Gāzu, šķidrumu un cietvielu struktūra.

Molekulārās kinētiskās teorijas pamatnoteikumi:

Visas vielas sastāv no molekulām, un molekulas sastāv no atomiem.

atomi un molekulas atrodas pastāvīgā kustībā,

Starp molekulām pastāv pievilcīgi un atgrūdoši spēki.

IN gāzes molekulas pārvietojas nejauši, attālumi starp molekulām ir lieli, molekulārie spēki ir mazi, gāze aizņem visu tai paredzēto tilpumu.

IN šķidrumi molekulas tiek sakārtotas tikai nelielos attālumos, un lielos attālumos tiek pārkāpta izkārtojuma kārtība (simetrija) - “īsa diapazona kārtība”. Molekulārās pievilkšanās spēki tur molekulas cieši kopā. Molekulu kustība ir “lec” no vienas stabilas pozīcijas uz otru (parasti viena slāņa ietvaros. Šī kustība izskaidro šķidruma plūstamību. Šķidrumam nav formas, bet ir tilpums.

Cietās vielas - vielas, kas saglabā savu formu, iedala kristāliskās un amorfās. kristāliska cieta vielaķermeņiem ir kristāla režģis, kura mezglos var atrasties joni, molekulas vai atomi.Tie svārstās attiecībā pret stabilām līdzsvara pozīcijām.Kristālu režģiem ir regulāra struktūra visā tilpumā - izvietojuma “tālas darbības secība”.

Amorfie ķermeņi saglabā savu formu, bet tiem nav kristāla režģa un līdz ar to tiem nav izteiktas kušanas temperatūras. Tos sauc par sasaldētiem šķidrumiem, jo ​​tiem, tāpat kā šķidrumiem, ir “gandrīz” molekulārā izkārtojuma secība.

Molekulu mijiedarbības spēki

Visas vielas molekulas mijiedarbojas viena ar otru ar pievilkšanās un atgrūšanas spēkiem. Molekulu mijiedarbības pierādījums: mitrināšanas fenomens, izturība pret saspiešanu un stiepšanos, cietu vielu un gāzu zema saspiežamība utt. Molekulu mijiedarbības iemesls ir vielā lādētu daļiņu elektromagnētiskā mijiedarbība. Kā to izskaidrot? Atoms sastāv no pozitīvi lādēta kodola un negatīvi lādēta elektronu apvalka. Kodola lādiņš ir vienāds ar visu elektronu kopējo lādiņu, tāpēc atoms kopumā ir elektriski neitrāls. Molekula, kas sastāv no viena vai vairākiem atomiem, arī ir elektriski neitrāla. Apsveriet mijiedarbību starp molekulām, izmantojot divu nekustīgu molekulu piemēru. Dabā starp ķermeņiem var pastāvēt gravitācijas un elektromagnētiskie spēki. Tā kā molekulu masas ir ārkārtīgi mazas, var neņemt vērā nenozīmīgos molekulu gravitācijas mijiedarbības spēkus. Ļoti lielos attālumos starp molekulām arī nav elektromagnētiskās mijiedarbības. Bet, samazinoties attālumam starp molekulām, molekulas sāk orientēties tā, lai to malām, kas atrodas viena pret otru, būtu dažādu zīmju lādiņi (kopumā molekulas paliek neitrālas), un starp molekulām rodas pievilcīgi spēki. Vēl vairāk samazinoties attālumam starp molekulām, molekulu atomu negatīvi lādētu elektronu apvalku mijiedarbības rezultātā rodas atgrūšanas spēki. Tā rezultātā molekulu ietekmē pievilkšanas un atgrūšanas spēku summa. Lielos attālumos dominē pievilcības spēks (2-3 molekulu diametru attālumā pievilcība ir maksimāla), nelielos attālumos - atgrūšanas spēks. Starp molekulām ir tāds attālums, kurā pievilkšanās spēki kļūst vienādi ar atgrūšanas spēkiem. Šo molekulu stāvokli sauc par stabila līdzsvara stāvokli. Molekulām, kas atrodas attālumā viena no otras un savienotas ar elektromagnētiskiem spēkiem, ir potenciālā enerģija. Stabila līdzsvara stāvoklī molekulu potenciālā enerģija ir minimāla. Vielā katra molekula vienlaikus mijiedarbojas ar daudzām blakus esošām molekulām, kas ietekmē arī molekulu minimālās potenciālās enerģijas vērtību. Turklāt visas vielas molekulas atrodas nepārtrauktā kustībā, t.i. ir kinētiskā enerģija. Tādējādi vielas struktūru un tās īpašības (cietie, šķidrie un gāzveida ķermeņi) nosaka attiecība starp minimālo molekulu mijiedarbības potenciālo enerģiju un molekulu termiskās kustības kinētisko enerģiju.

Cietu, šķidru un gāzveida ķermeņu uzbūve un īpašības

Ķermeņu uzbūve skaidrojama ar ķermeņa daļiņu mijiedarbību un to termiskās kustības raksturu.

Ciets

Cietiem ķermeņiem ir pastāvīga forma un apjoms ir praktiski nesaspiežami. Minimālā molekulu mijiedarbības potenciālā enerģija ir lielāka par molekulu kinētisko enerģiju. Spēcīga daļiņu mijiedarbība. Molekulu termisko kustību cietā vielā izsaka tikai daļiņu (atomu, molekulu) svārstības ap stabila līdzsvara stāvokli.

