1. Zgradba plinastih, tekočih in trdnih teles
Molekularno kinetična teorija omogoča razumevanje, zakaj je snov lahko v plinastem, tekočem in trdnem stanju.
Plini. V plinih je razdalja med atomi ali molekulami v povprečju mnogokrat večja več velikosti same molekule ( sl.8.5). Na primer, kdaj zračni tlak prostornina posode je desettisočkrat večja od prostornine molekul, ki jih vsebuje.
Plini se zlahka stisnejo, medtem ko se povprečna razdalja med molekulami zmanjša, vendar se oblika molekule ne spremeni ( sl.8.6).
V vesolju se premikajo molekule z ogromnimi hitrostmi - stotine metrov na sekundo. Med trčenjem se odbijajo druga od druge v različne smeri kot krogle za biljard. Šibke sile privlačnosti molekul plina jih ne morejo zadržati drug ob drugem. Zato plini se lahko širijo v nedogled. Ne ohranijo ne oblike ne volumna.
Številni udarci molekul na stene posode ustvarjajo tlak plina.
Tekočine. Molekule tekočine se nahajajo skoraj blizu druga drugi ( sl.8.7), zato se molekula tekočine obnaša drugače kot molekula plina. V tekočinah obstaja tako imenovani red kratkega dosega, to je, da se urejena razporeditev molekul ohrani na razdaljah, ki so enake več premerom molekul. Molekula niha okoli svojega ravnotežnega položaja in pri tem trči v sosednje molekule. Le od časa do časa naredi nov "skok" in pade v nov položaj ravnovesja. V tem ravnotežnem položaju je odbojna sila enaka privlačni sili, kar pomeni, da je skupna sila interakcije molekule enaka nič. Čas ustaljeno življenje molekule vode, tj. čas njenega nihanja okoli enega določenega ravnotežnega položaja pri sobni temperaturi je v povprečju 10 -11 s. Čas enega nihanja je veliko krajši (10 -12 -10 -13 s). Z naraščanjem temperature se čas ustaljene življenjske dobe molekul skrajša.
Narava molekularnega gibanja v tekočinah, ki jo je prvi ugotovil sovjetski fizik Ja. I. Frenkel, omogoča razumevanje osnovnih lastnosti tekočin.
Molekule tekočine se nahajajo neposredno ena poleg druge. Z zmanjšanjem prostornine postanejo odbojne sile zelo velike. To pojasnjuje nizka stisljivost tekočin.
Kot je znano, tekočine so tekoče, torej ne obdržijo svoje oblike. To je mogoče razložiti takole. Zunanja sila ne spremeni opazno števila molekularnih skokov na sekundo. Toda skoki molekul iz enega ustaljenega položaja v drugega se dogajajo pretežno v smeri delovanja zunanja sila (sl.8.8). Zato tekočina teče in dobi obliko posode.
Trdne snovi. Atomi ali molekule trdnih snovi za razliko od atomov in molekul tekočin vibrirajo okoli določenih ravnotežnih položajev. Iz tega razloga trdne snovi ohraniti ne le volumen, ampak tudi obliko. Potencialna energija interakcije molekul trdnih teles je veliko večja od njihove kinetične energije.
Obstaja še ena pomembna razlika med tekočinami in trdnimi snovmi. Tekočino lahko primerjamo z množico ljudi, kjer se posamezni posamezniki nemirno prerivajo na mestu, trdno telo pa je kot vitka kohorta istih posameznikov, ki kljub temu, da ne stojijo mirno, med seboj v povprečju vzdržujejo določene razdalje. . Če povežemo središča ravnotežnih položajev atomov ali ionov trdnega telesa, dobimo pravilno prostorsko mrežo, imenovano kristalni.
Sliki 8.9 in 8.10 prikazujeta kristalni mreži kuhinjske soli in diamanta. Notranji red v razporeditvi kristalnih atomov vodi do pravilnih zunanjih geometrijskih oblik.
Slika 8.11 prikazuje jakutske diamante.
Za plin je razdalja l med molekulami veliko večja od dimenzij molekul r 0:" l>>r 0 .
Tekočine in trdne snovi imajo l≈r 0 . Molekule tekočine so razporejene neurejeno in od časa do časa skačejo iz enega ustaljenega položaja v drugega.
V kristalnih trdnih snoveh so molekule (ali atomi) razporejene na strogo urejen način.
2. Idealni plin v teoriji molekularne kinetike
Študij katerega koli področja fizike se vedno začne z uvedbo določenega modela, v okviru katerega se študij izvaja v prihodnosti. Na primer, ko smo preučevali kinematiko, je bil model telesa materialna točka itd. Kot ste morda uganili, model nikoli ne bo ustrezal dejanskim procesom, ki potekajo, vendar se pogosto zelo približa tej korespondenci.
Molekularna fizika, še posebej MKT, ni izjema. Številni znanstveniki so se ukvarjali s problemom opisovanja modela od osemnajstega stoletja: M. Lomonosov, D. Joule, R. Clausius (slika 1). Slednji je namreč leta 1857 predstavil model idealnega plina. Kvalitativna razlaga osnovnih lastnosti snovi na podlagi molekularno-kinetične teorije ni posebej težka. Zelo zapletena pa je teorija, ki vzpostavlja kvantitativna razmerja med eksperimentalno izmerjenimi količinami (tlak, temperatura itd.) in lastnostmi samih molekul, njihovim številom in hitrostjo gibanja. V plinu pri običajnem tlaku je razdalja med molekulami mnogokrat večja od njihove velikosti. V tem primeru so interakcijske sile molekul zanemarljive in je kinetična energija molekul veliko večja od potencialne energije interakcije. Molekule plina si lahko predstavljamo kot materialne točke ali zelo majhne trdne kroglice. Namesto pravi plin, med molekulami katerih delujejo kompleksne interakcijske sile, bomo upoštevali model je idealen plin.
Idealen plin– plinski model, v katerem so molekule in atomi plina predstavljeni kot zelo majhne (izginjajoče velikosti) elastične kroglice, ki med seboj ne delujejo (brez neposrednega stika), ampak samo trčijo (glej sliko 2).
