ذرات در جامدات، مایعات و گازها چگونه قرار می گیرند؟ مایعات حرکت مولکول ها در مایعات حالت گازی مواد آرایش مولکول ها

مایع در خواص و ساختار بین گازها و مواد کریستالی جامد جایگاه متوسطی را اشغال می کند. بنابراین دارای خواص گازی و جامد است. در تئوری جنبشی مولکولی، حالت‌های مختلف تجمع یک ماده با درجات مختلف نظم مولکولی مرتبط است. برای جامدات، به اصطلاح سفارش دوربرددر آرایش ذرات، یعنی. ترتیب منظم آنها، تکرار در فواصل طولانی. در مایعات، به اصطلاح سفارش کوتاه برددر آرایش ذرات، یعنی. ترتیب مرتب آنها، که در فواصل تکرار می شوند، با ترتیبات بین اتمی قابل مقایسه است. در دماهای نزدیک به دمای تبلور، ساختار مایع نزدیک به یک جامد است. در دماهای بالا، نزدیک به نقطه جوش، ساختار مایع مطابق با حالت گازی است - تقریباً همه مولکول ها در حرکت حرارتی آشفته شرکت می کنند.

مایعات نیز مانند جامدات دارای حجم معینی هستند و مانند گازها شکل ظرفی را می گیرند که در آن قرار دارند. مولکول های گاز عملاً توسط نیروهای برهمکنش بین مولکولی به هم متصل نمی شوند و در این حالت میانگین انرژی حرکت حرارتی مولکول های گاز به دلیل نیروهای جاذبه بین آنها بسیار بیشتر از میانگین انرژی پتانسیل است، بنابراین مولکول های گاز در داخل پراکنده می شوند. جهات مختلف و گاز حجم ارائه شده به آن را اشغال می کند. در اجسام جامد و مایع، نیروهای جاذبه بین مولکول ها از قبل قابل توجه است و مولکول ها را در فاصله معینی از یکدیگر نگه می دارد. در این حالت میانگین انرژی حرکت حرارتی مولکول ها کمتر از میانگین انرژی پتانسیل ناشی از نیروهای برهمکنش بین مولکولی است و برای غلبه بر نیروهای جاذبه بین مولکول ها کافی نیست، بنابراین جامدات و مایعات دارای حجم معینی هستند. .

فشار در مایعات با افزایش دما و کاهش حجم به شدت افزایش می یابد. انبساط حجمی مایعات بسیار کمتر از بخارها و گازها است، زیرا نیروهایی که مولکول‌ها را در یک مایع به هم متصل می‌کنند مهم‌تر است. همین نکته در مورد انبساط حرارتی نیز صدق می کند.

ظرفیت حرارتی مایعات معمولاً با افزایش دما (البته اندکی) افزایش می یابد. نسبت C p / C V عملا برابر با یک است.

نظریه سیال تا به امروز به طور کامل توسعه نیافته است. توسعه تعدادی از مشکلات در مطالعه خواص پیچیده یک مایع متعلق به Ya.I. فرنکل (1894-1952). او حرکت حرارتی در یک مایع را با این واقعیت توضیح داد که هر مولکول برای مدتی حول یک موقعیت تعادل خاصی نوسان می کند، پس از آن به موقعیت جدیدی می پرد، که در فاصله ای برابر با فاصله بین اتمی از موقعیت اولیه قرار دارد. بنابراین، مولکول های مایع به آرامی در سراسر جرم مایع حرکت می کنند. با افزایش دمای مایع، فرکانس حرکت نوسانی به شدت افزایش می یابد و تحرک مولکول ها افزایش می یابد.

