Движение на молекули в газове, течности и твърди вещества. Какво състояние е разстоянието между молекулите в газообразно състояние

Твърдите вещества са онези вещества, които могат да образуват тела и имат обем. Те се различават от течностите и газовете по своята форма. Твърдите вещества запазват формата на тялото поради факта, че техните частици не могат да се движат свободно. Те се различават по своята плътност, пластичност, електропроводимост и цвят. Те имат и други свойства. Така например повечето от тези вещества се топят по време на нагряване, придобивайки течно състояние на агрегат. Някои от тях при нагряване веднага се превръщат в газ (сублимират). Но има и такива, които се разлагат на други вещества.

Видове твърди тела

Всички твърди тела са разделени на две групи.

1. Аморфен, в който отделните частици са подредени произволно. С други думи: те нямат ясна (дефинирана) структура. Тези твърди вещества са способни да се топят в определен температурен диапазон. Най-често срещаните от тях включват стъкло и смола.
2. Кристални, които от своя страна са разделени на 4 вида: атомни, молекулни, йонни, метални. В тях частиците са разположени само по определен модел, а именно във възлите на кристалната решетка. Геометрията му в различните вещества може да варира значително.

По брой твърдите кристални вещества преобладават над аморфните.

Видове твърди кристални тела

В твърдо състояние почти всички вещества имат кристална структура. Те се отличават с това, че тяхната решетка в своите възли съдържа различни частици и химични елементи. В съответствие с тях са получили имената си. Всеки тип има свои собствени характеристики:

• В атомната кристална решетка частиците на твърдото тяло са свързани с ковалентна връзка. Отличава се със своята издръжливост. Поради това такива вещества се отличават с висока и точка на кипене. Този тип включва кварц и диамант.
• В молекулярната кристална решетка връзката между частиците се отличава със своята слабост. Веществата от този тип се характеризират с лекота на кипене и топене. Те са летливи, поради което имат определена миризма. Тези твърди вещества включват лед и захар. Движенията на молекулите в твърди тела от този тип се отличават с тяхната активност.
• Във възлите се редуват съответните частици, заредени положително и отрицателно. Те се държат заедно чрез електростатично привличане. Този тип решетка съществува в алкали, соли.Много вещества от този тип са лесно разтворими във вода. Поради доста силната връзка между йоните, те са огнеупорни. Почти всички от тях са без мирис, тъй като се характеризират с нелетливост. Веществата с йонна решетка не могат да провеждат електрически ток, тъй като не съдържат свободни електрони. Типичен пример за йонно твърдо вещество е готварската сол. Такава кристална решетка го прави крехък. Това се дължи на факта, че всяко негово изместване може да доведе до появата на отблъскващи сили на йони.
• В метална кристална решетка във възлите присъстват само положително заредени химически йони. Между тях има свободни електрони, през които идеално преминава топлинна и електрическа енергия. Ето защо всички метали се отличават с такава характеристика като проводимост.

Общи понятия за твърдо тяло

Твърдите вещества и веществата са практически едно и също нещо. Тези термини се отнасят до едно от 4-те състояния на агрегиране. Твърдите тела имат стабилна форма и естеството на топлинното движение на атомите. Освен това, последните правят малки колебания в близост до равновесните позиции. Клонът на науката, занимаващ се с изучаването на състава и вътрешната структура, се нарича физика на твърдото тяло. Има и други важни области на знанието, занимаващи се с такива вещества. Промяната на формата при външни въздействия и движение се нарича механика на деформируемото тяло.

Поради различните свойства на твърдите тела, те са намерили приложение в различни технически устройства, създадени от човека. Най-често тяхното използване се основава на такива свойства като твърдост, обем, маса, еластичност, пластичност, крехкост. Съвременната наука позволява използването на други качества на твърди вещества, които могат да бъдат намерени само в лабораторията.

Какво представляват кристалите

Кристалите са твърди тела с частици, подредени в определен ред. Всеки има своя собствена структура. Неговите атоми образуват триизмерно периодично подреждане, наречено кристална решетка. Твърдите тела имат различна структурна симетрия. Кристалното състояние на твърдото тяло се счита за стабилно, тъй като има минимално количество потенциална енергия.

