Moléculas e átomos de um corpo sólido são arranjados em uma certa ordem e forma estrutura de cristal. Esses sólidos são chamados de cristalinos. Os átomos oscilam em torno da posição de equilíbrio e a atração entre eles é muito forte. Portanto, corpos sólidos em condições normais retêm volume e têm forma própria.
Equilíbrio térmico é o estado de um sistema termodinâmico no qual ele passa espontaneamente após um período de tempo suficientemente longo sob condições de isolamento do ambiente.
A temperatura é uma grandeza física que caracteriza a energia cinética média das partículas de um sistema macroscópico em estado de equilíbrio termodinâmico. Em um estado de equilíbrio, a temperatura tem o mesmo valor para todas as partes macroscópicas do sistema.
Graus Celsius(símbolo: ° C) é uma unidade comum de temperatura usada no Sistema Internacional de Unidades (SI) junto com o kelvin.
Termômetro médico de mercúrio
termômetro mecânico
O grau Celsius recebeu o nome do cientista sueco Anders Celsius, que em 1742 propôs uma nova escala para medir a temperatura. Zero na escala Celsius era o ponto de fusão do gelo e 100° era o ponto de ebulição da água à pressão atmosférica padrão. (Inicialmente, Celsius considerou a temperatura de fusão do gelo como 100 ° e o ponto de ebulição da água como 0 °. E só mais tarde seu contemporâneo Carl Linnaeus "inverteu" essa escala). Esta escala é linear na faixa de 0-100° e também continua linearmente na região abaixo de 0° e acima de 100°. A linearidade é um grande problema com medições precisas de temperatura. Basta dizer que um termômetro clássico cheio de água não pode ser marcado para temperaturas abaixo de 4 graus Celsius, pois nessa faixa a água começa a se expandir novamente.
A definição original do grau Celsius dependia da definição da pressão atmosférica padrão, porque tanto o ponto de ebulição da água quanto o ponto de fusão do gelo dependem da pressão. Isso não é muito conveniente para padronizar a unidade de medida. Portanto, após a adoção do kelvin K como unidade básica de temperatura, a definição do grau Celsius foi revisada.
De acordo com a definição moderna, um grau Celsius é igual a um kelvin K, e o zero da escala Celsius é definido de forma que a temperatura do ponto triplo da água seja 0,01 °C. Como resultado, as escalas Celsius e Kelvin são deslocadas em 273,15:
26)Gás ideal- um modelo matemático de um gás, no qual se assume que a energia potencial da interação das moléculas pode ser desprezada em comparação com sua energia cinética. Não há forças de atração ou repulsão entre as moléculas, as colisões das partículas entre si e com as paredes do vaso são absolutamente elásticas, e o tempo de interação entre as moléculas é insignificante comparado ao tempo médio entre as colisões.
Onde ké a constante de Boltzmann (a razão entre a constante universal dos gases R ao número de Avogadro N / D), eu- o número de graus de liberdade das moléculas (na maioria dos problemas sobre gases ideais, onde as moléculas são consideradas esferas de pequeno raio, cujo análogo físico pode ser gases inertes), e Té a temperatura absoluta.
A equação básica do MKT conecta os parâmetros macroscópicos (pressão, volume, temperatura) de um sistema gasoso com os microscópicos (massa molecular, velocidade média de seu movimento).
Energia cinética de uma molécula
Em um gás, as moléculas realizam movimentos livres (isolados de outras moléculas), apenas de tempos em tempos colidindo umas com as outras ou com as paredes do vaso. Enquanto a molécula estiver em movimento livre, ela terá apenas energia cinética. Durante a colisão, as moléculas também têm energia potencial. Assim, a energia total de um gás é a soma das energias cinética e potencial de suas moléculas. Quanto mais rarefeito o gás, mais as moléculas a cada instante de tempo estão em estado de movimento livre, possuindo apenas energia cinética. Consequentemente, quando o gás é rarefeito, a parcela de energia potencial diminui em comparação com a energia cinética.
A energia cinética média de uma molécula no equilíbrio de um gás ideal tem uma característica muito importante: em uma mistura de gases diferentes, a energia cinética média de uma molécula para diferentes componentes da mistura é a mesma.
Por exemplo, o ar é uma mistura de gases. A energia média de uma molécula de ar para todos os seus componentes em condições normais, quando o ar ainda pode ser considerado um gás ideal, é a mesma. Esta propriedade dos gases ideais pode ser provada com base em considerações estatísticas gerais. Uma consequência importante decorre disso: se dois gases diferentes (em recipientes diferentes) estão em equilíbrio térmico entre si, então as energias cinéticas médias de suas moléculas são as mesmas.