Opozoriti je treba, da redkejši vodik (pod zelo nizkim tlakom) skoraj v celoti ustreza modelu idealnega plina.
riž. 2.
Idealen plin je plin, katerega interakcija med molekulami je zanemarljiva. Seveda, ko molekule idealnega plina trčijo, nanje deluje odbojna sila. Ker lahko po modelu molekule plina obravnavamo kot materialne točke, zanemarimo velikosti molekul, saj predpostavimo, da je prostornina, ki jo zasedajo, veliko manjša od prostornine posode.
Spomnimo se, da so v fizičnem modelu upoštevane samo tiste lastnosti realnega sistema, katerih upoštevanje je nujno potrebno za razlago proučevanih vzorcev obnašanja tega sistema. Noben model ne more prenesti vseh lastnosti sistema. Sedaj moramo rešiti precej ozek problem: z uporabo molekularno-kinetične teorije izračunati pritisk idealnega plina na stene posode. Za to težavo se model idealnega plina izkaže za povsem zadovoljivega. Vodi do rezultatov, ki so potrjeni z izkušnjami.
3. Tlak plina v teoriji molekularne kinetike
Plin naj bo v zaprti posodi. Manometer prikazuje tlak plina p0. Kako nastane ta pritisk?
Vsaka molekula plina, ki zadene steno, deluje nanjo z določeno silo za kratek čas. Zaradi naključnih udarcev v steno se tlak s časom hitro spreminja, približno tako, kot je prikazano na sliki 8.12. Vendar pa so učinki, ki jih povzročajo udarci posameznih molekul, tako šibki, da jih manometer ne zabeleži. Manometer beleži časovno povprečno silo, ki deluje na vsako enoto površine njegovega občutljivega elementa - membrane. Kljub majhnim spremembam tlaka je povprečni tlak p0 v praksi se izkaže za povsem določeno vrednost, saj je udarcev na steno veliko, mase molekul pa zelo majhne.
Idealni plin je model realnega plina. Po tem modelu lahko molekule plina obravnavamo kot materialne točke, katerih medsebojno delovanje se pojavi šele, ko trčijo. Ko trčijo v steno, molekule plina pritiskajo nanjo.
4. Mikro- in makroparametri plina
Zdaj lahko začnemo opisovati parametre idealnega plina. Razdeljeni so v dve skupini:
Idealni parametri plina
To pomeni, da mikroparametri opisujejo stanje posameznega delca (mikrotelesa), makroparametri pa opisujejo stanje celotnega dela plina (makrotelesa). Zapišimo zdaj relacijo, ki povezuje nekatere parametre z drugimi, oziroma osnovno enačbo MKT:
Tukaj: - povprečna hitrost delcev;
Opredelitev. - koncentracija delci plina - število delcev na prostorninsko enoto; ; enota - .
5. Srednja vrednost kvadrata hitrosti molekul
Za izračun povprečnega tlaka morate poznati povprečno hitrost molekul (natančneje povprečno vrednost kvadrata hitrosti). To ni lahko vprašanje. Navajeni ste, da ima vsak delec hitrost. Povprečna hitrost molekul je odvisna od gibanja vseh delcev.
Povprečne vrednosti.Že na samem začetku se je treba odpovedati poskušanju slediti gibanju vseh molekul, ki sestavljajo plin. Preveč jih je in se zelo težko premikajo. Ni nam treba vedeti, kako se premika posamezna molekula. Ugotoviti moramo, do kakšnega rezultata vodi gibanje vseh plinskih molekul.
Narava gibanja celotnega sklopa plinskih molekul je znana iz izkušenj. Molekule sodelujejo pri naključnem (toplotnem) gibanju. To pomeni, da je lahko hitrost katere koli molekule zelo velika ali zelo majhna. Smer gibanja molekul se med trkom med seboj nenehno spreminja.
Hitrosti posameznih molekul pa so lahko vse povprečje vrednost modula teh hitrosti je povsem določena. Podobno višina učencev v razredu ni enaka, ampak je njena povprečna vrednost določeno število. Če želite najti to številko, morate dodati višino posameznih učencev in to količino deliti s številom učencev.
Povprečna vrednost kvadrata hitrosti. V prihodnosti ne bomo potrebovali povprečne vrednosti hitrosti same, ampak kvadrata hitrosti. Od te vrednosti je odvisna povprečna kinetična energija molekul. In povprečna kinetična energija molekul je, kot bomo kmalu videli, velikega pomena v celotni molekularno-kinetični teoriji.
Označimo module hitrosti posameznih molekul plina kot . Povprečna vrednost kvadrata hitrosti je določena z naslednjo formulo:
kje n je število molekul v plinu.
Toda kvadrat modula katerega koli vektorja je enaka vsoti kvadratov njegovih projekcij na koordinatne osi OH, OJ, OZ. Zato
Povprečne vrednosti količin je mogoče določiti s formulami, podobnimi formuli (8.9). Med povprečno vrednostjo in povprečnimi vrednostmi kvadratov projekcij je enako razmerje kot razmerje (8.10):
Enakost (8.10) namreč velja za vsako molekulo. Seštevanje takšnih enačb za posamezne molekule in deljenje obeh strani dobljene enačbe s številom molekul n, pridemo do formule (8.11).
Pozor! Ker so smeri treh osi OH, OJ in oz zaradi naključnega gibanja molekul so enake, povprečne vrednosti kvadratov projekcij hitrosti so med seboj enake:
Vidite, iz kaosa izhaja neka pravilnost. Bi lahko sam ugotovil?
Ob upoštevanju razmerja (8.12) zamenjamo v formulo (8.11) namesto in . Potem dobimo za srednji kvadrat projekcije hitrosti:
srednji kvadrat projekcije hitrosti je enak 1/3 srednjega kvadrata same hitrosti. Faktor 1/3 se pojavi zaradi tridimenzionalnosti prostora in s tem obstoja treh projekcij za vsak vektor.
Hitrosti molekul se naključno spreminjajo, vendar je srednji kvadrat hitrosti natančno določena vrednost.
