Bu malzeme sadece parçacıkların katılarda nasıl yer aldığından değil, aynı zamanda gazlarda veya sıvılarda nasıl hareket ettiğinden de bahsediyor. Çeşitli maddelerdeki kristal kafes türleri de açıklanacaktır.
Toplama durumu
Üç tipik kümelenme durumunun, yani sıvı ve gazın varlığını gösteren belirli standartlar vardır.
Her bir toplama durumu için bileşenleri tanımlayalım.
- Katılar hacim ve şekil bakımından büyük ölçüde kararlıdır. İkincisini ek enerji maliyetleri olmadan değiştirmek son derece sorunludur.
- Bir sıvı kolayca şekil değiştirebilir, ancak hacmini korur.
- Gaz halindeki maddeler, şeklini veya hacmini korumaz.
Toplanma durumunun belirlendiği ana kriter, moleküllerin düzenlenmesi ve hareket yöntemleridir. Gaz halindeki bir maddede, tek tek moleküller arasındaki minimum mesafe kendilerinden çok daha fazladır. Buna karşılık, moleküller normal koşullar altında uzun mesafelerde uzaklaşmazlar ve hacimlerini korurlar. Katılardaki aktif parçacıklar, her biri, bir saatin sarkacı gibi, kristal kafesin belirli bir noktasında hareket eder, kesin olarak tanımlanmış bir düzende düzenlenir. Bu, katılara özel bir güç ve sertlik verir.
Bu nedenle, bu durumda en alakalı soru, hareket eden parçacıkların katılarda nasıl bulunduğudur. Diğer tüm durumlarda, atomlar (moleküller) böyle düzenli bir yapıya sahip değildir.
Akışkan özellikleri
Sıvıların, vücudun katı hali ile gaz fazı arasında bir tür ara bağlantı olduğu gerçeğine özellikle dikkat etmek gerekir. Böylece, sıcaklık düştüğünde sıvı katılaşır ve belirli bir maddenin kaynama noktasının üzerine çıktığında gaz haline geçer. Ancak sıvının hem katı hem de gaz halindeki maddelerle ortak özellikleri vardır. Böylece, 1860 yılında, seçkin Rus bilim adamı D. I. Mendeleev, sözde kritik sıcaklık - mutlak kaynamanın varlığını ortaya koydu. Bu, gaz ve katı hal arasındaki ince sınırın ortadan kalktığı değerdir.
İki komşu kümelenme durumunu birleştiren bir sonraki kriter izotropidir. Bu durumda, özellikleri her yönde aynıdır. Kristaller ise anizotropiktir. Gazlar gibi sıvıların da sabit bir şekli yoktur ve bulundukları kabın tüm hacmini kaplarlar. Yani, düşük viskoziteye ve yüksek akışkanlığa sahiptirler. Bir sıvının veya gazın mikropartikülleri birbirleriyle çarpışarak serbest hareketler yaparlar. Daha önce, bir sıvının kapladığı hacimde moleküllerin düzenli bir hareketinin olmadığına inanılıyordu. Böylece, sıvı ve gaz kristallere karşıydı. Ancak daha sonraki çalışmalar sonucunda katı ve sıvı cisimler arasındaki benzerlik kanıtlanmıştır.
Katılaşmaya yakın bir sıcaklıkta sıvı fazda, termal hareket katılardaki harekete benzer. Bu durumda, sıvı hala belirli bir yapıya sahip olabilir. Bu nedenle, sıvılarda ve gazlarda parçacıkların katılarda nasıl bulunduğu sorusuna cevap vererek, ikincisinde moleküllerin hareketinin kaotik, düzensiz olduğunu söyleyebiliriz. ancak katılarda, moleküller çoğu durumda belirli, sabit bir pozisyonda bulunur.
Bu durumda sıvı bir tür ara bağlantıdır. Ayrıca sıcaklığı kaynama noktasına yaklaştıkça moleküller gazlarda olduğu gibi daha fazla hareket eder. Sıcaklık katı faza geçişe daha yakınsa, mikropartiküller daha düzenli hareket etmeye başlar.
Maddelerin durumundaki değişiklik
Suyun durumundaki bir değişikliğin en basit örneğini düşünün. Buz, suyun katı fazıdır. Sıcaklığı sıfırın altında. Sıfıra eşit bir sıcaklıkta buz erimeye başlar ve suya dönüşür. Bunun nedeni kristal kafesin tahrip olmasıdır: ısıtıldığında parçacıklar hareket etmeye başlar. Bir maddenin kümelenme durumunu değiştirdiği sıcaklığa erime noktası denir (bizim durumumuzda su için 0'dır). Buzun sıcaklığının, tamamen eriyene kadar aynı seviyede kalacağını unutmayın. Bu durumda sıvının atomları veya molekülleri katılarda olduğu gibi hareket edecektir.
