosť ideálnych plynov je možné dokázať na základe všeobecných štatistických úvah. Z toho vyplýva dôležitý dôsledok: ak sú dva rôzne plyny (v rôznych nádobách) navzájom v tepelnej rovnováhe, potom sú priemerné kinetické energie ich molekúl rovnaké.
V plynoch je vzdialenosť medzi molekulami a atómami zvyčajne oveľa väčšia ako veľkosť samotných molekúl, interakčné sily molekúl nie sú veľké. V dôsledku toho plyn nemá svoj vlastný tvar a konštantný objem. Plyn je ľahko stlačiteľný a môže sa neobmedzene rozširovať. Molekuly plynu sa voľne pohybujú (translačne sa môžu otáčať), len občas sa zrážajú s inými molekulami a stenami nádoby, v ktorej sa plyn nachádza, a pohybujú sa veľmi vysokou rýchlosťou.
Štruktúra pevných látok sa zásadne líši od štruktúry plynov. V nich sú medzimolekulové vzdialenosti malé a potenciálna energia molekúl je porovnateľná s kinetickou. Atómy (alebo ióny, či celé molekuly) nemožno nazvať nehybnými, vykonávajú náhodný oscilačný pohyb okolo svojich stredných polôh. Čím vyššia je teplota, tým väčšia je energia oscilácií, a teda aj priemerná amplitúda oscilácií. Tepelné vibrácie atómov tiež vysvetľujú tepelnú kapacitu pevných látok. Pozrime sa podrobnejšie na pohyby častíc v kryštalických tuhých látkach. Celý kryštál ako celok je veľmi zložitým spojeným oscilačným systémom. Odchýlky atómov od priemerných polôh sú malé, a preto môžeme predpokladať, že atómy sú vystavené pôsobeniu kvázi-elastických síl podľa lineárneho Hookovho zákona. Takéto oscilačné systémy sa nazývajú lineárne.
Existuje rozvinutá matematická teória systémov podliehajúcich lineárnym osciláciám. Dokazuje to veľmi dôležitú vetu, ktorej podstata je nasledovná. Ak systém vykonáva malé (lineárne) vzájomne prepojené kmity, potom ho možno transformáciou súradníc formálne zredukovať na systém nezávislých oscilátorov (pre ktoré oscilačné rovnice na sebe nezávisia). Systém nezávislých oscilátorov sa správa ako ideálny plyn v tom zmysle, že jeho atómy možno tiež považovať za nezávislé.
Pomocou myšlienky nezávislosti atómov plynu sa dostávame k Boltzmannovmu zákonu. Tento veľmi dôležitý záver poskytuje jednoduchý a spoľahlivý základ pre celú teóriu pevných látok.
Boltzmannov zákon
Počet oscilátorov s danými parametrami (súradnicami a rýchlosťami) sa určuje rovnakým spôsobom ako počet molekúl plynu v danom stave podľa vzorca:
Energia oscilátora.
Boltzmannov zákon (1) v teórii pevného telesa nemá žiadne obmedzenia, avšak vzorec (2) pre energiu oscilátora je prevzatý z klasickej mechaniky. Pri teoretickom uvažovaní o pevných látkach sa treba oprieť o kvantová mechanika, ktorý sa vyznačuje diskrétnou zmenou energie oscilátora. Diskrétnosť energie oscilátora sa stáva bezvýznamnou iba pri dostatočne vysokých hodnotách jeho energie. To znamená, že (2) je možné použiť len pri dostatočne vysokých teplotách. Pri vysokých teplotách tuhej látky, blízko bodu topenia, Boltzmannov zákon implikuje zákon rovnomerného rozloženia energie v stupňoch voľnosti. Ak je v plynoch pre každý stupeň voľnosti v priemere množstvo energie rovné (1/2) kT, potom má oscilátor jeden stupeň voľnosti, okrem kinetickej má aj potenciálnu energiu. Preto jeden stupeň voľnosti v pevné telo keď dosť vysoká teplota existuje energia rovnajúca sa kT. Na základe tohto zákona nie je ťažké vypočítať celkovú vnútornú energiu pevné telo, po ktorej nasleduje jeho tepelná kapacita. Mol pevnej látky obsahuje atómy NA a každý atóm má tri stupne voľnosti. Preto krtek obsahuje 3 NA oscilátory. Molová energia pevného telesa
a molárnu tepelnú kapacitu tuhej látky pri dostatočne vysokých teplotách
Skúsenosti tento zákon potvrdzujú.
Kvapaliny zaberajú medzipolohu medzi plynmi a pevnými látkami. Molekuly kvapaliny sa nerozchádzajú na veľké vzdialenosti a kvapalina si za normálnych podmienok zachováva svoj objem. Ale na rozdiel od pevných látok molekuly nielen oscilujú, ale aj skáču z miesta na miesto, to znamená, že robia voľné pohyby. Keď teplota stúpne, kvapaliny vria (dochádza k tzv. bodu varu) a menia sa na plyn. Keď teplota klesá, kvapaliny kryštalizujú a stávajú sa tuhými. V teplotnom poli je bod, pri ktorom hranica medzi plynom (nasýtená para) a kvapalinou zmizne (kritický bod). Vzorec tepelného pohybu molekúl v kvapalinách v blízkosti teploty tuhnutia je veľmi podobný správaniu molekúl v pevných látkach. Napríklad koeficienty tepelnej kapacity sú takmer rovnaké. Keďže sa tepelná kapacita látky počas topenia mierne mení, možno usúdiť, že charakter pohybu častíc v kvapaline je blízky pohybu v pevnej látke (pri teplote topenia). Pri zahrievaní sa vlastnosti kvapaliny postupne menia a stáva sa viac ako plyn. V kvapalinách je priemerná kinetická energia častíc menšia ako ich potenciálna energia intermolekulárnej interakcie. Energia medzimolekulovej interakcie v kvapalinách a pevných látkach sa nevýznamne líši. Ak porovnáme teplo topenia a teplo vyparovania, uvidíme, že pri prechode z jedného stav agregácie v inom je teplo topenia podstatne nižšie ako teplo vyparovania. Adekvátny matematický popis štruktúry kvapaliny možno poskytnúť len pomocou štatistickej fyziky. Napríklad, ak kvapalina pozostáva z rovnakých guľovitých molekúl, potom jej štruktúru možno opísať pomocou radiálnej distribučnej funkcie g(r), ktorá udáva pravdepodobnosť nájdenia akejkoľvek molekuly vo vzdialenosti r od danej molekuly zvolenej ako referenčný bod. . Experimentálne možno túto funkciu nájsť štúdiom difrakcie röntgenových lúčov alebo neutrónov, je možné vykonať počítačové simulácie tejto funkcie pomocou newtonovskej mechaniky.