По-голямата част от твърдите вещества се състоят от огромен брой произволно ориентирани отделни зърна (кристалити). Такива вещества се наричат ​​поликристални. Те включват технически сплави и метали, както и много скали. Монокристалният се отнася до единични естествени или синтетични кристали.

Най-често такива твърди вещества се образуват от състоянието на течната фаза, представена от стопилка или разтвор. Понякога се получават от газообразно състояние. Този процес се нарича кристализация. Благодарение на научно-техническия прогрес, процедурата за отглеждане (синтез) на различни вещества придоби индустриален мащаб. Повечето кристали имат естествена форма под формата на Техните размери са много различни. И така, естественият кварц (планински кристал) може да тежи до стотици килограми, а диамантите - до няколко грама.

В аморфните твърди тела атомите са в постоянно колебание около произволно разположени точки. Те запазват определен ред на къси разстояния, но няма ред на далечни разстояния. Това се дължи на факта, че техните молекули са разположени на разстояние, което може да се сравни с техния размер. Най-често срещаният пример за такова твърдо вещество в нашия живот е стъкловидното състояние. често се разглежда като течност с безкрайно висок вискозитет. Времето на тяхната кристализация понякога е толкова дълго, че изобщо не се появява.

Горните свойства на тези вещества ги правят уникални. Аморфните твърди вещества се считат за нестабилни, защото могат да станат кристални с течение на времето.

Молекулите и атомите, които изграждат твърдо вещество, са опаковани с висока плътност. Те практически запазват взаимното си положение спрямо други частици и се задържат заедно поради междумолекулно взаимодействие. Разстоянието между молекулите на твърдо вещество в различни посоки се нарича параметър на решетката. Структурата на материята и нейната симетрия определят много свойства, като например електронната лента, разцепването и оптиката. Когато върху твърдото тяло се приложи достатъчно голяма сила, тези качества могат да бъдат нарушени в една или друга степен. В този случай твърдото тяло е подложено на трайна деформация.

Атомите на твърдите тела извършват колебателни движения, които определят притежаването на топлинна енергия. Тъй като те са незначителни, те могат да бъдат наблюдавани само в лабораторни условия. твърдата материя до голяма степен влияе върху нейните свойства.

Изследване на твърди вещества

Характеристиките, свойствата на тези вещества, техните качества и движението на частиците се изучават от различни подраздели на физиката на твърдото тяло.

За изследване се използват радиоспектроскопия, структурен анализ с помощта на рентгенови лъчи и други методи. Така се изучават механичните, физичните и топлинните свойства на твърдите тела. Твърдостта, устойчивостта на натоварване, якостта на опън, фазовите трансформации се изучават от материалознанието. До голяма степен отразява физиката на твърдото тяло. Има още една важна съвременна наука. Изследването на съществуващи и синтезът на нови вещества се извършват от химията на твърдото тяло.

Свойства на твърдите тела

Характерът на движението на външните електрони на атомите на твърдо вещество определя много от неговите свойства, например електрически. Има 5 класа такива тела. Те се задават в зависимост от вида на атомната връзка:

• Йонни, чиято основна характеристика е силата на електростатичното привличане. Неговите характеристики: отразяване и поглъщане на светлината в инфрачервената област. При ниски температури йонната връзка се характеризира с ниска електропроводимост. Пример за такова вещество е натриевата сол на солната киселина (NaCl).
• Ковалентен, осъществяван поради електронната двойка, която принадлежи на двата атома. Такава връзка се разделя на: единична (проста), двойна и тройна. Тези имена показват наличието на двойки електрони (1, 2, 3). Двойните и тройните връзки се наричат ​​множествени връзки. Има още едно разделение на тази група. И така, в зависимост от разпределението на електронната плътност се разграничават полярни и неполярни връзки. Първият е образуван от различни атоми, а вторият е един и същ. Такова твърдо състояние на материята, примери за което са диамант (C) и силиций (Si), се отличава със своята плътност. Най-твърдите кристали принадлежат специално към ковалентната връзка.
• Метален, образуван чрез комбиниране на валентните електрони на атомите. В резултат на това се появява общ електронен облак, който се измества под въздействието на електрическо напрежение. Метална връзка се образува, когато свързаните атоми са големи. Те са способни да даряват електрони. В много метали и сложни съединения тази връзка образува твърдо състояние на материята. Примери: натрий, барий, алуминий, мед, злато. От неметалните съединения може да се отбележи следното: AlCr 2, Ca 2 Cu, Cu 5 Zn 8. Веществата с метална връзка (металите) са разнообразни по своите физични свойства. Те могат да бъдат течни (Hg), меки (Na, K), много твърди (W, Nb).
• Молекулярна, възникваща в кристали, които се образуват от отделни молекули на вещество. Характеризира се с празнини между молекулите с нулева електронна плътност. Силите, които свързват атомите в такива кристали, са значителни. В този случай молекулите се привличат една към друга само чрез слабо междумолекулно привличане. Ето защо връзките между тях лесно се разрушават при нагряване. Връзките между атомите са много по-трудни за прекъсване. Молекулното свързване се подразделя на ориентационно, дисперсионно и индуктивно. Пример за такова вещество е твърдият метан.
• Водород, който възниква между положително поляризираните атоми на молекула или част от нея и отрицателно поляризираната най-малка частица на друга молекула или друга част. Ледът може да се припише на такива връзки.

Свойства на твърдите вещества

Какво знаем днес? Учените отдавна изучават свойствата на твърдото състояние на материята. Когато е изложен на температура, той също се променя. Преходът на такова тяло в течност се нарича топене. Преминаването на твърдо вещество в газообразно състояние се нарича сублимация. Когато температурата се понижи, настъпва кристализация на твърдото вещество. Някои вещества под въздействието на студ преминават в аморфна фаза. Учените наричат ​​този процес витрификация.

При вътрешната структура на твърдите тела се променя. Той придобива най-голям ред с понижаване на температурата. При атмосферно налягане и температура T > 0 K всички вещества, които съществуват в природата, се втвърдяват. Само хелият, който изисква налягане от 24 atm, за да кристализира, е изключение от това правило.

Твърдото състояние на веществото му придава различни физични свойства. Те характеризират специфичното поведение на телата под въздействието на определени полета и сили. Тези имоти са разделени на групи. Има 3 начина на облъчване, съответстващи на 3 вида енергия (механична, топлинна, електромагнитна). Съответно има 3 групи физични свойства на твърдите тела:

• Механични свойства, свързани с напрежението и деформацията на телата. Според тези критерии твърдите тела се делят на еластични, реологични, якостни и технологични. В покой такова тяло запазва формата си, но може да се промени под действието на външна сила. В същото време неговата деформация може да бъде пластична (първоначалната форма не се връща), еластична (връща се в първоначалната си форма) или разрушителна (разпадане/счупване възниква при достигане на определен праг). Реакцията на приложената сила се описва от модулите на еластичност. Твърдото тяло издържа не само на компресия, разтягане, но и на изместване, усукване и огъване. Силата на твърдото тяло е способността му да устои на разрушаване.
• Термичен, проявяващ се при излагане на термични полета. Едно от най-важните свойства е точката на топене, при която тялото преминава в течно състояние. Наблюдава се в кристални твърди вещества. Аморфните тела имат латентна топлина на топене, тъй като преминаването им в течно състояние с повишаване на температурата става постепенно. При достигане на определена топлина аморфното тяло губи своята еластичност и придобива пластичност. Това състояние означава, че е достигнал температурата на встъкляване. При нагряване настъпва деформация на твърдото тяло. И през повечето време се разширява. Количествено това състояние се характеризира с определен коефициент. Температурата на тялото влияе върху такива механични характеристики като течливост, пластичност, твърдост и здравина.
• Електромагнитни, свързани с въздействието върху твърдо вещество на потоци от микрочастици и електромагнитни вълни с висока твърдост. Към тях условно се отнасят радиационните свойства.