Nos gases, a distância entre moléculas e átomos é geralmente muito maior que o tamanho das próprias moléculas, as forças de interação das moléculas não são grandes. Como resultado, o gás não tem forma própria e volume constante. O gás é facilmente compressível e pode se expandir indefinidamente. As moléculas de gás se movem livremente (translacionalmente, elas podem girar), colidindo apenas ocasionalmente com outras moléculas e com as paredes do recipiente em que o gás está localizado e se movem em velocidades muito altas.
Movimento de partículas em sólidos
A estrutura dos sólidos é fundamentalmente diferente da estrutura dos gases. Neles, as distâncias intermoleculares são pequenas e a energia potencial das moléculas é comparável à cinética. Átomos (ou íons, ou moléculas inteiras) não podem ser chamados de imóveis, eles realizam movimentos oscilatórios aleatórios em torno de suas posições intermediárias. Quanto maior a temperatura, maior a energia das oscilações e, portanto, a amplitude média das oscilações. As vibrações térmicas dos átomos também explicam a capacidade térmica dos sólidos. Vamos considerar com mais detalhes os movimentos das partículas em sólidos cristalinos. Todo o cristal como um todo é um sistema oscilatório acoplado muito complexo. Os desvios dos átomos das posições médias são pequenos e, portanto, podemos supor que os átomos estão sujeitos à ação de forças quase elásticas obedecendo à lei de Hooke linear. Tais sistemas oscilatórios são chamados lineares.
Existe uma teoria matemática desenvolvida de sistemas sujeitos a oscilações lineares. Isso prova um teorema muito importante, cuja essência é a seguinte. Se o sistema executa pequenas oscilações interconectadas (lineares), então, ao transformar as coordenadas, ele pode ser formalmente reduzido a um sistema de osciladores independentes (para os quais as equações de oscilação não dependem umas das outras). O sistema de osciladores independentes se comporta como um gás ideal no sentido de que os átomos deste também podem ser considerados independentes.
É usando a ideia da independência dos átomos do gás que chegamos à lei de Boltzmann. Esta conclusão muito importante fornece uma base simples e confiável para toda a teoria dos sólidos.
lei de Boltzmann
O número de osciladores com determinados parâmetros (coordenadas e velocidades) é determinado da mesma forma que o número de moléculas de gás em um determinado estado, de acordo com a fórmula:
Energia do oscilador.
A lei de Boltzmann (1) na teoria de um corpo sólido não tem restrições, no entanto, a fórmula (2) para a energia de um oscilador é retirada da mecânica clássica. Na consideração teórica dos sólidos, é necessário contar com a mecânica quântica, que se caracteriza por uma mudança discreta na energia de um oscilador. A discrição da energia do oscilador torna-se insignificante apenas em valores suficientemente altos de sua energia. Isso significa que (2) só pode ser usado em temperaturas suficientemente altas. Em altas temperaturas de um sólido, próximo ao ponto de fusão, a lei de Boltzmann implica a lei da distribuição uniforme de energia em graus de liberdade. Se nos gases para cada grau de liberdade, em média, existe uma quantidade de energia igual a (1/2) kT, então o oscilador tem um grau de liberdade, além da cinética, tem energia potencial. Portanto, um grau de liberdade em um sólido a uma temperatura suficientemente alta tem uma energia igual a kT. Com base nessa lei, não é difícil calcular a energia interna total de um sólido e, a partir dela, sua capacidade térmica. Um mol de um sólido contém átomos de NA, e cada átomo tem três graus de liberdade. Portanto, a toupeira contém 3 osciladores NA. Energia molar de um corpo sólido
e a capacidade de calor molar de um sólido em temperaturas suficientemente altas
A experiência confirma esta lei.
Os líquidos ocupam uma posição intermediária entre gases e sólidos. As moléculas de um líquido não divergem em longas distâncias e o líquido em condições normais retém seu volume. Mas, ao contrário dos sólidos, as moléculas não apenas oscilam, mas também saltam de um lugar para outro, ou seja, fazem movimentos livres. Quando a temperatura aumenta, os líquidos fervem (existe o chamado ponto de ebulição) e se transformam em gás. À medida que a temperatura cai, os líquidos cristalizam e tornam-se sólidos. Existe um ponto no campo de temperatura em que o limite entre o gás (vapor saturado) e o líquido desaparece (ponto crítico). O padrão de movimento térmico de moléculas em líquidos próximo à temperatura de solidificação é muito semelhante ao comportamento de moléculas em sólidos. Por exemplo, os coeficientes de capacidade de calor são quase os mesmos. Como a capacidade térmica de uma substância durante a fusão muda ligeiramente, pode-se concluir que a natureza do movimento das partículas em um líquido é próxima ao movimento em um sólido (na temperatura de fusão). Quando aquecido, as propriedades do líquido mudam gradualmente e ele se torna mais parecido com um gás. Nos líquidos, a energia cinética média das partículas é menor que a energia potencial de sua interação intermolecular. A energia da interação intermolecular em líquidos e sólidos difere insignificantemente. Se compararmos o calor de fusão e o calor de evaporação, veremos que durante a transição de um estado de agregação para outro, o calor de fusão é significativamente menor que o calor de vaporização. Uma descrição matemática adequada da estrutura de um líquido só pode ser dada com a ajuda da física estatística. Por exemplo, se um líquido consiste em moléculas esféricas idênticas, então sua estrutura pode ser descrita pela função de distribuição radial g(r), que dá a probabilidade de encontrar qualquer molécula a uma distância r da dada, escolhida como ponto de referência . Experimentalmente, essa função pode ser encontrada estudando a difração de raios X ou nêutrons; é possível realizar simulações computacionais dessa função usando a mecânica newtoniana.