Lielo pievilkšanas spēku dēļ molekulas praktiski nevar mainīt savu stāvokli vielā, kas izskaidro cietvielu tilpuma un formas nemainīgumu. Lielākajai daļai cieto vielu ir telpiski sakārtots daļiņu izvietojums, kas veido regulāru kristāla režģi. Vielas daļiņas (atomi, molekulas, joni) atrodas virsotnēs - kristāla režģa mezglos. Kristāla režģa mezgli sakrīt ar daļiņu stabila līdzsvara stāvokli. Šādas cietas vielas sauc par kristāliskām.

Šķidrums

Šķidrumiem ir noteikts tilpums, bet tiem nav savas formas, tie iegūst trauka formu, kurā tie atrodas. Minimālā molekulu mijiedarbības potenciālā enerģija ir salīdzināma ar molekulu kinētisko enerģiju. Vāja daļiņu mijiedarbība. Molekulu termisko kustību šķidrumā izsaka ar svārstībām ap stabila līdzsvara stāvokli tilpumā, ko molekulai nodrošina tās kaimiņi. Molekulas nevar brīvi pārvietoties visā vielas tilpumā, bet ir iespējama molekulu pāreja uz blakus vietām. Tas izskaidro šķidruma plūstamību, spēju mainīt tā formu.

Šķidrumos molekulas ir diezgan stipri viena ar otru saistītas ar pievilcības spēkiem, kas izskaidro šķidruma tilpuma nemainīgumu. Šķidrumā attālums starp molekulām ir aptuveni vienāds ar molekulas diametru. Samazinoties attālumam starp molekulām (saspiežot šķidrumu), strauji palielinās atgrūšanas spēki, tāpēc šķidrumi ir nesaspiežami. Pēc savas struktūras un termiskās kustības rakstura šķidrumi ieņem starpstāvokli starp cietām vielām un gāzēm. Lai gan atšķirība starp šķidrumu un gāzi ir daudz lielāka nekā starp šķidrumu un cietu vielu. Piemēram, kušanas vai kristalizācijas laikā ķermeņa tilpums mainās daudzkārt mazāk nekā iztvaikošanas vai kondensācijas laikā.

Gāzēm nav nemainīga tilpuma un tās aizņem visu trauka tilpumu, kurā tās atrodas. Minimālā molekulu mijiedarbības potenciālā enerģija ir mazāka par molekulu kinētisko enerģiju. Vielas daļiņas praktiski nesadarbojas. Gāzēm raksturīgs pilnīgs molekulu izvietojuma un kustības traucējums.

Attālums starp gāzes molekulām ir daudzkārt lielāks par molekulu izmēru. Mazie pievilkšanas spēki nevar noturēt molekulas tuvu viena otrai, tāpēc gāzes var neierobežoti paplašināties. Ārēja spiediena iedarbībā gāzes tiek viegli saspiestas, jo. attālumi starp molekulām ir lieli, un mijiedarbības spēki ir niecīgi. Gāzes spiedienu uz trauka sienām rada kustīgu gāzes molekulu ietekme.

Parastie šķidrumi ir izotropiski, strukturāli tie ir amorfie ķermeņi. Priekš iekšējā struktūrašķidrumiem ir raksturīga neliela attāluma secība molekulu izkārtojumā (tuvāko daļiņu sakārtots izvietojums). Attālumi starp molekulām ir mazi, mijiedarbības spēki ir būtiski, kas noved pie zemas šķidrumu saspiežamības: neliels attāluma samazinājums starp molekulām izraisa lielu starpmolekulāro atgrūšanas spēku parādīšanos.

Tāpat kā cietas vielas, šķidrumi ir nedaudz saspiežami un tiem ir augsts blīvums; tāpat kā gāzes, tie iegūst trauka formu, kurā tie atrodas. Šis šķidrumu īpašību raksturs ir saistīts ar to molekulu termiskās kustības īpatnībām. Gāzēs molekulas pārvietojas nejauši, nelielos attālumos tās virzās uz priekšu, un daļiņu izvietojumā nav kārtības. Kristāliskos ķermeņos daļiņas svārstās ap noteiktām līdzsvara pozīcijām – kristāla režģa mezgliem. Saskaņā ar Ya. I. Frenkel teoriju, šķidruma molekulas, tāpat kā cieta ķermeņa daļiņas, svārstās ap līdzsvara pozīcijām, taču šīs līdzsvara pozīcijas nav nemainīgas. Pēc kāda laika, ko sauc par "nokārtotās dzīves laiku", molekula pāriet uz jaunu līdzsvara stāvokli attālumā, kas vienāds ar vidējo attālumu starp blakus esošajām molekulām.

Aprēķināsim vidējo attālumu starp šķidruma molekulām. Jūs varat garīgi iedomāties visu šķidruma tilpumu, kas sadalīts mazos identiskos kubiņos ar malu 8. Ļaujiet, lai vidēji katrā kubā ir viena molekula. Šajā gadījumā 5 var uzskatīt par vidējo attālumu starp šķidruma molekulām. Šķidruma tilpums ir V = δ 3 N, kur N ir kopējais šķidruma molekulu skaits. Ja n ir molekulu koncentrācija (molekulu skaits 1 m 3), tad N \u003d nV. No šiem vienādojumiem mēs iegūstam

Lai šķidruma molekula varētu pārlēkt no viena līdzsvara stāvokļa uz otru, ir jāpārtrauc saites ar apkārtējām molekulām un jāveido saites ar jauniem kaimiņiem. Saišu pārraušanas procesā ir nepieciešams iztērēt enerģiju E a (aktivācijas enerģija), kas izdalās jaunu saišu veidošanās laikā. Šāda molekulas pāreja no viena līdzsvara stāvokļa uz citu ir pāreja caur potenciālo barjeru ar augstumu E a. Molekula saņem enerģiju, lai pārvarētu potenciālo barjeru blakus esošo molekulu termiskās kustības enerģijas dēļ. Relaksācijas laika atkarību no šķidruma temperatūras un aktivācijas enerģijas izsaka ar formulu, kas izriet no Bolcmana sadalījuma (sk. § 2.4).

