Acest material nu vorbește doar despre modul în care particulele sunt aranjate în solide, ci și despre modul în care se mișcă în gaze sau lichide. Vor fi descrise și tipurile de rețele cristaline din diferite substanțe.
Stare fizică
Sunt anumite standarde, indicând prezența a trei stări tipice de agregare și anume: lichid și gaz.
Să definim componentele pentru fiecare starea de agregare.
- Solidele sunt practic stabile ca volum și formă. Schimbarea acestuia din urmă este extrem de problematică fără costuri suplimentare de energie.
- Lichidul își poate schimba cu ușurință forma, dar în același timp își păstrează volumul.
- Substanțele gazoase nu păstrează nici formă, nici volum.
Principalul criteriu prin care se determină starea de agregare este aranjarea moleculelor și metodele de mișcare a acestora. Într-o substanță gazoasă, distanța minimă dintre moleculele individuale este mult mai mare decât ele însele. La rândul lor, moleculele nu se separă în distante mariîn condiţii normale şi îşi păstrează volumul. Particulele active din solide sunt aranjate într-o ordine strict definită, fiecare dintre ele, precum pendulul unui ceas, se mișcă în jurul unui anumit punct al rețelei cristaline. Acest lucru conferă solidelor rezistență și rigiditate deosebite.
Prin urmare, în în acest caz, Cea mai presantă întrebare este cum se află particulele active în solide. În toate celelalte cazuri, atomii (moleculele) nu au o astfel de structură ordonată.
Caracteristicile lichidului
Trebuie să plătească atenție deosebită pe faptul că lichidele sunt un fel de verigă intermediară între starea solidă a corpului și faza lui gazoasă. Astfel, atunci când temperatura scade, lichidul se solidifică, iar când crește peste punctul de fierbere al substanței, se transformă în stare gazoasă. Cu toate acestea, lichidul are caracteristici comune atât cu substanțele solide, cât și cu cele gazoase. Astfel, în 1860, remarcabilul om de știință D.I Mendeleev a stabilit existența așa-numitei temperaturi critice - fierbere absolută. Aceasta este valoarea la care granița subțire dintre un gaz și o substanță în stare solidă dispare.
Următorul criteriu, care combină două stări de agregare vecine, este izotropia. În acest caz, proprietățile lor sunt aceleași în toate direcțiile. Cristalele, la rândul lor, sunt anizotrope. Ca și gazele, lichidele nu au o formă fixă și ocupă întregul volum al recipientului în care se află. Adică au vâscozitate scăzută și fluiditate ridicată. Ciocnind unele cu altele, microparticulele de lichid sau gaz se mișcă liber. Anterior, se credea că în volumul ocupat de un lichid nu exista o mișcare ordonată a moleculelor. Astfel, lichidul și gazul erau opuse cristalelor. Dar, ca urmare a cercetărilor ulterioare, s-au dovedit asemănările dintre solide și lichide.
În faza lichidă la o temperatură apropiată de solidificare, mișcarea termică seamănă cu cea din solide. În acest caz, lichidul poate avea în continuare o anumită structură. Prin urmare, dând un răspuns la întrebarea cum se află particulele în solide în lichide și gaze, putem spune că în acestea din urmă mișcarea moleculelor este haotică și dezordonată. Dar în solide, moleculele ocupă în majoritatea cazurilor o anumită poziție, fixă.
În acest caz, lichidul este un fel de verigă intermediară. Mai mult, cu cât temperatura sa este mai aproape de fierbere, cu atât moleculele se mișcă mai mult ca în gaze. Dacă temperatura este mai aproape de trecerea la faza solidă, atunci microparticulele încep să se miște din ce în ce mai ordonat.
Modificarea stării substanțelor
Să aruncăm o privire mai atentă exemplu simplu modificarea stării apei. Gheața este faza solidă a apei. Temperatura sa este sub zero. La o temperatură egal cu zero, gheața începe să se topească și se transformă în apă. Acest lucru se explică prin distrugerea rețelei cristaline: atunci când sunt încălzite, particulele încep să se miște. Temperatura la care o substanță își schimbă starea de agregare se numește punct de topire (în cazul nostru, pentru apă este 0). Rețineți că temperatura gheții va rămâne la același nivel până când se topește complet. În acest caz, atomii sau moleculele lichidului se vor mișca în același mod ca în solide.