بر اساس مدل فرنکل می توان برخی را توضیح داد ویژگی های متمایز کنندهخواص مایع بنابراین، مایعات، حتی نزدیک به دمای بحرانی، بسیار بیشتر است ویسکوزیتهنسبت به گازها، و ویسکوزیته با افزایش دما کاهش می یابد (به جای افزایش، مانند گازها). این با ماهیت متفاوتی از فرآیند انتقال تکانه توضیح داده می‌شود: توسط مولکول‌هایی که از یک حالت تعادلی به حالت دیگر می‌پرند، منتقل می‌شود و این جهش‌ها با افزایش دما بسیار بیشتر می‌شوند. انتشاردر مایعات فقط به دلیل پرش های مولکولی اتفاق می افتد و بسیار کندتر از گازها رخ می دهد. رسانایی گرماییمایعات به دلیل تبادل انرژی جنبشی بین ذرات در حال نوسان در اطراف موقعیت تعادل خود با دامنه های مختلف است. جهش شدید مولکول ها نقش قابل توجهی ندارد. مکانیسم انتقال گرما مشابه مکانیسم آن در گازها است. ویژگی بارز یک مایع، توانایی آن در داشتن است سطح آزاد(با دیوارهای جامد محدود نمی شود).

فیزیک مولکولی آسان است!

نیروهای برهمکنش مولکول ها

تمام مولکول های یک ماده توسط نیروهای جاذبه و دافعه با یکدیگر برهم کنش می کنند.
اثبات برهمکنش مولکول ها: پدیده خیس شدن، مقاومت در برابر فشار و کشش، تراکم پذیری کم جامدات و گازها و غیره.
دلیل برهمکنش مولکول ها برهمکنش های الکترومغناطیسی ذرات باردار در ماده است.

چگونه آن را توضیح دهیم؟

یک اتم از یک هسته با بار مثبت و یک لایه الکترونی با بار منفی تشکیل شده است. بار هسته برابر با بار کل همه الکترون ها است، بنابراین، به طور کلی، اتم از نظر الکتریکی خنثی است.
یک مولکول متشکل از یک یا چند اتم نیز از نظر الکتریکی خنثی است.

برهمکنش بین مولکول ها را با استفاده از مثال دو مولکول بی حرکت در نظر بگیرید.

نیروهای گرانشی و الکترومغناطیسی می توانند بین اجسام در طبیعت وجود داشته باشند.
از آنجایی که جرم مولکول ها بسیار کوچک است، نیروهای ناچیز برهمکنش گرانشی بین مولکول ها را می توان نادیده گرفت.

در فواصل بسیار زیاد، هیچ برهمکنش الکترومغناطیسی بین مولکول ها نیز وجود ندارد.

اما با کاهش فاصله بین مولکول‌ها، مولکول‌ها شروع به جهت‌گیری می‌کنند، به طوری که طرفین آن‌ها روبه‌روی یکدیگر دارای بارهایی با علائم مختلف می‌شوند (به طور کلی، مولکول‌ها خنثی می‌مانند)، و نیروهای جذابی بین مولکول‌ها ایجاد می‌شود.

با کاهش حتی بیشتر در فاصله بین مولکول ها، نیروهای دافعه در نتیجه برهم کنش لایه های الکترونی با بار منفی اتم های مولکول ها ایجاد می شوند.

در نتیجه، مولکول تحت تأثیر مجموع نیروهای جاذبه و دافعه قرار می گیرد. در فواصل زیاد، نیروی جاذبه غالب است (در فاصله 2-3 قطر مولکولی، جاذبه حداکثر است)، در فواصل کوتاه، نیروی دافعه.

فاصله ای بین مولکول ها وجود دارد که در آن نیروهای جاذبه با نیروهای دافعه برابر می شوند. به این موقعیت مولکول ها، موقعیت تعادل پایدار می گویند.

مولکول هایی که در فاصله ای از یکدیگر قرار دارند و توسط نیروهای الکترومغناطیسی به هم متصل شده اند دارای انرژی پتانسیل هستند.
در موقعیت تعادل پایدار، انرژی پتانسیل مولکول ها حداقل است.

در یک ماده، هر مولکول به طور همزمان با بسیاری از مولکول های همسایه برهمکنش می کند، که بر مقدار حداقل انرژی پتانسیل مولکول ها نیز تأثیر می گذارد.

علاوه بر این، تمام مولکول های یک ماده در حرکت مداوم هستند، یعنی. انرژی جنبشی دارند

بنابراین، ساختار یک ماده و خواص آن (جسم جامد، مایع و گاز) با نسبت بین حداقل انرژی پتانسیل برهمکنش مولکول ها و انرژی جنبشی حرکت حرارتی مولکول ها تعیین می شود.