Лентова структура

Твърдите тела също се класифицират според така наречената лентова структура. И така, сред тях се разграничават:

• Проводници, характеризиращи се с това, че техните проводими и валентни ленти се припокриват. В този случай електроните могат да се движат между тях, получавайки най-малката енергия. Всички метали са проводници. Когато към такова тяло се приложи потенциална разлика, се образува електрически ток (поради свободното движение на електрони между точките с най-нисък и най-висок потенциал).
• Диелектрици, чиито зони не се припокриват. Интервалът между тях надвишава 4 eV. Необходима е много енергия за провеждане на електрони от валентната към проводимата зона. Поради тези свойства диелектриците практически не провеждат ток.
• Полупроводници, характеризиращи се с липса на проводимост и валентни зони. Интервалът между тях е по-малък от 4 eV. За прехвърляне на електрони от валентната към зоната на проводимост е необходима по-малко енергия, отколкото за диелектриците. Чистите (нелегирани и собствени) полупроводници не пропускат добре ток.

Молекулните движения в твърдите тела определят техните електромагнитни свойства.

Други имоти

Твърдите вещества също се подразделят според техните магнитни свойства. Има три групи:

• Диамагнети, чиито свойства зависят малко от температурата или състоянието на агрегиране.
• Парамагнетици, които са следствие от ориентацията на електроните на проводимостта и магнитните моменти на атомите. Според закона на Кюри тяхната чувствителност намалява пропорционално на температурата. И така, при 300 К е 10 -5 .
• Тела с подредена магнитна структура, имащи далечен ред на атомите. Във възлите на тяхната решетка периодично се разполагат частици с магнитни моменти. Такива твърди вещества и вещества често се използват в различни области на човешката дейност.

Най-твърдите вещества в природата

Какво са те? Плътността на твърдите тела до голяма степен определя тяхната твърдост. През последните години учените откриха няколко материала, които твърдят, че са "най-издръжливото тяло". Най-твърдото вещество е фулеритът (кристал с фулеренови молекули), който е около 1,5 пъти по-твърд от диаманта. За съжаление, в момента се предлага само в изключително малки количества.

Към днешна дата най-твърдото вещество, което може да се използва в бъдеще в индустрията, е лонсдейлит (шестоъгълен диамант). Той е с 58% по-твърд от диаманта. Лонсдейлитът е алотропна модификация на въглерода. Неговата кристална решетка е много подобна на диаманта. Една клетка от лонсдейлит съдържа 4 атома, а един диамант - 8. От широко използваните кристали диамантът остава най-твърдият днес.

1. Строежът на газообразни, течни и твърди тела

Молекулярно-кинетичната теория дава възможност да се разбере защо едно вещество може да бъде в газообразно, течно и твърдо състояние.
Газове.В газовете разстоянието между атомите или молекулите е средно много пъти по-голямо от размера на самите молекули ( фиг.8.5). Например при атмосферно налягане обемът на един съд е десетки хиляди пъти по-голям от обема на съдържащите се в него молекули.

Газовете лесно се компресират, докато средното разстояние между молекулите намалява, но формата на молекулата не се променя ( фиг.8.6).

В пространството се движат молекули с огромни скорости - стотици метри в секунда. Сблъсквайки се, те отскачат една от друга в различни посоки като билярдни топки. Слабите сили на привличане на газовите молекули не са в състояние да ги задържат близо една до друга. Ето защо газовете могат да се разширяват за неопределено време. Те не запазват нито форма, нито обем.
Многобройните удари на молекули върху стените на съда създават газово налягане.

Течности. Молекулите на течността са разположени почти близо една до друга ( фиг.8.7), така че течната молекула се държи по различен начин от газовата молекула. В течностите съществува така нареченият близък ред, т.е. подреденото разположение на молекулите се запазва на разстояния, равни на няколко диаметъра на молекулите. Молекулата осцилира около равновесното си положение, сблъсквайки се със съседни молекули. Само от време на време то прави нов "скок", изпадайки в ново положение на равновесие. В това равновесно положение силата на отблъскване е равна на силата на привличане, т.е. общата сила на взаимодействие на молекулата е нула. време уреден животна водните молекули, т.е. времето на нейните колебания около едно определено равновесно положение при стайна температура е средно 10 -11 s. Времето на едно трептене е много по-малко (10 -12 -10 -13 s). С повишаването на температурата времето на установения живот на молекулите намалява.