Kinetická teória kvapaliny bola vyvinutá Ya.I. Frenkel. V tejto teórii sa kvapalina považuje, rovnako ako v prípade pevného telesa, za ako dynamický systém harmonické oscilátory. Ale na rozdiel od pevného telesa je rovnovážna poloha molekúl v kvapaline dočasná. Po oscilácii okolo jednej polohy molekula kvapaliny preskočí do novej polohy umiestnenej v susedstve. K takémuto skoku dochádza pri výdaji energie. Priemerný čas „usadenia“ molekuly kvapaliny možno vypočítať ako:
\[\left\langle t\right\rangle =t_0e^(\frac(W)(kT))\left(5\right),\]
kde $t_0\ $ je perióda oscilácií okolo jednej rovnovážnej polohy. Energia, ktorú musí molekula prijať, aby sa presunula z jednej polohy do druhej, sa nazýva aktivačná energia W a čas, keď je molekula v rovnovážnej polohe, sa nazýva čas „ustáleného života“ t.
Napríklad molekula vody pri izbovej teplote spôsobí asi 100 vibrácií a preskočí do novej polohy. Príťažlivé sily medzi molekulami kvapaliny sú veľké na zachovanie objemu, ale obmedzený sedavý život molekúl vedie k vzniku takého javu, ako je tekutosť. Pri osciláciách častíc v blízkosti rovnovážnej polohy do seba nepretržite narážajú, preto aj malé stlačenie kvapaliny vedie k prudkému „stvrdnutiu“ zrážok častíc. To znamená prudké zvýšenie tlaku kvapaliny na steny nádoby, v ktorej je stlačená.
Príklad 1
Úloha: Určte mernú tepelnú kapacitu medi. Predpokladajme, že teplota medi je blízko bodu topenia. ( Molárna hmota meď $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(kg)(mol))$
Podľa Dulongovho a Petitovho zákona má mól chemicky jednoduchých látok pri teplotách blízkych bodu topenia tepelnú kapacitu:
Špecifická tepelná kapacita medi:
\[C=\frac(c)(\mu )\to C=\frac(3R)(\mu )\vľavo (1,2\vpravo),\] \[C=\frac(3\cdot 8,31) (63\cdot 10^(-3))=0,39\ \cdot 10^3(\frac(J)(kgK))\]
odpoveď: Špecifické teplo meď $0,39\ \cdot 10^3\left(\frac(J)(kgK)\right).$
Úloha: Zjednodušene vysvetliť z hľadiska fyziky proces rozpúšťania soli (NaCl) vo vode.
základ moderná teória riešenia vytvoril D.I. Mendelejev. Zistil, že počas rozpúšťania prebiehajú súčasne dva procesy: fyzikálny - rovnomerné rozloženie častíc rozpustenej látky v celom objeme roztoku a chemický - interakcia rozpúšťadla s rozpustenou látkou. Zaujíma nás fyzikálny proces. Molekuly soli nezničia molekuly vody. V tomto prípade by bolo nemožné odpariť vodu. Ak by sa molekuly soli naviazali na molekuly vody, získali by sme nejakú novú látku. A molekuly soli nemôžu preniknúť do molekúl vody.
Medzi iónmi Na+ a Cl- chlóru a molekúl polárnej vody vzniká ión-dipólová väzba. Ukázalo sa, že je silnejšia ako iónové väzby v molekulách soli. V dôsledku tohto procesu sa oslabuje väzba medzi iónmi nachádzajúcimi sa na povrchu kryštálov NaCl, z kryštálu sa uvoľňujú ióny sodíka a chlóru a molekuly vody vytvárajú okolo nich takzvané hydratačné obaly. Oddelené hydratované ióny pod vplyvom tepelného pohybu sú rovnomerne rozdelené medzi molekuly rozpúšťadla.
Kinetická energia molekuly
V plyne molekuly vykonávajú voľný (izolovaný od ostatných molekúl) pohyb, len z času na čas narážajú do seba alebo do stien nádoby. Pokiaľ je molekula vo voľnom pohybe, má iba kinetickú energiu. Počas zrážky majú molekuly tiež potenciálnu energiu. Celková energia plynu je teda súčtom kinetických a potenciálnych energií jeho molekúl. Čím je plyn redší, tým viac molekúl je v každom okamihu v stave voľného pohybu a má iba kinetickú energiu. V dôsledku toho pri riedení plynu klesá podiel potenciálnej energie v porovnaní s kinetickou energiou.
Priemerná kinetická energia molekuly v rovnováhe ideálneho plynu má jednu veľmi dôležitú vlastnosť: v zmesi rôznych plynov je priemerná kinetická energia molekuly pre rôzne zložky zmesi rovnaká.
Napríklad vzduch je zmes plynov. Priemerná energia molekuly vzduchu pre všetky jej zložky za normálnych podmienok, keď vzduch ešte možno považovať za ideálny plyn, je rovnaká. Túto vlastnosť ideálnych plynov je možné dokázať na základe všeobecných štatistických úvah. Z toho vyplýva dôležitý dôsledok: ak sú dva rôzne plyny (v rôznych nádobách) navzájom v tepelnej rovnováhe, potom sú priemerné kinetické energie ich molekúl rovnaké.
V plynoch je vzdialenosť medzi molekulami a atómami zvyčajne oveľa väčšia ako veľkosť samotných molekúl, interakčné sily molekúl nie sú veľké. V dôsledku toho plyn nemá svoj vlastný tvar a konštantný objem. Plyn je ľahko stlačiteľný a môže sa neobmedzene rozširovať. Molekuly plynu sa voľne pohybujú (translačne sa môžu otáčať), len občas sa zrážajú s inými molekulami a stenami nádoby, v ktorej sa plyn nachádza, a pohybujú sa veľmi vysokou rýchlosťou.
Štruktúra pevných látok sa zásadne líši od štruktúry plynov. V nich sú medzimolekulové vzdialenosti malé a potenciálna energia molekúl je porovnateľná s kinetickou. Atómy (alebo ióny, či celé molekuly) nemožno nazvať nehybnými, vykonávajú náhodný oscilačný pohyb okolo svojich stredných polôh. Čím vyššia je teplota, tým väčšia je energia oscilácií, a teda aj priemerná amplitúda oscilácií. Tepelné vibrácie atómov tiež vysvetľujú tepelnú kapacitu pevných látok. Pozrime sa podrobnejšie na pohyby častíc v kryštalických tuhých látkach. Celý kryštál ako celok je veľmi zložitým spojeným oscilačným systémom. Odchýlky atómov od priemerných polôh sú malé, a preto môžeme predpokladať, že atómy sú vystavené pôsobeniu kvázi-elastických síl podľa lineárneho Hookovho zákona. Takéto oscilačné systémy sa nazývajú lineárne.