ساختار و خواص اجسام جامد، مایع و گاز

ساختار اجسام با تعامل ذرات بدن و ماهیت حرکت حرارتی آنها توضیح داده می شود.

جامد

جامدات شکل و حجم ثابتی دارند و عملاً تراکم ناپذیرند.
حداقل انرژی پتانسیل برهمکنش مولکول ها از انرژی جنبشی مولکول ها بیشتر است.
برهمکنش قوی ذرات.

حرکت حرارتی مولکول ها در یک جامد تنها با نوسانات ذرات (اتم ها، مولکول ها) در اطراف موقعیت تعادل پایدار بیان می شود.

به دلیل نیروهای جاذبه زیاد، مولکول‌ها عملاً نمی‌توانند موقعیت خود را در یک ماده تغییر دهند، که تغییر ناپذیری حجم و شکل جامدات را توضیح می‌دهد.

بیشتر جامدات دارای نظم مکانی از ذرات هستند که یک شبکه کریستالی منظم را تشکیل می دهند. ذرات ماده (اتم ها، مولکول ها، یون ها) در رئوس - گره های شبکه کریستالی قرار دارند. گره های شبکه کریستالی با موقعیت تعادل پایدار ذرات منطبق است.
چنین جامداتی کریستالی نامیده می شوند.

مایع

مایعات دارای حجم مشخصی هستند، اما شکل خاص خود را ندارند، آنها شکل ظرفی را می گیرند که در آن قرار دارند.
حداقل انرژی پتانسیل برهمکنش مولکول ها با انرژی جنبشی مولکول ها قابل مقایسه است.
برهمکنش ذرات ضعیف
حرکت حرارتی مولکول ها در یک مایع با نوسانات حول موقعیت تعادل پایدار در حجمی که توسط همسایگانش به مولکول ارائه می شود بیان می شود.

مولکول ها نمی توانند آزادانه در کل حجم یک ماده حرکت کنند، اما انتقال مولکول ها به مکان های مجاور امکان پذیر است. این سیال بودن مایع، توانایی تغییر شکل آن را توضیح می دهد.

در مایعات، مولکول ها به شدت توسط نیروهای جاذبه به یکدیگر متصل می شوند که تغییر ناپذیری حجم مایع را توضیح می دهد.

در یک مایع، فاصله بین مولکول ها تقریبا برابر با قطر مولکول است. با کاهش فاصله بین مولکول ها (فشرده سازی مایع)، نیروهای دافعه به شدت افزایش می یابد، بنابراین مایعات تراکم ناپذیر هستند.

از نظر ساختار و ماهیت حرکت حرارتی، مایعات یک موقعیت میانی بین جامدات و گازها را اشغال می کنند.
اگرچه تفاوت بین مایع و گاز بسیار بیشتر از مایع و جامد است. به عنوان مثال، در هنگام ذوب یا تبلور، حجم یک جسم چند برابر کمتر از زمان تبخیر یا تراکم تغییر می کند.

گازها حجم ثابتی ندارند و کل حجم ظرفی را که در آن قرار دارند را اشغال می کنند.
حداقل انرژی پتانسیل برهمکنش مولکول ها کمتر از انرژی جنبشی مولکول ها است.
ذرات ماده عملا برهم کنش ندارند.
گازها با اختلال کامل در آرایش و حرکت مولکول ها مشخص می شوند.

مولکول ها و اتم های یک جسم جامد به ترتیب و شکل معینی قرار گرفته اند شبکه کریستالی. چنین جامداتی کریستالی نامیده می شوند. اتم ها در موقعیت تعادل در نوسان هستند و جاذبه بین آنها بسیار قوی است. بنابراین، اجسام جامد در شرایط عادی حجم خود را حفظ می کنند و شکل خاص خود را دارند.

تعادل حرارتی حالتی از یک سیستم ترمودینامیکی است که در شرایط انزوا از محیط پس از یک دوره زمانی به اندازه کافی طولانی به طور خود به خود وارد آن می شود.

