Molekule in atomi trdnega telesa so razporejeni v določenem vrstnem redu in obliki kristalna mreža. Take trdne snovi imenujemo kristalne. Atomi nihajo okoli ravnotežnega položaja in privlačnost med njimi je zelo močna. Zato trdna telesa v normalnih pogojih ohranijo prostornino in imajo svojo obliko.
Toplotno ravnovesje je stanje termodinamičnega sistema, v katerega ta spontano preide po dovolj dolgem času v pogojih izolacije od okolja.
Temperatura je fizikalna količina, ki označuje povprečno kinetično energijo delcev makroskopskega sistema v stanju termodinamičnega ravnovesja. V ravnotežnem stanju ima temperatura enako vrednost za vse makroskopske dele sistema.
Stopnja Celzija(simbol: °C) je običajna enota za temperaturo, ki se uporablja v mednarodnem sistemu enot (SI) skupaj s kelvinom.
Živosrebrni medicinski termometer
Mehanski termometer
Stopinja Celzija je dobila ime po švedskem znanstveniku Andersu Celsiusu, ki je leta 1742 predlagal novo lestvico za merjenje temperature. Nič na Celzijevi lestvici je bilo tališče ledu, 100 ° pa vrelišče vode pri standardnem atmosferskem tlaku. (Na začetku je Celzij vzel temperaturo taljenja ledu kot 100 °, vrelišče vode pa kot 0 °. In šele kasneje je njegov sodobnik Carl Linnaeus "obrnil" to lestvico). Ta lestvica je linearna v območju 0–100° in se linearno nadaljuje tudi v območju pod 0° in nad 100°. Linearnost je glavna težava pri natančnih meritvah temperature. Dovolj je omeniti, da klasičnega termometra, napolnjenega z vodo, ni mogoče označiti za temperature pod 4 stopinje Celzija, saj se v tem območju voda ponovno začne širiti.
Prvotna definicija stopinje Celzija je bila odvisna od definicije standardnega atmosferskega tlaka, ker sta tako vrelišče vode kot tališče ledu odvisna od tlaka. To ni zelo priročno za standardizacijo merske enote. Zato je bila po sprejetju kelvina K kot osnovne enote za temperaturo revidirana definicija stopinje Celzija.
Po sodobni definiciji je stopinja Celzija enaka enemu kelvinu K, ničla Celzijeve lestvice pa je nastavljena tako, da je temperatura trojne točke vode 0,01 °C. Posledično se lestvici Celzija in Kelvina premakneta za 273,15:
26)Idealen plin- matematični model plina, pri katerem se predpostavlja, da lahko potencialno energijo interakcije molekul zanemarimo v primerjavi z njihovo kinetično energijo. Med molekulami ni privlačnih ali odbojnih sil, trki delcev med seboj in s stenami posode so absolutno elastični, čas interakcije med molekulami pa je v primerjavi s povprečnim časom med trki zanemarljivo majhen.
Kje k je Boltzmannova konstanta (razmerje med univerzalno plinsko konstanto R na število Avogadro N A), jaz- število prostostnih stopinj molekul (v večini problemov o idealnih plinih, kjer se predpostavlja, da so molekule krogle majhnega radija, katerih fizični analog so lahko inertni plini) in T je absolutna temperatura.
Osnovna enačba MKT povezuje makroskopske parametre (tlak, prostornina, temperatura) plinskega sistema z mikroskopskimi (molekulska masa, povprečna hitrost njihovega gibanja).
Kinetična energija molekule
V plinu se molekule prosto (izolirano od drugih molekul) gibljejo, le od časa do časa trčijo med seboj ali s stenami posode. Dokler je molekula v prostem gibanju, ima samo kinetično energijo. Med trkom imajo molekule tudi potencialno energijo. Tako je celotna energija plina vsota kinetične in potencialne energije njegovih molekul. Redkejši kot je plin, več molekul je v vsakem trenutku v stanju prostega gibanja in ima samo kinetično energijo. Posledično se pri redčenju plina delež potencialne energije zmanjša v primerjavi s kinetično energijo.
Povprečna kinetična energija molekule v ravnotežju idealnega plina ima eno zelo pomembno lastnost: v mešanici različnih plinov je povprečna kinetična energija molekule za različne sestavine mešanice enaka.