Kur τ 0 ir molekulas vidējais svārstību periods ap līdzsvara stāvokli.

Zinot molekulas vidējo pārvietojumu, kas ir vienāds ar attālumu starp molekulām δ, un vidējo laiku τ, mēs varam noteikt molekulu vidējo kustības ātrumu šķidrumā:

Šis ātrums ir mazs salīdzinājumā ar Vidējais ātrums molekulu kustība gāzē. Tātad, piemēram, ūdens molekulām tas ir 20 reizes mazāks nekā tvaika molekulām tajā pašā temperatūrā.

Virsmas spraigums

Šķidruma un tā piesātināto tvaiku saskarnē divi nesajaucami šķidrumi, šķidrums un cieta viela, rodas dažādu blakus esošo vidiņu starpmolekulāro mijiedarbību dēļ.

Katru molekulu, kas atrodas šķidruma tilpuma iekšpusē, vienmērīgi ieskauj blakus esošās molekulas un mijiedarbojas ar tām, bet šo spēku rezultāts ir nulle. Vides neviendabīguma dēļ molekulu, kas atrodas netālu no divu vides robežu, ietekmē spēks, ko nekompensē citas šķidruma molekulas. Tāpēc, lai pārvietotu molekulas no tilpuma uz virsmas slāni, ir jāstrādā.

Virsmas spraigumu (virsmas spraiguma koeficientu) nosaka attiecība starp darbu, kas tiek patērēts, izveidojot noteiktu šķidruma virsmu nemainīgā temperatūrā, pret šīs virsmas laukumu:

Šķidrumu stabila līdzsvara nosacījums ir virsmas slāņa minimālā enerģija, tāpēc, ja nav ārēju spēku vai atrodas bezsvara stāvoklī, šķidrumam ir tendence uz Minimālo virsmas laukumu dotajam tilpumam un tas izpaužas kā bumba.

Virsmas spraigumu var noteikt ne tikai enerģētiski. Šķidruma virsmas slāņa vēlme sarukt nozīmē tangenciālu spēku klātbūtni šajā slānī - virsmas spraiguma spēkus. Ja uz šķidruma virsmas izvēlaties segmentu ar garumu l (7.8. att.), tad šos spēkus var nosacīti attēlot ar segmentam perpendikulārām bultiņām.

MOLEKULU IZPLATĪŠANA POTENCIĀLĀ LAUKĀ

GRAVITĀCIJAS SPĒKI (BOLTZMANA IZPLATĪJUMS)

Atvasinot gāzu MKT un Maksvela sadalījuma pamatvienādojumu, tika pieņemts, ka ārējie spēki uz gāzes molekulām neiedarbojas, kas nozīmē, ka molekulas ir vienmērīgi sadalītas pa tilpumu. Tomēr jebkuras gāzes molekulas vienmēr atrodas Zemes gravitācijas potenciālajā laukā. Gravitācija, no vienas puses, un molekulu termiskā kustība, no otras puses, noved pie noteikta stacionāra stāvokļa, kurā gāzes spiediens samazinās, palielinoties augstumam.

Iegūsim likumu par spiediena izmaiņām ar augstumu, pieņemot, ka visā augstumā: gravitācijas lauks ir vienmērīgs (g = const); temperatūra ir vienāda (T = const); visu molekulu masas ir vienādas.

Lai spiediens p ir augstumā h. Tad augstumā h + dh spiediens ir p + dp. Turklāt, ja dh >0, tad dp< 0. (р + dp) – р = – r·g·dh. Из уравнения состояния Менделеева-Клапейрона, имеем:

Tagad vai .

Integrēsim labo un kreiso pusi:

; .

kur, . (26)

Šī ir tā sauktā barometriskā formula. Tas ļauj noteikt atmosfēras spiedienu atkarībā no augstuma virs jūras līmeņa:

. (27)

Jo spiediens ir tieši proporcionāls molekulu koncentrācijai, tad var iegūt molekulu koncentrācijas izmaiņu likumu ar augstumu ar nosacījumu, ka temperatūra nemainās līdz ar augstumu (T = const):

. (28)

Ņemot vērā, ka M = m∙N A un R = k∙N A no (27), mēs iegūstam:

Jo mgh = U(h) ir vienas molekulas potenciālā enerģija augstumā h, tad

(30)

ir Bolcmaņa sadalījums.

SADRIEZIENU SKAITS UN IDEĀLU GĀZES MOLEKULU VIDĒJAIS BRĪVAIS CEĻŠ.

Haotiskas kustības rezultātā gāzes molekulas nepārtraukti saduras viena ar otru. Starp divām secīgām sadursmēm molekula pārvietojas pa noteiktu ceļu λ, ko sauc par vidējo brīvo ceļu . Vispārīgā gadījumā šī ceļa garums ir atšķirīgs, bet kopš sadursmju skaits ir ļoti liels, un kustība ir nejauša, tad pastāvīgos ārējos apstākļos var runāt par vidējo brīvo ceļu - . Ja dotās gāzes molekulas vidēji piedzīvo 1 sekundi sadursmes, tad

kur ir molekulu vidējais aritmētiskais ātrums.