Existuje rozvinutá matematická teória systémov podliehajúcich lineárnym osciláciám. Dokazuje to veľmi dôležitú vetu, ktorej podstata je nasledovná. Ak systém vykonáva malé (lineárne) vzájomne prepojené kmity, potom ho možno transformáciou súradníc formálne zredukovať na systém nezávislých oscilátorov (pre ktoré oscilačné rovnice na sebe nezávisia). Systém nezávislých oscilátorov sa správa ako ideálny plyn v tom zmysle, že jeho atómy možno tiež považovať za nezávislé.
Pomocou myšlienky nezávislosti atómov plynu sa dostávame k Boltzmannovmu zákonu. Tento veľmi dôležitý záver poskytuje jednoduchý a spoľahlivý základ pre celú teóriu pevných látok.
Boltzmannov zákon
Počet oscilátorov s danými parametrami (súradnicami a rýchlosťami) sa určuje rovnakým spôsobom ako počet molekúl plynu v danom stave podľa vzorca:
Energia oscilátora.
Boltzmannov zákon (1) v teórii pevného telesa nemá žiadne obmedzenia, avšak vzorec (2) pre energiu oscilátora je prevzatý z klasickej mechaniky. Pri teoretickej úvahe o pevných látkach je potrebné vychádzať z kvantovej mechaniky, ktorá sa vyznačuje diskrétnou zmenou energie oscilátora. Diskrétnosť energie oscilátora sa stáva bezvýznamnou iba pri dostatočne vysokých hodnotách jeho energie. To znamená, že (2) je možné použiť len pri dostatočne vysokých teplotách. Pri vysokých teplotách tuhej látky, blízko bodu topenia, Boltzmannov zákon implikuje zákon rovnomerného rozloženia energie v stupňoch voľnosti. Ak je v plynoch pre každý stupeň voľnosti v priemere množstvo energie rovné (1/2) kT, potom má oscilátor jeden stupeň voľnosti, okrem kinetickej má aj potenciálnu energiu. Preto má jeden stupeň voľnosti v pevnej látke pri dostatočne vysokej teplote energiu rovnajúcu sa kT. Na základe tohto zákona nie je ťažké vypočítať celkovú vnútornú energiu tuhej látky a po nej jej tepelnú kapacitu. Mol pevnej látky obsahuje atómy NA a každý atóm má tri stupne voľnosti. Preto krtek obsahuje 3 NA oscilátory. Molová energia pevného telesa
a molárnu tepelnú kapacitu tuhej látky pri dostatočne vysokých teplotách
Skúsenosti tento zákon potvrdzujú.
Kvapaliny zaberajú medzipolohu medzi plynmi a pevnými látkami. Molekuly kvapaliny sa nerozchádzajú na veľké vzdialenosti a kvapalina si za normálnych podmienok zachováva svoj objem. Ale na rozdiel od pevných látok molekuly nielen oscilujú, ale aj skáču z miesta na miesto, to znamená, že robia voľné pohyby. Keď teplota stúpne, kvapaliny vria (dochádza k tzv. bodu varu) a menia sa na plyn. Keď teplota klesá, kvapaliny kryštalizujú a stávajú sa tuhými. V teplotnom poli je bod, pri ktorom hranica medzi plynom (nasýtená para) a kvapalinou zmizne (kritický bod). Vzorec tepelného pohybu molekúl v kvapalinách v blízkosti teploty tuhnutia je veľmi podobný správaniu molekúl v pevných látkach. Napríklad koeficienty tepelnej kapacity sú takmer rovnaké. Keďže sa tepelná kapacita látky počas topenia mierne mení, možno usúdiť, že charakter pohybu častíc v kvapaline je blízky pohybu v pevnej látke (pri teplote topenia). Pri zahrievaní sa vlastnosti kvapaliny postupne menia a stáva sa viac ako plyn. V kvapalinách je priemerná kinetická energia častíc menšia ako potenciálna energia ich medzimolekulovej interakcie. Energia medzimolekulovej interakcie v kvapalinách a pevných látkach sa nevýznamne líši. Ak porovnáme teplo topenia a teplo vyparovania, uvidíme, že pri prechode z jedného stavu agregácie do druhého je teplo topenia výrazne nižšie ako teplo vyparovania. Adekvátny matematický popis štruktúry kvapaliny možno poskytnúť len pomocou štatistickej fyziky. Napríklad, ak kvapalina pozostáva z rovnakých guľovitých molekúl, potom jej štruktúru možno opísať pomocou radiálnej distribučnej funkcie g(r), ktorá udáva pravdepodobnosť nájdenia akejkoľvek molekuly vo vzdialenosti r od danej molekuly zvolenej ako referenčný bod. . Experimentálne možno túto funkciu nájsť štúdiom difrakcie röntgenových lúčov alebo neutrónov, je možné vykonať počítačové simulácie tejto funkcie pomocou newtonovskej mechaniky.
Kinetická teória kvapaliny bola vyvinutá Ya.I. Frenkel. V tejto teórii sa kvapalina považuje, rovnako ako v prípade pevného telesa, za dynamický systém harmonických oscilátorov. Ale na rozdiel od pevného telesa je rovnovážna poloha molekúl v kvapaline dočasná. Po oscilácii okolo jednej polohy molekula kvapaliny preskočí do novej polohy umiestnenej v susedstve. K takémuto skoku dochádza pri výdaji energie. Priemerný čas „usadenia“ molekuly kvapaliny možno vypočítať ako:
\[\left\langle t\right\rangle =t_0e^(\frac(W)(kT))\left(5\right),\]
kde $t_0\ $ je perióda oscilácií okolo jednej rovnovážnej polohy. Energia, ktorú musí molekula prijať, aby sa presunula z jednej polohy do druhej, sa nazýva aktivačná energia W a čas, keď je molekula v rovnovážnej polohe, sa nazýva čas „ustáleného života“ t.
Napríklad molekula vody pri izbovej teplote spôsobí asi 100 vibrácií a preskočí do novej polohy. Príťažlivé sily medzi molekulami kvapaliny sú veľké na zachovanie objemu, ale obmedzený sedavý život molekúl vedie k vzniku takého javu, ako je tekutosť. Pri osciláciách častíc v blízkosti rovnovážnej polohy do seba nepretržite narážajú, preto aj malé stlačenie kvapaliny vedie k prudkému „stvrdnutiu“ zrážok častíc. To znamená prudké zvýšenie tlaku kvapaliny na steny nádoby, v ktorej je stlačená.