După aceasta, vom continua să încălzim apa. În același timp, particulele încep să se miște mai intens până când substanța noastră atinge următorul punct de schimbare a stării de agregare - punctul de fierbere. Acest moment apare atunci când legăturile dintre moleculele care îl formează se rup din cauza accelerării mișcării – apoi capătă un caracter liber, iar lichidul în cauză trece în faza gazoasă. Procesul de transformare a unei substanțe (apa) dintr-o fază lichidă în fază gazoasă se numește fierbere.
Temperatura la care fierbe apa se numește punct de fierbere. În cazul nostru, această valoare este de 100 de grade Celsius (temperatura depinde de presiune, presiunea normală este de o atmosferă). Notă: până când lichidul existent se transformă complet în vapori, temperatura acestuia rămâne constantă.
De asemenea, este posibil proces invers trecerea apei de la starea gazoasă (abur) la starea lichidă, care se numește condensare.
În continuare, puteți observa procesul de înghețare - procesul de tranziție a lichidului (apă) în formă solidă (starea inițială este descrisă mai sus - aceasta este gheața). Procesele descrise mai devreme oferă un răspuns direct la modul în care particulele sunt aranjate în solide, lichide și gaze. Locația și starea moleculelor unei substanțe depind de starea ei de agregare.
Ce este un solid? Cum se comportă microparticulele în el?
Un solid este o stare a mediului material, a cărei trăsătură distinctivă este păstrarea unei forme constante și a caracterului constant mișcarea termică microparticule care suferă vibrații ușoare. Corpurile pot fi în stare solidă, lichidă și gazoasă. Există, de asemenea, o a patra stare, pe care oamenii de știință moderni tind să o clasifice ca agregată - aceasta este așa-numita plasmă.
Deci, în primul caz, orice substanță, de regulă, are o formă constantă, neschimbată, iar influența cheie asupra acestui lucru este modul în care particulele sunt aranjate în solide. La nivel microscopic, este clar că atomii care alcătuiesc un solid sunt legați între ei legături chimiceși sunt situate la nodurile rețelei cristaline.
Dar există o excepție - substanțele amorfe, care sunt în stare solidă, dar nu se pot lăuda cu prezența unei rețele cristaline. Din aceasta putem da un răspuns la modul în care particulele sunt aranjate în solide. În primul caz, fizica indică faptul că atomii sau moleculele sunt localizate în site-urile rețelei. Dar în al doilea caz, cu siguranță nu există o astfel de ordonare, iar o astfel de substanță este mai asemănătoare cu un lichid.
Fizica și structura posibilă a unui corp solid
În acest caz, substanța tinde să-și mențină volumul și, desigur, forma. Adică, pentru a-l schimba pe acesta din urmă trebuie depus efort, și nu contează dacă este un obiect metalic, o bucată de plastic sau lut. Motivul este al lui structura moleculara. Sau mai precis, în interacțiunea moleculelor care alcătuiesc corpul. În acest caz, ele sunt situate cel mai aproape. Acest aranjament de molecule este de natură repetitivă. De aceea forțele atracție reciprocăîntre fiecare dintre aceste componente sunt foarte mari.
Interacțiunea microparticulelor explică natura mișcării lor. Forma sau volumul similar solid Este foarte greu de reglat într-o direcție sau alta. Particulele unui corp solid nu se pot mișca haotic pe întregul volum al corpului solid, dar pot oscila doar în jurul unui anumit punct din spațiu. Moleculele unui solid oscilează aleatoriu în laturi diferite, dar dau peste altele asemănătoare care le readuc la starea inițială. De aceea, particulele din solide sunt, de regulă, aranjate într-o ordine strict definită.
Particulele și locația lor într-un solid
Solidele pot fi de trei tipuri: cristaline, amorfe și compozite. Exact compozitia chimica afectează aranjarea particulelor în solide.