Ideālās gāzes molekulas mēs uzskatām par sfērām. Acīmredzot, sadursme notiks, ja divas molekulas tuvosies līdz attālumam, kas vienāds ar diviem rādiusiem, t.i., molekulu diametram d. Minimālo attālumu, kuram sadursmes laikā tuvojas divu molekulu centri, sauc par molekulu efektīvo diametru. Šis parametrs ir atkarīgs no un līdz ar to arī no gāzes temperatūras.

Lai definētu, iedomājieties molekulu ar efektīvo diametru d, kas pārvietojas ar ātrumu starp citām molekulām, kuras tajā pašā laikā paliek nekustīgas. Šī molekula sadursies ar visām molekulām, kuru centri atrodas "salauztā" cilindrā ar rādiusu d. Tas nozīmē, ka ir vienāds ar molekulu skaitu šī cilindra tilpumā

kur n ir molekulu koncentrācija un V ir cilindra tilpums: . Paturot to prātā -

. (32)

Ņemot vērā citu molekulu kustību, sadursmju skaits palielinās par koeficientu. Visbeidzot, attiecībā uz z mēs iegūstam:

. (33)

Tad (34)

Jo p ~ n, tad dažādiem ārējiem apstākļiem mums ir:

Gaisam n.o. (p \u003d 760 mm Hg; t 0 \u003d 0 0 С): z \u003d 10 9 s -1, a = 5 ∙ 10 -8 m.

PĀRVEIDOŠANAS PARĀDĪBAS

Termodinamiski nelīdzsvarotās sistēmās, t.i. sistēmās, kurām makroparametru vērtības (T, p, ) dažādos punktos ir atšķirīgas, notiek neatgriezeniski procesi, kurus sauc transporta parādības . Šādu procesu rezultātā enerģija tiek pārnesta no vienas sistēmas lokālas zonas uz otru (siltumvadītspējas parādība), masa (difūzijas parādība), impulss (iekšējā berze), lādiņš utt. Tas noved pie makroparametru vērtību saskaņošanas ar sistēmas tilpumu. Ir skaidrs, ka jebkuras vērtības pārnešana ir izskaidrojama ar noteikta skaita daļiņu (molekulu un atomu) pāreju no vietas uz vietu to haotiskās kustības rezultātā.

Mēs iegūstam vispārējo transporta vienādojumu patvaļīgā virzienā. Pa to virzīsim asi O X(3. attēls). Izšķirsim plaknes elementu ar laukumu ∆S, kas ir perpendikulārs O X. Kustības nejaušības dēļ laikā no ∆t līdz ∆S virzienā uz O X pārvietot N daļiņas:

(1)

Šeit n ir molekulu (atomu) koncentrācija un to vidējais aritmētiskais ātrums. Izejot cauri ∆S, katra molekula pārnes tai raksturīgo masu, lādiņu, impulsu, enerģiju vai kādu citu no tās īpašībām. Apzīmēsim vienas molekulas pārnestā daudzuma vērtību ar burtu φ. Tad laikā ∆t caur laukumu ∆S O ass virzienā X daudzums tiks pārskaitīts fiziskais daudzums

(2).

Acīmredzot, ja koncentrācija labajā pusē ir arī n, tad tikpat daudz daļiņu pārvietosies no labās puses uz kreiso pusi. Tie. šajā gadījumā iegūtais pārnēsājums nulle: ∆N = 0 un ∆Nφ = 0.

Ja barotne ir nehomogēna, t.i. vai nu daļiņu koncentrācija vai φ vērtības daļiņām kreisajā un labajā pusē nav vienādas, tad pārejas no reģioniem, kur (nφ) vērtība ir lielāka, uz reģionu, kur tā ir mazāka, būs lielāka iespēja. Ja pieņemam, ka (nφ) 1 > (nφ) 2, tad iegūto φ vērtības pārnešanu noteiks sakarība: . (3)

Mīnusa zīme (3) atspoguļo faktu, ka vērtība (nφ) samazinās pārsūtīšanas virzienā.

Noskaidrosim, kādā attālumā no ∆S kreisajā un labajā pusē jāņem vērtības (nφ). Jo mainīt fiziskās īpašības molekulas notiek tikai sadursmes laikā, un pirms sadursmes katra no molekulām ir nobraukusi attālumu, kas vienāds ar brīvo ceļu, tad varam pieņemt, ka (nφ) molekulas paliek nemainīgas attālumā, kas vienāds ar brīvo ceļu pa kreisi un pa labi no ∆ S. Sadaliet un reiziniet (3) labo pusi ar 2:

Daudzumu sadalījumu jebkurā virzienā nosaka raksturlielums, ko sauc par gradientu. Gradients ir lieluma izmaiņas ar attālumu vienāds ar vienu garums .

Šajā gadījumā punktā ar koordinātu X 2 nododamās vērtības vērtība ir (nφ) 2, un punktā X 1 – (nφ) 1 , pēc tam zem vērtības nφ gradienta, kas pārnests pa O asi X, vajadzētu saprast attiecības:

.

Tad nφ gradients reģionā ∆S.

. (5)

(5) ir vispārējais pārneses vienādojums.

Difūzija ir vielas masas pārnese . Ja molekulu masas ir vienādas (m 0 = const), gāzes temperatūra ir vienāda tilpuma (T = const) un ātrumu sadalījums ir vienmērīgs pa tilpumu ( = const), aizstājot molekulas masu. molekula (5), nevis φ, mēs iegūstam:

Or . (6)

Tas ir Fika likums. D = difūzijas koeficients. [D] \u003d m 2 / s.