Daha sonra suyu ısıtmaya devam ediyoruz. Bu durumda, parçacıklar, maddemiz kümelenme durumundaki bir sonraki değişim noktasına - kaynama noktasına ulaşana kadar daha yoğun hareket etmeye başlar. Böyle bir an, hareketin hızlanması nedeniyle onu oluşturan moleküller arasındaki bağlar koptuğunda ortaya çıkar - daha sonra serbest bir karakter kazanır ve söz konusu sıvı gaz fazına geçer. Bir maddenin (su) sıvı halden gaz haline dönüşme sürecine kaynama denir.
Suyun kaynadığı sıcaklığa kaynama noktası denir. Bizim durumumuzda bu değer 100 santigrat dereceye eşittir (sıcaklık basınca bağlıdır, normal basınç bir atmosferdir). Not: Mevcut sıvı tamamen ve tamamen buharlaşana kadar sıcaklığı sabit kalır.
Suyun gaz halinden (buhar) yoğuşma adı verilen bir sıvıya geçişinin tersi işlemi de mümkündür.
Ardından, donma sürecini gözlemleyebilirsiniz - bir sıvının (su) katı bir forma geçiş süreci (ilk durum yukarıda açıklanmıştır - bu buzdur). Daha önce açıklanan işlemler, parçacıkların katılarda, sıvılarda ve gazlarda nasıl düzenlendiğine doğrudan bir cevap sağlar. Bir maddenin moleküllerinin konumu ve durumu, onun kümelenme durumuna bağlıdır.
Sağlam vücut nedir? Mikropartiküller içinde nasıl davranır?
Katı bir gövde, ayırt edici özelliği sabit bir şeklin korunması ve hafif titreşimler yapan mikropartiküllerin termal hareketinin sabit doğası olan maddi ortamın bir durumudur. Cisimler katı, sıvı ve gaz halinde olabilir. Modern bilim adamlarının küme olarak sınıflandırma eğiliminde olduğu dördüncü bir durum da var - bu sözde plazma.
Bu nedenle, ilk durumda, herhangi bir madde, kural olarak, sabit, değişmeyen bir şekle sahiptir ve parçacıkların katılarda düzenlenme şeklinin bunda önemli bir etkisi vardır. Mikroskobik düzeyde, katı bir cismi oluşturan atomların kimyasal bağlarla birbirine bağlı olduğu ve kristal kafesin düğümlerinde yer aldığı görülebilir.
Ancak bir istisna var - katı halde olan ancak kristal bir kafese sahip olmakla övünemeyen amorf maddeler. Buradan hareketle taneciklerin katılarda nasıl bulunduğu sorusuna cevap verilebilir. İlk durumda fizik, atomların veya moleküllerin kafes bölgelerinde bulunduğunu gösterir. Ama ikinci durumda kesinlikle böyle bir düzen yoktur ve böyle bir madde daha çok sıvı gibidir.
Katı bir cismin fiziği ve olası yapısı
Bu durumda, madde hacmini ve tabii ki şeklini koruma eğilimindedir. Yani, ikincisini değiştirmek için çaba sarf edilmelidir ve metal bir nesne, bir plastik parçası veya hamuru olması önemli değildir. Nedeni moleküler yapısında yatmaktadır. Ve daha kesin olmak gerekirse, vücudu oluşturan moleküllerin etkileşiminde. Bu durumda, en yakın bulunurlar. Moleküllerin bu dizilimi tekrarlayıcıdır. Bu bileşenlerin her biri arasındaki karşılıklı çekim kuvvetlerinin çok büyük olmasının nedeni budur.
Mikropartiküllerin etkileşimi, hareketlerinin doğasını açıklar. Böyle bir katı cismin şeklini veya hacmini bir yönde düzeltmek çok zordur. Katı bir cismin parçacıkları, katı bir cismin hacmi boyunca rastgele hareket edemez, ancak uzayda yalnızca belirli bir nokta etrafında salınabilir. Katı bir cismin molekülleri rastgele farklı yönlerde salınır, ancak benzerlerine rastlarlar ve bu onları orijinal hallerine döndürür. Bu nedenle katılardaki parçacıklar, kural olarak, kesin olarak tanımlanmış bir sırada düzenlenir.
Parçacıklar ve katıdaki konumları
Katılar üç tipte olabilir: kristal, amorf ve kompozitler. Katılardaki parçacıkların düzenini etkileyen kimyasal bileşimdir.
Kristal katılar düzenli bir yapıya sahiptir. Molekülleri veya atomları, doğru biçimde kristal bir uzaysal kafes oluşturur. Böylece, kristal haldeki katı bir cisim, belirli bir kristal kafese sahiptir ve bu da belirli fiziksel özellikleri belirler. Bu, parçacıkların bir katı içinde nasıl düzenlendiğinin cevabıdır.