6. Osnovna enačba molekularno-kinetične teorije
Nadaljujemo z izpeljavo osnovne enačbe molekularno-kinetične teorije plinov. Ta enačba določa odvisnost tlaka plina od povprečne kinetične energije njegovih molekul. Po izpeljavi te enačbe v XIX. in eksperimentalni dokaz njene veljavnosti sta začela hiter razvoj kvantitativne teorije, ki traja še danes.
Dokaz skoraj vsake trditve v fiziki, izpeljava katere koli enačbe je mogoče izvesti z različnimi stopnjami strogosti in prepričljivosti: zelo poenostavljeno, bolj ali manj strogo ali s polno strogostjo, ki je na voljo sodobni znanosti.
Stroga izpeljava enačbe molekularno-kinetične teorije plinov je precej zapletena. Zato se omejimo na zelo poenostavljeno, shematično izpeljavo enačbe. Kljub vsem poenostavitvam bo rezultat pravilen.
Izpeljava glavne enačbe. Izračunaj pritisk plina na steno CD plovilo ABCD območje S, pravokotno na koordinatno os OX (sl.8.13).
Ko molekula zadene steno, se njena zagonska količina spremeni: . Ker se modul hitrosti molekul ob udarcu ne spremeni, torej 
. Po drugem Newtonovem zakonu je sprememba gibalne količine molekule enaka gibalni količini sile, ki deluje nanjo s strani stene posode, po tretjem Newtonovem zakonu pa gibalni količini sile, s katero je molekula delovala na steni je enaka v absolutni vrednosti. Posledično je zaradi udarca molekule na steno delovala sila, katere moment je enak .
Molekule so zelo majhne, navadnih molekul ne vidimo niti z najmočnejšim optičnim mikroskopom – a nekatere parametre molekul je mogoče precej natančno izračunati (masa), nekatere pa le zelo okvirno oceniti (velikosti, hitrost) in bi lepo je razumeti, kaj je "velikost". molekule" in o kakšni "molekularni hitrosti" govorimo. Torej, maso molekule najdemo kot "maso enega mola" / "število molekul v molu." Na primer, za molekulo vode je m = 0,018/6 1023 = 3 10-26 kg (lahko se natančneje izračuna - Avogadrovo število je znano z dobro natančnostjo in molsko maso katere koli molekule je enostavno najti).
Ocenjevanje velikosti molekule se začne z vprašanjem, kaj se šteje za njeno velikost. Ko bi le bila popolno zloščena kocka! Vendar ni ne kocka ne krogla in na splošno nima jasno določenih meja. Kako biti v takih primerih? Začnimo od daleč. Ocenimo velikost veliko bolj znanega predmeta - šolarja. Vsi smo videli šolarje, maso povprečnega šolarja bomo vzeli za 60 kg (in potem bomo videli, ali ta izbira močno vpliva na rezultat), gostota šolarja je približno enaka gostoti vode (ne pozabite da je vredno globoko vdihniti zrak, nato pa lahko "visite" v vodi, skoraj popolnoma potopljeni, in če izdihnete, takoj začnete toniti). Zdaj lahko najdete prostornino študenta: V \u003d 60/1000 \u003d 0,06 kubičnih metrov. metrov. Če zdaj predpostavimo, da ima učenec obliko kocke, potem njegovo velikost najdemo kot kubni koren prostornine, tj. približno 0,4 m Tako se je izkazala velikost - manjša od rasti (velikost "v višino"), večja debelina (velikost "v globino"). Če ne vemo ničesar o obliki telesa učenca, potem ne bomo našli nič boljšega od tega odgovora (namesto kocke bi lahko vzeli žogo, vendar bi bil odgovor približno enak in je več težko izračunati premer krogle kot rob kocke). Če pa imamo Dodatne informacije(na primer iz analize fotografij), potem je odgovor lahko veliko bolj utemeljen. Naj se ve, da je »širina« šolarja v povprečju štirikrat manjša od njegove višine, njegova »globina« pa trikrat manjša. Potem H * H / 4 * H / 12 \u003d V, torej H \u003d 1,5 m (nima smisla narediti natančnejšega izračuna tako slabo definirane vrednosti, preprosto je nepismeno osredotočiti se na zmogljivosti kalkulatorja v takšni “kalkulaciji”!). Dobili smo precej razumno oceno višine šolarja, če smo vzeli maso približno 100 kg (in obstajajo takšni šolarji!), Dobimo približno 1,7 - 1,8 m - tudi precej razumno.
Zdaj pa ocenimo velikost molekule vode. Poiščimo prostornino, ki pade na eno molekulo v "tekoči vodi" - v njej so molekule najgosteje zapakirane (so močneje stisnjene druga na drugo kot v trdnem, "ledenem" stanju). En mol vode ima maso 18 g in prostornino 18 cu. centimetrov. Nato ena molekula predstavlja prostornino V= 18 10-6/6 1023 = 3 10-29 m3. Če nimamo podatkov o obliki molekule vode (ali - če ne želimo upoštevati kompleksne oblike molekul), jo najlažje obravnavamo kot kocko in poiščemo velikost natanko tako, kot smo pravkar našel velikost kubičnega šolarja: d = (V) 1/3 = 3 10-10 m To je to! Vpliv oblike precej zapletenih molekul na rezultat izračuna lahko ocenite na primer takole: izračunajte velikost molekul bencina, pri čemer upoštevajte molekule kot kocke - in nato izvedite poskus tako, da pogledate površino madež kapljice bencina na vodni gladini. Ob upoštevanju filma kot "tekoča površina debeline ene molekule" in poznavanja mase kapljice lahko primerjamo velikosti, dobljene s tema dvema metodama. Zelo poučen rezultat!
Uporabljena ideja je primerna tudi za povsem drugačen izračun. Ocenimo povprečno razdaljo med sosednjimi molekulami redkega plina za konkreten primer - dušik pri tlaku 1 atm in temperaturi 300 K. Da bi to naredili, najdemo prostornino, ki v tem plinu pade na eno molekulo, in potem se bo vse izkazalo preprosto. Torej, vzemimo mol dušika pod temi pogoji in poiščemo prostornino deleža, navedenega v pogoju, in nato to prostornino delimo s številom molekul: V = RT / P NA = 8,3 300/105 6 1023 = 4 10 -26 m3. Predpostavili bomo, da je prostornina razdeljena na gosto zapakirane kubične celice in vsaka molekula "povprečno" sedi v središču svoje celice. Takrat je povprečna razdalja med sosednjimi (najbližjimi) molekulami enaka robu kubične celice: d = (V)1/3 = 3 10-9 m zavzemajo precej majhen - približno 1/1000 del - prostornine plovilo. Tudi v tem primeru smo izračun izvedli zelo približno - nima smisla natančneje izračunati tako ne preveč določenih vrednosti, kot je "povprečna razdalja med sosednjimi molekulami".