Естеството на молекулярното движение в течности, установено за първи път от съветския физик Я. И. Френкел, позволява да се разберат основните свойства на течностите.
Молекулите на течността са разположени непосредствено една до друга. С намаляване на обема силите на отблъскване стават много големи. Това обяснява ниска свиваемост на течности.
Както е известно, течностите са течни, т.е. не запазват формата си. Може да се обясни така. Външната сила не променя забележимо броя на молекулярните скокове в секунда. Но скоковете на молекулите от една установена позиция в друга се случват главно в посока на външната сила ( фиг.8.8). Ето защо течността тече и приема формата на съд.

Твърди вещества.Атомите или молекулите на твърдите тела, за разлика от атомите и молекулите на течностите, вибрират около определени равновесни позиции. Поради тази причина твърдите вещества запазват не само обема, но и формата. Потенциалната енергия на взаимодействие на молекулите на твърдото тяло е много по-голяма от тяхната кинетична енергия.
Има още една важна разлика между течности и твърди вещества. Течността може да се сравни с тълпа от хора, където отделни индивиди неспокойно се блъскат на място, а твърдото тяло е като стройна кохорта от едни и същи индивиди, които, въпреки че не стоят на едно място, поддържат средно определени дистанции помежду си . Ако свържем центровете на равновесни позиции на атоми или йони на твърдо тяло, тогава получаваме правилната пространствена решетка, т.нар. кристален.
Фигури 8.9 и 8.10 показват кристалните решетки на трапезната сол и диаманта. Вътрешният ред в подреждането на кристалните атоми води до правилни външни геометрични форми.

Фигура 8.11 показва якутски диаманти.

За газ разстоянието l между молекулите е много по-голямо от размерите на молекулите r 0:" l>>r 0 .
Течностите и твърдите тела имат l≈r 0 . Молекулите на течността са подредени в безпорядък и от време на време прескачат от едно установено положение в друго.
В кристалните твърди вещества молекулите (или атомите) са подредени по строго подреден начин.

2. Идеален газ в молекулярно-кинетичната теория

Изучаването на всяка област на физиката винаги започва с въвеждането на определен модел, в рамките на който се провежда изследването в бъдеще. Например, когато изучавахме кинематиката, моделът на тялото беше материална точка и т.н. Както може би се досещате, моделът никога няма да съответства на реалните протичащи процеси, но често се доближава много до това съответствие.

Молекулярната физика и по-специално MKT не прави изключение. Много учени са работили върху проблема за описание на модела от осемнадесети век: М. Ломоносов, Д. Джаул, Р. Клаузиус (фиг. 1). Последният всъщност въвежда модела на идеалния газ през 1857 г. Качественото обяснение на основните свойства на материята въз основа на молекулярно-кинетичната теория не е особено трудно. Въпреки това теорията, която установява количествени връзки между експериментално измерените величини (налягане, температура и др.) и свойствата на самите молекули, техния брой и скорост на движение, е много сложна. В газ при обикновено налягане разстоянието между молекулите е многократно по-голямо от техния размер. В този случай силите на взаимодействие на молекулите са незначителни и кинетичната енергия на молекулите е много по-голяма от потенциалната енергия на взаимодействие. Газовите молекули могат да се разглеждат като материални точки или много малки твърди топки. Вместо истински газ, между молекулите на които действат сложни сили на взаимодействие, ще го разгледаме моделът е идеална газ.

Идеален газ– газов модел, при който молекулите и атомите на газа са представени като много малки (изчезващи размери) еластични топчета, които не взаимодействат помежду си (без пряк контакт), а само се сблъскват (виж фиг. 2).

Трябва да се отбележи, че разреденият водород (при много ниско налягане) почти напълно удовлетворява модела на идеалния газ.

Ориз. 2.