A teoria cinética do líquido foi desenvolvida por Ya.I. Frenkel. Nesta teoria, o líquido é considerado, como no caso de um corpo sólido, como um sistema dinâmico de osciladores harmônicos. Mas, ao contrário de um corpo sólido, a posição de equilíbrio das moléculas em um líquido é temporária. Após oscilar em torno de uma posição, a molécula do líquido salta para uma nova posição localizada na vizinhança. Tal salto ocorre com o gasto de energia. O tempo médio de "vida estabelecida" de uma molécula líquida pode ser calculado como:
\[\left\langle t\right\rangle =t_0e^(\frac(W)(kT))\left(5\right),\]
onde $t_0\ $ é o período de oscilações em torno de uma posição de equilíbrio. A energia que uma molécula deve receber para se mover de uma posição para outra é chamada de energia de ativação W, e o tempo que a molécula está na posição de equilíbrio é chamado de tempo de “vida estabelecida” t.
Para uma molécula de água, por exemplo, à temperatura ambiente, uma molécula faz cerca de 100 vibrações e salta para uma nova posição. As forças de atração entre as moléculas de um líquido são grandes para manter o volume, mas a vida sedentária limitada das moléculas leva ao surgimento de um fenômeno como a fluidez. Durante as oscilações de partículas perto da posição de equilíbrio, elas colidem continuamente umas com as outras, portanto, mesmo uma pequena compressão do líquido leva a um "endurecimento" acentuado das colisões de partículas. Isso significa um aumento acentuado na pressão do líquido nas paredes do vaso em que é comprimido.
Exemplo 1
Tarefa: Determine a capacidade de calor específico do cobre. Suponha que a temperatura do cobre esteja próxima do ponto de fusão. (Massa molar do cobre $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(kg)(mol))$
De acordo com a lei de Dulong e Petit, uma mole de substâncias quimicamente simples a temperaturas próximas do ponto de fusão tem uma capacidade calorífica:
Capacidade de calor específico do cobre:
\[C=\frac(c)(\mu )\to C=\frac(3R)(\mu )\left(1.2\right),\] \[C=\frac(3\cdot 8,31) (63\cdot 10^(-3))=0,39\ \cdot 10^3(\frac(J)(kgK))\]
Resposta: O calor específico do cobre é $0,39\ \cdot 10^3\left(\frac(J)(kgK)\right).$
Tarefa: Explicar de forma simplificada do ponto de vista da física o processo de dissolução do sal (NaCl) em água.
A base da moderna teoria das soluções foi criada por D.I. Mendeleev. Ele descobriu que durante a dissolução, dois processos ocorrem simultaneamente: físico - a distribuição uniforme de partículas da substância dissolvida ao longo do volume da solução e químico - a interação do solvente com a substância dissolvida. Estamos interessados no processo físico. Moléculas de sal não destroem moléculas de água. Nesse caso, seria impossível evaporar a água. Se as moléculas de sal estivessem ligadas às moléculas de água, obteríamos uma nova substância. E as moléculas de sal não podem penetrar nas moléculas de água.
Uma ligação íon-dipolo ocorre entre os íons Na+ e Cl- das moléculas de cloro e água polar. Acontece que é mais forte do que as ligações iônicas nas moléculas de sal. Como resultado desse processo, a ligação entre os íons localizados na superfície dos cristais de NaCl é enfraquecida, os íons sódio e cloro se desprendem do cristal e as moléculas de água formam ao seu redor as chamadas camadas de hidratação. Os íons hidratados separados sob a influência do movimento térmico são distribuídos uniformemente entre as moléculas do solvente.
Energia cinética de uma molécula
Em um gás, as moléculas realizam movimentos livres (isolados de outras moléculas), apenas de tempos em tempos colidindo umas com as outras ou com as paredes do vaso. Enquanto a molécula estiver em movimento livre, ela terá apenas energia cinética. Durante a colisão, as moléculas também têm energia potencial. Assim, a energia total de um gás é a soma das energias cinética e potencial de suas moléculas. Quanto mais rarefeito o gás, mais as moléculas a cada instante de tempo estão em estado de movimento livre, possuindo apenas energia cinética. Consequentemente, quando o gás é rarefeito, a parcela de energia potencial diminui em comparação com a energia cinética.
