كيف يتم ترتيب الجسيمات في المواد الصلبة والسوائل والغازات؟ السوائل. حركة الجزيئات في السوائل الحالة الغازية للمادة ترتيب الجزيئات

يحتل السائل موقعًا وسيطًا في الخصائص والبنية بين الغازات والمواد البلورية الصلبة. لذلك ، لها خصائص كل من المواد الغازية والصلبة. في النظرية الحركية الجزيئية ، ترتبط حالات التجميع المختلفة للمادة بدرجات مختلفة من الترتيب الجزيئي. بالنسبة للمواد الصلبة ، فإن ما يسمى ب طلب بعيد المدىفي ترتيب الجسيمات ، أي ترتيبها المنظم ، تتكرر على مسافات طويلة. في السوائل ، ما يسمى ب ترتيب قصير المدىفي ترتيب الجسيمات ، أي ترتيبها المرتب ، المتكرر على مسافات ، يمكن مقارنته بالترتيب بين الذرات. عند درجات حرارة قريبة من درجة حرارة التبلور ، يكون التركيب السائل قريبًا من المادة الصلبة. في درجات الحرارة المرتفعة ، بالقرب من نقطة الغليان ، تتوافق بنية السائل مع الحالة الغازية - تشارك جميع الجزيئات تقريبًا في الحركة الحرارية الفوضوية.

السوائل ، مثل المواد الصلبة ، لها حجم معين ، ومثل الغازات ، فإنها تأخذ شكل الوعاء الذي توجد فيه. لا ترتبط جزيئات الغاز عمليًا بقوى التفاعل بين الجزيئات ، وفي هذه الحالة يكون متوسط ​​الطاقة للحركة الحرارية لجزيئات الغاز أكبر بكثير من متوسط ​​الطاقة الكامنة بسبب قوى التجاذب بينها ، لذلك تتشتت جزيئات الغاز في اتجاهات مختلفة ويحتل الغاز الحجم المقدم لها. في الأجسام الصلبة والسائلة ، تكون قوى الجذب بين الجزيئات مهمة بالفعل وتبقي الجزيئات على مسافة معينة من بعضها البعض. في هذه الحالة ، يكون متوسط ​​الطاقة للحركة الحرارية للجزيئات أقل من متوسط ​​الطاقة الكامنة بسبب قوى التفاعل بين الجزيئات ، ولا يكفي التغلب على قوى الجذب بين الجزيئات ، لذلك فإن المواد الصلبة والسوائل لها حجم معين .

يزداد الضغط في السوائل بشكل حاد للغاية مع زيادة درجة الحرارة وانخفاض الحجم. يكون التمدد الحجمي للسوائل أقل بكثير من توسع الأبخرة والغازات ، لأن القوى التي تربط الجزيئات في السائل تكون أكثر أهمية ؛ نفس الملاحظة تنطبق على التمدد الحراري.

عادة ما تزداد السعة الحرارية للسوائل مع زيادة درجة الحرارة (وإن كان ذلك بشكل طفيف). نسبة C p / C V عمليا تساوي واحد.

لم يتم تطوير نظرية السوائل بشكل كامل حتى الآن. تطوير عدد من المشاكل في دراسة الخصائص المعقدة للسائل ينتمي إلى Ya.I. فرنكل (1894-1952). وشرح الحركة الحرارية في السائل بحقيقة أن كل جزيء يتأرجح لبعض الوقت حول موضع توازن معين ، وبعد ذلك يقفز إلى موضع جديد ، وهو على مسافة من ترتيب المسافة بين الذرات من الأول. وهكذا ، فإن جزيئات السائل تتحرك ببطء شديد في جميع أنحاء كتلة السائل. مع زيادة درجة حرارة السائل ، يزداد تواتر الحركة التذبذبية بشكل حاد ، وتزداد حركة الجزيئات.