Príklad 1
Úloha: Určte mernú tepelnú kapacitu medi. Predpokladajme, že teplota medi je blízko bodu topenia. (Molová hmotnosť medi $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(kg)(mol))$
Podľa Dulongovho a Petitovho zákona má mól chemicky jednoduchých látok pri teplotách blízkych bodu topenia tepelnú kapacitu:
Špecifická tepelná kapacita medi:
\[C=\frac(c)(\mu )\to C=\frac(3R)(\mu )\vľavo (1,2\vpravo),\] \[C=\frac(3\cdot 8,31) (63\cdot 10^(-3))=0,39\ \cdot 10^3(\frac(J)(kgK))\]
Odpoveď: Špecifická tepelná kapacita medi je $0,39\ \cdot 10^3\left(\frac(J)(kgK)\right).$
Úloha: Zjednodušene vysvetliť z hľadiska fyziky proces rozpúšťania soli (NaCl) vo vode.
Základ modernej teórie riešení vytvoril D.I. Mendelejev. Zistil, že počas rozpúšťania prebiehajú súčasne dva procesy: fyzikálny - rovnomerné rozloženie častíc rozpustenej látky v celom objeme roztoku a chemický - interakcia rozpúšťadla s rozpustenou látkou. Zaujíma nás fyzikálny proces. Molekuly soli nezničia molekuly vody. V tomto prípade by bolo nemožné odpariť vodu. Ak by sa molekuly soli naviazali na molekuly vody, získali by sme nejakú novú látku. A molekuly soli nemôžu preniknúť do molekúl vody.
Medzi iónmi Na+ a Cl- chlóru a molekúl polárnej vody vzniká ión-dipólová väzba. Ukázalo sa, že je silnejšia ako iónové väzby v molekulách soli. V dôsledku tohto procesu sa oslabuje väzba medzi iónmi nachádzajúcimi sa na povrchu kryštálov NaCl, z kryštálu sa uvoľňujú ióny sodíka a chlóru a molekuly vody vytvárajú okolo nich takzvané hydratačné obaly. Oddelené hydratované ióny pod vplyvom tepelného pohybu sú rovnomerne rozdelené medzi molekuly rozpúšťadla.
abstraktné
V disciplíne „Koncepcie moderných prírodných vied“
Téma: "Modelové predstavy o štruktúre kvapalín, plynov a kryštálov"
Vyplnil: študent gr. 10E1 A. Antoshkina
Kontroloval: docent G. V. Surovitskaya
Penza 2010
Obsah
Úvod
Kapitola 1
1.1 Pojem kvapalina
1.3 Vlastnosti kvapaliny
Kapitola 2. Plyn
2.1 Pojem plynu
2.2 Pohyb molekuly
2.3 Vlastnosti plynu
Kapitola 3
3.1 Pojem kryštály
3.2.typy kryštálových mriežok
3.3. Vlastnosti kryštálov, tvar a syngónia
Záver
Bibliografia
Úvod
Podľa vnemov, ktoré rôzne látky (telesá látok) vyvolávajú v ľudských zmysloch, možno všetky rozdeliť do troch hlavných skupín: plynné, kvapalné a kryštalické (tuhé).
Plyny nemajú vlastný povrch a vlastný objem. Úplne zaberajú plavidlo, v ktorom sa nachádzajú. Plyny majú neobmedzenú schopnosť expandovať so zvyšujúcou sa teplotou a klesajúcim tlakom. Vzdialenosti medzi molekulami v plynoch sú mnohonásobne väčšie ako rozmery samotných molekúl a interakcie medzi nimi, takzvané medzimolekulové interakcie, sú slabé a molekuly v plyne sa pohybujú takmer nezávisle od seba. Usporiadanie častíc v plyne je takmer úplne náhodné (chaotické).
Kryštály, ako všetky pevné látky, majú povrch oddeľujúci ich od ostatných pevných látok a tomu zodpovedajúci objem, ktoré sa v gravitačnom poli nemenia (presnejšie len veľmi mierne). Vzdialenosti medzi časticami v kryštáloch sú oveľa menšie ako v plynoch a medzimolekulové alebo medziatómové (ak je kryštál vytvorený z atómov jedného prvku) interakcie sú oveľa silnejšie ako v plynoch a kvapalinách. Častice v kryštáli sú rozdelené v pomerne prísnom pravidelnom poradí a tvoria kryštálovú mriežku. Častice tvoriace kryštálovú mriežku sú na svojich miestach pomerne pevne fixované. Charakteristickým znakom kryštálov je, že ich vlastnosti nie sú rovnaké v rôznych smeroch. Tento jav sa nazýva anizotropia vlastností.
Kvapaliny spájajú mnohé vlastnosti plynného a kryštalického skupenstva. Majú povrch a objem, na ktoré vplývajú zmeny polohy nádoby s kvapalinou v gravitačnom poli. Kvapalina v gravitačnom poli zaberá spodnú časť nádoby, v ktorej sa nachádza. Molekuly v kvapalnej látke sú prepojené oveľa silnejšími medzimolekulovými silami ako v plyne. Poradie v usporiadaní častíc v kvapalných látkach je tiež oveľa vyššie ako v plynoch. V niektorých kvapalinách, napríklad vo vode, majú niektoré veľmi malé objemy poradie blízke poradiu v kryštáloch.
V reportáži som sa snažil odhaliť podstatu každého skupenstva hmoty: kvapalného, plynného a kryštalického. Opísala vlastnosti látok, usporiadanie molekúl a kryštálových mriežok. Teraz sa pozrime bližšie na každú látku, ktorá ju predstavuje ako model.
Kapitola 1
1.1 Pojem kvapalina
Každý z nás si ľahko vybaví mnohé látky, ktoré považuje za tekutiny. Nie je však také ľahké poskytnúť presnú definíciu tohto stavu hmoty. Kvapalina zaberá akoby medzipolohu medzi kryštalickou pevnou látkou, ktorá sa vyznačuje úplným usporiadaním v usporiadaní jej základných častíc (iónov, atómov, molekúl) a plynom, ktorého molekuly sú v chaotickom stave (náhodné ) pohyb.
Tvar tekutých telies môže byť úplne alebo čiastočne určený skutočnosťou, že ich povrch sa správa ako elastická membrána. Voda sa teda môže hromadiť v kvapkách. Kvapalina je však schopná tiecť aj pod jej nehybným povrchom, čo tiež znamená, že tvar (vnútorných častí telesa kvapaliny) nie je zachovaný.