Solidele cristaline au o structură ordonată. Moleculele sau atomii lor formează o rețea spațială cristalină de formă regulată. Astfel, un corp solid situat în stare cristalină, are o anumită rețea cristalină, care, la rândul său, stabilește anumite proprietăți fizice. Acesta este răspunsul la modul în care particulele sunt aranjate într-un solid.
Să dăm un exemplu: în urmă cu mulți ani la Sankt Petersburg, într-un depozit era depozitat un stoc de nasturi albi de tablă lucioasă, care, la scăderea temperaturii, și-au pierdut strălucirea și s-au transformat din alb în gri. Nasturii s-au prăbușit în pulbere gri. „Cuma de staniu” a fost numele dat acestei „boali”, dar de fapt a fost o restructurare a structurii cristalelor sub influența temperaturii scăzute. Staniul, la trecerea de la soiul alb la soiul gri, se sfărâmă în pulbere. Cristalele, la rândul lor, sunt împărțite în mono- și policristale.
Monocristale și policristale
Monocristalele (sare de masă) sunt cristale unice omogene reprezentate de o rețea cristalină continuă sub formă de poligoane regulate. Policristalele (nisip, zahăr, metale, pietre) sunt corpuri cristaline care au crescut împreună din cristale mici, situate haotic. În cristale se observă un fenomen numit anizotropie.
Amorfozitatea: un caz special
Corpurile amorfe (rășină, colofoniu, sticlă, chihlimbar) nu au o ordine clară, strictă în aranjarea particulelor. Acesta este un caz neobișnuit al ordinii în care se găsesc particulele în solide. În acest caz, se observă fenomenul de izotropie, proprietățile fizice ale corpurilor amorfe sunt aceleași în toate direcțiile. La temperaturi ridicate devin ca lichidele vâscoase, iar la temperaturi scăzute devin ca niște solide. Când sunt expuse la influențe externe, ele prezintă simultan proprietăți elastice, adică la impact se divid în particule miniaturale, cum ar fi solidele și fluiditate: cu expunerea prelungită la temperatură, încep să curgă ca lichidele. Nu au temperaturi specifice de topire și cristalizare. Când sunt încălzite, corpurile amorfe se înmoaie.
Exemple de substanțe amorfe
Să luăm, de exemplu, zahărul obișnuit și să aflăm aranjamentul particulelor în solide în diverse cazuri prin exemplul lui. În acest caz, același material poate apărea sub formă cristalină sau amorfă. Dacă zahărul topit se întărește lent, moleculele formează rânduri egale - cristale (zahăr în bucăți sau zahăr granulat). Dacă zahărul topit, de exemplu, este turnat în apă rece, răcirea va avea loc foarte repede, iar particulele nu vor avea timp să formeze rândurile corecte - topitura se va întări fără a forma cristale. Așa obțineți bomboane de zahăr (acesta este zahăr necristalin).
Dar după ceva timp, o astfel de substanță se poate recristaliza, particulele se adună în rânduri regulate. Dacă bomboana de zahăr stă câteva luni, va începe să fie acoperită cu un strat liber. Așa apar cristalele la suprafață. Pentru zahăr durata de viață va fi de câteva luni, iar pentru piatră va fi de milioane de ani. Carbonul este un exemplu unic. Grafitul este carbon cristalin, structura sa este stratificată. Iar diamantul este cel mai dur mineral de pe pământ, capabil să taie sticla și să taie pietrele, este folosit pentru găurire și lustruire. În acest caz, există o singură substanță - carbonul, dar particularitatea constă în capacitatea de a forma diferite forme cristaline. Acesta este un alt răspuns la modul în care particulele sunt aranjate într-un solid.
Rezultate. Concluzie
Structura și aranjarea particulelor în solide depind de tipul căruia îi aparține substanța în cauză. Dacă substanța este cristalină, atunci aranjarea microparticulelor va fi ordonată. Structurile amorfe nu au această caracteristică. Dar compozitele pot aparține atât primului cât și celui de-al doilea grup.
Într-un caz, lichidul se comportă similar cu un solid (la o temperatură scăzută, care este aproape de temperatura de cristalizare), dar se poate comporta și ca un gaz (pe măsură ce crește). Prin urmare, în această revizuire, am examinat modul în care particulele sunt situate nu numai în solide, ci și în alte stări agregate de bază ale materiei.