بناءً على نموذج Frenkel ، من الممكن شرح بعض السمات المميزةخصائص السائل. وبالتالي ، فإن السوائل ، حتى بالقرب من درجة الحرارة الحرجة ، لديها نسبة أكبر من ذلك بكثير اللزوجةمن الغازات ، وتنخفض اللزوجة مع زيادة درجة الحرارة (بدلاً من الزيادات ، كما هو الحال في الغازات). يفسر ذلك طبيعة مختلفة لعملية نقل الزخم: يتم نقلها بواسطة جزيئات تقفز من حالة توازن إلى أخرى ، وتصبح هذه القفزات أكثر تكرارًا مع زيادة درجة الحرارة. انتشاريحدث في السوائل فقط بسبب القفزات الجزيئية ، ويحدث بشكل أبطأ بكثير من الغازات. توصيل حراريالسوائل ناتجة عن تبادل الطاقة الحركية بين الجسيمات التي تتأرجح حول مواضع توازنها ذات السعات المختلفة ؛ لا تلعب القفزات الحادة للجزيئات دورًا ملحوظًا. تشبه آلية التوصيل الحراري آليتها في الغازات. السمة المميزة للسائل هي قدرته على الامتلاك سطح الحرة(لا تقتصر على الجدران الصلبة).

الفيزياء الجزيئية سهلة!

قوى تفاعل الجزيئات

تتفاعل جميع جزيئات المادة مع بعضها البعض عن طريق قوى الجذب والتنافر.
دليل على تفاعل الجزيئات: ظاهرة الترطيب ، مقاومة الانضغاط والتمدد ، انخفاض انضغاط المواد الصلبة والغازات ، إلخ.
سبب تفاعل الجزيئات هو التفاعلات الكهرومغناطيسية للجسيمات المشحونة في المادة.

كيف نفسر ذلك؟

تتكون الذرة من نواة موجبة الشحنة وقذيفة إلكترونية سالبة الشحنة. شحنة النواة تساوي الشحنة الكلية لجميع الإلكترونات ، لذلك ، ككل ، الذرة متعادلة كهربائيًا.
الجزيء الذي يتكون من ذرة واحدة أو أكثر هو أيضًا محايد كهربائيًا.

ضع في اعتبارك التفاعل بين الجزيئات باستخدام مثال جزيئين غير متحركين.

يمكن أن توجد قوى الجاذبية والقوى الكهرومغناطيسية بين الأجسام في الطبيعة.
نظرًا لأن كتل الجزيئات صغيرة للغاية ، يمكن تجاهل قوى الجاذبية المهملة بين الجزيئات.

على مسافات كبيرة جدًا ، لا يوجد تفاعل كهرومغناطيسي بين الجزيئات أيضًا.

ولكن ، مع انخفاض المسافة بين الجزيئات ، تبدأ الجزيئات في توجيه نفسها بحيث يكون لجوانبها التي تواجه بعضها البعض شحنات مختلفة (بشكل عام ، تظل الجزيئات محايدة) ، وتنشأ قوى جذب بين الجزيئات.

مع انخفاض أكبر في المسافة بين الجزيئات ، تنشأ قوى التنافر نتيجة تفاعل قذائف الإلكترون سالبة الشحنة لذرات الجزيئات.

نتيجة لذلك ، يتأثر الجزيء بمجموع قوى الجذب والتنافر. على مسافات كبيرة ، تسود القوة الجذابة (على مسافة 2-3 أقطار جزيئية ، يكون الجذب بحد أقصى) ، على مسافات قصيرة ، قوة التنافر.

هناك مسافة بين الجزيئات تصبح فيها قوى الجذب مساوية لقوى التنافر. يسمى هذا الموقف للجزيئات موقف التوازن المستقر.

تمتلك الجزيئات الموجودة على مسافة من بعضها البعض والمتصلة بالقوى الكهرومغناطيسية طاقة كامنة.
في وضع التوازن المستقر ، تكون الطاقة الكامنة للجزيئات ضئيلة.

في مادة ما ، يتفاعل كل جزيء في وقت واحد مع العديد من الجزيئات المجاورة ، مما يؤثر أيضًا على قيمة الحد الأدنى من الطاقة الكامنة للجزيئات.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن جميع جزيئات المادة في حركة مستمرة ، أي لديها طاقة حركية.

وبالتالي ، يتم تحديد بنية المادة وخصائصها (الأجسام الصلبة والسائلة والغازية) من خلال النسبة بين الحد الأدنى من الطاقة الكامنة لتفاعل الجزيئات والطاقة الحركية للحركة الحرارية للجزيئات.

هيكل وخصائص الأجسام الصلبة والسائلة والغازية

يتم تفسير بنية الأجسام من خلال تفاعل جزيئات الجسم وطبيعة حركتها الحرارية.