A energia cinética média de uma molécula no equilíbrio de um gás ideal tem uma característica muito importante: em uma mistura de gases diferentes, a energia cinética média de uma molécula para diferentes componentes da mistura é a mesma.
Por exemplo, o ar é uma mistura de gases. A energia média de uma molécula de ar para todos os seus componentes em condições normais, quando o ar ainda pode ser considerado um gás ideal, é a mesma. Esta propriedade dos gases ideais pode ser provada com base em considerações estatísticas gerais. Uma consequência importante decorre disso: se dois gases diferentes (em recipientes diferentes) estão em equilíbrio térmico entre si, então as energias cinéticas médias de suas moléculas são as mesmas.
Nos gases, a distância entre moléculas e átomos é geralmente muito maior que o tamanho das próprias moléculas, as forças de interação das moléculas não são grandes. Como resultado, o gás não tem forma própria e volume constante. O gás é facilmente compressível e pode se expandir indefinidamente. As moléculas de gás se movem livremente (translacionalmente, elas podem girar), colidindo apenas ocasionalmente com outras moléculas e com as paredes do recipiente em que o gás está localizado e se movem em velocidades muito altas.
Movimento de partículas em sólidos
A estrutura dos sólidos é fundamentalmente diferente da estrutura dos gases. Neles, as distâncias intermoleculares são pequenas e a energia potencial das moléculas é comparável à cinética. Átomos (ou íons, ou moléculas inteiras) não podem ser chamados de imóveis, eles realizam movimentos oscilatórios aleatórios em torno de suas posições intermediárias. Quanto maior a temperatura, maior a energia das oscilações e, portanto, a amplitude média das oscilações. As vibrações térmicas dos átomos também explicam a capacidade térmica dos sólidos. Vamos considerar com mais detalhes os movimentos das partículas em sólidos cristalinos. Todo o cristal como um todo é um sistema oscilatório acoplado muito complexo. Os desvios dos átomos das posições médias são pequenos e, portanto, podemos supor que os átomos estão sujeitos à ação de forças quase elásticas obedecendo à lei de Hooke linear. Tais sistemas oscilatórios são chamados lineares.
Existe uma teoria matemática desenvolvida de sistemas sujeitos a oscilações lineares. Isso prova um teorema muito importante, cuja essência é a seguinte. Se o sistema executa pequenas oscilações interconectadas (lineares), então, ao transformar as coordenadas, ele pode ser formalmente reduzido a um sistema de osciladores independentes (para os quais as equações de oscilação não dependem umas das outras). O sistema de osciladores independentes se comporta como um gás ideal no sentido de que os átomos deste também podem ser considerados independentes.
É usando a ideia da independência dos átomos do gás que chegamos à lei de Boltzmann. Esta conclusão muito importante fornece uma base simples e confiável para toda a teoria dos sólidos.
lei de Boltzmann
O número de osciladores com determinados parâmetros (coordenadas e velocidades) é determinado da mesma forma que o número de moléculas de gás em um determinado estado, de acordo com a fórmula:
Energia do oscilador.
A lei de Boltzmann (1) na teoria de um corpo sólido não tem restrições, no entanto, a fórmula (2) para a energia de um oscilador é retirada da mecânica clássica. Na consideração teórica dos sólidos, é necessário contar com a mecânica quântica, que se caracteriza por uma mudança discreta na energia de um oscilador. A discrição da energia do oscilador torna-se insignificante apenas em valores suficientemente altos de sua energia. Isso significa que (2) só pode ser usado em temperaturas suficientemente altas. Em altas temperaturas de um sólido, próximo ao ponto de fusão, a lei de Boltzmann implica a lei da distribuição uniforme de energia em graus de liberdade. Se nos gases para cada grau de liberdade, em média, existe uma quantidade de energia igual a (1/2) kT, então o oscilador tem um grau de liberdade, além da cinética, tem energia potencial. Portanto, um grau de liberdade em um sólido a uma temperatura suficientemente alta tem uma energia igual a kT. Com base nessa lei, não é difícil calcular a energia interna total de um sólido e, a partir dela, sua capacidade térmica. Um mol de um sólido contém átomos de NA, e cada átomo tem três graus de liberdade. Portanto, a toupeira contém 3 osciladores NA. Energia molar de um corpo sólido
e a capacidade de calor molar de um sólido em temperaturas suficientemente altas
A experiência confirma esta lei.