Fizica moleculară ușor!
Forțele de interacțiune moleculară
Toate moleculele unei substanțe interacționează între ele prin forțe de atracție și repulsie.
Dovezi ale interacțiunii moleculelor: fenomenul de umectare, rezistența la compresiune și tensiune, compresibilitatea scăzută a solidelor și gazelor etc.
Motivul pentru interacțiunea moleculelor este interacțiunile electromagnetice ale particulelor încărcate dintr-o substanță.
Cum să explic asta?
Un atom este format dintr-un nucleu încărcat pozitiv și un înveliș de electroni încărcat negativ. Sarcina nucleului este egală cu sarcina totală a tuturor electronilor, astfel încât atomul în ansamblu este neutru din punct de vedere electric.
O moleculă constând din unul sau mai mulți atomi este, de asemenea, neutră din punct de vedere electric.
Să luăm în considerare interacțiunea dintre molecule folosind exemplul a două molecule staționare.
Între corpuri din natură pot exista forțe gravitaționale și electromagnetice.
Deoarece masele moleculelor sunt forțe extrem de mici, neglijabile interacțiune gravitaționalăîntre molecule nu trebuie luate în considerare.
La distanțe foarte mari nu există nicio interacțiune electromagnetică între molecule.
Dar, pe măsură ce distanța dintre molecule scade, moleculele încep să se orienteze astfel încât părțile lor față în față vor avea sarcini de semne diferite (în general, moleculele rămân neutre), iar între molecule apar forțe atractive.
Odată cu o scădere și mai mare a distanței dintre molecule, apar forțe de respingere ca urmare a interacțiunii cu încărcarea negativă. carcase electronice atomi de molecule.
Ca rezultat, molecula este acționată de suma forțelor de atracție și repulsie. La distante mari predomina forta de atractie (la distanta de 2-3 diametre ale moleculei atractia este maxima), la distante scurte predomina forta de repulsie.
Există o distanță între molecule la care devin forțele atractive forțe egale repulsie. Această poziție a moleculelor se numește poziție echilibru stabil.
Moleculele situate la distanță unele de altele și conectate prin forțe electromagnetice au energie potențială.
Într-o poziție stabilă de echilibru, energia potențială a moleculelor este minimă.
Într-o substanță, fiecare moleculă interacționează simultan cu multe molecule învecinate, ceea ce afectează și valoarea minimului. energie potenţială molecule.
În plus, toate moleculele unei substanțe sunt în mișcare continuă, adică. au energie cinetică.
Astfel, structura unei substanțe și proprietățile ei (corpuri solide, lichide și gazoase) sunt determinate de relația dintre energia potențială minimă de interacțiune a moleculelor și rezerva de energie cinetică a mișcării termice a moleculelor.
Structura și proprietățile corpurilor solide, lichide și gazoase
Structura corpurilor se explică prin interacțiunea particulelor corpului și prin natura mișcării lor termice.
Solid
Solidele au o formă și un volum constant și sunt practic incompresibile.
Energia potențială minimă de interacțiune între molecule este mai mare decât energia cinetică a moleculelor.
Interacțiune puternică cu particule.
Mișcarea termică a moleculelor dintr-un solid este exprimată numai prin vibrațiile particulelor (atomi, molecule) în jurul unei poziții stabile de echilibru.
Datorită forțelor mari de atracție, moleculele practic nu își pot schimba poziția în materie, ceea ce explică invariabilitatea volumului și formei solidelor.
Cele mai multe solide au un aranjament ordonat spațial de particule care formează o rețea cristalină obișnuită.
Astfel de solide se numesc cristaline.
Lichid
Lichidele au un anumit volum, dar nu au o formă proprie ele iau forma vasului în care se află.
Energia potențială minimă de interacțiune între molecule este comparabilă cu energia cinetică a moleculelor.
Interacțiune slabă cu particule.
Mișcarea termică a moleculelor dintr-un lichid este exprimată prin vibrații în jurul unei poziții stabile de echilibru în volumul furnizat moleculei de vecinii ei.