صلب

المواد الصلبة لها شكل وحجم ثابتان ، وهي عمليا غير قابلة للضغط.
الحد الأدنى من الطاقة الكامنة لتفاعل الجزيئات أكبر من الطاقة الحركية للجزيئات.
تفاعل قوي للجسيمات.

يتم التعبير عن الحركة الحرارية للجزيئات في مادة صلبة فقط من خلال تذبذبات الجسيمات (الذرات والجزيئات) حول موضع التوازن المستقر.

نظرًا لقوى الجذب الكبيرة ، لا تستطيع الجزيئات عمليًا تغيير موقعها في مادة ما ، وهو ما يفسر ثبات حجم وشكل المواد الصلبة.

تحتوي معظم المواد الصلبة على ترتيب مرتب مكانيًا للجسيمات التي تشكل شبكة بلورية منتظمة. توجد جسيمات المادة (الذرات ، الجزيئات ، الأيونات) في الرؤوس - العقد في الشبكة البلورية. تتزامن عقد الشبكة البلورية مع موضع التوازن المستقر للجسيمات.
تسمى هذه المواد الصلبة بلورية.

سائل

السوائل لها حجم معين ، ولكن ليس لها شكلها الخاص ، فهي تأخذ شكل الوعاء الذي توجد فيه.
الحد الأدنى من الطاقة الكامنة لتفاعل الجزيئات يمكن مقارنته بالطاقة الحركية للجزيئات.
تفاعل الجسيمات الضعيف.
يتم التعبير عن الحركة الحرارية للجزيئات في السائل عن طريق التذبذبات حول موضع التوازن المستقر داخل الحجم المقدم للجزيء من قبل جيرانه

لا يمكن للجزيئات أن تتحرك بحرية عبر الحجم الكامل للمادة ، ولكن من الممكن انتقال الجزيئات إلى الأماكن المجاورة. هذا ما يفسر سيولة السائل والقدرة على تغيير شكله.

في السوائل ، ترتبط الجزيئات ارتباطًا وثيقًا ببعضها البعض من خلال قوى الجذب ، وهو ما يفسر ثبات حجم السائل.

في السائل ، المسافة بين الجزيئات تساوي تقريبًا قطر الجزيء. مع انخفاض المسافة بين الجزيئات (ضغط السائل) ، تزداد قوى التنافر بشكل حاد ، وبالتالي تصبح السوائل غير قابلة للضغط.

من حيث هيكلها وطبيعة حركتها الحرارية ، تحتل السوائل موقعًا وسيطًا بين المواد الصلبة والغازات.
على الرغم من أن الفرق بين السائل والغاز أكبر بكثير من الفرق بين السائل والصلب. على سبيل المثال ، أثناء الذوبان أو التبلور ، يتغير حجم الجسم عدة مرات أقل مما يحدث أثناء التبخر أو التكثيف.

لا تحتوي الغازات على حجم ثابت وتشغل الحجم الكامل للوعاء الذي توجد فيه.
الحد الأدنى من الطاقة الكامنة لتفاعل الجزيئات أقل من الطاقة الحركية للجزيئات.
جزيئات المادة عمليا لا تتفاعل.
تتميز الغازات باضطراب كامل في ترتيب وحركة الجزيئات.

يتم ترتيب جزيئات وذرات الجسم الصلب بترتيب وشكل معين شعرية الكريستال. تسمى هذه المواد الصلبة بلورية. تتذبذب الذرات حول وضع التوازن ، ويكون التجاذب بينهما قويًا جدًا. لذلك ، تحتفظ الأجسام الصلبة في الظروف العادية بالحجم ولها شكلها الخاص.

التوازن الحراري هو حالة النظام الديناميكي الحراري الذي يمر فيه تلقائيًا بعد فترة زمنية طويلة بما فيه الكفاية في ظل ظروف العزلة عن البيئة.

درجة الحرارة هي كمية فيزيائية تميز متوسط ​​الطاقة الحركية لجزيئات النظام العياني في حالة توازن ديناميكي حراري. في حالة التوازن ، يكون لدرجة الحرارة نفس القيمة لجميع الأجزاء العيانية من النظام.