Os líquidos ocupam uma posição intermediária entre gases e sólidos. As moléculas de um líquido não divergem em longas distâncias e o líquido em condições normais retém seu volume. Mas, ao contrário dos sólidos, as moléculas não apenas oscilam, mas também saltam de um lugar para outro, ou seja, fazem movimentos livres. Quando a temperatura aumenta, os líquidos fervem (existe o chamado ponto de ebulição) e se transformam em gás. À medida que a temperatura cai, os líquidos cristalizam e tornam-se sólidos. Existe um ponto no campo de temperatura em que o limite entre o gás (vapor saturado) e o líquido desaparece (ponto crítico). O padrão de movimento térmico de moléculas em líquidos próximo à temperatura de solidificação é muito semelhante ao comportamento de moléculas em sólidos. Por exemplo, os coeficientes de capacidade de calor são quase os mesmos. Como a capacidade térmica de uma substância durante a fusão muda ligeiramente, pode-se concluir que a natureza do movimento das partículas em um líquido é próxima ao movimento em um sólido (na temperatura de fusão). Quando aquecido, as propriedades do líquido mudam gradualmente e ele se torna mais parecido com um gás. Nos líquidos, a energia cinética média das partículas é menor que a energia potencial de sua interação intermolecular. A energia da interação intermolecular em líquidos e sólidos difere insignificantemente. Se compararmos o calor de fusão e o calor de evaporação, veremos que durante a transição de um estado de agregação para outro, o calor de fusão é significativamente menor que o calor de vaporização. Uma descrição matemática adequada da estrutura de um líquido só pode ser dada com a ajuda da física estatística. Por exemplo, se um líquido consiste em moléculas esféricas idênticas, então sua estrutura pode ser descrita pela função de distribuição radial g(r), que dá a probabilidade de encontrar qualquer molécula a uma distância r da dada, escolhida como ponto de referência . Experimentalmente, essa função pode ser encontrada estudando a difração de raios X ou nêutrons; é possível realizar simulações computacionais dessa função usando a mecânica newtoniana.
A teoria cinética do líquido foi desenvolvida por Ya.I. Frenkel. Nesta teoria, o líquido é considerado, como no caso de um corpo sólido, como um sistema dinâmico de osciladores harmônicos. Mas, ao contrário de um corpo sólido, a posição de equilíbrio das moléculas em um líquido é temporária. Após oscilar em torno de uma posição, a molécula do líquido salta para uma nova posição localizada na vizinhança. Tal salto ocorre com o gasto de energia. O tempo médio de "vida estabelecida" de uma molécula líquida pode ser calculado como:
\[\left\langle t\right\rangle =t_0e^(\frac(W)(kT))\left(5\right),\]
onde $t_0\ $ é o período de oscilações em torno de uma posição de equilíbrio. A energia que uma molécula deve receber para se mover de uma posição para outra é chamada de energia de ativação W, e o tempo que a molécula está na posição de equilíbrio é chamado de tempo de “vida estabelecida” t.
Para uma molécula de água, por exemplo, à temperatura ambiente, uma molécula faz cerca de 100 vibrações e salta para uma nova posição. As forças de atração entre as moléculas de um líquido são grandes para manter o volume, mas a vida sedentária limitada das moléculas leva ao surgimento de um fenômeno como a fluidez. Durante as oscilações de partículas perto da posição de equilíbrio, elas colidem continuamente umas com as outras, portanto, mesmo uma pequena compressão do líquido leva a um "endurecimento" acentuado das colisões de partículas. Isso significa um aumento acentuado na pressão do líquido nas paredes do vaso em que é comprimido.
Exemplo 1
Tarefa: Determine a capacidade de calor específico do cobre. Suponha que a temperatura do cobre esteja próxima do ponto de fusão. (Massa molar do cobre $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(kg)(mol))$
De acordo com a lei de Dulong e Petit, uma mole de substâncias quimicamente simples a temperaturas próximas do ponto de fusão tem uma capacidade calorífica:
Capacidade de calor específico do cobre:
\[C=\frac(c)(\mu )\to C=\frac(3R)(\mu )\left(1.2\right),\] \[C=\frac(3\cdot 8,31) (63\cdot 10^(-3))=0,39\ \cdot 10^3(\frac(J)(kgK))\]
Resposta: O calor específico do cobre é $0,39\ \cdot 10^3\left(\frac(J)(kgK)\right).$
Tarefa: Explicar de forma simplificada do ponto de vista da física o processo de dissolução do sal (NaCl) em água.
A base da moderna teoria das soluções foi criada por D.I. Mendeleev. Ele descobriu que durante a dissolução, dois processos ocorrem simultaneamente: físico - a distribuição uniforme de partículas da substância dissolvida ao longo do volume da solução e químico - a interação do solvente com a substância dissolvida. Estamos interessados no processo físico. Moléculas de sal não destroem moléculas de água. Nesse caso, seria impossível evaporar a água. Se as moléculas de sal estivessem ligadas às moléculas de água, obteríamos uma nova substância. E as moléculas de sal não podem penetrar nas moléculas de água.
Uma ligação íon-dipolo ocorre entre os íons Na+ e Cl- das moléculas de cloro e água polar. Acontece que é mais forte do que as ligações iônicas nas moléculas de sal. Como resultado desse processo, a ligação entre os íons localizados na superfície dos cristais de NaCl é enfraquecida, os íons sódio e cloro se desprendem do cristal e as moléculas de água formam ao seu redor as chamadas camadas de hidratação. Os íons hidratados separados sob a influência do movimento térmico são distribuídos uniformemente entre as moléculas do solvente.