دما یک کمیت فیزیکی است که میانگین انرژی جنبشی ذرات یک سیستم ماکروسکوپی را در حالت تعادل ترمودینامیکی مشخص می کند. در حالت تعادل، دما برای تمام قسمت های ماکروسکوپی سیستم یک مقدار دارد.

درجه سلسیوس(نماد: درجه سانتی گراد) یک واحد معمول دما است که در سیستم بین المللی واحدها (SI) همراه با کلوین استفاده می شود.

دماسنج پزشکی جیوه

دماسنج مکانیکی

درجه سانتیگراد به نام دانشمند سوئدی آندرس سلسیوس نامگذاری شده است که در سال 1742 مقیاس جدیدی را برای اندازه گیری دما پیشنهاد کرد. صفر در مقیاس سلسیوس نقطه ذوب یخ و 100 درجه نقطه جوش آب در فشار اتمسفر استاندارد بود. (در ابتدا، سلسیوس دمای ذوب یخ را 100 درجه، و نقطه جوش آب را 0 درجه در نظر گرفت. و تنها بعداً کارل لینائوس معاصر او این مقیاس را "واژگون" کرد). این مقیاس در محدوده 0-100 درجه خطی است و همچنین به صورت خطی در منطقه زیر 0 درجه و بالای 100 درجه ادامه می یابد. خطی بودن مسئله اصلی در اندازه گیری دقیق دما است. ذکر این نکته کافی است که دماسنج کلاسیک پر از آب را نمی توان برای دمای زیر 4 درجه سانتی گراد علامت گذاری کرد، زیرا در این محدوده آب دوباره شروع به انبساط می کند.

تعریف اولیه درجه سانتیگراد به تعریف فشار اتمسفر استاندارد بستگی داشت، زیرا هم نقطه جوش آب و هم نقطه ذوب یخ به فشار بستگی دارد. این برای استاندارد کردن واحد اندازه گیری خیلی راحت نیست. بنابراین، پس از پذیرش کلوین K به عنوان واحد پایه دما، در تعریف درجه سانتیگراد تجدید نظر شد.

طبق تعریف امروزی، درجه سانتیگراد برابر با یک کلوین K است و صفر درجه سانتیگراد طوری تنظیم می شود که دمای نقطه سه گانه آب 0.01 درجه سانتیگراد باشد. در نتیجه، مقیاس های سلسیوس و کلوین 273.15 جابجا می شوند:

26)گاز ایده آل- یک مدل ریاضی از گاز که در آن فرض می شود انرژی پتانسیل برهمکنش مولکول ها در مقایسه با انرژی جنبشی آنها نادیده گرفته می شود. نیروهای جاذبه یا دافعه بین مولکول ها عمل نمی کنند، برخورد ذرات بین خود و با دیواره های ظرف کاملاً کشسان است و زمان برهمکنش بین مولکول ها در مقایسه با میانگین زمان بین برخورد بسیار ناچیز است.

جایی که کثابت بولتزمن (نسبت ثابت گاز جهانی است آربه شماره آووگادرو N A), من- تعداد درجات آزادی مولکول ها (در بیشتر مسائل مربوط به گازهای ایده آل، که در آن مولکول ها کره هایی با شعاع کوچک فرض می شوند که مشابه فیزیکی آن می تواند گازهای بی اثر باشد)، و تیدمای مطلق است

معادله اصلی MKT پارامترهای ماکروسکوپی (فشار، حجم، دما) یک سیستم گازی را با پارامترهای میکروسکوپی (جرم مولکولی، سرعت متوسط ​​حرکت آنها) متصل می کند.

فیزیک. مولکول ها. آرایش مولکول ها در فاصله گاز، مایع و جامد.

1. 
   
   
2. در حالت گازی، مولکول ها به یکدیگر متصل نیستند، آنها در فاصله زیادی از یکدیگر قرار دارند. حرکت براونی گاز را می توان نسبتاً آسان فشرده کرد.
   در یک مایع، مولکول ها نزدیک به هم هستند و با هم می لرزند. تقریبا غیر قابل تراکم
   در یک جامد - مولکول ها در یک نظم دقیق قرار گرفته اند (در شبکه های کریستالی)، هیچ حرکتی از مولکول ها وجود ندارد. فشرده سازی تسلیم نخواهد شد.
3. ساختار ماده و آغاز شیمی:
   http://samlib.ru/a/anemow_e_m/aa0.shtml
   (بدون ثبت نام و پیامک، در قالب متنی مناسب: می توانید از Ctrl+C استفاده کنید)
4. به هیچ وجه نمی توان پذیرفت که در حالت جامد، مولکول ها حرکت نمی کنند.