Moleculele nu se pot mișca liber pe întregul volum al unei substanțe, dar sunt posibile tranzițiile moleculelor către locurile învecinate. Aceasta explică fluiditatea lichidului și capacitatea de a-și schimba forma.
În lichide, moleculele sunt destul de ferm legate între ele prin forțe de atracție, ceea ce explică invarianța volumului lichidului.
Într-un lichid, distanța dintre molecule este aproximativ egală cu diametrul moleculei. Când distanța dintre molecule scade (comprimarea lichidului), forțele de respingere cresc brusc, astfel încât lichidele sunt incompresibile.
În ceea ce privește structura lor și natura mișcării termice, lichidele ocupă o poziție intermediară între solide și gaze.
Deși diferența dintre un lichid și un gaz este mult mai mare decât între un lichid și un solid. De exemplu, în timpul topirii sau cristalizării, volumul unui corp se modifică de multe ori mai puțin decât în timpul evaporării sau condensării.
Gazele nu au un volum constant și ocupă întregul volum al vasului în care se află.
Energia potențială minimă de interacțiune între molecule este mai mică decât energia cinetică a moleculelor.
Particulele de materie practic nu interacționează.
Gazele se caracterizează prin dezordine completă în aranjarea și mișcarea moleculelor.
Lichidul ocupă o poziție intermediară în proprietăți și structură între gaze și substanțele cristaline solide. Prin urmare, are proprietățile substanțelor gazoase și solide. În teoria cinetică moleculară, diferite stări de agregare ale unei substanțe sunt asociate cu diferite grade de ordine moleculară. Pentru solide, așa-numitele comanda pe termen lungîn aranjarea particulelor, adică aranjarea lor ordonată, repetându-se pe distanțe mari. În lichide există un așa-numit ordine de închidereîn aranjarea particulelor, adică aranjarea lor ordonată, care se repetă pe distanțe, este comparabilă cu cele interatomice. La temperaturi apropiate de temperatura de cristalizare, structura lichidului este aproape de un solid. La temperaturi ridicate apropiate de punctul de fierbere, structura lichidului corespunde stării gazoase - aproape toate moleculele participă la mișcarea termică haotică.
Lichidele, ca și solidele, au un anumit volum, iar ca și gazele, ele iau forma recipientului în care se află. Moleculele de gaz practic nu sunt conectate prin forțe de interacțiune intermoleculară și, în acest caz, energia medie a mișcării termice a moleculelor de gaz este mult mai mare decât energia potențială medie cauzată de forțele de atracție dintre ele, astfel încât moleculele de gaz zboară în mod diferit. direcţii şi gazul ocupă volumul care îi este prevăzut. În solide și lichide, forțele de atracție dintre molecule sunt deja semnificative și țin moleculele la o anumită distanță unele de altele. În acest caz, energia medie a mișcării termice a moleculelor este mai mică decât energia potențială medie din cauza forțelor interacțiunii intermoleculare și nu este suficientă depășirea forțelor de atracție dintre molecule, prin urmare solidele și lichidele au un anumit volum.
Presiunea în lichide crește foarte brusc odată cu creșterea temperaturii și scăderea volumului. Expansiunea volumetrică a lichidelor este mult mai mică decât cea a vaporilor și gazelor, deoarece forțele care leagă moleculele din lichid sunt mai semnificative; aceeași remarcă este valabilă pentru dilatarea termică.
Capacitatea termică a lichidelor crește de obicei odată cu temperatura (deși doar ușor). Raportul Ср/СV este practic egal cu unitatea.
Teoria lichidelor nu a fost încă pe deplin dezvoltată. Dezvoltarea unei serii de probleme de cercetare proprietăți complexe lichidul aparține lui Ya.I. Frenkel (1894–1952). El a explicat mișcarea termică într-un lichid prin faptul că fiecare moleculă oscilează un timp în jurul unei anumite poziții de echilibru, după care se deplasează brusc într-o nouă poziție, separată de cea inițială la o distanță de ordinul interatomiei. Astfel, moleculele lichidului se mișcă destul de lent pe întreaga masă a lichidului. Pe măsură ce temperatura lichidului crește, frecvența mișcării vibraționale crește brusc, iar mobilitatea moleculelor crește.