درجة مئوية(رمز: درجة مئوية) هي وحدة درجة حرارة شائعة مستخدمة في النظام الدولي للوحدات (SI) جنبًا إلى جنب مع كلفن.

ميزان حرارة طبي زئبقي

ميزان حرارة ميكانيكي

سميت الدرجة المئوية على اسم العالم السويدي أندرس سيلسيوس ، الذي اقترح في عام 1742 مقياسًا جديدًا لقياس درجة الحرارة. الصفر على مقياس سيليزيوس هو نقطة انصهار الجليد ، و 100 درجة هي نقطة غليان الماء عند الضغط الجوي القياسي. (في البداية ، اعتبرت سيليزيوس درجة حرارة انصهار الجليد 100 درجة ، ونقطة غليان الماء صفر درجة. وبعد ذلك فقط قام كارل لينيوس المعاصر "بقلب" هذا المقياس). هذا المقياس خطي في النطاق من 0 إلى 100 درجة ويستمر أيضًا خطيًا في المنطقة التي تقل عن 0 درجة وما فوق 100 درجة. الخطية هي مشكلة رئيسية مع قياسات دقيقة لدرجة الحرارة. يكفي أن نذكر أنه لا يمكن تمييز مقياس حرارة كلاسيكي مملوء بالماء لدرجات حرارة أقل من 4 درجات مئوية ، لأنه في هذا النطاق يبدأ الماء في التمدد مرة أخرى.

اعتمد التعريف الأصلي للدرجة المئوية على تعريف الضغط الجوي القياسي ، لأن كلا من نقطة غليان الماء ونقطة انصهار الجليد تعتمدان على الضغط. هذا ليس مناسبًا جدًا لتوحيد وحدة القياس. لذلك ، بعد اعتماد كلفن K كوحدة أساسية لدرجة الحرارة ، تمت مراجعة تعريف الدرجة المئوية.

وفقًا للتعريف الحديث ، فإن الدرجة المئوية تساوي واحدًا كلفن كلفن ، ويتم ضبط صفر مقياس سلزيوس بحيث تكون درجة حرارة النقطة الثلاثية للماء 0.01 درجة مئوية. نتيجة لذلك ، يتم إزاحة مقياسي Celsius و Kelvin بمقدار 273.15:

26)غاز مثالي- نموذج رياضي للغاز ، يُفترض فيه أن الطاقة الكامنة لتفاعل الجزيئات يمكن إهمالها بالمقارنة مع طاقتها الحركية. لا تعمل قوى الجذب أو التنافر بين الجزيئات ، وتصادمات الجسيمات بينها وبين جدران الوعاء مرنة تمامًا ، ووقت التفاعل بين الجزيئات صغير بشكل مهم مقارنة بمتوسط ​​الوقت بين الاصطدامات.

أين كهل ثابت بولتزمان (نسبة ثابت الغاز العام صلعدد أفوجادرو لا), أنا- عدد درجات حرية الجزيئات (في معظم المشكلات المتعلقة بالغازات المثالية ، حيث يُفترض أن تكون الجزيئات كرات ذات نصف قطر صغير ، يمكن أن يكون التناظرية الفيزيائية غازات خاملة) ، و تيهي درجة الحرارة المطلقة.

تربط المعادلة الأساسية لـ MKT المعلمات العيانية (الضغط والحجم ودرجة الحرارة) لنظام الغاز بالمعلمات المجهرية (الكتلة الجزيئية ، ومتوسط ​​سرعة حركتها).

الفيزياء. جزيئات. ترتيب الجزيئات في المسافة الغازية والسائلة والصلبة.

1. 
   
   
2. في الحالة الغازية ، لا ترتبط الجزيئات ببعضها البعض ، فهي تقع على مسافة كبيرة من بعضها البعض. الحركة البراونية. يمكن ضغط الغاز بسهولة نسبية.
   في السائل ، تكون الجزيئات قريبة من بعضها ، وتهتز معًا. تقريبا غير قابل للضغط.
   في المادة الصلبة - يتم ترتيب الجزيئات بترتيب صارم (في المشابك البلورية) ، لا توجد حركة للجزيئات. الضغط لن يستسلم.
3. تركيب المادة وبداية الكيمياء:
   http://samlib.ru/a/anemow_e_m/aa0.shtml
   (بدون تسجيل ورسائل SMS ، بتنسيق نصي مناسب: يمكنك استخدام Ctrl + C)
4. ليس من الممكن بأي حال من الأحوال الاتفاق على أن الجزيئات لا تتحرك في الحالة الصلبة.