   حرکت مولکول ها در گازها

   در گازها معمولاً فاصله بین مولکول ها و اتم ها بسیار بیشتر از اندازه مولکول ها است و نیروهای جاذبه بسیار کم هستند. بنابراین گازها شکل و حجم ثابت خود را ندارند. گازها به راحتی فشرده می شوند زیرا نیروهای دافعه در فواصل زیاد نیز کم هستند. گازها دارای خاصیت انبساط نامحدود هستند و کل حجم ارائه شده به آنها را پر می کنند. مولکول های گاز با سرعت بسیار بالایی حرکت می کنند، با یکدیگر برخورد می کنند، در جهات مختلف از یکدیگر جهش می کنند. ضربه های متعدد مولکول ها بر روی دیواره ظرف باعث ایجاد فشار گاز می شود.

   حرکت مولکول ها در مایعات

   در مایعات، مولکول ها نه تنها در اطراف موقعیت تعادلی نوسان می کنند، بلکه از یک موقعیت تعادلی به موقعیت دیگر نیز می پرند. این پرش ها به صورت دوره ای اتفاق می افتد. فاصله زمانی بین چنین پرش هایی را میانگین زمان زندگی ساکن (یا متوسط ​​زمان استراحت) می نامند و با حرف? نشان داده می شود. به عبارت دیگر، زمان استراحت، زمان نوسان در اطراف یک موقعیت تعادلی خاص است. در دمای اتاق، این زمان به طور متوسط ​​10-11 ثانیه است. زمان یک نوسان 10-1210-13 ثانیه است.

   زمان زندگی مستقر با افزایش دما کاهش می یابد. فاصله بین مولکول های مایع کمتر از اندازه مولکول ها است، ذرات به هم نزدیک هستند و جاذبه بین مولکولی زیاد است. با این حال، آرایش مولکول های مایع به طور دقیق در سراسر حجم مرتب نمی شود.

   مایعات، مانند جامدات، حجم خود را حفظ می کنند، اما شکل خاص خود را ندارند. بنابراین، آنها به شکل ظرفی هستند که در آن قرار دارند. مایع دارای خاصیت سیالیت است. به دلیل این خاصیت، مایع در برابر تغییر شکل مقاومت نمی کند، کمی فشرده می شود و خواص فیزیکی آن در تمام جهات داخل مایع یکسان است (ایزوتروپی مایع). ماهیت حرکت مولکولی در مایعات برای اولین بار توسط فیزیکدان شوروی یاکوف ایلیچ فرنکل (1894-1952) مشخص شد.

   حرکت مولکول ها در جامدات

   مولکول ها و اتم های یک جسم جامد به ترتیب خاصی در کنار هم قرار گرفته اند و یک شبکه کریستالی تشکیل می دهند. چنین جامداتی کریستالی نامیده می شوند. اتم ها در موقعیت تعادل در نوسان هستند و جاذبه بین آنها بسیار قوی است. بنابراین اجسام جامد در شرایط عادی حجم خود را حفظ می کنند و شکل خاص خود را دارند.

5. در حالت گازی به صورت تصادفی، برش دهید
   در حرکت مایع در راستای یکدیگر
   در جامد - حرکت نکنید.

انرژی جنبشی یک مولکول

در یک گاز، مولکول‌ها حرکت آزاد (جدا شده از مولکول‌های دیگر) را انجام می‌دهند، فقط گاهی اوقات با یکدیگر یا با دیواره‌های ظرف برخورد می‌کنند. تا زمانی که مولکول در حرکت آزاد است، فقط انرژی جنبشی دارد. در هنگام برخورد، مولکول ها نیز دارای انرژی پتانسیل هستند. بنابراین، انرژی کل یک گاز، مجموع انرژی جنبشی و پتانسیل مولکول های آن است. هر چه گاز کمیاب باشد، مولکول‌های بیشتری در هر لحظه از زمان در حالت حرکت آزاد هستند و فقط انرژی جنبشی دارند. در نتیجه، وقتی گاز کمیاب می شود، سهم انرژی پتانسیل در مقایسه با انرژی جنبشی کاهش می یابد.