Идеален газе газ, чието взаимодействие между молекулите е незначително. Естествено, когато молекулите на идеалния газ се сблъскат, върху тях действа отблъскваща сила. Тъй като според модела можем да разглеждаме газовите молекули като материални точки, пренебрегваме размерите на молекулите, приемайки, че обемът, който заемат, е много по-малък от обема на съда.
Спомнете си, че във физическия модел се вземат предвид само тези свойства на реална система, чието разглеждане е абсолютно необходимо, за да се обяснят изследваните модели на поведение на тази система. Никой модел не може да предаде всички свойства на системата. Сега трябва да решим един доста тесен проблем: да изчислим, използвайки молекулярно-кинетичната теория, налягането на идеален газ върху стените на съд. За този проблем идеалният газов модел се оказва доста задоволителен. Води до резултати, потвърдени от опита.

3. Газово налягане в молекулярно-кинетичната теория Нека газът е в затворен съд. Манометърът показва налягането на газа p0. Как възниква този натиск?
Всяка газова молекула, удряйки се в стената, действа върху нея с определена сила за кратък период от време. В резултат на произволни удари върху стената, налягането се променя бързо с времето, приблизително както е показано на Фигура 8.12. Въпреки това, ефектите, причинени от ударите на отделните молекули, са толкова слаби, че не се записват от манометъра. Манометърът записва средната за времето сила, действаща върху всяка единица площ от повърхността на нейния чувствителен елемент - мембраната. Въпреки малките промени в налягането, средното налягане p0на практика се оказва доста определена стойност, тъй като има много удари върху стената, а масите на молекулите са много малки.

Идеалният газ е модел на реален газ. Според този модел газовите молекули могат да се разглеждат като материални точки, чието взаимодействие възниква само при сблъсък. Сблъсквайки се със стената, газовите молекули оказват натиск върху нея.

4. Микро- и макропараметри на газа

Сега можем да започнем да описваме параметрите на идеален газ. Те са разделени на две групи:

Параметри на идеалния газ

Тоест микропараметрите описват състоянието на отделна частица (микротяло), а макропараметрите описват състоянието на цялата газова част (макротяло). Нека сега напишем връзката, свързваща някои параметри с други, или основното уравнение на MKT:

Тук: - средната скорост на частиците;

Определение. - концентрациягазови частици - броят на частиците в единица обем; ; мерна единица - .

5. Средна стойност на квадрата на скоростта на молекулите

За да изчислите средното налягане, трябва да знаете средната скорост на молекулите (по-точно средната стойност на квадрата на скоростта). Това не е лесен въпрос. Свикнали сте, че всяка частица има скорост. Средната скорост на молекулите зависи от движението на всички частици.
Средни стойности.От самото начало човек трябва да се откаже от опитите да проследи движението на всички молекули, които изграждат газа. Те са твърде много и се движат много трудно. Не е нужно да знаем как се движи всяка молекула. Трябва да разберем до какъв резултат води движението на всички газови молекули.
Естеството на движението на целия набор от газови молекули е известно от опит. Молекулите участват в произволно (топлинно) движение. Това означава, че скоростта на всяка молекула може да бъде или много голяма, или много малка. Посоката на движение на молекулите постоянно се променя, когато се сблъскват една с друга.
Скоростите на отделните молекули обаче могат да бъдат всякакви средно аритметичностойността на модула на тези скорости е съвсем определена. По същия начин ръстът на учениците в класа не е еднакъв, но средната му стойност е определено число. За да намерите това число, трябва да добавите височината на отделните ученици и да разделите тази сума на броя на учениците.
Средната стойност на квадрата на скоростта.В бъдеще ще ни трябва средната стойност не на самата скорост, а на квадрата на скоростта. Средната кинетична енергия на молекулите зависи от тази стойност. А средната кинетична енергия на молекулите, както скоро ще видим, е от голямо значение в цялата молекулярно-кинетична теория.
Нека обозначим модулите на скоростта на отделните газови молекули като . Средната стойност на квадрата на скоростта се определя по следната формула:

Където не броят на молекулите в газа.
Но квадратът на модула на всеки вектор е равен на сумата от квадратите на неговите проекции върху координатните оси О, ОЙ, ОЗ. Ето защо

Средните стойности на количествата могат да се определят с помощта на формули, подобни на формула (8.9). Между средната стойност и средните стойности на квадратите на проекциите има същата връзка като съотношението (8.10):