   حركة الجزيئات في الغازات

   في الغازات ، عادة ما تكون المسافة بين الجزيئات والذرات أكبر بكثير من حجم الجزيئات ، وتكون قوى الجذب صغيرة جدًا. لذلك ، ليس للغازات شكلها وحجمها الثابت. يتم ضغط الغازات بسهولة لأن قوى التنافر على مسافات كبيرة صغيرة أيضًا. تتميز الغازات بخاصية التوسع إلى أجل غير مسمى ، وملء الحجم الكامل المقدم لها. تتحرك جزيئات الغاز بسرعات عالية جدًا ، وتتصادم مع بعضها البعض ، وترتد عن بعضها البعض في اتجاهات مختلفة. تخلق التأثيرات العديدة للجزيئات على جدران الوعاء ضغط الغاز.

   حركة الجزيئات في السوائل

   في السوائل ، لا تتأرجح الجزيئات حول موضع التوازن فحسب ، بل تقفز أيضًا من موضع توازن إلى آخر. تحدث هذه القفزات بشكل دوري. الفترة الزمنية بين هذه القفزات تسمى متوسط ​​وقت الحياة المستقرة (أو متوسط ​​وقت الاسترخاء) ويشار إليها بالحرف ؟. بمعنى آخر ، وقت الاسترخاء هو وقت التذبذب حول موضع توازن معين. في درجة حرارة الغرفة ، هذه المرة في المتوسط ​​10-11 ثانية. وقت التذبذب الواحد هو 10-1210-13 ثانية.

   وقت الحياة المستقرة يتناقص مع زيادة درجة الحرارة. المسافة بين الجزيئات السائلة أصغر من حجم الجزيئات ، والجسيمات قريبة من بعضها البعض ، والجاذبية بين الجزيئات كبيرة. ومع ذلك ، لا يتم ترتيب الجزيئات السائلة بشكل صارم في جميع أنحاء الحجم.

   السوائل ، مثل المواد الصلبة ، تحتفظ بحجمها ، لكن ليس لها شكلها الخاص. لذلك ، يأخذون شكل السفينة التي يوجدون فيها. السائل له خاصية السيولة. بسبب هذه الخاصية ، فإن السائل لا يقاوم تغير الشكل ، ويضغط قليلاً ، وخصائصه الفيزيائية هي نفسها في جميع الاتجاهات داخل السائل (الخواص السائلة). أسس الفيزيائي السوفيتي ياكوف إيليتش فرنكل (1894-1952) طبيعة الحركة الجزيئية في السوائل.

   حركة الجزيئات في المواد الصلبة

   يتم ترتيب جزيئات وذرات الجسم الصلب بترتيب معين وتشكل شبكة بلورية. تسمى هذه المواد الصلبة بلورية. تتذبذب الذرات حول وضع التوازن ، ويكون التجاذب بينهما قويًا جدًا. لذلك ، تحتفظ الأجسام الصلبة في الظروف العادية بحجمها ولها شكلها الخاص.

5. في الغازية تتحرك بشكل عشوائي ، تقطع
   في حركة السائل تمشيا مع بعضها البعض
   في صلب - لا تتحرك.

الطاقة الحركية للجزيء

في الغاز ، تقوم الجزيئات بحركة حرة (معزولة عن الجزيئات الأخرى) ، فقط من وقت لآخر تصطدم ببعضها البعض أو بجدران الوعاء. طالما أن الجزيء في حركة حرة ، فله طاقة حركية فقط. أثناء التصادم ، تمتلك الجزيئات أيضًا طاقة كامنة. وبالتالي ، فإن الطاقة الإجمالية للغاز هي مجموع الطاقات الحركية والطاقات الكامنة لجزيئاته. كلما تخلخل الغاز ، زاد عدد الجزيئات في كل لحظة من الزمن في حالة حرية الحركة ، مع وجود طاقة حركية فقط. وبالتالي ، عندما يتخلخ الغاز ، تقل حصة الطاقة الكامنة مقارنة بالطاقة الحركية.