Bir örnek verelim: Uzun yıllar önce St. Petersburg'da bir depoda, sıcaklık düştüğünde parlaklığını kaybeden ve beyazdan griye dönen parlak beyaz teneke düğmeler stoklanmıştı. Düğmeler ufalanarak gri bir toz haline geldi. "Kalay Veba" - bu "hastalık" olarak adlandırıldı, ancak aslında düşük sıcaklığın etkisi altında kristallerin yapısının yeniden yapılandırılmasıydı. Kalay, beyaz bir çeşitten gri olana geçişte toz haline gelir. Kristaller sırayla mono ve polikristallere ayrılır.
Tek kristaller ve polikristaller
Tek kristaller (ortak tuz), düzenli çokgenler biçiminde sürekli bir kristal kafes ile temsil edilen tek homojen kristallerdir. Polikristaller (kum, şeker, metaller, taşlar), küçük, rastgele düzenlenmiş kristallerden birlikte büyümüş kristal gövdelerdir. Kristallerde anizotropi gibi bir fenomen gözlenir.
Amorf: özel bir durum
Amorf cisimlerin (reçine, reçine, cam, kehribar) parçacıkların düzenlenmesinde net bir katı düzeni yoktur. Bu, parçacıkların katılarda olduğu sıranın standart olmayan bir durumudur. Bu durumda, izotropi olgusu gözlenir, amorf cisimlerin fiziksel özellikleri her yöne aynıdır. Yüksek sıcaklıklarda viskoz sıvılar gibi olurlar ve düşük sıcaklıklarda katılar gibi görünürler. Dış etki altında, elastik özellikler aynı anda tespit edilir, yani darbe üzerine katılar ve akışkanlık gibi minyatür parçacıklara ayrılırlar: uzun süreli sıcaklığa maruz kaldıklarında sıvılar gibi akmaya başlarlar. Belirli erime ve kristalleşme sıcaklıklarına sahip değildirler. Isıtıldığında, amorf cisimler yumuşar.
amorf madde örnekleri
Örneğin, sıradan şekeri alın ve örneğini kullanarak çeşitli durumlarda katılardaki parçacıkların düzenini öğrenin. Bu durumda, aynı malzeme kristal veya amorf formda olabilir. Erimiş şeker yavaş sertleşirse, moleküller eşit sıralar oluşturur - kristaller (topak şeker veya toz şeker). Örneğin erimiş şeker soğuk suya dökülürse, soğutma çok hızlı gerçekleşir ve parçacıkların doğru sıraları oluşturmak için zamanları olmaz - eriyik kristaller oluşturmadan katılaşır. Şekerli şeker bu şekilde elde edilir (bu, kristal olmayan şekerdir).
Ancak bir süre sonra böyle bir madde yeniden kristalleşebilir, parçacıklar düzenli sıralarda toplanır. Şeker birkaç ay boyunca yatarsa, gevşek bir tabaka ile kaplanmaya başlayacaktır. Kristaller yüzeyde bu şekilde görünür. Şeker için süre birkaç ay, taş için ise milyonlarca yıl olacaktır. Karbon benzersiz bir örnektir. Grafit kristal karbondur, yapısı katmanlıdır. Ve elmas, dünyadaki en sert mineraldir, cam kesme ve taş kesme yeteneğine sahiptir, delme ve parlatma için kullanılır. Bu durumda, madde bir karbondur, ancak tuhaflık, farklı kristal formlar oluşturma yeteneğinde yatmaktadır. Bu, parçacıkların bir katı içinde nasıl düzenlendiğine başka bir cevaptır.
Sonuçlar. Çözüm
Katılardaki parçacıkların yapısı ve düzeni, söz konusu maddenin türüne bağlıdır. Madde kristal ise, mikropartiküllerin düzenlenmesi sipariş edilecektir. Amorf yapılarda bu özellik yoktur. Ancak kompozitler hem birinci hem de ikinci gruba ait olabilir.
Bir durumda, sıvı bir katıya benzer şekilde davranır (düşük bir sıcaklıkta, bu kristalleşme sıcaklığına yakındır), ancak aynı zamanda bir gaz gibi de (yükselirken) davranabilir. Bu nedenle, bu inceleme materyalinde, parçacıkların yalnızca katılarda değil, aynı zamanda maddenin diğer temel toplu hallerinde de nasıl yer aldığı ele alındı.
Moleküler fizik kolaydır!
Moleküllerin etkileşim kuvvetleri
Bir maddenin tüm molekülleri, çekim ve itme kuvvetleriyle birbirleriyle etkileşime girer.