Pe baza modelului Frenkel, este posibil să explic câteva caracteristici distinctive proprietățile lichidului. Astfel, lichidele, chiar și în apropierea temperaturii critice, au mult mai mari viscozitate decât gazele, iar vâscozitatea scade odată cu creșterea temperaturii (și nu crește, ca și în cazul gazelor). Acest lucru se explică prin natura diferită a procesului de transfer de impuls: este transmis de molecule care fac un salt de la o stare de echilibru la alta, iar aceste salturi devin semnificativ mai frecvente odată cu creșterea temperaturii. Difuziaîn lichide apare numai din cauza salturilor moleculare și are loc mult mai lent decât în gaze. Conductivitate termică lichidele este cauzată de schimbul de energie cinetică între particulele care oscilează în jurul pozițiilor lor de echilibru cu amplitudini diferite; salturile bruște de molecule nu joacă un rol vizibil. Mecanismul conductivității termice este similar cu mecanismul său în gaze. Trăsătură caracteristică lichid este capacitatea sa de a avea suprafata libera(nu este limitat de pereți solidi).
Energia cinetică a unei molecule
Într-un gaz, moleculele se mișcă liber (izolate de alte molecule), ciocnindu-se doar ocazional între ele sau cu pereții recipientului. Atâta timp cât molecula se mișcă liber, doar a făcut-o energie cinetică. În timpul unei coliziuni, moleculele câștigă și energie potențială. Astfel, energia totală a unui gaz este suma energiilor cinetice și potențiale ale moleculelor sale. Cu cât gazul este mai rarefiat, cu atât mai multe molecule în fiecare moment sunt în stare de mișcare liberă, având doar energie cinetică. În consecință, atunci când gazul este rarefiat, proporția energiei potențiale scade în comparație cu energia cinetică.
Energia cinetică medie a unei molecule la echilibrul unui gaz ideal are o caracteristică foarte importantă: într-un amestec de gaze diferite, energia cinetică medie a unei molecule pentru diferite componente ale amestecului este aceeași.
De exemplu, aerul este un amestec de gaze. Energia medie a unei molecule de aer pentru toate componentele sale în condiții normale, când aerul poate fi considerat încă un gaz ideal, este aceeași. Această proprietate a gazelor ideale poate fi dovedită pe baza unor considerații statistice generale. De aici rezultă un corolar important: dacă două gaze diferite (în vase diferite) sunt în echilibru termic între ele, atunci energiile cinetice medii ale moleculelor lor sunt aceleași.
În gaze, distanța dintre molecule și atomi este de obicei mult mai mare decât dimensiunea moleculelor în sine, forțele de interacțiune dintre molecule nu sunt mari. Ca urmare, gazul nu are propria formă și volum constant. Gazul este ușor comprimat și se poate extinde fără limită. Moleculele de gaz se mișcă liber (translațional, se pot roti), doar uneori ciocnind cu alte molecule și cu pereții vasului în care se află gazul și se mișcă cu viteze foarte mari.
Mișcarea particulelor în solide
Structura solidelor este fundamental diferită de structura gazelor. În ele, distanțele intermoleculare sunt mici și energia potențială a moleculelor este comparabilă cu energia cinetică. Atomii (sau ionii, sau moleculele întregi) nu pot fi numiți nemișcați, ei efectuează mișcări aleatorii. mișcare oscilatorie aproape de pozițiile de mijloc. Cu cât temperatura este mai mare, cu atât energia de oscilație este mai mare și, prin urmare, amplitudinea medie a oscilațiilor. Vibrațiile termice ale atomilor explică și capacitatea de căldură a solidelor. Să luăm în considerare mai detaliat mișcările particulelor în solidele cristaline. Întregul cristal în ansamblu este un sistem oscilator cuplat foarte complex. Abaterile atomilor de la pozițiile lor medii sunt mici și, prin urmare, putem presupune că atomii sunt supuși acțiunii unor forțe cvasi-elastice care respectă legea liniară a lui Hooke. Astfel de sisteme oscilatorii se numesc liniare.