Este material não apenas fala sobre como as partículas estão localizadas em sólidos, mas também como elas se movem em gases ou líquidos. Os tipos de redes cristalinas em várias substâncias também serão descritos.
Estado de agregação
Existem certos padrões que indicam a presença de três estados típicos de agregação, a saber: líquido e gás.
Vamos definir os componentes para cada estado de agregação.
- Os sólidos são substancialmente estáveis em volume e forma. É extremamente problemático alterar o último sem custos adicionais de energia.
- Um líquido pode facilmente mudar de forma, mas mantém seu volume.
- Substâncias gasosas não retêm forma nem volume.
O principal critério pelo qual o estado de agregação é determinado é o arranjo das moléculas e os métodos de seu movimento. Em uma substância gasosa, a distância mínima entre as moléculas individuais é muito maior do que elas mesmas. Por sua vez, as moléculas não divergem por longas distâncias em suas condições usuais e retêm seu volume. As partículas ativas nos sólidos estão dispostas em uma ordem estritamente definida, cada uma delas, como o pêndulo de um relógio, se move em torno de um determinado ponto na rede cristalina. Isso dá aos sólidos resistência e rigidez específicas.
Portanto, neste caso, a questão mais relevante é como as partículas atuantes se localizam nos sólidos. Em todos os outros casos, os átomos (moléculas) não possuem uma estrutura tão ordenada.
Recursos de fluido
É necessário prestar atenção especial ao fato de que os líquidos são uma espécie de elo intermediário entre o estado sólido do corpo e sua fase gasosa. Assim, quando a temperatura cai, o líquido se solidifica e, quando ultrapassa o ponto de ebulição de uma determinada substância, passa para o estado gasoso. No entanto, o líquido tem características comuns com substâncias sólidas e gasosas. Assim, em 1860, o notável cientista russo D. I. Mendeleev estabeleceu a existência da chamada temperatura crítica - ebulição absoluta. Este é o valor no qual o limite fino entre o gás e o estado sólido desaparece.
O próximo critério que combina dois estados vizinhos de agregação é a isotropia. Nesse caso, suas propriedades são as mesmas em todas as direções. Os cristais, por sua vez, são anisotrópicos. Como os gases, os líquidos não têm forma fixa e ocupam todo o volume do recipiente em que estão localizados. Ou seja, possuem baixa viscosidade e alta fluidez. Colidindo umas com as outras, as micropartículas de um líquido ou gás fazem movimentos livres. Anteriormente, acreditava-se que no volume ocupado por um líquido não havia movimento ordenado de moléculas. Assim, o líquido e o gás se opunham aos cristais. Mas como resultado de estudos subseqüentes, a semelhança entre corpos sólidos e líquidos foi comprovada.
Na fase líquida a uma temperatura próxima da solidificação, o movimento térmico se assemelha ao movimento nos sólidos. Nesse caso, o líquido ainda pode ter uma certa estrutura. Portanto, respondendo à questão de como as partículas se localizam nos sólidos nos líquidos e nos gases, podemos dizer que nestes últimos o movimento das moléculas é caótico, desordenado. mas nos sólidos, as moléculas na maioria dos casos ocupam uma certa posição fixa.
Nesse caso, o líquido é uma espécie de elo intermediário. Além disso, quanto mais próxima da temperatura de ebulição, mais as moléculas se movem como nos gases. Se a temperatura estiver mais próxima da transição para a fase sólida, as micropartículas começam a se mover de forma cada vez mais ordenada.
Mudança no estado das substâncias
Considere o exemplo mais simples de uma mudança no estado da água. O gelo é a fase sólida da água. Sua temperatura está abaixo de zero. A uma temperatura igual a zero, o gelo começa a derreter e se transforma em água. Isso se deve à destruição da rede cristalina: quando aquecidas, as partículas começam a se mover. A temperatura na qual uma substância muda seu estado de agregação é chamada de ponto de fusão (no nosso caso, para a água é 0). Observe que a temperatura do gelo permanecerá no mesmo nível até que derreta completamente. Nesse caso, os átomos ou moléculas do líquido se moverão da mesma forma que nos sólidos.
Depois disso, continuamos a aquecer a água. Nesse caso, as partículas começam a se mover com mais intensidade até que nossa substância atinja o próximo ponto de mudança no estado de agregação - o ponto de ebulição. Tal momento ocorre quando as ligações entre as moléculas que o formam são quebradas devido à aceleração do movimento - então ele adquire um caráter livre e o líquido em questão passa para a fase gasosa. O processo de transformação de uma substância (água) de uma fase líquida para uma fase gasosa é chamado de ebulição.