متوسط ​​الطاقة الحركية لجزيء في توازن الغاز المثالي له ميزة واحدة مهمة للغاية: في مزيج من الغازات المختلفة ، يكون متوسط ​​الطاقة الحركية للجزيء لمكونات مختلفة من الخليط هو نفسه.

على سبيل المثال ، الهواء عبارة عن مزيج من الغازات. متوسط ​​طاقة جزيء الهواء لجميع مكوناته في ظل الظروف العادية ، عندما لا يزال من الممكن اعتبار الهواء غازًا مثاليًا ، هو نفسه. يمكن إثبات خاصية الغازات المثالية هذه على أساس اعتبارات إحصائية عامة. يتبع ذلك نتيجة مهمة: إذا كان غازان مختلفان (في أوعية مختلفة) في حالة توازن حراري مع بعضهما البعض ، فإن متوسط ​​الطاقات الحركية لجزيئاتهما هو نفسه.

في الغازات ، عادة ما تكون المسافة بين الجزيئات والذرات أكبر بكثير من حجم الجزيئات نفسها ، قوى التفاعل للجزيئات ليست كبيرة. نتيجة لذلك ، لا يكون للغاز شكله الخاص وحجمه الثابت. الغاز سهل الانضغاط ويمكن أن يتوسع إلى أجل غير مسمى. تتحرك جزيئات الغاز بحرية (يمكن أن تدور بشكل انتقالي) ، وتتصادم أحيانًا فقط مع الجزيئات الأخرى وجدران الوعاء الذي يوجد فيه الغاز ، وتتحرك بسرعات عالية جدًا.

حركة الجسيمات في المواد الصلبة

يختلف هيكل المواد الصلبة اختلافًا جوهريًا عن بنية الغازات. في نفوسهم ، تكون المسافات بين الجزيئات صغيرة والطاقة الكامنة للجزيئات قابلة للمقارنة مع الطاقة الحركية. لا يمكن تسمية الذرات (أو الأيونات أو الجزيئات الكاملة) بأنها غير متحركة ، فهي تؤدي حركة تذبذبية عشوائية حول مواقعها الوسطى. كلما ارتفعت درجة الحرارة ، زادت طاقة التذبذبات ، وبالتالي متوسط ​​سعة التذبذبات. تفسر الاهتزازات الحرارية للذرات أيضًا السعة الحرارية للمواد الصلبة. دعونا نفكر بمزيد من التفصيل في حركات الجسيمات في المواد الصلبة البلورية. البلورة بأكملها هي نظام تذبذب مقترن معقد للغاية. إن انحرافات الذرات عن المواضع المتوسطة صغيرة ، وبالتالي يمكننا أن نفترض أن الذرات تخضع لعمل قوى شبه مرنة تخضع لقانون هوك الخطي. تسمى هذه الأنظمة التذبذبية الخطية.

هناك نظرية رياضية مطورة للأنظمة الخاضعة للتذبذبات الخطية. إنه يثبت نظرية مهمة للغاية ، جوهرها كما يلي. إذا كان النظام ينفذ تذبذبات صغيرة (خطية) مترابطة ، فعند تحويل الإحداثيات يمكن تقليصه رسميًا إلى نظام من المذبذبات المستقلة (حيث لا تعتمد معادلات التذبذب على بعضها البعض). يتصرف نظام المذبذبات المستقلة مثل الغاز المثالي بمعنى أن ذرات الأخير يمكن اعتبارها مستقلة أيضًا.

باستخدام فكرة استقلال ذرات الغاز وصلنا إلى قانون بولتزمان. يوفر هذا الاستنتاج المهم للغاية أساسًا بسيطًا وموثوقًا لنظرية المواد الصلبة بأكملها.

قانون بولتزمان

يتم تحديد عدد المذبذبات ذات المعلمات المحددة (الإحداثيات والسرعات) بنفس طريقة تحديد عدد جزيئات الغاز في حالة معينة ، وفقًا للصيغة:

طاقة المذبذب.