Moleküllerin etkileşiminin kanıtı: ıslanma olgusu, sıkıştırma ve gerilmeye karşı direnç, katıların ve gazların düşük sıkıştırılabilirliği vb.
Moleküllerin etkileşiminin nedeni, maddedeki yüklü parçacıkların elektromanyetik etkileşimleridir.
Nasıl açıklanır?
Bir atom, pozitif yüklü bir çekirdek ve negatif yüklü bir elektron kabuğundan oluşur. Çekirdeğin yükü tüm elektronların toplam yüküne eşittir, bu nedenle bir bütün olarak atom elektriksel olarak nötrdür.
Bir veya daha fazla atomdan oluşan bir molekül de elektriksel olarak nötrdür.
İki hareketsiz molekül örneğini kullanarak moleküller arasındaki etkileşimi düşünün.
Doğada cisimler arasında yerçekimi ve elektromanyetik kuvvetler bulunabilir.
Moleküllerin kütleleri son derece küçük olduğundan, moleküller arasındaki yerçekimi etkileşiminin ihmal edilebilir kuvvetleri göz ardı edilebilir.
Çok büyük mesafelerde moleküller arasında da elektromanyetik etkileşim yoktur.
Ancak, moleküller arasındaki mesafenin azalmasıyla moleküller, birbirlerine bakan yüzleri farklı işaretlere sahip olacak (genel olarak moleküller nötr kalır) ve moleküller arasında çekici kuvvetler ortaya çıkacak şekilde kendilerini yönlendirmeye başlar.
Moleküller arasındaki mesafede daha da büyük bir azalma ile, moleküllerin atomlarının negatif yüklü elektron kabuklarının etkileşiminin bir sonucu olarak itici kuvvetler ortaya çıkar.
Sonuç olarak, molekül, çekim ve itme kuvvetlerinin toplamından etkilenir. Büyük mesafelerde, çekici kuvvet hakimdir (2-3 moleküler çapta, çekim maksimumdur), kısa mesafelerde, itici kuvvet.
Moleküller arasında, çekim kuvvetlerinin itme kuvvetlerine eşit olduğu bir mesafe vardır. Moleküllerin bu pozisyonuna kararlı denge pozisyonu denir.
Birbirinden uzakta bulunan ve elektromanyetik kuvvetlerle birbirine bağlanan moleküller potansiyel enerjiye sahiptir.
Kararlı denge konumunda, moleküllerin potansiyel enerjisi minimumdur.
Bir maddede, her molekül aynı anda birçok komşu molekülle etkileşime girer ve bu da moleküllerin minimum potansiyel enerjisinin değerini etkiler.
Ayrıca, bir maddenin tüm molekülleri sürekli hareket halindedir, yani. kinetik enerjiye sahiptir.
Böylece, bir maddenin yapısı ve özellikleri (katı, sıvı ve gaz halindeki cisimler), moleküllerin minimum potansiyel etkileşim enerjisi ile moleküllerin termal hareketinin kinetik enerjisi arasındaki oran ile belirlenir.
Katı, sıvı ve gaz halindeki cisimlerin yapısı ve özellikleri
Vücutların yapısı, vücut parçacıklarının etkileşimi ve termal hareketlerinin doğası ile açıklanır.
Sağlam
Katıların sabit bir şekli ve hacmi vardır ve pratik olarak sıkıştırılamazlar.
Moleküllerin minimum potansiyel etkileşim enerjisi, moleküllerin kinetik enerjisinden daha büyüktür.
Parçacıkların güçlü etkileşimi.
Bir katıdaki moleküllerin termal hareketi, yalnızca kararlı denge konumu etrafındaki parçacıkların (atomlar, moleküller) salınımları ile ifade edilir.
Büyük çekim kuvvetleri nedeniyle, moleküller bir maddedeki konumlarını pratik olarak değiştiremezler, bu da katıların hacminin ve şeklinin değişmezliğini açıklar.
Çoğu katı, düzenli bir kristal kafes oluşturan uzamsal olarak düzenlenmiş bir parçacık düzenine sahiptir. Madde parçacıkları (atomlar, moleküller, iyonlar) köşelerde bulunur - kristal kafesin düğümleri. Kristal kafesin düğümleri, parçacıkların kararlı denge konumu ile çakışmaktadır.
Bu tür katılara kristal denir.
Sıvı
Sıvıların belirli bir hacmi vardır ancak kendi şekilleri yoktur, bulundukları kabın şeklini alırlar.
Moleküllerin minimum potansiyel etkileşim enerjisi, moleküllerin kinetik enerjisiyle karşılaştırılabilir.
Zayıf parçacık etkileşimi.
Bir sıvıdaki moleküllerin termal hareketi, komşuları tarafından moleküle sağlanan hacim içindeki kararlı denge konumu etrafındaki salınımlarla ifade edilir.