Molekuly kvapaliny nemajú presne určenú polohu, ale zároveň nemajú úplnú voľnosť pohybu. Je medzi nimi príťažlivosť, dostatočne silná na to, aby ich udržala blízko seba. Látka v kvapalnom stave existuje v určitom teplotnom rozsahu, pod ktorým prechádza do pevného skupenstva (dochádza ku kryštalizácii alebo premene na pevné amorfné skupenstvo - sklo), nad - do plynného skupenstva (dochádza k odparovaniu). Hranice tohto intervalu závisia od tlaku Látka v kvapalnom stave má spravidla len jednu modifikáciu. (Najdôležitejšie výnimky sú kvantové kvapaliny a tekuté kryštály.) Kvapalina preto vo väčšine prípadov nie je len stavom agregácie, ale aj termodynamickou fázou (kvapalnou fázou).Všetky kvapaliny sa zvyčajne delia na čisté kvapaliny a zmesi. Niektoré zmesi kvapalín majú veľký význam pre život: krv, morská voda atď. Kvapaliny môžu pôsobiť ako rozpúšťadlá.
1.2. Usporiadanie molekúl v kvapaline
Molekuly látky v kvapalnom stave sú umiestnené takmer blízko seba. Na rozdiel od pevných kryštalických telies, v ktorých molekuly tvoria usporiadané štruktúry v celom objeme kryštálu a môžu vykonávať tepelné vibrácie okolo pevných centier, majú molekuly kvapaliny väčšiu voľnosť. Každá molekula kvapaliny, ako aj v pevnom tele, je zo všetkých strán „zovretá“ susednými molekulami a vykonáva tepelné vibrácie okolo určitej rovnovážnej polohy. Z času na čas sa však ktorákoľvek molekula môže presunúť na blízke voľné miesto. Takéto skoky v kvapalinách sa vyskytujú pomerne často; preto molekuly nie sú viazané na určité centrá ako v kryštáloch a môžu sa pohybovať v celom objeme kvapaliny. To vysvetľuje tekutosť tekutín. Vďaka silnej interakcii medzi tesne umiestnenými molekulami môžu vytvárať lokálne (nestabilné) usporiadané skupiny obsahujúce niekoľko molekúl. Tento jav sa nazýva poradie krátkeho dosahu (obr. 1).
Obr.1. príklad krátkodosahového rádu molekúl kvapaliny a diaľkového rádu molekúl kryštalickej látky: 1,1 - voda; 1. - ľad.
Ryža. 2. vodná para (1) a voda (2). Molekuly vody sa zväčšia asi 5 x 107-krát.
Obrázok 2 znázorňuje rozdiel medzi plynnou látkou a kvapalinou s použitím vody ako príkladu. Molekula vody H2O pozostáva z jedného atómu kyslíka a dvoch atómov vodíka umiestnených pod uhlom 104°. Priemerná vzdialenosť medzi molekulami pary je desaťkrát väčšia ako priemerná vzdialenosť medzi molekulami vody. Na rozdiel od obr. 1, kde sú molekuly vody znázornené ako guľôčky, obr. 2 poskytuje predstavu o štruktúre molekuly vody. V dôsledku hustého balenia molekúl je stlačiteľnosť kvapalín, t.j. zmena objemu so zmenou tlaku, veľmi malá; je to desať a stotisíckrát menej ako v plynoch.
1.3 Vlastnosti kvapaliny
Tekutosť. Tekutosť je hlavnou vlastnosťou kvapalín. Ak na časť tekutiny v rovnováhe pôsobí vonkajšia sila, potom prúdenie častíc tekutiny nastáva v smere, v ktorom táto sila pôsobí: tekutina prúdi. Kvapalina teda pri pôsobení nevyvážených vonkajších síl nezachováva tvar a vzájomné usporiadanie častí, a preto nadobúda podobu nádoby, v ktorej sa nachádza. Na rozdiel od plastových pevných látok kvapalina nemá medzu klzu: na to, aby kvapalina prúdila, stačí použiť ľubovoľne malú vonkajšiu silu.
Zachovanie objemu. Jednou z charakteristických vlastností kvapaliny je, že má určitý objem (pri konštantných vonkajších podmienkach). Kvapalinu je mimoriadne ťažké mechanicky stlačiť, pretože na rozdiel od plynu je medzi molekulami veľmi málo voľného priestoru. Tlak vytvorený na kvapaline uzavretej v nádobe sa prenáša bez zmeny do každého bodu objemu tejto kvapaliny (Pascalov zákon platí aj pre plyny). Táto vlastnosť spolu s veľmi nízkou stlačiteľnosťou sa využíva v hydraulických strojoch. Kvapaliny zvyčajne zväčšujú svoj objem (expandujú) pri zahrievaní a zmenšujú svoj objem (sťahujú sa) pri ochladzovaní. Sú však aj výnimky, napríklad voda sa pri zahriatí zmršťuje, kedy normálny tlak a teploty od 0 °C do približne 4 °C.
Viskozita. Okrem toho sa kvapaliny (ako plyny) vyznačujú viskozitou. Je definovaná ako schopnosť odolávať pohybu jednej z častí voči druhej – teda ako vnútorné trenie. Keď sa susedné vrstvy kvapaliny navzájom pohybujú, okrem toho v dôsledku tepelného pohybu nevyhnutne dochádza ku kolízii molekúl. Existujú sily, ktoré spomaľujú nariadený pohyb. Kinetická energia usporiadaného pohybu sa zároveň mení na tepelnú energiu – energiu chaotického pohybu molekúl.Kvapalina v nádobe, uvedená do pohybu a ponechaná sama na seba, sa postupne zastaví, ale jej teplota bude stúpať.
Voľná tvorba povrchu a povrchové napätie. Vďaka zachovaniu objemu je kvapalina schopná vytvárať voľný povrch. Takýto povrch je fázové rozhranie danej látky: na jednej strane je kvapalná fáza, na druhej strane plynná (para) a prípadne aj iné plyny, napríklad vzduch. Ak sú kvapalná a plynná fáza tej istej látky v kontakte, vznikajú sily, ktoré majú tendenciu zmenšovať plochu rozhrania – sily povrchového napätia. Rozhranie sa správa ako elastická membrána, ktorá má tendenciu sa zmršťovať. Povrchové napätie možno vysvetliť príťažlivosťou medzi molekulami kvapaliny. Každá molekula priťahuje iné molekuly, snaží sa nimi „obklopiť“, a teda opustiť povrch. V súlade s tým má povrch tendenciu klesať. Preto mydlové bubliny a bubliny počas varu majú tendenciu nadobúdať sférický tvar: pre daný objem má guľa minimálny povrch. Ak na kvapalinu pôsobia iba sily povrchového napätia, nevyhnutne nadobudne guľový tvar – napríklad kvapky vody v stave beztiaže. Malé predmety s hustotou väčšou ako hustota kvapaliny sú schopné „plávať“ na povrchu kvapaliny, pretože sila gravitácie je menšia ako sila, ktorá bráni zväčšeniu plochy povrchu. (Pozri Povrchové napätie.)