Există un dezvoltat teorie matematică sisteme supuse oscilații liniare. Demonstrează o teoremă foarte importantă, a cărei esență este următoarea. Dacă sistemul efectuează oscilații mici (liniare) interconectate, atunci prin transformarea coordonatelor poate fi redus formal la un sistem de oscilatoare independente (ale căror ecuații de oscilație nu depind unele de altele). Un sistem de oscilatori independenți se comportă ca gaz idealîn sensul că atomii acestuia din urmă pot fi consideraţi şi ei independenţi.
Prin folosirea ideii de independență a atomilor de gaz ajungem la legea lui Boltzmann. Această concluzie foarte importantă reprezintă o simplă și fundație solidă pentru întreaga teorie a solidelor.
legea lui Boltzmann
Numărul de oscilatoare cu parametri dați (coordonate și viteze) se determină în același mod ca și numărul de molecule de gaz într-o stare dată, după formula:
Energia oscilatorului.
Legea lui Boltzmann (1) în teoria corpurilor solide nu are restricții, dar formula (2) pentru energia oscilatorului este preluată din mecanica clasică. Când luăm în considerare teoretic solidele, trebuie să ne bazăm pe mecanica cuantică, care se caracterizează prin modificări discrete ale energiei oscilatorului. Discretitatea energiei oscilatorului devine nesemnificativă numai la valori suficient de mari ale energiei sale. Aceasta înseamnă că (2) poate fi utilizat numai la temperaturi suficient de ridicate. La temperaturi ridicate ale unui solid, aproape de punctul de topire, din legea lui Boltzmann decurge legea distribuției uniforme a energiei pe gradele de libertate. Daca in gaze pentru fiecare grad de libertate exista in medie o cantitate de energie egala cu (1/2) kT, atunci oscilatorul are un grad de libertate, pe langa cel cinetic, cu energie potentiala. Prin urmare, pentru un grad de libertate în corp solid la o temperatură suficient de ridicată există o energie egală cu kT. Pe baza acestei legi, nu este dificil să se calculeze energia internă totală a unui corp solid și, după aceasta, capacitatea sa de căldură. Un mol dintr-un solid conține atomi de NA și fiecare atom are trei grade de libertate. Prin urmare, molul conține 3 oscilatoare NA. Energia unui mol dintr-un solid
O capacitatea de căldură molară solid la temperaturi suficient de ridicate
Experiența confirmă această lege.
Lichidele ocupă o poziție intermediară între gaze și solide. Moleculele lichide nu se dispersează pe distanțe lungi, iar lichidul în condiții normale își păstrează volumul. Dar, spre deosebire de solide, moleculele nu numai că vibrează, ci și sar din loc în loc, adică funcționează mișcări libere. Pe măsură ce temperatura crește, lichidele fierb (există așa-numitul punct de fierbere) și se transformă în gaz. Pe măsură ce temperatura scade, lichidele se cristalizează și devin solide. Există un punct în câmpul de temperatură în care granița dintre gaz (vapori saturati) și lichid dispare (punct critic). Modelul mișcării termice a moleculelor din lichide în apropierea temperaturii de solidificare este foarte asemănător cu comportamentul moleculelor din solide. De exemplu, coeficienții capacității termice sunt exact aceiași. Deoarece capacitatea de căldură a unei substanțe se modifică ușor în timpul topirii, putem concluziona că natura mișcării particulelor într-un lichid este apropiată de mișcarea într-un solid (la temperatura de topire). Când este încălzit, proprietățile lichidului se schimbă treptat și devine mai mult ca un gaz. În lichide, energia cinetică medie a particulelor este mai mică decât energia potențială a interacțiunii lor intermoleculare. Energia interacțiunii intermoleculare în lichide și solide diferă nesemnificativ. Dacă comparăm căldura de fuziune și căldura de evaporare, vom vedea că în timpul trecerii de la o stare de agregare la alta, căldura de fuziune este semnificativ mai mică decât căldura de vaporizare. O descriere matematică adecvată a structurii unui lichid poate fi dată doar cu ajutorul fizicii statistice. De exemplu, dacă un lichid este format din molecule sferice identice, atunci structura lui poate fi descrisă prin funcția de distribuție radială g(r), care dă probabilitatea de a detecta orice moleculă la distanța r de cea dată aleasă ca punct de referință. Experimental, această funcție poate fi găsită studiind difracția razelor X sau neutronilor, se poate efectua modelare pe calculator această funcție folosind mecanica newtoniană.