Na primer, zrak je mešanica plinov. Povprečna energija molekule zraka za vse njene komponente je v normalnih pogojih, ko zrak še lahko štejemo za idealen plin, enaka. To lastnost idealnih plinov je mogoče dokazati na podlagi splošnih statističnih premislekov. Iz tega izhaja pomembna posledica: če sta dva različna plina (v različnih posodah) v medsebojnem toplotnem ravnovesju, sta povprečni kinetični energiji njunih molekul enaki.
V plinih je razdalja med molekulami in atomi običajno veliko večja od velikosti samih molekul, interakcijske sile molekul niso velike. Zaradi tega plin nima lastne oblike in stalne prostornine. Plin je lahko stisljiv in se lahko širi v nedogled. Molekule plina se gibljejo prosto (translacijsko se lahko vrtijo), le občasno trčijo ob druge molekule in stene posode, v kateri se nahaja plin, gibljejo pa se z zelo velikimi hitrostmi.
Gibanje delcev v trdnih snoveh
Struktura trdnih snovi se bistveno razlikuje od strukture plinov. Pri njih so medmolekularne razdalje majhne, potencialna energija molekul pa primerljiva s kinetično. Atomov (ali ionov ali celih molekul) ni mogoče imenovati nepremične, izvajajo naključno nihajno gibanje okoli svojih srednjih položajev. Višja kot je temperatura, večja je energija nihanja in s tem povprečna amplituda nihanja. Toplotne vibracije atomov pojasnjujejo tudi toplotno kapaciteto trdnih snovi. Oglejmo si podrobneje gibanje delcev v kristalnih trdnih snoveh. Celoten kristal kot celota je zelo kompleksen sklopljeni nihajni sistem. Odstopanja atomov od povprečnih položajev so majhna, zato lahko domnevamo, da so atomi podvrženi delovanju kvazielastičnih sil, ki upoštevajo linearni Hookov zakon. Takšni nihajni sistemi se imenujejo linearni.
Obstaja razvita matematična teorija sistemov, ki so podvrženi linearnim nihanjem. Dokazuje zelo pomemben izrek, katerega bistvo je naslednje. Če sistem izvaja majhna (linearna) med seboj povezana nihanja, ga lahko s transformacijo koordinat formalno reduciramo na sistem neodvisnih oscilatorjev (pri katerih enačbe nihanja niso odvisne ena od druge). Sistem neodvisnih oscilatorjev se obnaša kot idealni plin v smislu, da lahko tudi atome slednjega štejemo za neodvisne.
Z uporabo ideje o neodvisnosti plinskih atomov pridemo do Boltzmannovega zakona. Ta zelo pomemben sklep zagotavlja preprosto in zanesljivo osnovo za celotno teorijo trdnih snovi.
Boltzmannov zakon
Število oscilatorjev z danimi parametri (koordinatami in hitrostmi) se določi na enak način kot število molekul plina v danem stanju, po formuli:
Energija oscilatorja.
Boltzmannov zakon (1) v teoriji trdnega telesa nima omejitev, vendar je formula (2) za energijo oscilatorja vzeta iz klasične mehanike. Pri teoretični obravnavi trdnih teles se je treba opreti na kvantno mehaniko, za katero je značilno diskretno spreminjanje energije oscilatorja. Diskretnost energije oscilatorja postane nepomembna le pri dovolj visokih vrednostih njegove energije. To pomeni, da (2) lahko uporabljamo le pri dovolj visokih temperaturah. Pri visokih temperaturah trdne snovi, blizu tališča, Boltzmannov zakon implicira zakon enakomerne porazdelitve energije po prostostnih stopnjah. Če je v plinih za vsako prostostno stopnjo v povprečju količina energije enaka (1/2) kT, potem ima oscilator eno prostostno stopnjo, poleg kinetične, potencialno energijo. Zato ima ena prostostna stopnja v trdnem telesu pri dovolj visoki temperaturi energijo enako kT. Na podlagi tega zakona ni težko izračunati celotne notranje energije trdne snovi in po njej še njene toplotne kapacitete. En mol trdne snovi vsebuje NA atome in vsak atom ima tri prostostne stopnje. Zato vsebuje mol 3 NA oscilatorje. Molna energija trdnega telesa
in molsko toplotno kapaciteto trdne snovi pri dovolj visokih temperaturah
Izkušnje potrjujejo ta zakon.