A temperatura na qual a água ferve é chamada de ponto de ebulição. No nosso caso, esse valor é igual a 100 graus Celsius (a temperatura depende da pressão, a pressão normal é de uma atmosfera). Nota: até que o líquido existente se transforme total e completamente em vapor, sua temperatura permanece constante.
Também é possível o processo inverso da passagem da água do estado gasoso (vapor) para o líquido, denominado condensação.
A seguir, você pode observar o processo de congelamento - o processo de transição de um líquido (água) para uma forma sólida (o estado inicial é descrito acima - isso é gelo). Os processos descritos anteriormente fornecem uma resposta direta a como as partículas são dispostas em sólidos, líquidos e gases. A localização e o estado das moléculas de uma substância dependem de seu estado de agregação.
O que é um corpo sólido? Como as micropartículas se comportam nele?
Um corpo sólido é um estado do ambiente material, cuja característica distintiva é a preservação de uma forma constante e a natureza constante do movimento térmico de micropartículas que fazem pequenas vibrações. Os corpos podem estar no estado sólido, líquido e gasoso. Existe também um quarto estado, que os cientistas modernos tendem a classificar como agregado - é o chamado plasma.
Portanto, no primeiro caso, qualquer substância, via de regra, tem uma forma constante e imutável, e a maneira como as partículas estão dispostas nos sólidos tem um efeito fundamental nisso. No nível microscópico, pode-se ver que os átomos que compõem um corpo sólido estão conectados uns aos outros por ligações químicas e estão localizados nos nós da rede cristalina.
Mas há uma exceção - substâncias amorfas que estão no estado sólido, mas não podem se orgulhar de ter uma rede cristalina. É a partir disso que se pode responder como as partículas se localizam nos sólidos. A física no primeiro caso indica que os átomos ou moléculas estão localizados nos locais da rede. Mas no segundo caso, certamente não existe tal ordem, e tal substância é mais como um líquido.
Física e possível estrutura de um corpo sólido
Nesse caso, a substância tende a manter seu volume e, claro, sua forma. Ou seja, para mudar este último, esforços devem ser feitos, e não importa se é um objeto de metal, um pedaço de plástico ou plasticina. A razão está em sua estrutura molecular. E para ser mais preciso, na interação das moléculas que compõem o corpo. Nesse caso, eles estão localizados mais próximos. Este arranjo de moléculas é repetitivo. É por isso que as forças de atração mútua entre cada um desses componentes são muito grandes.
A interação das micropartículas explica a natureza de seu movimento. É muito difícil corrigir a forma ou o volume de um corpo tão sólido em uma direção ou outra. As partículas de um corpo sólido são incapazes de se mover aleatoriamente ao longo do volume de um corpo sólido, mas podem apenas oscilar em torno de um determinado ponto no espaço. As moléculas de um corpo sólido oscilam aleatoriamente em direções diferentes, mas tropeçam em outras semelhantes, que as devolvem ao seu estado original. É por isso que as partículas nos sólidos são arranjadas, via de regra, em uma ordem estritamente definida.
Partículas e sua localização em um sólido
Os sólidos podem ser de três tipos: cristalinos, amorfos e compostos. É a composição química que afeta o arranjo das partículas nos sólidos.
Os sólidos cristalinos têm uma estrutura ordenada. Suas moléculas ou átomos formam uma rede espacial cristalina da forma correta. Assim, um corpo sólido em estado cristalino possui uma certa rede cristalina, que, por sua vez, determina certas propriedades físicas. Esta é a resposta para como as partículas são organizadas em um sólido.
Vamos dar um exemplo: muitos anos atrás, em São Petersburgo, um estoque de botões de estanho brancos e brilhantes foi armazenado em um depósito que, quando a temperatura caiu, perdeu o brilho e passou do branco para o cinza. Os botões se desintegraram em um pó cinza. "Tin Plague" - assim foi chamada esta "doença", mas na verdade foi uma reestruturação da estrutura dos cristais sob a influência da baixa temperatura. O estanho, ao passar de uma variedade branca para uma cinza, desfaz-se em pó. Os cristais, por sua vez, são divididos em mono e policristais.
Monocristais e policristais
Monocristais (sal comum) são monocristais homogêneos, representados por uma rede cristalina contínua na forma de polígonos regulares. Policristais (areia, açúcar, metais, pedras) são corpos cristalinos que cresceram juntos a partir de pequenos cristais dispostos aleatoriamente. Nos cristais, é observado um fenômeno como a anisotropia.