Teoria cinetică a lichidului a fost dezvoltată de Ya.I. Frenkel. În această teorie, un lichid este considerat, ca și în cazul unui solid, ca un sistem dinamic de oscilatoare armonioase. Dar, spre deosebire de un corp solid, poziția de echilibru a moleculelor într-un lichid este temporară. După ce oscilează în jurul unei poziții, molecula lichidă sare într-o nouă poziție situată în apropiere. Un astfel de salt are loc cu cheltuirea energiei. Timpul mediu de „viață stabilită” al unei molecule lichide poate fi calculat astfel:
\[\left\langle t\right\rangle =t_0e^(\frac(W)(kT))\left(5\right),\]
unde $t_0\ $ este perioada de oscilații în jurul unei poziții de echilibru. Energia pe care o moleculă trebuie să o primească pentru a se deplasa dintr-o poziție în alta se numește energia de activare W, iar timpul în care molecula se află în poziția de echilibru se numește timpul t de „viață stabilită”.
Pentru o moleculă de apă, de exemplu, la temperatura camerei, o moleculă suferă aproximativ 100 de vibrații și sare într-o nouă poziție. Forțele de atracție dintre moleculele unui lichid sunt puternice, astfel încât volumul este menținut, dar viața sedentară limitată a moleculelor duce la apariția unui astfel de fenomen precum fluiditatea. În timpul oscilațiilor particulelor în apropierea poziției de echilibru, acestea se ciocnesc continuu unele cu altele, astfel încât chiar și o mică compresie a lichidului duce la o „întărire” bruscă a ciocnirilor de particule. Aceasta înseamnă o creștere bruscă a presiunii lichidului pe pereții vasului în care este comprimat.
Exemplul 1
Sarcină: Determinați capacitatea termică specifică a cuprului. Să presupunem că temperatura cuprului este aproape de punctul de topire. ( Masa molara cupru $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(kg)(mol))$
Conform legii lui Dulong și Petit, un mol de substanțe simple din punct de vedere chimic la temperaturi apropiate de punctul de topire are o capacitate termică:
Capacitatea termică specifică a cuprului:
\[С=\frac(с)(\mu )\la С=\frac(3R)(\mu )\left(1.2\right),\] \[С=\frac(3\cdot 8.31) (63 \cdot 10^(-3))=0,39\ \cdot 10^3(\frac(J)(kgK))\]
Răspuns: Căldura specifică cupru $0,39\ \cdot 10^3\left(\frac(J)(kgK)\right).$
Temă: Explicați într-un mod simplificat din punct de vedere fizic procesul de dizolvare a sării (NaCl) în apă.
Baza teoria modernă soluții au fost create de D.I. Mendeleev. El a stabilit că în timpul dizolvării au loc două procese simultan: fizic - distribuție uniformă particule de substanță dizolvată în întregul volum al soluției și chimică - interacțiunea solventului cu soluția. Suntem interesați proces fizic. Moleculele de sare nu distrug moleculele de apă. În acest caz, ar fi imposibil să se evapore apa. Dacă moleculele de sare s-ar uni cu moleculele de apă, am obține o substanță nouă. Și moleculele de sare nu pot pătrunde în interiorul moleculelor.
O legătură ion-dipol are loc între ionii Na+ și Cl- ai moleculelor de clor și apă polară. Se dovedește a fi mai puternic decât legături ioniceîn molecule de sare de masă. Ca urmare a acestui proces, legătura dintre ionii aflați pe suprafața cristalelor de NaCl este slăbită, ionii de sodiu și clor sunt desprinși din cristal, iar moleculele de apă formează așa-numitele învelișuri de hidratare în jurul lor. Ionii hidratați separați, sub influența mișcării termice, sunt distribuiți uniform între moleculele de solvent.