Tekočine zasedajo vmesni položaj med plini in trdnimi snovmi. Molekule tekočine se ne razhajajo na velike razdalje in tekočina v normalnih pogojih ohrani svojo prostornino. Toda za razliko od trdnih snovi molekule ne le nihajo, ampak tudi skačejo z mesta na mesto, torej se prosto gibljejo. Ko se temperatura dvigne, tekočine zavrejo (pride do t. i. vrelišča) in se spremenijo v plin. Ko temperatura pade, tekočine kristalizirajo in postanejo trdne snovi. V temperaturnem polju je točka, na kateri meja med plinom (nasičeno paro) in tekočino izgine (kritična točka). Vzorec toplotnega gibanja molekul v tekočinah blizu temperature strjevanja je zelo podoben obnašanju molekul v trdnih snoveh. Na primer, koeficienti toplotne zmogljivosti so skoraj enaki. Ker se toplotna kapaciteta snovi med taljenjem nekoliko spremeni, lahko sklepamo, da je narava gibanja delcev v tekočini blizu gibanja v trdni snovi (pri temperaturi taljenja). Pri segrevanju se lastnosti tekočine postopoma spremenijo in postane bolj podobna plinu. V tekočinah je povprečna kinetična energija delcev manjša od potencialne energije njihove medmolekularne interakcije. Energija medmolekularne interakcije v tekočinah in trdnih snoveh se ne razlikuje bistveno. Če primerjamo talilno in uparilno toploto, vidimo, da je pri prehodu iz enega agregatnega stanja v drugo talilna toplota bistveno nižja od uparilne toplote. Ustrezen matematični opis strukture tekočine je mogoče podati le s pomočjo statistične fizike. Na primer, če je tekočina sestavljena iz enakih sferičnih molekul, potem lahko njeno strukturo opišemo z radialno porazdelitveno funkcijo g(r), ki daje verjetnost, da najdemo katero koli molekulo na razdalji r od dane, izbrane kot referenčne točke. . Eksperimentalno je to funkcijo mogoče najti s proučevanjem uklona rentgenskih žarkov ali nevtronov; možno je izvesti računalniške simulacije te funkcije z uporabo Newtonove mehanike.
Kinetično teorijo tekočine je razvil Ya.I. Frenkel. V tej teoriji je tekočina, tako kot v primeru trdnega telesa, obravnavana kot dinamični sistem harmoničnih oscilatorjev. Toda za razliko od trdnega telesa je ravnotežni položaj molekul v tekočini začasen. Po nihanju okoli enega položaja molekula tekočine skoči na nov položaj v bližini. Takšen skok nastane s porabo energije. Povprečni čas "umirjene življenjske dobe" tekoče molekule se lahko izračuna kot:
\[\left\langle t\right\rangle =t_0e^(\frac(W)(kT))\left(5\desno),\]
kjer je $t_0\ $ obdobje nihanja okoli enega ravnotežnega položaja. Energija, ki jo mora prejeti molekula, da se premakne iz enega položaja v drugega, se imenuje aktivacijska energija W, čas, ko je molekula v ravnotežnem položaju, pa se imenuje čas "ustaljene življenjske dobe" t.
Za molekulo vode, na primer, pri sobni temperaturi ena molekula naredi približno 100 nihajev in skoči na novo mesto. Sile privlačnosti med molekulami tekočine so velike za ohranjanje prostornine, vendar omejeno sedeče življenje molekul vodi do pojava takšnega pojava, kot je fluidnost. Med nihanjem delcev v bližini ravnotežnega položaja nenehno trčijo drug ob drugega, zato že majhno stiskanje tekočine vodi do ostrega "utrjevanja" trkov delcev. To pomeni močno povečanje pritiska tekočine na stene posode, v kateri je stisnjena.
Primer 1
Naloga: Določite specifično toplotno kapaciteto bakra. Predpostavimo, da je temperatura bakra blizu tališča. (Molska masa bakra $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(kg)(mol))$
V skladu z Dulongovim in Petitovim zakonom ima mol kemično preprostih snovi pri temperaturah blizu tališča toplotno kapaciteto:
Specifična toplotna kapaciteta bakra:
\[C=\frac(c)(\mu )\to C=\frac(3R)(\mu )\levo(1,2\desno),\] \[C=\frac(3\cdot 8,31) (63\cdot 10^(-3))=0,39\ \cdot 10^3(\frac(J)(kgK))\]
Odgovor: Specifična toplotna kapaciteta bakra je $0,39\ \cdot 10^3\left(\frac(J)(kgK)\desno).$
Naloga: Poenostavljeno razložite z vidika fizike proces raztapljanja soli (NaCl) v vodi.