Наистина, равенството (8.10) е валидно за всяка молекула. Добавяне на такива равенства за отделни молекули и разделяне на двете страни на полученото уравнение на броя на молекулите н, стигаме до формула (8.11).
внимание! Тъй като посоките на трите оси О, ОЙИ унцияпоради произволното движение на молекулите, те са равни, средните стойности на квадратите на проекциите на скоростта са равни една на друга:

Виждате ли, от хаоса се появява определена закономерност. Можете ли да го разберете сами?
Като вземем предвид връзката (8.12), заместваме във формула (8.11) вместо и . Тогава за средния квадрат на проекцията на скоростта получаваме:

т.е. средният квадрат на проекцията на скоростта е равен на 1/3 от средния квадрат на самата скорост. Факторът 1/3 се появява поради триизмерността на пространството и съответно наличието на три проекции за всеки вектор.
Скоростите на молекулите варират произволно, но средният квадрат на скоростта е добре дефинирана стойност.

6. Основно уравнение на молекулярно-кинетичната теория
Пристъпваме към извеждането на основното уравнение на молекулярно-кинетичната теория на газовете. Това уравнение установява зависимостта на налягането на газа от средната кинетична енергия на неговите молекули. След извеждането на това уравнение през XIXв. и експерименталното доказателство за неговата валидност постави началото на бързото развитие на количествената теория, което продължава и до днес.
Доказателството на почти всяко твърдение във физиката, извеждането на всяко уравнение може да бъде направено с различна степен на строгост и убедителност: много опростено, повече или по-малко строго или с пълната строгост, достъпна за съвременната наука.
Строгото извеждане на уравнението на молекулярно-кинетичната теория на газовете е доста сложно. Следователно, ние се ограничаваме до силно опростено, схематично извеждане на уравнението. Въпреки всички опростявания, резултатът ще бъде правилен.
Извеждане на основното уравнение.Изчислете налягането на газа върху стената CDсъд ABCD■ площ С, перпендикулярна на координатната ос ОХ (фиг.8.13).

Когато една молекула удари стена, нейният импулс се променя: . Тъй като модулът на скоростта на молекулите не се променя при удар, тогава . Според втория закон на Нютон промяната на импулса на молекулата е равна на импулса на силата, действаща върху нея от страната на стената на съда, а според третия закон на Нютон, импулса на силата, с която е действала молекулата на стената е еднаква по абсолютна стойност. Следователно, в резултат на удара на молекулата, върху стената действа сила, чийто импулс е равен на .

Нека разгледаме как проекцията на получената сила на взаимодействие между тях върху правата линия, свързваща центровете на молекулите, се променя в зависимост от разстоянието между молекулите. Ако молекулите са разположени на разстояния, превишаващи техния размер няколко пъти, тогава силите на взаимодействие между тях практически не влияят. Силите на взаимодействие между молекулите са с малък обсег.

При разстояния, надвишаващи 2-3 молекулни диаметъра, отблъскващата сила е практически нулева. Забелязва се само силата на привличане. С намаляването на разстоянието силата на привличане се увеличава и в същото време силата на отблъскване започва да влияе. Тази сила нараства много бързо, когато електронните обвивки на молекулите започнат да се припокриват.

Фигура 2.10 показва графично зависимостта на проекцията Е r сили на взаимодействие на молекулите върху разстоянието между техните центрове. На разстояние r 0, приблизително равна на сумата от радиусите на молекулите, Е r = 0 , тъй като силата на привличане е равна по абсолютна стойност на силата на отблъскване. При r > r 0 съществува сила на привличане между молекулите. Проекцията на силата, действаща върху дясната молекула, е отрицателна. При r < r 0 има отблъскваща сила с положителна проекционна стойност Е r .

Произход на еластичните сили

Зависимостта на силите на взаимодействие на молекулите от разстоянието между тях обяснява появата на еластична сила при компресия и опън на телата. Ако се опитате да приближите молекулите на разстояние, по-малко от r0, тогава започва да действа сила, която предотвратява приближаването. Напротив, когато молекулите се отдалечават една от друга, действа сила на привличане, която връща молекулите в първоначалните им позиции след прекратяване на външното влияние.