لا توجد قيود على قانون بولتزمان (1) في نظرية الجسم الصلب ، ومع ذلك ، فإن الصيغة (2) لطاقة المذبذب مأخوذة من الميكانيكا الكلاسيكية. في الاعتبار النظري للمواد الصلبة ، من الضروري الاعتماد على ميكانيكا الكم ، والتي تتميز بتغير منفصل في طاقة المذبذب. يصبح تقديص طاقة المذبذب ضئيلًا فقط عند القيم العالية بما فيه الكفاية لطاقتها. هذا يعني أنه لا يمكن استخدام (2) إلا في درجات حرارة عالية بما فيه الكفاية. في درجات حرارة عالية من مادة صلبة ، قريبة من نقطة الانصهار ، يشير قانون بولتزمان إلى قانون التوزيع المنتظم للطاقة على درجات الحرية. إذا كان في الغازات لكل درجة من الحرية ، في المتوسط ​​، هناك كمية من الطاقة تساوي (1/2) كيلو طن ، فإن المذبذب لديه درجة واحدة من الحرية ، بالإضافة إلى الحركية ، لديه طاقة كامنة. لذلك ، درجة واحدة من الحرية في مادة صلبة عند درجة حرارة عالية بدرجة كافية لها طاقة تساوي kT. بناءً على هذا القانون ، ليس من الصعب حساب إجمالي الطاقة الداخلية لمادة صلبة ، وبعدها ، سعتها الحرارية. يحتوي الخلد الصلب على ذرات NA ، ولكل ذرة ثلاث درجات من الحرية. لذلك ، يحتوي الخلد على 3 مذبذبات NA. طاقة الخلد لجسم صلب

والسعة الحرارية المولية لمادة صلبة عند درجات حرارة عالية بما فيه الكفاية

الخبرة تؤكد هذا القانون.

تحتل السوائل موقعًا وسيطًا بين الغازات والمواد الصلبة. لا تتباعد جزيئات السائل عبر مسافات طويلة ، ويحتفظ السائل في الظروف العادية بحجمه. ولكن على عكس المواد الصلبة ، لا تتذبذب الجزيئات فحسب ، بل تقفز أيضًا من مكان إلى آخر ، أي أنها تقوم بحركات حرة. عندما ترتفع درجة الحرارة ، تغلي السوائل (هناك ما يسمى نقطة الغليان) وتتحول إلى غاز. عندما تنخفض درجة الحرارة ، تتبلور السوائل وتصبح صلبة. هناك نقطة في مجال درجة الحرارة تختفي عندها الحدود بين الغاز (البخار المشبع) والسائل (النقطة الحرجة). نمط الحركة الحرارية للجزيئات في السوائل بالقرب من درجة حرارة التصلب مشابه جدًا لسلوك الجزيئات في المواد الصلبة. على سبيل المثال ، معاملات السعة الحرارية هي نفسها تقريبًا. نظرًا لأن السعة الحرارية للمادة أثناء الانصهار تتغير قليلاً ، يمكن استنتاج أن طبيعة حركة الجسيمات في السائل قريبة من الحركة في مادة صلبة (عند درجة حرارة الانصهار). عند تسخينه ، تتغير خصائص السائل تدريجيًا ، ويصبح أشبه بالغاز. في السوائل ، يكون متوسط ​​الطاقة الحركية للجسيمات أقل من الطاقة الكامنة لتفاعلها بين الجزيئات. تختلف طاقة التفاعل بين الجزيئات في السوائل والمواد الصلبة بشكل ضئيل. إذا قارنا حرارة الانصهار وحرارة التبخر ، فسنرى أنه أثناء الانتقال من حالة تجميع إلى أخرى ، تكون حرارة الانصهار أقل بكثير من حرارة التبخر. لا يمكن إعطاء وصف رياضي مناسب لهيكل السائل إلا بمساعدة الفيزياء الإحصائية. على سبيل المثال ، إذا كان السائل يتكون من جزيئات كروية متطابقة ، فيمكن وصف هيكلها من خلال دالة التوزيع الشعاعي g (r) ، والتي تعطي احتمال العثور على أي جزيء على مسافة r من المعطى ، المختار كنقطة مرجعية . تجريبيًا ، يمكن العثور على هذه الوظيفة من خلال دراسة حيود الأشعة السينية أو النيوترونات ؛ من الممكن إجراء محاكاة حاسوبية لهذه الوظيفة باستخدام ميكانيكا نيوتن.