Siltumvadītspēja ir enerģijas pārnešana . Ar nosacījumu, ka molekulu koncentrācija visā gāzes tilpumā (n \u003d const), molekulu masas ir vienādas (m 0 \u003d const), ātrumu sadalījums pa tilpumu ir vienmērīgs ( \u003d const), un vienas molekulas translācijas kustības vidējo kinētisko enerģiju, iegūstam Furjē likumu:

, vai . (7)

- siltumvadītspējas koeficients. [χ] \u003d W / (m K) \u003d kg m / (s 3 K).

Viskozitāte ir impulsa pārnešana starp paralēliem slāņiem, kas sakārtoti pārvietojas ar ātrumu u 1 Un u 2. Ar nosacījumu, ka visā gāzes tilpumā molekulu koncentrācija ir n = const, molekulu masas ir vienādas (m 0 = const), ātrumu sadalījums pa tilpumu ir vienmērīgs ( = const) un impulss vienas molekulas modulis, kas saistīts ar slāņu sakārtotās kustības ātrumu φ = p = m 0 u, slāņu mijiedarbības spēka impulsam mums ir:

Or . ()

Šis ir Ņūtona vienādojums, kas nosaka iekšējās berzes spēka (viskozitātes) lielumu. ir šķērsvirziena ātruma gradients, kas raksturo ātruma maiņas ātrumu virzienā X perpendikulāri berzes slāņu kustībai. η – dinamiskais viskozitātes koeficients . [η] = Pa s.

MOLEKULĀRIE SPĒKI

Molekulu mijiedarbības spēki vai, kā tos sauc arī par Van der Vālsa spēkiem, pēc būtības ir elektriski. Tie ir lādētu daļiņu, kas veido atomus un molekulas, mijiedarbības Kulona spēki. Tie parādās attālumos, kas ir proporcionāli pašu molekulu lielumam, un ļoti ātri samazinās, palielinoties attālumam. Tajā pašā laikā pievilcīgie spēki (pretēju lādiņu mijiedarbība) un atgrūšanas spēki (līdzīgu lādiņu mijiedarbība) darbojas vienlaikus. Jo reālās daļiņas nav punktveida, tad šo spēku lielums dažādos veidos ir atkarīgs no attāluma starp tām.

Ir trīs van der Vāla spēku veidi:

a) orientācija - darbojas starp polārajām molekulām:

,

kur р ir daļiņu elektriskais dipola moments, r ir attālums starp tām, k ir Bolcmana konstante, Т ir termodinamiskā temperatūra.

b) indukcija – apraksta molekulu mijiedarbību, polarizāciju

lādiņi, kuros rodas blakus esošo daļiņu elektrisko lauku ietekmē:

.

Šeit: р ind = ε 0 αЕ – iegūtais daļiņu elektriskais dipola moments; α ir molekulu polarizējamība.

iekšā) dispersija - nosaka molekulu mijiedarbību, kurā nejauši notiek asimetrisks lādiņu sadalījums, elektronu kustības procesā pa orbītām, kas noved pie momentāno dipolu veidošanās:

.

Kopumā visi trīs spēku veidi var darboties vienlaikus:

F m \u003d F o + F un + F d.

Apskatīsim starpmolekulāro mijiedarbības spēku atkarību no attāluma. Pievilkšanās spēki F pr tiek uzskatīti par negatīviem, un atgrūšanas spēki F no tiek uzskatīti par pozitīviem. Šo spēku summa dod rezultātu - Fres = f(r). Kādā attālumā r 0 starp molekulām |F pr | = |F no | un iegūtais spēks F \u003d F pr + F no \u003d 0. Ja r< r 0 , то преобладают силы отталкивания. Если r >r 0 , tad virsroku ņem pievilkšanas spēki. Tomēr attālumā r > 10–9 m van der Vālsa spēki ātri tiecas uz nulli.

Mijiedarbojošo molekulu sistēmu raksturo noteikta potenciālās enerģijas rezerve, kas kompleksi atkarīga no r, E p = f(r):

r → ∞ – E p → 0 ;

r > r 0 un r → r 0 - E p → E p min, E p< 0 ;

r \u003d r 0 - E p \u003d E p min, E p< 0;

r< r 0 и уменьшается – Е п → ∞, Е п > 0.

Mazāko mijiedarbības potenciālo enerģiju sauc par molekulu saistīšanas enerģiju. Tas ir vienāds ar darbu, kas jāveic pret pievilkšanas spēkiem, lai atdalītu molekulas, kas atrodas līdzsvarā.

Minimālās potenciālās enerģijas (E p min) attiecība pret termiskās kustības dubultotās vidējās enerģijas vērtību uz vienu brīvības pakāpi ir kritērijs vielas agregācijas stāvoklim. Ja:

a) E p min<< kT – газ;

b) E p min » kT – šķidrums;

c) E p min >> kT ir ciets ķermenis.

Tādējādi jebkura viela atkarībā no temperatūras var būt gāzveida, šķidrā vai cietā agregācijas stāvoklī.

GĀZU, ŠĶIDRUMU UN CIETU ĶERMEŅU STRUKTŪRAS ĪPAŠĪBAS

R.N. Grabovskis. Fizikas kurss. 1980, 168.-174.lpp.

REĀLAS GĀZES

Molekulārās kinētiskās teorijas vienādojumi diezgan labi raksturo reālu gāzu uzvedību pietiekami augstā temperatūrā un zemā spiedienā. Tas ir saprotams, jo šāds reālās gāzes stāvoklis ir vistuvāk ideālās gāzes modelim, uz kura pamata tiek iegūti visi MKT secinājumi. Tomēr, palielinoties spiedienam un pazeminoties temperatūrai, vidējais attālums starp molekulām samazinās un palielinās molekulārās mijiedarbības spēki. Piemēram, pie n.o. molekulu tilpums ir 1/10000 no gāzes aizņemtā tilpuma, un pie spiediena 500 atm (500 MPa) tā jau būs puse no kopējā gāzes tilpuma. Ir pilnīgi skaidrs, ka šajos apstākļos MKT likumi pārstāj darboties, piemēram, PV ¹ const pie T = const.