Moleküller, bir maddenin tüm hacmi boyunca serbestçe hareket edemez, ancak moleküllerin komşu yerlere geçişleri mümkündür. Bu, sıvının akışkanlığını, şeklini değiştirme yeteneğini açıklar.
Sıvılarda, moleküller, sıvının hacminin değişmezliğini açıklayan çekici kuvvetlerle oldukça güçlü bir şekilde birbirine bağlıdır.
Bir sıvıda, moleküller arasındaki mesafe yaklaşık olarak molekülün çapına eşittir. Moleküller arasındaki mesafenin azalmasıyla (bir sıvıyı sıkıştırarak), itme kuvvetleri keskin bir şekilde artar, bu nedenle sıvılar sıkıştırılamaz.
Yapıları ve termal hareketin doğası açısından sıvılar, katılar ve gazlar arasında bir ara konuma sahiptir.
Sıvı ve gaz arasındaki fark, sıvı ve katı arasındaki farktan çok daha büyük olmasına rağmen. Örneğin, erime veya kristalleşme sırasında, bir cismin hacmi buharlaşma veya yoğunlaşma sırasında olduğundan çok daha az değişir.
Gazların sabit bir hacmi yoktur ve bulundukları kabın tüm hacmini kaplarlar.
Moleküllerin minimum potansiyel etkileşim enerjisi, moleküllerin kinetik enerjisinden daha azdır.
Maddenin parçacıkları pratik olarak etkileşime girmez.
Gazlar, moleküllerin dizilişinde ve hareketinde tam bir bozukluk ile karakterize edilir.
Sıvı, gazlar ve katı kristalli maddeler arasında özellikler ve yapı bakımından bir ara pozisyonda yer alır. Bu nedenle hem gaz hem de katı madde özelliklerine sahiptir. Moleküler kinetik teoride, bir maddenin farklı agrega durumları, farklı derecelerde moleküler düzen ile ilişkilidir. Katılar için, sözde uzun menzilli sipariş parçacıkların düzenlenmesinde, yani. uzun mesafelerde tekrar eden düzenli düzenlemeleri. Sıvılarda, sözde kısa menzilli sipariş parçacıkların düzenlenmesinde, yani. mesafelerde tekrar eden düzenli düzenlemeleri, atomlar arası olanlarla karşılaştırılabilir. Kristalleşme sıcaklığına yakın sıcaklıklarda sıvı yapı katınınkine yakındır. Kaynama noktasına yakın yüksek sıcaklıklarda, sıvının yapısı gaz haline tekabül eder - neredeyse tüm moleküller kaotik termal harekete katılır.
Katılar gibi sıvılar da belirli bir hacme sahiptir ve gazlar gibi bulundukları kabın şeklini alırlar. Gaz molekülleri, moleküller arası etkileşim kuvvetleri tarafından pratik olarak birbirine bağlı değildir ve bu durumda gaz moleküllerinin termal hareketinin ortalama enerjisi, aralarındaki çekim kuvvetlerinden dolayı ortalama potansiyel enerjiden çok daha büyüktür, bu nedenle gaz molekülleri saçılır. farklı yönlerdedir ve gaz kendisine sağlanan hacmi kaplar. Katı ve sıvı cisimlerde, moleküller arasındaki çekim kuvvetleri zaten önemlidir ve molekülleri birbirinden belirli bir mesafede tutar. Bu durumda moleküllerin ısıl hareketinin ortalama enerjisi, moleküller arası etkileşim kuvvetleri nedeniyle ortalama potansiyel enerjiden daha azdır ve moleküller arasındaki çekim kuvvetlerinin üstesinden gelmek yeterli değildir, bu nedenle katılar ve sıvılar belirli bir hacme sahiptir. .
Sıvılardaki basınç, artan sıcaklık ve azalan hacim ile çok keskin bir şekilde artar. Sıvıların hacimsel genleşmesi, sıvıdaki molekülleri bağlayan kuvvetler daha önemli olduğundan, buharların ve gazlarınkinden çok daha azdır; aynı açıklama termal genleşme için de geçerlidir.
Sıvıların ısı kapasiteleri genellikle sıcaklıkla artar (biraz da olsa). C p /C V oranı pratikte bire eşittir.
Akışkan teorisi bugüne kadar tam olarak geliştirilmemiştir. Bir sıvının karmaşık özelliklerinin incelenmesinde bir takım problemlerin geliştirilmesi Ya.I.'ye aittir. Frenkel (1894–1952). Bir sıvıdaki termal hareketi, her molekülün belirli bir denge pozisyonu etrafında bir süre salınım yapması ve ardından ilkinden atomlar arası mesafenin mertebesinde olan yeni bir pozisyona atlamasıyla açıkladı. Böylece sıvının molekülleri sıvının kütlesi boyunca oldukça yavaş hareket eder. Sıvının sıcaklığındaki bir artışla, salınım hareketinin frekansı keskin bir şekilde artar ve moleküllerin hareketliliği artar.