Odparovanie a kondenzácia. Vyparovanie je postupný prechod látky z kvapalnej do plynnej fázy (pary). Počas tepelného pohybu niektoré molekuly opúšťajú kvapalinu cez jej povrch a menia sa na paru. Súčasne niektoré molekuly prechádzajú späť z pary do kvapaliny. Ak kvapalinu opustí viac molekúl, ako príde, dôjde k odparovaniu. Kondenzácia je spätný proces, prechod látky z plynného do kvapalného skupenstva. V tomto prípade prechádza viac molekúl z pary do kvapaliny ako do pary z kvapaliny. Vyparovanie a kondenzácia sú nerovnovážne procesy, vyskytujú sa dovtedy, kým sa nenastolí lokálna rovnováha (ak sa nastolí), a kvapalina sa môže úplne vypariť, alebo sa dostať do rovnováhy so svojimi parami, keď toľko molekúl opustí kvapalinu, koľko sa vráti späť.
Var je proces vyparovania v kvapaline. Pri dostatočne vysokej teplote je tlak pary vyšší ako tlak vo vnútri kvapaliny a začínajú sa tam vytvárať bubliny pary, ktoré (v podmienkach gravitácie) plávajú nahor.
Zmáčanie je povrchový jav, ku ktorému dochádza pri kontakte kvapaliny s pevným povrchom v prítomnosti pary, teda na rozhraniach troch fáz. Zmáčanie charakterizuje „priľnutie“ kvapaliny k povrchu a jeho šírenie (alebo naopak odpudzovanie a nešírenie). Existujú tri prípady: žiadne zvlhčenie, obmedzené zvlhčenie a úplné zvlhčenie.
Miešateľnosť je schopnosť kvapalín sa navzájom rozpúšťať. Príklad miešateľných kvapalín: voda a etylalkohol, príklad nemiešateľných kvapalín: voda a tekutý olej.
Difúzia. Keď sú v nádobe dve miešateľné kvapaliny, v dôsledku tepelného pohybu začnú molekuly postupne prechádzať rozhraním, a tak sa kvapaliny postupne premiešajú. Tento jav sa nazýva difúzia (vyskytuje sa aj v látkach v iných stavoch agregácie).
Prehriatie a hypotermia. Kvapalina sa môže zahriať nad bod varu takým spôsobom, že k varu nedôjde. To si vyžaduje rovnomerný ohrev, bez výrazných teplotných rozdielov v rámci objemu a bez mechanických vplyvov, ako sú vibrácie. Ak sa niečo hodí do prehriatej kvapaliny, okamžite to vrie. Prehriata voda sa dá ľahko dostať do mikrovlnnej rúry. Podchladenie - ochladenie kvapaliny pod bod mrazu bez premeny na pevný stav agregácie. Rovnako ako pri prehrievaní, aj podchladenie vyžaduje absenciu vibrácií a výrazných teplotných výkyvov.
Koexistencia s inými fázami. Formálne povedané, pre rovnovážnu koexistenciu kvapalnej fázy s inými fázami tej istej látky – plynnou alebo kryštalickou – sú potrebné presne definované podmienky. Takže pri danom tlaku je potrebná presne definovaná teplota. V prírode a technike však všade koexistuje kvapalina s parou, alebo aj s pevným skupenstvom – napríklad voda s vodnou parou a často aj s ľadom (ak paru považujeme za samostatnú fázu prítomnú spolu so vzduchom). Je to spôsobené nasledujúcimi dôvodmi:
- Nerovnovážny stav. Kvapaline trvá určitý čas, kým sa odparí, kým sa kvapalina úplne neodparí, koexistuje s parou. V prírode dochádza k neustálemu vyparovaniu vody, ako aj k opačnému procesu – kondenzácii.
- uzavretý objem. Kvapalina v uzavretej nádobe sa začne vyparovať, ale keďže je objem obmedzený, tlak pary stúpa, nasýti sa ešte skôr, než sa kvapalina úplne odparí, ak jej množstvo bolo dostatočne veľké. Keď sa dosiahne stav nasýtenia, množstvo odparenej kvapaliny sa rovná množstvu skondenzovanej kvapaliny, systém sa dostane do rovnováhy. V obmedzenom objeme tak možno vytvoriť podmienky potrebné pre rovnovážnu koexistenciu kvapaliny a pary.
- Prítomnosť atmosféry v podmienkach zemskej gravitácie. Na kvapalinu (vzduch a paru) pôsobí atmosférický tlak, pričom pri pare treba brať do úvahy prakticky len jej parciálny tlak. Preto kvapalina a para nad jej povrchom zodpovedajú rôznym bodom na fázovom diagrame, v oblasti existencie kvapalnej fázy a v oblasti existencie plynnej, resp. Tým sa nezruší odparovanie, ale vyparovanie si vyžaduje čas, počas ktorého obe fázy koexistujú. Bez tejto podmienky by kvapaliny vreli a vyparovali sa veľmi rýchlo.
Kapitola 2. Plyn
2.1. Koncept plynu
PLYN je jeden z agregovaných stavov látky, v ktorom sú častice, z ktorých pozostáva (atómy, molekuly), umiestnené v značnej vzdialenosti od seba a sú vo voľnom pohybe. Na rozdiel od kvapaliny a tuhej látky, kde sú molekuly v tesnej blízkosti a sú navzájom spojené príťažlivými a odpudivými silami značnej veľkosti, interakcia molekúl v plyne sa prejavuje len v krátkych okamihoch ich priblíženia (zrážky). V tomto prípade dochádza k prudkej zmene veľkosti a smeru rýchlosti zrážaných častíc.
Názov „plyn“ pochádza z gréckeho slova „haos“ a zaviedol ho Van Helmont na začiatku 17. storočia; dobre odráža skutočnú povahu pohybu častíc v plyne, ktorý sa vyznačuje úplným neporiadkom a chaosom. . Na rozdiel od kvapalín napríklad plyny netvoria voľný povrch a rovnomerne vyplňujú celý objem, ktorý majú k dispozícii. Plynný stav, ak sú zahrnuté ionizované plyny, je najbežnejším stavom hmoty vo vesmíre (atmosféra planét, hviezd, hmlovín, medzihviezdna hmota atď.).