میانگین انرژی جنبشی یک مولکول در حالت تعادل یک گاز ایده آل یک ویژگی بسیار مهم دارد: در مخلوطی از گازهای مختلف، میانگین انرژی جنبشی یک مولکول برای اجزای مختلف مخلوط یکسان است.

به عنوان مثال، هوا مخلوطی از گازها است. میانگین انرژی یک مولکول هوا برای تمام اجزای آن در شرایط عادی که هنوز هوا را می توان به عنوان گاز ایده آل در نظر گرفت، یکسان است. این خاصیت گازهای ایده آل را می توان بر اساس ملاحظات آماری کلی اثبات کرد. یک پیامد مهم از آن به دست می آید: اگر دو گاز مختلف (در رگ های مختلف) با یکدیگر در تعادل حرارتی باشند، میانگین انرژی جنبشی مولکول های آنها یکسان است.

در گازها، فاصله بین مولکول ها و اتم ها معمولاً بسیار بیشتر از اندازه خود مولکول ها است، نیروهای برهم کنش مولکول ها زیاد نیست. در نتیجه گاز شکل و حجم ثابت خود را ندارد. گاز به راحتی قابل تراکم است و می تواند به طور نامحدود منبسط شود. مولکول‌های گاز آزادانه حرکت می‌کنند (از نظر ترجمه، می‌توانند بچرخند)، فقط گاهی با مولکول‌های دیگر و دیواره‌های ظرفی که گاز در آن قرار دارد برخورد می‌کنند و با سرعت بسیار بالایی حرکت می‌کنند.

حرکت ذرات در جامدات

ساختار جامدات با ساختار گازها تفاوت اساسی دارد. در آنها، فواصل بین مولکولی کوچک است و انرژی پتانسیل مولکول ها با انرژی جنبشی قابل مقایسه است. اتم ها (یا یون ها یا کل مولکول ها) را نمی توان بی حرکت نامید، آنها حرکت نوسانی تصادفی را در اطراف موقعیت های میانی خود انجام می دهند. هر چه دما بالاتر باشد، انرژی نوسانات و در نتیجه میانگین دامنه نوسانات بیشتر است. ارتعاشات حرارتی اتم ها ظرفیت گرمایی جامدات را نیز توضیح می دهد. اجازه دهید با جزئیات بیشتری حرکت ذرات در جامدات کریستالی را بررسی کنیم. کل کریستال به طور کلی یک سیستم نوسانی جفت شده بسیار پیچیده است. انحرافات اتم ها از موقعیت های متوسط ​​اندک است و بنابراین می توان فرض کرد که اتم ها تحت تأثیر نیروهای شبه الاستیک مطابق با قانون هوک خطی قرار می گیرند. چنین سیستم های نوسانی خطی نامیده می شوند.

یک نظریه ریاضی توسعه یافته در مورد سیستم هایی که در معرض نوسانات خطی هستند وجود دارد. یک قضیه بسیار مهم را اثبات می کند که ماهیت آن به شرح زیر است. اگر سیستم نوسانات کوچک (خطی) به هم پیوسته را انجام دهد، با تبدیل مختصات می توان آن را به طور رسمی به سیستمی از نوسانگرهای مستقل (که معادلات نوسان به یکدیگر وابسته نیستند) کاهش داد. سیستم نوسان سازهای مستقل مانند یک گاز ایده آل عمل می کند به این معنا که اتم های نوسان ساز دوم را نیز می توان مستقل در نظر گرفت.

با استفاده از ایده استقلال اتم های گاز به قانون بولتزمن می رسیم. این نتیجه گیری بسیار مهم، مبنایی ساده و قابل اعتماد برای کل نظریه جامدات فراهم می کند.