Plinski zakoni in temelji MKT.
Če je plin dovolj redčen (in to je običajna stvar, najpogosteje imamo opravka z redkimi plini), potem se skoraj vsak izračun opravi s formulo, ki povezuje tlak P, prostornino V, količino plina ν in temperaturo T - to je znana "enačba stanja idealnega plina" P·V= ν·R·T. Kako najti eno od teh količin, če so podane vse ostale, je povsem preprosto in razumljivo. Toda problem je mogoče oblikovati tako, da bo vprašanje o neki drugi količini - na primer o gostoti plina. Torej, naloga je najti gostoto dušika pri temperaturi 300 K in tlaku 0,2 atm. Rešimo to. Po stanju sodeč je plin precej redčen (zrak, ki je sestavljen iz 80 % dušika in je pod veliko višjim tlakom, lahko velja za redek, dihamo prosto in zlahka prehajamo skozenj), in če temu ne bi bilo tako, bi še vedno imeli druge formule ne - uporabite to, ljubljeni. Pogoj ne določa prostornine katerega koli deleža plina, določimo jo sami. Vzemimo 1 kubični meter dušik in poiščite količino plina v tej prostornini. Če poznamo molsko maso dušika M = 0,028 kg / mol, najdemo maso tega dela - in problem je rešen. Količina plina ν= P V/R T, masa m = ν M = M P V/R T, torej gostota ρ= m/V = M P/R T = 0,028 20000/( 8,3 300) ≈ 0,2 kg/m3. Glasnost, ki smo jo izbrali, ni bila nikoli vključena v odgovor, izbrali smo jo zaradi specifičnosti - tako je lažje sklepati, ker ni nujno, da takoj ugotovite, da je prostornina lahko karkoli, vendar se bo gostota izkazala za enako. Lahko pa pomislimo - "če vzamemo prostornino, recimo petkrat večjo, bomo povečali natanko petkratno količino plina, zato bo gostota enaka, ne glede na količino, ki jo vzamemo." Lahko preprosto prepišete svojo najljubšo formulo in vanjo nadomestite izraz za količino plina skozi maso dela plina in njegovo molsko maso: ν \u003d m / M, potem je razmerje m / V \u003d M P / R T takoj izražena, in to je gostota . Možno je bilo vzeti mol plina in ugotoviti prostornino, ki jo zaseda, po kateri se takoj ugotovi gostota, ker je masa mola znana. Na splošno, kot lažja naloga, bolj enakovreden in lepe načine reši...
Tu je še en problem, pri katerem se vprašanje morda zdi nepričakovano: poiščite razliko v zračnem tlaku na višini 20 m in na višini 50 m nad tlemi. Temperatura 00С, tlak 1 atm. Rešitev: če pri teh pogojih najdemo gostoto zraka ρ, potem je razlika tlaka ∆P = ρ·g·∆H. Gostoto ugotovimo na enak način kot v prejšnjem problemu, težava je le v tem, da je zrak mešanica plinov. Ob predpostavki, da je sestavljena iz 80 % dušika in 20 % kisika, dobimo maso mola mešanice: m = 0,8 0,028 + 0,2 0,032 ≈ 0,029 kg. Prostornina, ki jo zaseda ta mol, je V= R·T/P, gostota pa je določena kot razmerje teh dveh količin. Potem je vse jasno, odgovor bo približno 35 Pa.
Pri ugotavljanju, na primer, dvižne sile bo treba izračunati tudi gostoto plina balon na vroč zrak določeno prostornino, pri izračunu količine zraka v jeklenkah za potapljanje, potrebnega za dihanje pod vodo v znanem času, pri izračunu števila oslov, potrebnih za prevoz določene količine živosrebrovih hlapov skozi puščavo, in v mnogih drugih primerih.
Toda naloga je bolj zapletena: električni kotliček hrupno vre na mizi, poraba energije je 1000 W, učinkovitost. grelec 75% (ostalo "odide" v okoliški prostor). Iz šobe - površina "nosa" je 1 cm2 - curek pare leti ven, ocenite hitrost plina v tem curku. Vsi potrebni podatki so vzeti iz tabel.
rešitev. Predvidevamo, da se v kotličku nad vodo tvori nasičena para, nato curek nasičene vodne pare odleti iz dulca pri +1000C. Tlak takšne pare je 1 atm, njegovo gostoto je enostavno najti. Če poznamo moč, porabljeno za izhlapevanje P = 0,75 P0 = 750 W in specifično toploto uparjanja (izhlapevanje) r = 2300 kJ / kg, najdemo maso pare, ki nastane v času τ: m = 0,75 P0 τ / r. Poznamo gostoto, potem je enostavno najti prostornino te količine pare. Ostalo je že jasno - predstavljajte si ta volumen kot stolpec z območjem prečni prerez 1 cm2 nam bo dolžina tega stolpca, deljena s τ, dala hitrost odhoda (takšna dolžina odleti v sekundi). Tako je hitrost odhoda curka iz izliva čajnika V = m/(ρ S τ) = 0,75P0 τ/(r ρ S τ) = 0,75P0 R T/(r P M S) = 750 8,3 373/(2,3 106 1 105 0,018 1 10-4) ≈ 5 m/s.
(c) Zilberman A. R.
Trdne snovi so tiste snovi, ki lahko tvorijo telesa in imajo prostornino. Od tekočin in plinov se razlikujejo po obliki. Trdne snovi ohranijo obliko telesa zaradi dejstva, da se njihovi delci ne morejo prosto gibati. Razlikujejo se po gostoti, plastičnosti, električni prevodnosti in barvi. Imajo tudi druge lastnosti. Tako se na primer večina teh snovi med segrevanjem stopi in pridobi tekoče agregatno stanje. Nekateri od njih se pri segrevanju takoj spremenijo v plin (sublimirajo). Obstajajo pa tudi takšni, ki se razgradijo na druge snovi.