2.2. Pohyb molekuly
Pohyb molekúl v plynoch je náhodný: rýchlosti molekúl nemajú žiadny preferovaný smer, ale sú rozdelené náhodne vo všetkých smeroch. V dôsledku vzájomných zrážok molekúl sa ich rýchlosti neustále menia v smere aj absolútnej hodnote. Preto sa rýchlosti molekúl môžu navzájom značne líšiť. V každom okamihu v plyne sa molekuly pohybujú extrémne rýchlo a molekuly sa pohybujú relatívne pomaly. Počet molekúl, ktoré sa pohybujú oveľa pomalšie alebo oveľa rýchlejšie ako ostatné, je však malý. Väčšina molekúl sa pohybuje rýchlosťou, ktorá sa relatívne málo líši od priemernej rýchlosti, ktorá závisí od typu molekúl a teploty tela. V nasledujúcom texte, keď hovoríme o rýchlosti molekúl, budeme mať na mysli ich priemernú rýchlosť. K otázke merania a výpočtu priemernej rýchlosti molekúl sa vrátime neskôr. V mnohých diskusiách o pohybe molekúl plynu hrá dôležitú úlohu pojem strednej voľnej dráhy. Stredná voľná dráha je priemerná vzdialenosť, ktorú prejdú molekuly medzi dvoma po sebe nasledujúcimi zrážkami. Keď sa hustota plynu znižuje, stredná voľná dráha sa zvyšuje. Pri atmosférickom tlaku a 0 °C je stredná voľná dráha molekúl vzduchu približne 10-8-10-7 m (obr. 371).
Ryža. 371. Toto je približne dráha molekuly vzduchu pri normálnom tlaku (zväčšená miliónkrát)
Vo veľmi riedkych plynoch (napríklad vo vnútri dutých elektrických žiaroviek) dosahuje stredná voľná dráha niekoľko centimetrov a dokonca aj desiatky centimetrov. Tu sa molekuly pohybujú od steny k stene takmer bez kolízie. Molekuly v pevných látkach oscilujú okolo priemerných polôh. V kvapalinách molekuly tiež oscilujú okolo svojich priemerných polôh. Z času na čas však každá molekula preskočí do novej strednej polohy, niekoľko medzimolekulových vzdialeností od predchádzajúcej.
2.3. Vlastnosti plynu
V plynnom stave je interakčná energia častíc medzi sebou oveľa menšia ako ich kinetická energia: EMMB<< Екин.
Preto molekuly plynu (atómy) nedržia pohromade, ale voľne sa pohybujú v objeme oveľa väčšom, ako je objem samotných častíc. Sily medzimolekulovej interakcie sa prejavia, keď sa molekuly k sebe priblížia na dostatočne blízku vzdialenosť. Slabá medzimolekulová interakcia určuje nízku hustotu plynu, túžbu po neobmedzenej expanzii, schopnosť vyvíjať tlak na steny nádoby, čo bráni tejto túžbe. Molekuly plynu sú v náhodnom chaotickom pohybe a v plyne nie je žiadny poriadok vzhľadom na usporiadanie molekúl. Stav plynu charakterizujú: teplota - T, tlak - p a objem - V. Pri nízkych tlakoch a vysokých teplotách sa všetky typické plyny správajú približne rovnako. Ale už pri bežných a najmä nízkych teplotách a vysokých tlakoch sa začínajú prejavovať individuality plynov. Zvýšenie vonkajšieho tlaku a zníženie teploty približujú častice plynu k sebe, takže sa vo väčšej miere začína prejavovať medzimolekulová interakcia. Pre takéto plyny už nie je možné použiť Mendelejevovu-Clapeyronovu rovnicu: namiesto toho by sa mala použiť Van der Waalsova rovnica:
kde a a b sú konštantné členy, berúc do úvahy prítomnosť príťažlivých síl medzi molekulami a vnútorný objem molekúl.
Pri stláčaní plynov, keď dochádza k výraznému zvýšeniu ich hustoty, sú sily IMF čoraz zreteľnejšie, čo vedie k vytvoreniu podmienok pre tvorbu rôznych asociátov z molekúl. Asociáty sú relatívne nestabilné skupiny molekúl. Z povahy zložiek MMW vyplýva, že univerzálne sily interakcie sa zvyšujú so zväčšovaním veľkosti atómov, polarizovateľnosť sa prudko zvyšuje, takže čím ťažšie sú častice rovnakého typu (atómy alebo molekuly) látky, tým zvyčajne vyšší stupeň ich asociácie pri danej teplote, tým nižšie teploty takáto látka prechádza z plynu do kvapaliny.
Kapitola 3
3.1 Pojem kryštály
Svet kryštálov je svet nemenej krásny, rozmanitý, rozvíjajúci sa, často nemenej tajomný ako svet divokej prírody. Význam kryštálov pre geologické vedy spočíva v tom, že prevažná väčšina zemskej kôry je v kryštalickom stave. Pri klasifikácii takých základných objektov geológie ako minerálov a hornín je pojem kryštálu primárny, elementárny, podobný atómu v periodickom systéme prvkov alebo molekule v chemickej klasifikácii látok. Podľa aforistického výroku slávneho mineralóga, profesora petrohradského banského inštitútu D.P. Grigoriev, „minerál je kryštál“. Je zrejmé, že vlastnosti minerálov a hornín úzko súvisia so všeobecnými vlastnosťami kryštalického stavu.
Slovo "kryštál" je grécke (???????????), jeho pôvodný význam je "ľad". Už v dávnych dobách sa však tento výraz preniesol na priehľadné prírodné mnohosteny iných látok (kremeň, kalcit atď.), Pretože sa verilo, že ide aj o ľad, ktorý z nejakého dôvodu získal stabilitu pri vysokých teplotách. V ruštine má toto slovo dve podoby: vlastne „kryštál“, čo znamená prirodzene sa vyskytujúce polyedrické teleso, a „kryštál“ – špeciálny druh skla s vysokým indexom lomu, ako aj priehľadný bezfarebný kremeň („horský krištáľ“). Vo väčšine európskych jazykov sa pre oba tieto pojmy používa rovnaké slovo (porovnaj anglický „Crystal Palace“ – „Crystal Palace“ v Londýne a „Crystal Growth“ – medzinárodný časopis o raste kryštálov).
Ľudstvo sa zoznámilo s kryštálmi v staroveku. S tým súvisí predovšetkým ich schopnosť samorezu, ktorá sa v prírode často realizuje, teda spontánne nadobúdať podobu úžasne dokonalých mnohostenov. Dokonca aj moderný človek, ktorý sa prvýkrát stretol s prírodnými kryštálmi, často neverí, že tieto mnohosteny nie sú dielom zručného majstra. Tvar kryštálov mal oddávna magický význam, o čom svedčia niektoré archeologické nálezy. Odkazy na „kryštál“ (zrejme predsa hovoríme o „krištáli“) sa opakovane nachádzajú v Biblii (pozri napr.: Zjavenie Jána, 21, 11; 32, 1 atď.). Medzi matematikmi existuje odôvodnený názor, že prototypmi piatich pravidelných mnohostenov (Platónových pevných látok) boli prírodné kryštály. Mnohé archimedovské (polopravidelné) mnohosteny majú tiež presné alebo veľmi blízke analógy vo svete kryštálov. A v úžitkovom umení staroveku sa niekedy ako vzory používali krištáľové mnohosteny a dokonca aj také, s ktorými vtedajšia veda očividne neuvažovala. Napríklad v Štátnej Ermitáži je šnúra guľôčok, ktorých tvar s vysokou presnosťou reprodukuje charakteristický tvar kryštálov nádherného polodrahokamového minerálu granát. Tieto korálky sú vyrobené zo zlata (pravdepodobne práca na Blízkom východe z 1.-5. storočia nášho letopočtu). Kryštály teda už dlho výrazne ovplyvňujú hlavné oblasti ľudských záujmov: emocionálne (náboženstvo, umenie), ideologické (náboženstvo), intelektuálne (veda, umenie).