قانون بولتزمن

تعداد اسیلاتورها با پارامترهای داده شده (مختصات و سرعت) به همان روشی که تعداد مولکول های گاز در یک حالت معین تعیین می شود، طبق فرمول:

انرژی نوسانگر

قانون بولتزمن (1) در تئوری جسم جامد محدودیتی ندارد، اما فرمول (2) برای انرژی یک نوسانگر از مکانیک کلاسیک گرفته شده است. در بررسی نظری جامدات، تکیه بر مکانیک کوانتومی ضروری است که با تغییر گسسته در انرژی یک نوسانگر مشخص می شود. گسستگی انرژی نوسانگر فقط در مقادیر به اندازه کافی بالای انرژی آن ناچیز می شود. این بدان معنی است که (2) فقط در دماهای به اندازه کافی بالا قابل استفاده است. در دمای بالای یک جامد، نزدیک به نقطه ذوب، قانون بولتزمن بر قانون توزیع یکنواخت انرژی بر درجات آزادی دلالت دارد. اگر در گازها برای هر درجه آزادی به طور متوسط ​​مقدار انرژی برابر با (1/2) کیلو تن باشد، نوسانگر یک درجه آزادی دارد، علاوه بر جنبشی، دارای انرژی پتانسیل است. بنابراین، یک درجه آزادی در یک جامد در دمای به اندازه کافی بالا دارای انرژی برابر با kT است. بر اساس این قانون، محاسبه کل انرژی داخلی یک جامد و پس از آن، ظرفیت گرمایی آن دشوار نیست. یک مول جامد حاوی اتم های NA است و هر اتم سه درجه آزادی دارد. بنابراین، مول حاوی 3 نوسانگر NA است. انرژی مول یک جسم جامد

و ظرفیت گرمایی مولی یک جامد در دماهای به اندازه کافی بالا

تجربه این قانون را تایید می کند.

مایعات یک موقعیت میانی بین گازها و جامدات را اشغال می کنند. مولکول های مایع در فواصل طولانی از هم جدا نمی شوند و مایع در شرایط عادی حجم خود را حفظ می کند. اما بر خلاف جامدات، مولکول ها نه تنها نوسان می کنند، بلکه از جایی به مکان دیگر می پرند، یعنی حرکات آزاد انجام می دهند. وقتی دما بالا می رود مایعات می جوشند (به اصطلاح نقطه جوش وجود دارد) و به گاز تبدیل می شوند. با کاهش دما، مایعات متبلور شده و به جامد تبدیل می شوند. نقطه ای در میدان دما وجود دارد که در آن مرز بین گاز (بخار اشباع) و مایع ناپدید می شود (نقطه بحرانی). الگوی حرکت حرارتی مولکول ها در مایعات نزدیک به دمای انجماد بسیار شبیه رفتار مولکول ها در جامدات است. به عنوان مثال، ضرایب ظرفیت حرارتی تقریبا یکسان است. از آنجایی که ظرفیت حرارتی یک ماده در حین ذوب اندکی تغییر می کند، می توان نتیجه گرفت که ماهیت حرکت ذرات در مایع نزدیک به حرکت در جامد (در دمای ذوب) است. هنگامی که گرم می شود، خواص مایع به تدریج تغییر می کند و بیشتر شبیه گاز می شود. در مایعات، میانگین انرژی جنبشی ذرات کمتر از انرژی پتانسیل برهمکنش بین مولکولی آنها است. انرژی برهمکنش بین مولکولی در مایعات و جامدات به طور ناچیزی متفاوت است. اگر گرمای همجوشی و گرمای تبخیر را با هم مقایسه کنیم، خواهیم دید که در هنگام انتقال از یک حالت تجمع به حالت دیگر، گرمای همجوشی به طور قابل توجهی کمتر از گرمای تبخیر است. توصیف ریاضی کافی از ساختار یک مایع تنها با کمک فیزیک آماری قابل ارائه است. به عنوان مثال، اگر یک مایع از مولکول های کروی یکسان تشکیل شده باشد، ساختار آن را می توان با تابع توزیع شعاعی g(r) توصیف کرد، که احتمال یافتن هر مولکولی در فاصله r از مولکول داده شده را می دهد، که به عنوان نقطه مرجع انتخاب شده است. . به طور تجربی، این تابع را می توان با مطالعه پراش پرتوهای ایکس یا نوترون ها یافت؛ شبیه سازی کامپیوتری این تابع با استفاده از مکانیک نیوتنی امکان پذیر است.