Vrste trdnih snovi
Vse trdne snovi so razdeljene v dve skupini.
- Amorfna, v kateri so posamezni delci razporejeni naključno. Z drugimi besedami: nimajo jasne (definirane) strukture. Te trdne snovi se lahko talijo v določenem temperaturnem območju. Najpogostejši med njimi sta steklo in smola.
- Kristalni, ki so razdeljeni na 4 vrste: atomski, molekularni, ionski, kovinski. V njih se delci nahajajo le po določenem vzorcu, in sicer na vozliščih kristalne mreže. Njegova geometrija v različnih snoveh se lahko zelo razlikuje.
Trdne kristalne snovi po številu prevladujejo nad amorfnimi.
Vrste kristalnih trdnih snovi
V trdnem stanju imajo skoraj vse snovi kristalno strukturo. Odlikujejo se po tem, da mreža v svojih vozliščih vsebuje različne delce in kemični elementi. V skladu z njimi so dobili tudi svoja imena. Vsaka vrsta ima svoje značilne lastnosti:
- V atomski kristalni mreži so delci trdne snovi povezani s kovalentno vezjo. Izstopa po svoji vzdržljivosti. Zaradi tega se takšne snovi razlikujejo po visokem in vrelišču. Ta vrsta vključuje kremen in diamant.
- V molekularni kristalni mreži se vez med delci razlikuje po svoji šibkosti. Za te vrste snovi je značilna enostavnost vrenja in taljenja. So hlapljivi, zaradi česar imajo določen vonj. Te trdne snovi vključujejo led in sladkor. Gibanje molekul v trdnih snoveh te vrste se odlikuje po njihovi aktivnosti.
- V vozliščih se izmenjujejo ustrezni delci, nabiti pozitivno in negativno. Drži jih skupaj elektrostatična privlačnost. Ta vrsta mreže obstaja v alkalijah, soli.Veliko snovi te vrste je zlahka topnih v vodi. Zaradi dokaj močne vezi med ioni so ognjevzdržni. Skoraj vsi so brez vonja, saj je zanje značilna nehlapnost. Snovi z ionsko mrežo ne morejo prevajati elektrika ker ne vsebujejo prostih elektronov. Tipičen primer ionske trdne snovi je kuhinjska sol. Takšna kristalna mreža ga naredi krhkega. To je posledica dejstva, da lahko vsak njegov premik povzroči pojav odbojnih sil ionov.
- V kovinski kristalni mreži so na vozliščih prisotni le ioni kemične snovi pozitivno nabit. Med njimi so prosti elektroni, skozi katere odlično prehaja toplotna in električna energija. Zato se vse kovine odlikujejo po takšni lastnosti, kot je prevodnost.
Splošni pojmi o togem telesu
Trdne snovi in snovi so praktično enake stvari. Ti izrazi se nanašajo na eno od 4 agregatnih stanj. Trdne snovi imajo stabilno obliko in naravo toplotnega gibanja atomov. Poleg tega slednji povzročajo majhna nihanja v bližini ravnotežnih položajev. Veja znanosti, ki se ukvarja s proučevanjem sestave in notranje strukture, se imenuje fizika trdne snovi. Obstajajo tudi druga pomembna področja znanja, ki se ukvarjajo s takimi snovmi. Spreminjanje oblike pod zunanjimi vplivi in gibanjem imenujemo mehanika deformabilnega telesa.
Zahvale gredo različne lastnosti trdne snovi, so našli uporabo v različnih tehničnih napravah, ki jih je ustvaril človek. Najpogosteje je njihova uporaba temeljila na lastnostih, kot so trdota, volumen, masa, elastičnost, plastičnost, krhkost. Sodobna znanost dovoljuje uporabo trdnih snovi drugih lastnosti, ki jih je mogoče najti le v laboratoriju.
Kaj so kristali
Kristali so trdna telesa z delci, razporejenimi v določenem vrstnem redu. Vsak ima svojo strukturo. Njegovi atomi tvorijo tridimenzionalno periodično razporeditev, imenovano kristalna mreža. Trdne snovi imajo različne strukturne simetrije. Kristalno stanje trdne snovi velja za stabilno, ker ima minimalno količino potencialne energije.
Velika večina trdnih snovi je sestavljena iz ogromnega števila naključno usmerjenih posameznih zrn (kristalitov). Takšne snovi imenujemo polikristalne. Sem spadajo tehnične zlitine in kovine ter številne kamnine. Monokristalni se nanaša na posamezne naravne ali sintetične kristale.
Najpogosteje se takšne trdne snovi tvorijo iz stanja tekoče faze, ki jo predstavlja talina ali raztopina. Včasih so pridobljeni iz plinastega stanja. Ta proces se imenuje kristalizacija. Zahvaljujoč znanstvenemu in tehnološkemu napredku je postopek gojenja (sinteze). različne snovi prejel industrijsko lestvico. Večina kristalov ima naravno obliko v obliki. Njihove velikosti so zelo različne. Torej lahko naravni kremen (rock kristal) tehta do več sto kilogramov, diamanti pa do nekaj gramov.
V amorfnih trdnih snoveh atomi nenehno nihajo okoli naključno lociranih točk. Ohranjajo določen vrstni red kratkega dosega, ni pa vrstnega reda dolgega dosega. To je posledica dejstva, da se njihove molekule nahajajo na razdalji, ki jo je mogoče primerjati z njihovo velikostjo. Najpogostejši primer takšne trdne snovi v našem življenju je steklasto stanje. pogosto obravnavana kot tekočina z neskončno visoko viskoznostjo. Čas njihove kristalizacije je včasih tako dolg, da se sploh ne pojavi.
Zgornje lastnosti teh snovi naredijo edinstvene. Amorfne trdne snovi veljajo za nestabilne, ker lahko sčasoma postanejo kristalne.