Frenkel modeline dayanarak, bazılarını açıklamak mümkündür. ayırt edici özellikleri sıvının özellikleri. Böylece sıvılar, kritik sıcaklığa yakın olsa bile, çok daha büyük bir viskozite gazlardan daha fazladır ve artan sıcaklıkla viskozite azalır (gazlarda olduğu gibi artışlar yerine). Bu, momentum transfer sürecinin farklı bir doğası ile açıklanır: bir denge durumundan diğerine atlayan moleküller tarafından aktarılır ve bu sıçramalar artan sıcaklıkla çok daha sık hale gelir. difüzyon sıvılarda sadece moleküler sıçramalar nedeniyle oluşur ve gazlardan çok daha yavaş gerçekleşir. Termal iletkenlik sıvılar, denge konumları etrafında farklı genliklerle salınan parçacıklar arasındaki kinetik enerji alışverişinden kaynaklanır; moleküllerin keskin sıçramaları gözle görülür bir rol oynamaz. Isı iletim mekanizması gazlardaki mekanizmasına benzer. Bir sıvının karakteristik bir özelliği, sahip olma yeteneğidir. Serbest yüzey(sağlam duvarlarla sınırlı değildir).
Bir molekülün kinetik enerjisi
Bir gazda, moleküller serbest (diğer moleküllerden izole edilmiş) hareket yaparlar, sadece zaman zaman birbirleriyle veya kabın duvarlarıyla çarpışırlar. Molekül serbest hareket halinde olduğu sürece sadece kinetik enerjiye sahiptir. Çarpışma sırasında moleküller de potansiyel enerjiye sahiptir. Böylece, bir gazın toplam enerjisi, moleküllerinin kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamıdır. Gaz ne kadar az bulunursa, zamanın her anında sadece kinetik enerjiye sahip serbest hareket halinde olan moleküller o kadar fazladır. Sonuç olarak, gaz seyrekleştirildiğinde, potansiyel enerjinin payı kinetik enerjiye kıyasla azalır.
İdeal gaz dengesindeki bir molekülün ortalama kinetik enerjisinin çok önemli bir özelliği vardır: Farklı gazların karışımında, karışımın farklı bileşenleri için bir molekülün ortalama kinetik enerjisi aynıdır.
Örneğin hava bir gaz karışımıdır. Normal koşullar altında, hava hala ideal gaz olarak kabul edilebilirken, bir hava molekülünün tüm bileşenleri için ortalama enerjisi aynıdır. İdeal gazların bu özelliği, genel istatistiksel değerlendirmeler temelinde kanıtlanabilir. Bundan önemli bir sonuç çıkar: iki farklı gaz (farklı kaplarda) birbiriyle termal dengedeyse, moleküllerinin ortalama kinetik enerjileri aynıdır.
Gazlarda, moleküller ve atomlar arasındaki mesafe genellikle moleküllerin kendi boyutlarından çok daha büyüktür, moleküllerin etkileşim kuvvetleri büyük değildir. Sonuç olarak, gazın kendi şekli ve sabit hacmi yoktur. Gaz kolayca sıkıştırılabilir ve süresiz olarak genişleyebilir. Gaz molekülleri serbestçe hareket eder (çeviri olarak dönebilirler), sadece ara sıra diğer moleküllerle ve gazın bulunduğu kabın duvarlarıyla çarpışırlar ve çok yüksek hızlarda hareket ederler.
Katılarda parçacıkların hareketi
Katıların yapısı temel olarak gazların yapısından farklıdır. İçlerinde moleküller arası mesafeler küçüktür ve moleküllerin potansiyel enerjisi kinetik olanla karşılaştırılabilir. Atomlar (veya iyonlar veya bütün moleküller) hareketsiz olarak adlandırılamazlar, orta konumları etrafında rastgele salınım hareketi yaparlar. Sıcaklık ne kadar yüksek olursa, salınımların enerjisi ve dolayısıyla salınımların ortalama genliği o kadar büyük olur. Atomların termal titreşimleri de katıların ısı kapasitesini açıklar. Kristal katılardaki parçacıkların hareketlerini daha ayrıntılı olarak ele alalım. Bütün kristal bir bütün olarak çok karmaşık birleştirilmiş salınım sistemidir. Atomların ortalama konumlardan sapmaları küçüktür ve bu nedenle atomların lineer Hooke yasasına uyan yarı elastik kuvvetlerin etkisine maruz kaldıklarını varsayabiliriz. Bu tür salınım sistemlerine doğrusal denir.