Tādējādi uzdevums ir iegūt tādu stāvokļu vienādojumu reālai gāzei, kas ņemtu vērā molekulu tilpumu un to mijiedarbību.

©2015-2019 vietne
Visas tiesības pieder to autoriem. Šī vietne nepretendē uz autorību, bet nodrošina bezmaksas izmantošanu.
Lapas izveides datums: 2016-02-13

Visa nedzīvā viela sastāv no daļiņām, kuru uzvedība var atšķirties. Gāzveida, šķidro un cieto ķermeņu struktūrai ir savas īpašības. Cietās daļiņas tiek turētas kopā, jo tās atrodas ļoti tuvu viena otrai, kas padara tās ļoti spēcīgas. Turklāt tie var saglabāt noteiktu formu, jo to mazākās daļiņas praktiski nepārvietojas, bet tikai vibrē. Šķidrumos esošās molekulas atrodas diezgan tuvu viena otrai, taču tās var brīvi pārvietoties, tāpēc tām nav savas formas. Daļiņas gāzēs pārvietojas ļoti ātri, un ap tām parasti ir daudz vietas, kas liecina, ka tās ir viegli saspiežamas.

Cietvielu īpašības un struktūra

Kāda ir cietvielu struktūra un struktūras iezīmes? Tie sastāv no daļiņām, kas atrodas ļoti tuvu viena otrai. Tie nevar kustēties, un tāpēc to forma paliek nemainīga. Kādas ir cieta ķermeņa īpašības? Tas nesamazinās, bet, ja tas tiek uzkarsēts, tā apjoms palielināsies, palielinoties temperatūrai. Tas ir tāpēc, ka daļiņas sāk vibrēt un kustēties, kas noved pie blīvuma samazināšanās.

Viena no cietvielu īpašībām ir tā, ka tām ir noteikta forma. Kad cieta viela tiek uzkarsēta, daļiņu kustība palielinās. Ātrāk kustīgās daļiņas saduras daudz vardarbīgāk, liekot katrai daļiņai stumt savus kaimiņus. Tāpēc temperatūras paaugstināšanās parasti izraisa ķermeņa spēka palielināšanos.

Cietvielu kristāliskā struktūra

Starpmolekulārie spēki, kas mijiedarbojas starp blakus esošām cietas vielas molekulām, ir pietiekami spēcīgi, lai noturētu tās fiksētā stāvoklī. Ja šīs mazākās daļiņas ir ļoti sakārtotā konfigurācijā, tad šādas struktūras parasti sauc par kristāliskām. Ar elementa vai savienojuma daļiņu (atomu, jonu, molekulu) iekšējo sakārtošanu nodarbojas īpaša zinātne - kristalogrāfija.

Īpašu interesi rada arī cietais stāvoklis. Pētot daļiņu uzvedību, to izvietojumu, ķīmiķi var izskaidrot un paredzēt, kā tas notiek noteikti veidi materiāli darbosies noteiktos apstākļos. Cietā ķermeņa mazākās daļiņas ir sakārtotas režģa formā. Tas ir tā sauktais regulārais daļiņu izvietojums, kur dažādas ķīmiskās saites starp viņiem.

Cietā ķermeņa uzbūves joslu teorija to uzskata par atomu kopumu, no kuriem katrs, savukārt, sastāv no kodola un elektroniem. Kristāla struktūrā atomu kodoli atrodas kristāla režģa mezglos, kam raksturīga noteikta telpiskā periodiskums.

Kāda ir šķidruma struktūra?

Cieto vielu un šķidrumu struktūra ir līdzīga, jo daļiņas, no kurām tie sastāv, atrodas tuvu. Atšķirība ir tāda, ka molekulas pārvietojas brīvi, jo pievilkšanās spēks starp tām ir daudz vājāks nekā cietā vielā.

Kādas ir šķidruma īpašības? Pirmkārt, tā ir plūstamība, un, otrkārt, šķidrums iegūs trauka formu, kurā tas ir ievietots. Ja tas tiek uzkarsēts, apjoms palielināsies. Tā kā daļiņas atrodas viena otrai tuvu, šķidrumu nevar saspiest.

Kāda ir gāzveida ķermeņu uzbūve un uzbūve?

Gāzes daļiņas ir izkārtotas nejauši, tās atrodas tik tālu viena no otras, ka starp tām nevar būt pievilcības spēks. Kādas īpašības piemīt gāzei un kāda ir gāzveida ķermeņu uzbūve? Parasti gāze vienmērīgi aizpilda visu telpu, kurā tā tika ievietota. Tas viegli saspiež. Gāzveida ķermeņa daļiņu ātrums palielinās, palielinoties temperatūrai. Tajā pašā laikā palielinās spiediens.

Gāzveida, šķidro un cieto ķermeņu struktūru raksturo dažādi attālumi starp šo vielu mazākajām daļiņām. Gāzes daļiņas atrodas daudz tālāk viena no otras nekā cietā vai šķidrā stāvoklī. Piemēram, gaisā vidējais attālums starp daļiņām ir aptuveni desmit reizes lielāks par katras daļiņas diametru. Tādējādi molekulu tilpums aizņem tikai aptuveni 0,1% no kopējā tilpuma. Atlikušie 99,9% ir tukša vieta. Turpretim šķidruma daļiņas aizpilda aptuveni 70% no kopējā šķidruma tilpuma.