نظریه جنبشی مایع توسط Ya.I. فرنکل. در این نظریه، مایع مانند یک جسم جامد، به عنوان یک سیستم پویا از نوسانگرهای هارمونیک در نظر گرفته می شود. اما بر خلاف جسم جامد، موقعیت تعادلی مولکول ها در مایع موقتی است. پس از نوسان در اطراف یک موقعیت، مولکول مایع به موقعیت جدیدی که در همسایگی قرار دارد می پرد. چنین جهشی با صرف انرژی رخ می دهد. متوسط ​​زمان "عمر ته نشینی" یک مولکول مایع را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:

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

که $t_0\ $ دوره نوسانات حول یک موقعیت تعادل است. انرژی که یک مولکول برای جابجایی از یک موقعیت به موقعیت دیگر باید دریافت کند، انرژی فعال سازی W و زمانی که مولکول در موقعیت تعادل قرار دارد، زمان "زندگی ته نشین" t نامیده می شود.

برای یک مولکول آب، به عنوان مثال، در دمای اتاق، یک مولکول حدود 100 ارتعاش ایجاد می کند و به یک موقعیت جدید می پرد. نیروهای جاذبه بین مولکول های مایع برای حفظ حجم زیاد است، اما عمر کم تحرک مولکول ها منجر به ظهور پدیده ای مانند سیالیت می شود. در طول نوسانات ذرات در نزدیکی موقعیت تعادل، آنها به طور مداوم با یکدیگر برخورد می کنند، بنابراین، حتی فشرده سازی کوچک مایع منجر به "سخت شدن" شدید برخورد ذرات می شود. این به معنای افزایش شدید فشار مایع بر روی دیواره های ظرفی است که در آن فشرده شده است.

مثال 1

وظیفه: ظرفیت گرمایی ویژه مس را تعیین کنید. فرض کنید دمای مس نزدیک به نقطه ذوب است. (جرم مولی مس $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(kg)(mol))$

طبق قانون Dulong و Petit، یک مول از مواد شیمیایی ساده در دمای نزدیک به نقطه ذوب ظرفیت گرمایی دارد:

ظرفیت حرارتی ویژه مس:

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

پاسخ: ظرفیت گرمایی ویژه مس 0.39$\ \cdot 10^3\left(\frac(J)(kgK)\right)$ است.

تکلیف: به روشی ساده از دیدگاه فیزیک فرآیند انحلال نمک (NaCl) در آب را توضیح دهید.

اساس تئوری مدرن راه حل ها توسط D.I. مندلیف. او دریافت که در طول انحلال، دو فرآیند به طور همزمان اتفاق می افتد: فیزیکی - توزیع یکنواخت ذرات ماده محلول در سراسر حجم محلول، و شیمیایی - برهمکنش حلال با ماده محلول. ما به فرآیند فیزیکی علاقه مندیم. مولکول های نمک مولکول های آب را از بین نمی برند. در این حالت، تبخیر آب غیرممکن خواهد بود. اگر مولکول های نمک به مولکول های آب متصل می شد، مقداری ماده جدید به دست می آوردیم. و مولکول های نمک نمی توانند به داخل مولکول های آب نفوذ کنند.

پیوند یون-دوقطبی بین یون های Na+ و Cl- کلر و مولکول های آب قطبی ایجاد می شود. معلوم می شود که قوی تر از پیوندهای یونی در مولکول های نمک است. در نتیجه این فرآیند، پیوند بین یون‌های واقع در سطح بلورهای NaCl ضعیف می‌شود، یون‌های سدیم و کلر از کریستال جدا می‌شوند و مولکول‌های آب پوسته‌هایی به اصطلاح هیدراتاسیون در اطراف خود ایجاد می‌کنند. یون های هیدراته جدا شده تحت تأثیر حرکت حرارتی به طور یکنواخت بین مولکول های حلال توزیع می شوند.