Osnovo sodobne teorije rešitev je ustvaril D.I. Mendelejev. Ugotovil je, da med raztapljanjem potekata hkrati dva procesa: fizikalni - enakomerna porazdelitev delcev raztopljene snovi po prostornini raztopine in kemični - interakcija topila z raztopljeno snovjo. Zanima nas fizični proces. Molekule soli ne uničijo molekul vode. V tem primeru bi bilo nemogoče izhlapeti vodo. Če bi molekule soli pritrdili na molekule vode, bi dobili neko novo snov. In molekule soli ne morejo prodreti v molekule vode.
Med ioni Na+ in Cl- klora in polarnimi molekulami vode nastane ionsko-dipolna vez. Izkaže se, da je močnejša od ionskih vezi v molekulah soli. Zaradi tega procesa oslabi vez med ioni, ki se nahajajo na površini kristalov NaCl, natrijevi in klorovi ioni se odcepijo od kristala, molekule vode pa okrog njih tvorijo tako imenovane hidratacijske lupine. Izločeni hidratirani ioni se pod vplivom toplotnega gibanja enakomerno porazdelijo med molekule topila.
Kinetična energija molekule
V plinu se molekule prosto (izolirano od drugih molekul) gibljejo, le od časa do časa trčijo med seboj ali s stenami posode. Dokler je molekula v prostem gibanju, ima samo kinetično energijo. Med trkom imajo molekule tudi potencialno energijo. Tako je celotna energija plina vsota kinetične in potencialne energije njegovih molekul. Redkejši kot je plin, več molekul je v vsakem trenutku v stanju prostega gibanja in ima samo kinetično energijo. Posledično se pri redčenju plina delež potencialne energije zmanjša v primerjavi s kinetično energijo.
Povprečna kinetična energija molekule v ravnotežju idealnega plina ima eno zelo pomembno lastnost: v mešanici različnih plinov je povprečna kinetična energija molekule za različne sestavine mešanice enaka.
Na primer, zrak je mešanica plinov. Povprečna energija molekule zraka za vse njene komponente je v normalnih pogojih, ko zrak še lahko štejemo za idealen plin, enaka. To lastnost idealnih plinov je mogoče dokazati na podlagi splošnih statističnih premislekov. Iz tega izhaja pomembna posledica: če sta dva različna plina (v različnih posodah) v medsebojnem toplotnem ravnovesju, sta povprečni kinetični energiji njunih molekul enaki.
V plinih je razdalja med molekulami in atomi običajno veliko večja od velikosti samih molekul, interakcijske sile molekul niso velike. Zaradi tega plin nima lastne oblike in stalne prostornine. Plin je lahko stisljiv in se lahko širi v nedogled. Molekule plina se gibljejo prosto (translacijsko se lahko vrtijo), le občasno trčijo ob druge molekule in stene posode, v kateri se nahaja plin, gibljejo pa se z zelo velikimi hitrostmi.
Gibanje delcev v trdnih snoveh
Struktura trdnih snovi se bistveno razlikuje od strukture plinov. Pri njih so medmolekularne razdalje majhne, potencialna energija molekul pa primerljiva s kinetično. Atomov (ali ionov ali celih molekul) ni mogoče imenovati nepremične, izvajajo naključno nihajno gibanje okoli svojih srednjih položajev. Višja kot je temperatura, večja je energija nihanja in s tem povprečna amplituda nihanja. Toplotne vibracije atomov pojasnjujejo tudi toplotno kapaciteto trdnih snovi. Oglejmo si podrobneje gibanje delcev v kristalnih trdnih snoveh. Celoten kristal kot celota je zelo kompleksen sklopljeni nihajni sistem. Odstopanja atomov od povprečnih položajev so majhna, zato lahko domnevamo, da so atomi podvrženi delovanju kvazielastičnih sil, ki upoštevajo linearni Hookov zakon. Takšni nihajni sistemi se imenujejo linearni.
Obstaja razvita matematična teorija sistemov, ki so podvrženi linearnim nihanjem. Dokazuje zelo pomemben izrek, katerega bistvo je naslednje. Če sistem izvaja majhna (linearna) med seboj povezana nihanja, ga lahko s transformacijo koordinat formalno reduciramo na sistem neodvisnih oscilatorjev (pri katerih enačbe nihanja niso odvisne ena od druge). Sistem neodvisnih oscilatorjev se obnaša kot idealni plin v smislu, da lahko tudi atome slednjega štejemo za neodvisne.