Katra gāzes daļiņa brīvi pārvietojas pa taisnu ceļu, līdz tā saduras ar citu daļiņu (gāzi, šķidrumu vai cietu). Daļiņas parasti pārvietojas pietiekami ātri, lai pēc tam, kad divas no tām saduras, tās atsitas viena no otras un turpina ceļu vienas. Šīs sadursmes maina virzienu un ātrumu. Šīs gāzes daļiņu īpašības ļauj gāzēm paplašināties, lai aizpildītu jebkuru formu vai tilpumu.

Stāvokļa maiņa

Gāzveida, šķidro un cieto ķermeņu struktūra var mainīties, ja uz tiem iedarbojas noteikta ārēja ietekme. Tie pat var mainīties viens otra stāvokļos noteiktos apstākļos, piemēram, apkures vai dzesēšanas laikā.

• Iztvaikošana. Šķidrumu ķermeņu struktūra un īpašības ļauj noteiktos apstākļos tiem pāriet pilnīgi citā fizikālā stāvoklī. Piemēram, ja, uzpildot automašīnu, nejauši izlējat benzīnu, varat ātri sajust tā aso smaku. Kā tas notiek? Daļiņas pārvietojas pa šķidrumu, kā rezultātā noteikta daļa no tām sasniedz virsmu. To virziena kustība var pārnest šīs molekulas no virsmas un telpā virs šķidruma, bet pievilcība tās atvilks. No otras puses, ja daļiņa pārvietojas ļoti ātri, tā var atrauties no citiem pienācīgā attālumā. Tādējādi, palielinoties daļiņu ātrumam, kas parasti notiek karsējot, notiek iztvaikošanas process, tas ir, šķidruma pārvēršanās gāzē.

Ķermeņu uzvedība dažādos fiziskajos stāvokļos

Gāzu, šķidrumu, cietvielu struktūra galvenokārt ir saistīta ar to, ka visas šīs vielas sastāv no atomiem, molekulām vai joniem, taču šo daļiņu uzvedība var būt pilnīgi atšķirīga. Gāzes daļiņas atrodas haotiski tālu viena no otras, šķidruma molekulas atrodas tuvu viena otrai, taču tās nav tik stingras struktūras kā cietā vielā. Gāzes daļiņas vibrē un pārvietojas lielā ātrumā. Šķidruma atomi un molekulas vibrē, kustas un slīd viens otram garām. Vibrēt var arī cieta ķermeņa daļiņas, taču kustība kā tāda tām nav raksturīga.

Iekšējās struktūras iezīmes

Lai saprastu matērijas uzvedību, vispirms ir jāizpēta tās īpašības. iekšējā struktūra. Kādas ir iekšējās atšķirības starp granītu, olīveļļu un hēliju balons? Vienkāršs matērijas struktūras modelis palīdzēs atbildēt uz šo jautājumu.

Modelis ir reāla objekta vai vielas vienkāršota versija. Piemēram, pirms faktiskās būvniecības sākuma arhitekti vispirms izveido modeli būvprojekts. Šāds vienkāršots modelis ne vienmēr nozīmē precīzu aprakstu, bet tajā pašā laikā tas var sniegt aptuvenu priekšstatu par to, kāda būs šī vai cita struktūra.

Vienkāršoti modeļi

Tomēr zinātnē fiziskie ķermeņi ne vienmēr ir modeļi. Pagājušajā gadsimtā cilvēku izpratne par fizisko pasauli ir ievērojami palielinājusies. Tomēr liela daļa uzkrāto zināšanu un pieredzes ir balstīta uz ārkārtīgi sarežģītiem attēlojumiem, piemēram, matemātisku, ķīmisku un fizikālu formulu veidā.

Lai to visu saprastu, ir diezgan labi jāpārzina šīs eksaktās un sarežģītās zinātnes. Zinātnieki ir izstrādājuši vienkāršotus modeļus, lai vizualizētu, izskaidrotu un prognozētu fiziskas parādības. Tas viss ievērojami vienkāršo izpratni par to, kāpēc dažiem ķermeņiem ir nemainīga forma un tilpums noteiktā temperatūrā, bet citi var tos mainīt utt.

Visa matērija sastāv no sīkām daļiņām. Šīs daļiņas atrodas pastāvīgā kustībā. Kustības apjoms ir saistīts ar temperatūru. Paaugstināta temperatūra norāda uz kustības ātruma palielināšanos. Gāzveida, šķidro un cieto ķermeņu struktūra izceļas ar to daļiņu kustības brīvību, kā arī ar to, cik spēcīgi daļiņas tiek piesaistītas viena otrai. Fiziskais ir atkarīgs no viņa fiziskā stāvokļa. ūdens tvaiki, šķidrs ūdens un ledus ir tas pats Ķīmiskās īpašības, bet viņi fizikālās īpašības būtiski atšķiras.

Šķidrumu molekulārās struktūras iezīmes

Šķidrums īpašībās un struktūrā ieņem starpstāvokli starp gāzēm un cietām vielām. kristāliskas vielas. Tāpēc tai piemīt gan gāzveida, gan cietu vielu īpašības. Molekulārkinētiskajā teorijā dažādi agregāti stāvokļi vielas ir saistītas ar dažādas pakāpes molekulu sakārtošana. Cietām vielām tā sauktā liela attāluma pasūtījums daļiņu izkārtojumā, t.i. to sakārtotais izkārtojums, atkārtojot lielos attālumos. Šķidrumos t.s īstermiņa pasūtījums daļiņu izkārtojumā, t.i. to sakārtotais izvietojums, kas atkārtojas attālumos, ir salīdzināms ar starpatomiskajiem. Temperatūrā, kas ir tuvu kristalizācijas temperatūrai, šķidruma struktūra ir tuva cietas vielas struktūrai. Augstā temperatūrā, tuvu viršanas temperatūrai, šķidruma struktūra atbilst gāzveida stāvoklim - gandrīz visas molekulas piedalās haotiskā termiskā kustībā.