Lineer salınımlara maruz kalan sistemlerin gelişmiş bir matematiksel teorisi vardır. Özü aşağıdaki gibi olan çok önemli bir teoremi kanıtlıyor. Sistem birbirine bağlı küçük (doğrusal) salınımlar gerçekleştirirse, koordinatları dönüştürerek resmi olarak bağımsız osilatörler sistemine (salınım denklemlerinin birbirine bağlı olmadığı) indirgenebilir. Bağımsız osilatörler sistemi, ikincisinin atomlarının da bağımsız olarak kabul edilebilmesi anlamında ideal bir gaz gibi davranır.
Boltzmann yasasına vardığımız gaz atomlarının bağımsızlığı fikrini kullanıyor. Bu çok önemli sonuç, katılar teorisinin tamamı için basit ve güvenilir bir temel sağlar.
Boltzmann yasası
Verilen parametrelere (koordinatlar ve hızlar) sahip osilatörlerin sayısı, belirli bir durumdaki gaz moleküllerinin sayısıyla aynı şekilde aşağıdaki formüle göre belirlenir:
Osilatör enerjisi.
Katı cisim teorisindeki Boltzmann yasası (1) hiçbir kısıtlamaya sahip değildir, ancak bir osilatörün enerjisi için formül (2) klasik mekanikten alınmıştır. Katıların teorik olarak ele alınmasında, bir osilatörün enerjisinde ayrı bir değişiklik ile karakterize edilen kuantum mekaniğine güvenmek gerekir. Osilatör enerjisinin ayrıklığı, yalnızca enerjisinin yeterince yüksek değerlerinde önemsiz hale gelir. Bu, (2)'nin yalnızca yeterince yüksek sıcaklıklarda kullanılabileceği anlamına gelir. Erime noktasına yakın bir katının yüksek sıcaklıklarında, Boltzmann yasası, enerjinin serbestlik dereceleri üzerinde düzgün dağılımı yasasını ima eder. Gazlarda her serbestlik derecesi için ortalama olarak (1/2) kT'ye eşit bir enerji miktarı varsa, osilatör kinetik dışında bir serbestlik derecesine sahiptir ve potansiyel enerjiye sahiptir. Bu nedenle, yeterince yüksek bir sıcaklıkta bir katıdaki bir serbestlik derecesi, kT'ye eşit bir enerjiye sahiptir. Bu yasaya dayanarak, bir katının toplam iç enerjisini ve ondan sonra ısı kapasitesini hesaplamak zor değildir. Bir mol katı NA atomu içerir ve her atomun üç serbestlik derecesi vardır. Bu nedenle, mol 3 NA osilatörü içerir. Katı bir cismin mol enerjisi
ve yeterince yüksek sıcaklıklarda bir katının molar ısı kapasitesi
Tecrübe bu yasayı doğrular.
Sıvılar, gazlar ve katılar arasında bir ara konumda bulunur. Bir sıvının molekülleri uzun mesafelerde birbirinden uzaklaşmaz ve normal koşullar altında sıvı hacmini korur. Ancak katılardan farklı olarak moleküller sadece salınım yapmakla kalmaz, aynı zamanda bir yerden bir yere zıplarlar, yani serbest hareketler yaparlar. Sıcaklık yükseldiğinde sıvılar kaynar (kaynama noktası vardır) ve gaza dönüşür. Sıcaklık düştükçe sıvılar kristalleşir ve katı hale gelir. Sıcaklık alanında gaz (doymuş buhar) ve sıvı arasındaki sınırın kaybolduğu (kritik nokta) bir nokta vardır. Katılaşma sıcaklığına yakın sıvılarda moleküllerin termal hareket modeli, katılardaki moleküllerin davranışına çok benzer. Örneğin, ısı kapasitesi katsayıları hemen hemen aynıdır. Bir maddenin erime sırasındaki ısı kapasitesi biraz değiştiğinden, bir sıvı içindeki parçacıkların hareketinin doğasının bir katıdaki harekete (erime sıcaklığında) yakın olduğu sonucuna varılabilir. Isıtıldığında sıvının özellikleri yavaş yavaş değişir ve daha çok gaza benzer. Sıvılarda, parçacıkların ortalama kinetik enerjisi, moleküller arası etkileşimlerinin potansiyel enerjisinden daha azdır. Sıvılarda ve katılarda moleküller arası etkileşimin enerjisi önemsiz derecede farklıdır. Erime ısısını ve buharlaşma ısısını karşılaştırırsak, bir kümelenme durumundan diğerine geçiş sırasında, füzyon ısısının buharlaşma ısısından önemli ölçüde daha düşük olduğunu göreceğiz. Bir sıvının yapısının yeterli bir matematiksel açıklaması ancak istatistiksel fizik yardımıyla verilebilir. Örneğin, bir sıvı aynı küresel moleküllerden oluşuyorsa, yapısı radyal dağılım fonksiyonu g(r) ile tanımlanabilir; bu, referans noktası olarak seçilen, verilenden r mesafesinde herhangi bir molekül bulma olasılığını verir. . Deneysel olarak, bu fonksiyon X ışınlarının veya nötronların kırınımını inceleyerek bulunabilir; Newton mekaniği kullanılarak bu fonksiyonun bilgisayar simülasyonlarını yapmak mümkündür.