3.2. Hlavné typy kryštálových mriežok
V pevných látkach môžu byť atómy umiestnené v priestore dvoma spôsobmi: 1) Náhodným usporiadaním atómov, keď voči sebe nezaberajú určité miesto. Takéto telesá sa nazývajú amorfné 2) Usporiadané usporiadanie atómov, keď atómy zaberajú celkom určité miesta v priestore, Takéto látky sa nazývajú kryštalické.
Atómy oscilujú vzhľadom na svoju priemernú polohu s frekvenciou asi 1013 Hz. Amplitúda týchto oscilácií je úmerná teplote. Vďaka usporiadanému usporiadaniu atómov v priestore môžu byť ich stredy spojené pomyselnými priamkami. Množina takýchto pretínajúcich sa čiar predstavuje priestorovú mriežku, ktorá sa nazýva kryštálová mriežka.
Vonkajšie elektrónové dráhy atómov sú v kontakte, takže hustota zloženia atómov v kryštálovej mriežke je veľmi vysoká. Kryštalické pevné látky pozostávajú z kryštalických zŕn - kryštalitov. V susedných zrnách sú kryštálové mriežky voči sebe pootočené o určitý uhol. V kryštalitoch sú pozorované rády krátkeho a dlhého dosahu. To znamená prítomnosť usporiadaného usporiadania a stability tak najbližších susedov obklopujúcich daný atóm (rád krátkeho dosahu), ako aj atómov nachádzajúcich sa v značnej vzdialenosti od neho až po hranice zŕn (rád na dlhé vzdialenosti).
a) b)
Ryža. 1.1. Usporiadanie atómov v kryštalickej (a) a amorfnej (b) hmote
V dôsledku difúzie môžu jednotlivé atómy opustiť svoje miesta v uzloch kryštálovej mriežky, v tomto prípade však nie je narušené usporiadanie kryštálovej štruktúry ako celku.
Všetky kovy sú kryštalické telesá s určitým typom kryštálovej mriežky, pozostávajúcej z kladne nabitých iónov s nízkou pohyblivosťou, medzi ktorými sa pohybujú voľné elektróny (tzv. elektrónový plyn). Tento typ štruktúry sa nazýva kovová väzba. Typ mriežky je určený tvarom elementárneho geometrického telesa, ktorého viacnásobné opakovanie pozdĺž troch priestorových osí tvorí mriežku daného kryštalického telesa.
A) B)
C) D)
Ryža. 1.2. Hlavné typy kryštálových mriežok kovov:
A) kubický (1 atóm na bunku)
B) kubický centrovaný na telo (bcc) (2 atómy na bunku)
atď.................
Molekuly a atómy pevného telesa sú usporiadané v určitom poradí a forme kryštálová mriežka. Takéto pevné látky sa nazývajú kryštalické. Atómy oscilujú okolo rovnovážnej polohy a príťažlivosť medzi nimi je veľmi silná. Pevné telesá si preto za normálnych podmienok zachovávajú objem a majú svoj vlastný tvar.
Tepelná rovnováha je stav termodynamických systémov, do ktorého samovoľne prechádza po dostatočne dlhom čase v podmienkach izolácie od okolia.
Teplota je fyzikálna veličina, ktorá charakterizuje priemernú kinetickú energiu častíc makroskopického systému v stave termodynamickej rovnováhy. V rovnovážnom stave má teplota rovnakú hodnotu pre všetky makroskopické časti systému.
Stupeň Celzia(symbol: °C) je bežná jednotka teploty používaná v medzinárodnom systéme jednotiek (SI) spolu s kelvinmi.
Ortuťový lekársky teplomer
Mechanický teplomer
Stupeň Celzia je pomenovaný po švédskom vedcovi Andersovi Celsiusovi, ktorý v roku 1742 navrhol novú stupnicu na meranie teploty. Nula na stupnici Celzia bola teplota topenia ľadu a 100 ° bola teplota varu vody pri štandardnom atmosférickom tlaku. (Spočiatku bral Celsius teplotu topenia ľadu ako 100 ° a bod varu vody ako 0 °. A až neskôr jeho súčasník Carl Linné „prevrátil“ túto stupnicu). Táto stupnica je lineárna v rozsahu 0-100° a tiež pokračuje lineárne v oblasti pod 0° a nad 100°. Linearita je hlavným problémom presného merania teploty. Stačí spomenúť, že klasický teplomer naplnený vodou nemožno označiť pre teploty pod 4 stupne Celzia, pretože v tomto rozmedzí sa voda opäť začína rozpínať.
Pôvodná definícia stupňa Celzia závisela od definície štandardného atmosférického tlaku, pretože od tlaku závisí aj bod varu vody aj bod topenia ľadu. To nie je príliš vhodné na štandardizáciu mernej jednotky. Preto po prijatí kelvinov K ako základnej jednotky teploty došlo k revízii definície stupňa Celzia.
Podľa modernej definície sa stupeň Celzia rovná jednému kelvinu K a nula Celziovej stupnice je nastavená tak, aby teplota trojného bodu vody bola 0,01 °C. V dôsledku toho sú stupnice Celzia a Kelvina posunuté o 273,15:
26)Ideálny plyn- matematický model plynu, v ktorom sa predpokladá, že potenciálnu energiu interakcie molekúl možno zanedbať v porovnaní s ich kinetickou energiou. Medzi molekulami nepôsobia sily príťažlivosti ani odpudzovania, zrážky častíc medzi sebou a so stenami nádoby sú absolútne elastické a čas interakcie medzi molekulami je zanedbateľne malý v porovnaní s priemerným časom medzi zrážkami.
, kde k je Boltzmannova konštanta (pomer univerzálnej plynovej konštanty R na číslo Avogadro N A), i- počet stupňov voľnosti molekúl (vo väčšine problémov o ideálnych plynoch, kde sa predpokladá, že molekuly sú gule s malým polomerom, ktorých fyzikálnym analógom môžu byť inertné plyny) a T je absolútna teplota.
Základná rovnica MKT spája makroskopické parametre (tlak, objem, teplota) plynového systému s mikroskopickými (molekulová hmotnosť, priemerná rýchlosť ich pohybu).
.jpg)