Šķidrumiem, tāpat kā cietām vielām, ir noteikts tilpums, un tāpat kā gāzēm tie iegūst trauka formu, kurā tie atrodas. Gāzes molekulas praktiski nav savstarpēji saistītas ar starpmolekulārās mijiedarbības spēkiem, un šajā gadījumā gāzes molekulu termiskās kustības vidējā enerģija ir daudz lielāka par vidējo potenciālo enerģiju, pateicoties starp tām esošajiem pievilkšanās spēkiem, tāpēc gāzes molekulas lido. atsevišķi iekšā dažādas puses un gāze aizņem tai paredzēto tilpumu. Cietos un šķidros ķermeņos pievilkšanās spēki starp molekulām jau ir nozīmīgi un notur molekulas noteiktā attālumā vienu no otras. Šajā gadījumā molekulu termiskās kustības vidējā enerģija ir mazāka par vidējo potenciālo enerģiju starpmolekulārās mijiedarbības spēku dēļ, un ar to nepietiek, lai pārvarētu pievilkšanās spēkus starp molekulām, tāpēc cietām vielām un šķidrumiem ir noteikts tilpums. .

Spiediens šķidrumos ļoti strauji palielinās, palielinoties temperatūrai un samazinoties tilpumam. Šķidrumu tilpuma izplešanās ir daudz mazāka nekā tvaiku un gāzu izplešanās, jo spēki, kas saista molekulas šķidrumā, ir nozīmīgāki; tā pati piezīme attiecas uz termisko izplešanos.

Šķidrumu siltumietilpība parasti palielinās līdz ar temperatūru (kaut arī nedaudz). C p /C V attiecība praktiski ir vienāda ar vienu.

Šķidruma teorija līdz šim nav pilnībā izstrādāta. Vairāku problēmu attīstība šķidruma sarežģīto īpašību izpētē pieder Ya.I. Frenkels (1894–1952). Termisko kustību šķidrumā viņš skaidroja ar to, ka katra molekula kādu laiku svārstās ap noteiktu līdzsvara stāvokli, pēc tam pārlec jaunā pozīcijā, kas atrodas starpatomu attāluma kārtu attālumā no sākotnējās. Tādējādi šķidruma molekulas pārvietojas diezgan lēni visā šķidruma masā. Palielinoties šķidruma temperatūrai, biežums svārstību kustība strauji palielinās, palielinās molekulu mobilitāte.

Pamatojoties uz Frenkela modeli, ir iespējams dažus izskaidrot specifiskas īpatnības šķidruma īpašības. Tādējādi šķidrumiem, pat tuvu kritiskajai temperatūrai, ir daudz lielāka viskozitāte nekā gāzes, un viskozitāte samazinās, palielinoties temperatūrai (nevis palielinās, kā gāzēs). Tas izskaidrojams ar impulsa pārneses procesa atšķirīgo raksturu: to pārnes molekulas, kas pārlec no viena līdzsvara stāvokļa citā, un šie lēcieni kļūst daudz biežāki, palielinoties temperatūrai. Difūzijašķidrumos notiek tikai molekulāro lēcienu dēļ, un tas notiek daudz lēnāk nekā gāzēs. Siltumvadītspējašķidrumi rodas kinētiskās enerģijas apmaiņas dēļ starp daļiņām, kas svārstās ap to līdzsvara pozīcijām ar dažādu amplitūdu; asie molekulu lēcieni nespēlē manāmu lomu. Siltuma vadīšanas mehānisms ir līdzīgs tā mehānismam gāzēs. raksturīga iezīmešķidrums ir tā spēja būt brīva virsma(nav ierobežotas ar cietām sienām).

Ir ierosinātas vairākas teorijas par šķidrumu molekulāro struktūru.

1. Zonas modelis. Konkrētajā laika momentā var uzskatīt, ka šķidrums sastāv no reģioniem, kuros atrodas molekulas pareiza kārtība, veidojot sava veida mikrokristālu (zonu). Šīs zonas it kā atdala viela gāzveida stāvoklī. Laika gaitā šīs zonas veidojas citās vietās utt.

2. Kvazikristāliskās struktūras teorija. Aplūkosim kristālu absolūtā nulles temperatūrā (sk. 9.9. att.)

Tajā izvēlamies patvaļīgu virzienu un uzzīmējam gāzes molekulas atrašanas varbūtības P atkarību noteiktā attālumā no citas molekulas, kas atrodas izcelsmē (9.9. att.). bet), savukārt molekulas atrodas kristāla režģa mezglos. Augstākā temperatūrā (9.9. att., b) molekulas svārstās ap fiksētām līdzsvara pozīcijām, kuru tuvumā tās pavada lielāko daļu sava laika. Stingrā varbūtības maksimumu atkārtošanās periodiskums ideālā kristālā sniedzas patvaļīgi tālu no izvēlētās daļiņas; tāpēc ir pieņemts teikt, ka cietā pastāv "tālas darbības kārtība".

Šķidruma gadījumā (9.9. att., iekšā) pie katras molekulas tās kaimiņi atrodas vairāk vai mazāk regulāri, bet tālu prom šī kārtība tiek pārkāpta (short-range order). Grafikā attālumus mēra molekulas rādiusa daļās (r/r 0).