Molekule in atomi, ki sestavljajo trdno snov, so pakirani z visoko gostoto. Praktično ohranijo medsebojno lego glede na druge delce in se držijo skupaj zaradi medmolekulske interakcije. Razdalja med molekulami trdne snovi v različnih smereh se imenuje parameter mreže. Struktura snovi in njena simetrija določata številne lastnosti, kot so elektronski pas, cepitev in optika. Ko na trdno snov deluje dovolj velika sila, se lahko te lastnosti v eni ali drugi meri porušijo. V tem primeru je trdno telo podvrženo trajni deformaciji.
Atomi trdnih snovi tvorijo oscilatorna gibanja, ki določajo njihovo posest toplotne energije. Ker so zanemarljive, jih lahko opazujemo le v laboratorijskih pogojih. trdna snov v veliki meri vpliva na njene lastnosti.
Študija trdnih snovi
Značilnosti, lastnosti teh snovi, njihove lastnosti in gibanje delcev preučujejo različni pododdelki fizike trdne snovi.
Za raziskave se uporabljajo radiospektroskopija, strukturna analiza z uporabo rentgenskih žarkov in druge metode. Tako mehansko, fizično in toplotne lastnosti trdne snovi. Trdota, odpornost na obremenitev, natezna trdnost, fazne transformacije preučuje znanost o materialih. V veliki meri odmeva fiziko trdne snovi. Obstaja še ena pomembna sodobna znanost. Preučevanje obstoječih in sintezo novih snovi izvaja kemija trdne snovi.
Lastnosti trdnih snovi
Narava gibanja zunanjih elektronov atomov trdne snovi določa številne njegove lastnosti, na primer električne. Obstaja 5 razredov takih teles. Nastavljeni so glede na vrsto atomske vezi:
- Ionska, katere glavna značilnost je sila elektrostatične privlačnosti. Njegove lastnosti: odboj in absorpcija svetlobe v infrardečem območju. Pri nizkih temperaturah je za ionsko vez značilna nizka električna prevodnost. Primer take snovi je natrijeva sol klorovodikove kisline (NaCl).
- Kovalentna, izvedena zaradi elektronskega para, ki pripada obema atomoma. Tako vez delimo na: enojno (enostavno), dvojno in trojno. Ta imena kažejo na prisotnost parov elektronov (1, 2, 3). Dvojne in trojne vezi se imenujejo večkratniki. Obstaja še ena delitev te skupine. Torej, glede na porazdelitev elektronske gostote ločimo polarne in nepolarne vezi. Prvo tvorijo različni atomi, drugo pa je enako. Tako trdno agregatno stanje, katerega primera sta diamant (C) in silicij (Si), se odlikuje po gostoti. Najtrši kristali pripadajo ravno kovalentni vezi.
- Kovinski, nastane z združevanjem valenčnih elektronov atomov. Posledično se pojavi skupni elektronski oblak, ki se premakne pod vplivom električna napetost. Kovinska vez nastane, ko so vezani atomi veliki. Sposobni so darovati elektrone. V mnogih kovinah in kompleksnih spojinah ta vez tvori trdno agregatno stanje. Primeri: natrij, barij, aluminij, baker, zlato. Od nekovinskih spojin lahko opazimo naslednje: AlCr 2, Ca 2 Cu, Cu 5 Zn 8. Snovi s kovinsko vezjo (kovine) so po fizikalnih lastnostih raznolike. Lahko so tekoči (Hg), mehki (Na, K), zelo trdi (W, Nb).
- Molekularna, ki nastane v kristalih, ki jih tvorijo posamezne molekule snovi. Zanj so značilne vrzeli med molekulami z ničelno elektronsko gostoto. Sile, ki vežejo atome v takih kristalih, so pomembne. V tem primeru se molekule med seboj privlačijo le s šibko medmolekularno privlačnostjo. Zato se vezi med njimi pri segrevanju zlahka uničijo. Vezi med atomi je veliko težje prekiniti. Molekularne vezi delimo na orientacijske, disperzijske in induktivne. Primer take snovi je trdni metan.
- Vodik, ki se pojavi med pozitivno polariziranimi atomi molekule ali njenim delom in negativno polariziranim najmanjšim delcem druge molekule ali drugega dela. Takšnim vezam lahko pripišemo led.
Lastnosti trdnih snovi
Kaj vemo danes? Znanstveniki že dolgo preučujejo lastnosti trdnega stanja snovi. Ko je izpostavljen temperaturi, se tudi spremeni. Prehod takega telesa v tekočino imenujemo taljenje. Pretvorbo trdnega v plinasto stanje imenujemo sublimacija. Ko se temperatura zniža, pride do kristalizacije trdne snovi. Nekatere snovi pod vplivom mraza preidejo v amorfno fazo. Znanstveniki ta proces imenujejo vitrifikacija.
Pri se spremeni notranja zgradba trdnih teles. Največjo urejenost pridobi z nižanjem temperature. Pri atmosferskem tlaku in temperaturi T > 0 K se strdijo vse snovi, ki obstajajo v naravi. Izjema od tega pravila je samo helij, ki za kristalizacijo potrebuje tlak 24 atm.
Trdno stanje snovi daje različne fizične lastnosti. Označujejo specifično obnašanje teles pod vplivom določenih polj in sil. Te lastnosti so razdeljene v skupine. Obstajajo 3 načini izpostavljenosti, ki ustrezajo 3 vrstam energije (mehanska, toplotna, elektromagnetna). V skladu s tem obstajajo 3 skupine fizikalnih lastnosti trdnih snovi:
- Mehanske lastnosti, povezane z napetostjo in deformacijo teles. Po teh kriterijih delimo trdne snovi na elastične, reološke, trdnostne in tehnološke. V mirovanju tako telo ohrani svojo obliko, lahko pa se spremeni pod delovanjem zunanje sile. Hkrati je njegova deformacija lahko plastična (začetna oblika se ne vrne), elastična (vrne se v prvotno obliko) ali destruktivna (razpad/zlom se pojavi, ko je dosežen določen prag). Odziv na uporabljeno silo opisujejo moduli elastičnosti. Trdno telo se upira ne le stiskanju, raztezanju, ampak tudi premikom, zvijanju in upogibanju. Trdnost trdnega telesa je njegova lastnost, da se upira uničenju.