При малко изместване на молекули от равновесни позиции, силите на привличане или отблъскване нарастват линейно с увеличаване на изместването. В малък участък кривата може да се счита за прав сегмент (удебелената част на кривата на фиг. 2.10). Ето защо при малки деформации се оказва валиден законът на Хук, според който еластичната сила е пропорционална на деформацията. При големи премествания на молекулите законът на Хук вече не е валиден.

Тъй като разстоянията между всички молекули се променят, когато тялото се деформира, съседните слоеве молекули представляват незначителна част от общата деформация. Следователно законът на Хук се изпълнява при деформации, които са милиони пъти по-големи от размера на молекулите.

Атомно-силов микроскоп

Устройството на атомно-силовия микроскоп (АСМ) се основава на действието на отблъскващи сили между атомите и молекулите на малки разстояния. Този микроскоп, за разлика от тунелния микроскоп, ви позволява да получавате изображения на непроводими повърхности. Вместо волфрамов връх, AFM използва малко парче диамант, заострен до атомни размери. Този фрагмент е фиксиран върху тънък метален държач. Когато върхът се приближи до изследваната повърхност, електронните облаци от диамантени атоми и повърхността започват да се припокриват и възникват сили на отблъскване. Тези сили отклоняват върха на диамантения връх. Отклонението се регистрира с лазерен лъч, отразен от огледало, закрепено на държач. Отразеният лъч задвижва пиезоелектрическо рамо, подобно на това на тунелен микроскоп. Механизмът за обратна връзка гарантира, че височината на диамантената игла над повърхността е такава, че кривината на плочата на държача остава непроменена.

На фигура 2.11 виждате AFM изображение на полимерните вериги на аминокиселината аланин. Всяка туберкула представлява една молекула аминокиселина.

Понастоящем са проектирани атомни микроскопи, чието устройство се основава на действието на молекулярните сили на привличане на разстояния, няколко пъти по-големи от размера на атома. Тези сили са приблизително 1000 пъти по-малки от силите на отблъскване в AFM. Следователно се използва по-сложна чувствителна система за регистриране на силите.

Атомите и молекулите са изградени от електрически заредени частици. Поради действието на електрическите сили на къси разстояния молекулите се привличат, но започват да се отблъскват, когато електронните обвивки на атомите се припокриват.

Какво е средното разстояние между молекулите на наситената водна пара при 100°C?

Задача № 4.1.65 от „Колекция от задачи за подготовка за приемни изпити по физика в USPTU“

дадени:

\(t=100^\circ\) C, \(l-?\)

Решението на проблема:

Да разгледаме водната пара в някакво произволно количество, равно на \(\nu\) mol. За да определите обема \ (V \), зает от дадено количество водна пара, трябва да използвате уравнението на Клапейрон-Менделеев:

В тази формула \(R\) е универсалната газова константа, равна на 8,31 J/(mol·K). Налягането на наситената водна пара \(p\) при температура 100 ° C е 100 kPa, това е известен факт и всеки ученик трябва да го знае.

За да определим броя на молекулите на водната пара \(N\), използваме следната формула:

Тук \(N_A\) е числото на Авогадро, равно на 6,023 10 23 1/mol.

Тогава за всяка молекула има куб с обем \(V_0\), очевидно определен от формулата:

\[(V_0) = \frac(V)(N)\]

\[(V_0) = \frac((\nu RT))((p\nu (N_A))) = \frac((RT))((p(N_A)))\]

Сега погледнете диаграмата за проблема. Всяка молекула е условно разположена в свой собствен куб, разстоянието между две молекули може да варира от 0 до \(2d\), където \(d\) е дължината на ръба на куба. Средното разстояние \(l\) ще бъде равно на дължината на ръба на куба \(d\):

Дължината на ръба \(d\) може да се намери по следния начин:

В резултат на това получаваме следната формула:

Нека преобразуваме температурата в скалата на Келвин и изчислим отговора:

Отговор: 3,72 nm.

Ако не разбирате решението и имате някакъв въпрос или откриете грешка, не се колебайте да оставите коментар по-долу.