تم تطوير النظرية الحركية للسائل بواسطة Ya.I. فرنكل. في هذه النظرية ، يعتبر السائل ، كما في حالة الجسم الصلب ، نظامًا ديناميكيًا للمذبذبات التوافقية. ولكن على عكس الجسم الصلب ، فإن موضع توازن الجزيئات في السائل يكون مؤقتًا. بعد التذبذب حول موضع واحد ، يقفز الجزيء السائل إلى موضع جديد يقع في الحي. تحدث هذه القفزة مع إنفاق الطاقة. يمكن حساب متوسط ​​وقت "الحياة المستقرة" لجزيء سائل على النحو التالي:

\ [\ left \ langle t \ right \ rangle = t_0e ^ (\ frac (W) (kT)) \ left (5 \ right) ، \]

حيث $ t_0 \ $ هي فترة التذبذب حول موضع توازن واحد. الطاقة التي يجب أن يتلقاها الجزيء من أجل الانتقال من موضع إلى آخر تسمى طاقة التنشيط W ، ويطلق على الوقت الذي يكون فيه الجزيء في وضع التوازن وقت "الحياة المستقرة" t.

بالنسبة لجزيء الماء ، على سبيل المثال ، في درجة حرارة الغرفة ، يُحدث جزيء واحد حوالي 100 اهتزاز ويقفز إلى موضع جديد. إن قوى التجاذب بين جزيئات السائل كبيرة للحفاظ على الحجم ، ولكن الحياة المستقرة المحدودة للجزيئات تؤدي إلى ظهور ظاهرة مثل السيولة. أثناء تذبذبات الجسيمات بالقرب من وضع التوازن ، فإنها تصطدم باستمرار مع بعضها البعض ، لذلك ، حتى ضغط بسيط للسائل يؤدي إلى "تصلب" حاد في اصطدامات الجسيمات. هذا يعني زيادة حادة في ضغط السائل على جدران الوعاء الذي يتم ضغطه فيه.

مثال 1

المهمة: تحديد السعة الحرارية النوعية للنحاس. افترض أن درجة حرارة النحاس قريبة من نقطة الانصهار. (الكتلة المولية للنحاس $ \ mu = 63 \ cdot 10 ^ (- 3) \ frac (kg) (mol)) $

وفقًا لقانون Dulong and Petit ، فإن مولًا من المواد البسيطة كيميائيًا عند درجات حرارة قريبة من نقطة الانصهار له سعة حرارية:

السعة الحرارية النوعية للنحاس:

\ [C = \ frac (c) (\ mu) \ to C = \ frac (3R) (\ mu) \ left (1.2 \ right) ، \] \ [C = \ frac (3 \ cdot 8،31) (63 \ cdot 10 ^ (- 3)) = 0.39 \ cdot 10 ^ 3 (\ frac (J) (kgK)) \]

الإجابة: السعة الحرارية المحددة للنحاس هي 0.39 دولار \ cdot 10 ^ 3 \ left (\ frac (J) (kgK) \ right).

المهمة: اشرح بطريقة مبسطة من وجهة نظر الفيزياء عملية إذابة الملح (كلوريد الصوديوم) في الماء.

أسس نظرية الحلول الحديثة د. مندليف. وجد أنه أثناء الذوبان ، تحدث عمليتان في وقت واحد: فيزيائية - توزيع موحد لجزيئات المادة المذابة في جميع أنحاء حجم المحلول ، وكيميائية - تفاعل المذيب مع المادة الذائبة. نحن مهتمون بالعملية الفيزيائية. جزيئات الملح لا تدمر جزيئات الماء. في هذه الحالة ، سيكون من المستحيل تبخير الماء. إذا تم ربط جزيئات الملح بجزيئات الماء ، فسنحصل على مادة جديدة. وجزيئات الملح لا تستطيع اختراق جزيئات الماء.

تحدث الرابطة الأيونية ثنائية القطب بين Na و Cl- أيونات جزيئات الكلور والماء القطبي. اتضح أنه أقوى من الروابط الأيونية في جزيئات الملح. نتيجة لهذه العملية ، تضعف الرابطة بين الأيونات الموجودة على سطح بلورات كلوريد الصوديوم ، ويتم فصل أيونات الصوديوم والكلور عن البلورة ، وتشكل جزيئات الماء ما يسمى بقذائف الترطيب حولها. يتم توزيع الأيونات المميهة المنفصلة تحت تأثير الحركة الحرارية بشكل موحد بين جزيئات المذيب.