- Toplotna, ki se kaže, ko je izpostavljena toplotnim poljem. Ena najpomembnejših lastnosti je tališče, pri katerem telo preide v tekoče stanje. Opazimo ga v kristalnih trdnih snoveh. Amorfna telesa imajo latentno talilno toploto, saj njihov prehod v tekoče stanje z naraščajočo temperaturo poteka postopoma. Ko doseže določeno temperaturo, amorfno telo izgubi elastičnost in pridobi plastičnost. To stanje pomeni, da je dosegel temperaturo posteklenitve. Pri segrevanju pride do deformacije trdne snovi. In večino časa se razširi. Kvantitativno je to stanje označeno z določenim koeficientom. Telesna temperatura vpliva na mehanske lastnosti, kot so fluidnost, duktilnost, trdota in trdnost.
- Elektromagnetno, povezano z vplivom na trdno snov tokov mikrodelcev in elektromagnetnih valov visoke togosti. Lastnosti sevanja se jim pogojno nanašajo.
Struktura pasu
Trdne snovi so razvrščene tudi glede na tako imenovano pasovno strukturo. Torej, med njimi se razlikujejo:
- Prevodniki, za katere je značilno, da se njihov prevodni in valenčni pas prekrivata. V tem primeru se elektroni lahko premikajo med njimi in prejmejo najmanjšo energijo. Vse kovine so prevodniki. Ko na takšno telo pripeljemo potencialno razliko, nastane električni tok (zaradi prostega gibanja elektronov med točkami z najnižjim in najvišjim potencialom).
- Dielektriki, katerih cone se ne prekrivajo. Interval med njima presega 4 eV. Za prevajanje elektronov iz valenčnega v prevodni pas je potrebno veliko energije. Zaradi teh lastnosti dielektriki praktično ne prevajajo toka.
- Za polprevodnike je značilna odsotnost prevodnih in valenčnih pasov. Interval med njima je manjši od 4 eV. Za prenos elektronov iz valenčnega v prevodni pas potrebujemo manj energije kot za dielektrike. Čisti (nedopirani in domači) polprevodniki slabo prepuščajo tok.
Molekularna gibanja v trdnih snoveh določajo njihove elektromagnetne lastnosti.
Druge lastnosti
Trdne snovi so razdeljene tudi glede na njihove magnetne lastnosti. Obstajajo tri skupine:
- Diamagneti, katerih lastnosti so malo odvisne od temperature ali agregatnega stanja.
- Paramagneti, ki so posledica orientacije prevodnih elektronov in magnetnih momentov atomov. Po Curiejevem zakonu se njihova občutljivost zmanjšuje sorazmerno s temperaturo. Torej, pri 300 K je 10 -5 .
- Telesa z urejeno magnetno strukturo, ki imajo vrstni red atomov na velikem dosegu. Na vozliščih njihove rešetke so delci z magnetni momenti. Takšne trdne snovi in snovi se pogosto uporabljajo na različnih področjih človeške dejavnosti.
Najtrše snovi v naravi
Kaj so oni? Gostota trdnih snovi v veliki meri določa njihovo trdoto. per Zadnja leta znanstveniki so odkrili več materialov, ki trdijo, da so "najbolj vzdržljivo telo". Najtrša snov je fulerit (kristal z molekulami fulerena), ki je približno 1,5-krat trši od diamanta. Žal je trenutno na voljo le v izjemno majhnih količinah.
Do danes je najtrša snov, ki bi se lahko v prihodnosti uporabljala v industriji, lonsdaleit (šesterokotni diamant). Je 58% trši od diamanta. Lonsdaleit je alotropna modifikacija ogljika. Njegova kristalna mreža je zelo podobna diamantu. Celica lonsdaleita vsebuje 4 atome, diamant pa 8. Od široko uporabljenih kristalov je diamant danes najtrši.
Kolikšna je povprečna razdalja med molekulami nasičene vodne pare pri 100 °C?
Naloga št. 4.1.65 iz "Zbirke nalog za pripravo na sprejemne izpite iz fizike na USPTU"
podano:
\(t=100^\circ\) C, \(l-?\)
Rešitev problema:
Upoštevajte vodno paro v neki poljubni količini, ki je enaka \(\nu\) mol. Če želite določiti prostornino \ (V \), ki jo zaseda določena količina vodne pare, morate uporabiti enačbo Clapeyron-Mendeleev:
V tej formuli je \(R\) univerzalna plinska konstanta, enaka 8,31 J/(mol·K). Tlak nasičene vodne pare \(p\) pri temperaturi 100 ° C je 100 kPa, to je znano dejstvo in bi ga moral poznati vsak študent.
Za določitev števila molekul vodne pare \(N\) uporabimo naslednjo formulo:
Tukaj je \(N_A\) Avogadrovo število, enako 6,023 10 23 1/mol.
Nato za vsako molekulo obstaja kocka prostornine \(V_0\), ki je očitno določena s formulo:
\[(V_0) = \frac(V)(N)\]
\[(V_0) = \frac((\nu RT))((p\nu (N_A))) = \frac((RT))((p(N_A)))\]
Zdaj si oglejte diagram težave. Vsaka molekula se običajno nahaja v svoji kocki, razdalja med dvema molekulama se lahko spreminja od 0 do \(2d\), kjer je \(d\) dolžina roba kocke. Povprečna razdalja \(l\) bo enaka dolžini roba kocke \(d\):
Dolžino roba \(d\) lahko najdete takole:
Kot rezultat dobimo naslednjo formulo:
Pretvorimo temperaturo v Kelvinovo lestvico in izračunajmo odgovor:
Odgovor: 3,72 nm.
Če ne razumete rešitve in imate kakšno vprašanje ali najdete napako, spodaj pustite komentar.
Molekularno kinetična teorija pojasnjuje, da so lahko vse snovi v treh agregatnih stanjih: trdnem, tekočem in plinastem. Na primer led, voda in vodna para. Plazmo pogosto obravnavamo kot četrto agregatno stanje.
Agregatna stanja snovi(iz latinščine agrego- pritrditi, vezati) - stanja iste snovi, prehode med katerimi spremlja sprememba njenih fizikalnih lastnosti. To je sprememba agregatnih stanj snovi.