Sıvının kinetik teorisi Ya.I. Frenkel. Bu teoride, sıvı, katı bir cisim durumunda olduğu gibi, dinamik bir harmonik osilatör sistemi olarak kabul edilir. Ancak katı bir cismin aksine, moleküllerin bir sıvıdaki denge konumu geçicidir. Bir pozisyon etrafında salındıktan sonra sıvı molekül, komşulukta bulunan yeni bir pozisyona atlar. Böyle bir sıçrama, enerji harcamasıyla gerçekleşir. Bir sıvı molekülün ortalama "yerleşik ömrü" süresi şu şekilde hesaplanabilir:
\[\sol\langle t\sağ\rangle =t_0e^(\frac(W)(kT))\sol(5\sağ),\]
$t_0\ $ burada bir denge pozisyonu etrafındaki salınımların periyodudur. Bir molekülün bir konumdan diğerine geçebilmesi için alması gereken enerjiye aktivasyon enerjisi W, molekülün denge konumunda olduğu süreye ise "yerleşik yaşam" süresi t denir.
Bir su molekülü için, örneğin oda sıcaklığında, bir molekül yaklaşık 100 titreşim yapar ve yeni bir konuma atlar. Bir sıvının molekülleri arasındaki çekim kuvvetleri hacmi korumak için büyüktür, ancak moleküllerin sınırlı yerleşik ömrü, akışkanlık gibi bir olgunun ortaya çıkmasına neden olur. Denge konumuna yakın parçacık salınımları sırasında, birbirleriyle sürekli olarak çarpışırlar, bu nedenle sıvının küçük bir sıkıştırılması bile parçacık çarpışmalarının keskin bir "sertleşmesine" yol açar. Bu, sıvının sıkıştırıldığı kabın duvarlarındaki basıncında keskin bir artış anlamına gelir.
örnek 1
Görev: Bakırın özgül ısı kapasitesini belirleyin. Bakır sıcaklığının erime noktasına yakın olduğunu varsayalım. (Bakırın molar kütlesi $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(kg)(mol))$
Dulong ve Petit yasasına göre, erime noktasına yakın sıcaklıklarda kimyasal olarak basit bir mol maddenin bir ısı kapasitesi vardır:
Bakırın özgül ısı kapasitesi:
\[C=\frac(c)(\mu )\to C=\frac(3R)(\mu )\left(1.2\sağ),\] \[C=\frac(3\cdot 8,31) (63\cdot 10^(-3))=0.39\ \cdot 10^3(\frac(J)(kgK))\]
Cevap: Bakırın özgül ısı kapasitesi 0,39$\ \cdot 10^3\left(\frac(J)(kgK)\right).$
Görev: Tuzun (NaCl) suda çözünme sürecini fizik açısından basitleştirilmiş bir şekilde açıklayın.
Modern çözüm teorisinin temeli, D.I. Mendeleyev. Çözünme sırasında iki işlemin aynı anda gerçekleştiğini buldu: fiziksel - çözünmüş maddenin parçacıklarının çözeltinin hacmi boyunca düzgün dağılımı ve kimyasal - çözücünün çözünmüş madde ile etkileşimi. Fiziksel süreçle ilgileniyoruz. Tuz molekülleri su moleküllerini yok etmez. Bu durumda, suyu buharlaştırmak imkansız olacaktır. Su moleküllerine tuz molekülleri bağlansaydı, yeni bir madde elde ederdik. Ve tuz molekülleri su moleküllerinin içine giremez.
Klorun Na+ ve Cl- iyonları ile polar su molekülleri arasında bir iyon-dipol bağı oluşur. Tuz moleküllerindeki iyonik bağlardan daha güçlü olduğu ortaya çıktı. Bu işlem sonucunda, NaCl kristallerinin yüzeyinde bulunan iyonlar arasındaki bağ zayıflar, sodyum ve klor iyonları kristalden ayrılır ve bunların etrafında su molekülleri sözde hidratasyon kabuklarını oluşturur. Termal hareketin etkisi altında ayrılan hidratlı iyonlar, çözücü molekülleri arasında eşit olarak dağılır.