Amorfo: um caso especial
Corpos amorfos (resina, breu, vidro, âmbar) não possuem uma ordem estrita clara no arranjo das partículas. Este é um caso não padrão da ordem em que as partículas estão nos sólidos. Nesse caso, observa-se o fenômeno da isotropia, as propriedades físicas dos corpos amorfos são as mesmas em todas as direções. Em altas temperaturas eles se tornam como líquidos viscosos, e em baixas temperaturas eles se parecem com sólidos. Sob influência externa, as propriedades elásticas são detectadas simultaneamente, ou seja, com o impacto, elas se quebram em partículas em miniatura, como sólidos, e fluidez: com exposição prolongada à temperatura, começam a fluir como líquidos. Eles não têm temperaturas específicas de fusão e cristalização. Quando aquecidos, os corpos amorfos amolecem.
Exemplos de substâncias amorfas
Pegue, por exemplo, o açúcar comum e descubra o arranjo de partículas em sólidos em vários casos usando seu exemplo. Neste caso, o mesmo material pode ocorrer na forma cristalina ou amorfa. Se o açúcar derretido endurece lentamente, as moléculas formam linhas uniformes - cristais (açúcar granulado ou granulado). Se o açúcar derretido, por exemplo, for derramado em água fria, o resfriamento ocorrerá muito rapidamente e as partículas não terão tempo de formar as fileiras corretas - o derretimento se solidificará sem formar cristais. É assim que se obtém o açúcar doce (este é o açúcar não cristalino).
Mas depois de algum tempo, essa substância pode recristalizar, as partículas se reúnem em fileiras regulares. Se o doce de açúcar permanecer por vários meses, ele começará a ficar coberto por uma camada solta. É assim que os cristais aparecem na superfície. Para o açúcar, o período será de vários meses e para a pedra - milhões de anos. O carbono é um exemplo único. Grafite é carbono cristalino, sua estrutura é em camadas. E o diamante é o mineral mais duro da terra, capaz de cortar vidro e serrar pedras, é usado para perfurar e polir. Nesse caso, a substância é um carbono, mas a peculiaridade está na capacidade de formar diferentes formas cristalinas. Esta é outra resposta para como as partículas são organizadas em um sólido.
Resultados. Conclusão
A estrutura e o arranjo das partículas nos sólidos dependem do tipo de substância em questão. Se a substância for cristalina, então o arranjo das micropartículas será ordenado. Estruturas amorfas não possuem esse recurso. Mas os compostos podem pertencer ao primeiro e ao segundo grupos.
Em um caso, o líquido se comporta de maneira semelhante a um sólido (a uma temperatura baixa, próxima à temperatura de cristalização), mas também pode se comportar como um gás (à medida que sobe). Portanto, neste material de revisão, foi considerado como as partículas estão localizadas não apenas nos sólidos, mas também em outros estados agregados básicos da matéria.
Nos gases, a distância entre moléculas e átomos é geralmente muito maior que o tamanho das moléculas, e as forças de atração são muito pequenas. Portanto, os gases não têm forma própria e volume constante. Os gases são facilmente comprimidos porque as forças repulsivas a grandes distâncias também são pequenas. Os gases têm a propriedade de se expandir indefinidamente, preenchendo todo o volume que lhes é fornecido. As moléculas de gás se movem em velocidades muito altas, colidem umas com as outras, ricocheteiam umas nas outras em direções diferentes. Numerosos impactos de moléculas nas paredes do vaso criam pressão de gás.
Movimento de moléculas em líquidos
Nos líquidos, as moléculas não apenas oscilam em torno da posição de equilíbrio, mas também saltam de uma posição de equilíbrio para a próxima. Esses saltos acontecem periodicamente. O intervalo de tempo entre esses saltos é chamado tempo médio de vida estabelecido(ou tempo médio de relaxamento) e é indicado pela letra ?. Em outras palavras, o tempo de relaxação é o tempo de oscilações em torno de uma posição de equilíbrio específica. À temperatura ambiente, este tempo é em média 10 -11 s. O tempo de uma oscilação é 10 -12 ... 10 -13 s.
O tempo de vida estabelecido diminui com o aumento da temperatura. A distância entre as moléculas líquidas é menor que o tamanho das moléculas, as partículas estão próximas umas das outras e a atração intermolecular é grande. No entanto, o arranjo das moléculas do líquido não é estritamente ordenado ao longo do volume.
Os líquidos, como os sólidos, retêm seu volume, mas não têm forma própria. Portanto, eles assumem a forma do vaso em que estão localizados. O líquido tem a propriedade fluidez. Devido a essa propriedade, o líquido não resiste à mudança de forma, comprime pouco e suas propriedades físicas são as mesmas em todas as direções dentro do líquido (isotropia dos líquidos). Pela primeira vez, a natureza do movimento molecular em líquidos foi estabelecida pelo físico soviético Yakov Ilyich Frenkel (1894 - 1952).
Movimento de moléculas em sólidos
Moléculas e átomos de um corpo sólido são arranjados em uma certa ordem e forma estrutura de cristal. Esses sólidos são chamados de cristalinos. Os átomos oscilam em torno da posição de equilíbrio e a atração entre eles é muito forte. Portanto, corpos sólidos em condições normais retêm volume e têm forma própria.