V vseh treh stanjih se molekule iste snovi v ničemer ne razlikujejo med seboj, spreminjajo se le njihova lokacija, narava toplotnega gibanja in sile medmolekularne interakcije.
Gibanje molekul v plinih
V plinih je razdalja med molekulami in atomi običajno veliko večja od velikosti molekul, privlačne sile pa so zelo majhne. Zato plini nimajo svoje oblike in stalne prostornine. Pline zlahka stisnemo, ker so tudi odbojne sile na velikih razdaljah majhne. Plini imajo lastnost, da se neomejeno širijo in zapolnijo celotno prostornino, ki jim je na voljo. Molekule plina se gibljejo z zelo velikimi hitrostmi, trčijo druga ob drugo, se odbijajo druga od druge v različnih smereh. Številni udarci molekul na stene posode ustvarjajo tlak plina.
Gibanje molekul v tekočinah
V tekočinah molekule ne le nihajo okoli ravnotežnega položaja, ampak tudi skačejo iz enega ravnotežnega položaja v drugega. Ti skoki se zgodijo občasno. Časovni interval med takimi skoki se imenuje povprečni čas ustaljenega življenja(oz povprečni čas sprostitve) in je označen s črko ?. Z drugimi besedami, relaksacijski čas je čas nihanja okoli enega določenega ravnotežnega položaja. Pri sobni temperaturi je ta čas v povprečju 10 -11 s. Čas enega nihanja je 10 -12 ... 10 -13 s.
Čas ustaljenega življenja se zmanjšuje z naraščajočo temperaturo. Razdalja med molekulami tekočine je manjša od velikosti molekul, delci so blizu drug drugemu, medmolekularna privlačnost je velika. Vendar pa razporeditev molekul tekočine ni strogo urejena po celotnem volumnu.
Tekočine, tako kot trdne snovi, ohranijo svojo prostornino, vendar nimajo svoje oblike. Zato prevzamejo obliko posode, v kateri se nahajajo. Tekočina ima lastnost pretočnost. Zaradi te lastnosti se tekočina ne upira spremembi oblike, se malo stisne, njene fizikalne lastnosti pa so enake v vseh smereh znotraj tekočine (izotropija tekočin). Prvič je naravo molekularnega gibanja v tekočinah ugotovil sovjetski fizik Jakov Iljič Frenkel (1894 - 1952).
Gibanje molekul v trdnih snoveh
Molekule in atomi trdnega telesa so razporejeni v določenem vrstnem redu in obliki kristalna mreža. Takšna trdne snovi imenujemo kristalni. Atomi nihajo okoli ravnotežnega položaja in privlačnost med njimi je zelo močna. Zato trdna telesa v normalnih pogojih ohranijo prostornino in imajo svojo obliko.
Fizika
Interakcija med atomi in molekulami snovi. Zgradba trdnih, tekočih in plinastih teles
Med molekulami snovi hkrati delujeta privlačna in odbojna sila. Te sile so v veliki meri odvisne od razdalj med molekulami.
Glede na eksperimentalne in teoretične študije so medmolekulske sile interakcije obratno sorazmerne z n-to stopnjo razdalje med molekulami:
kjer je za privlačne sile n = 7, za odbojne pa .
Interakcija dveh molekul se lahko opiše s pomočjo projekcije rezultantnih sil privlačenja in odboja molekul na razdaljo r med njunima središčema. Usmerimo os r od molekule 1, katere središče sovpada z izhodiščem koordinat, do središča molekule 2, ki je oddaljena od nje (slika 1).
Takrat bo projekcija odbojne sile molekule 2 od molekule 1 na os r pozitivna. Projekcija privlačne sile molekule 2 na molekulo 1 bo negativna.
Odbojne sile (slika 2) so na majhnih razdaljah veliko večje od privlačnih sil, vendar z naraščanjem r upadajo veliko hitreje. Tudi privlačne sile se z naraščanjem r hitro zmanjšujejo, tako da lahko interakcijo molekul zanemarimo, začenši z določene razdalje. najdaljša razdalja rm, na katerem molekule še interagirajo, imenujemo radij delovanja molekule 
.
Odbojne sile so po modulu enake privlačnim silam.
Razdalja ustreza stabilnemu ravnotežnemu medsebojnemu položaju molekul.
V različnih agregatnih stanjih snovi je razdalja med njenimi molekulami različna. Od tod razlika v medsebojnem delovanju sil molekul in bistvena razlika v naravi gibanja molekul plinov, tekočin in trdnih snovi.
V plinih so razdalje med molekulami nekajkrat večje od velikosti samih molekul. Zaradi tega so sile interakcije med molekulami plina majhne in kinetična energija toplotnega gibanja molekul močno presega potencialno energijo njihove interakcije. Vsaka molekula se prosto giblje od drugih molekul z ogromnimi hitrostmi (stotine metrov na sekundo), pri čemer spreminja smer in modul hitrosti ob trčenju z drugimi molekulami. Srednja prosta pot molekul plina je odvisna od tlaka in temperature plina. v normalnih pogojih.
V tekočinah je razdalja med molekulami veliko manjša kot v plinih. Sile interakcije med molekulami so velike, kinetična energija gibanja molekul pa je sorazmerna s potencialno energijo njihove interakcije, zaradi česar molekule tekočine zanihajo okoli določenega ravnotežnega položaja, nato pa se nenadoma premaknejo v novo ravnotežja po zelo kratkih časovnih intervalih, kar vodi do fluidnosti tekočine. Tako v tekočini molekule opravljajo predvsem nihajna in translacijska gibanja. V trdnih snoveh so sile interakcije med molekulami tako velike, da je kinetična energija gibanja molekul veliko manjša od potencialne energije njihove interakcije. Molekule izvajajo le nihanja z majhno amplitudo okoli določene konstantne ravnotežne lege – vozlišča kristalne mreže.
To razdaljo je mogoče oceniti s poznavanjem gostote snovi in molske mase. koncentracija -število delcev na prostorninsko enoto je povezano z gostoto, molsko maso in Avogadrovim številom z razmerjem.