Z uporabo ideje o neodvisnosti plinskih atomov pridemo do Boltzmannovega zakona. Ta zelo pomemben sklep zagotavlja preprosto in zanesljivo osnovo za celotno teorijo trdnih snovi.
Boltzmannov zakon
Število oscilatorjev z danimi parametri (koordinatami in hitrostmi) se določi na enak način kot število molekul plina v danem stanju, po formuli:
Energija oscilatorja.
Boltzmannov zakon (1) v teoriji trdnega telesa nima omejitev, vendar je formula (2) za energijo oscilatorja vzeta iz klasične mehanike. Pri teoretični obravnavi trdnih teles se je treba opreti na kvantno mehaniko, za katero je značilno diskretno spreminjanje energije oscilatorja. Diskretnost energije oscilatorja postane nepomembna le pri dovolj visokih vrednostih njegove energije. To pomeni, da (2) lahko uporabljamo le pri dovolj visokih temperaturah. Pri visokih temperaturah trdne snovi, blizu tališča, Boltzmannov zakon implicira zakon enakomerne porazdelitve energije po prostostnih stopnjah. Če je v plinih za vsako prostostno stopnjo v povprečju količina energije enaka (1/2) kT, potem ima oscilator eno prostostno stopnjo, poleg kinetične, potencialno energijo. Zato ima ena prostostna stopnja v trdnem telesu pri dovolj visoki temperaturi energijo enako kT. Na podlagi tega zakona ni težko izračunati celotne notranje energije trdne snovi in po njej še njene toplotne kapacitete. En mol trdne snovi vsebuje NA atome in vsak atom ima tri prostostne stopnje. Zato vsebuje mol 3 NA oscilatorje. Molna energija trdnega telesa
in molsko toplotno kapaciteto trdne snovi pri dovolj visokih temperaturah
Izkušnje potrjujejo ta zakon.
Tekočine zasedajo vmesni položaj med plini in trdnimi snovmi. Molekule tekočine se ne razhajajo na velike razdalje in tekočina v normalnih pogojih ohrani svojo prostornino. Toda za razliko od trdnih snovi molekule ne le nihajo, ampak tudi skačejo z mesta na mesto, torej se prosto gibljejo. Ko se temperatura dvigne, tekočine zavrejo (pride do t. i. vrelišča) in se spremenijo v plin. Ko temperatura pade, tekočine kristalizirajo in postanejo trdne snovi. V temperaturnem polju je točka, na kateri meja med plinom (nasičeno paro) in tekočino izgine (kritična točka). Vzorec toplotnega gibanja molekul v tekočinah blizu temperature strjevanja je zelo podoben obnašanju molekul v trdnih snoveh. Na primer, koeficienti toplotne zmogljivosti so skoraj enaki. Ker se toplotna kapaciteta snovi med taljenjem nekoliko spremeni, lahko sklepamo, da je narava gibanja delcev v tekočini blizu gibanja v trdni snovi (pri temperaturi taljenja). Pri segrevanju se lastnosti tekočine postopoma spremenijo in postane bolj podobna plinu. V tekočinah je povprečna kinetična energija delcev manjša od potencialne energije njihove medmolekularne interakcije. Energija medmolekularne interakcije v tekočinah in trdnih snoveh se ne razlikuje bistveno. Če primerjamo talilno in uparilno toploto, vidimo, da je pri prehodu iz enega agregatnega stanja v drugo talilna toplota bistveno nižja od uparilne toplote. Ustrezen matematični opis strukture tekočine je mogoče podati le s pomočjo statistične fizike. Na primer, če je tekočina sestavljena iz enakih sferičnih molekul, potem lahko njeno strukturo opišemo z radialno porazdelitveno funkcijo g(r), ki daje verjetnost, da najdemo katero koli molekulo na razdalji r od dane, izbrane kot referenčne točke. . Eksperimentalno je to funkcijo mogoče najti s proučevanjem uklona rentgenskih žarkov ali nevtronov; možno je izvesti računalniške simulacije te funkcije z uporabo Newtonove mehanike.
Kinetično teorijo tekočine je razvil Ya.I. Frenkel. V tej teoriji je tekočina, tako kot v primeru trdnega telesa, obravnavana kot dinamični sistem harmoničnih oscilatorjev. Toda za razliko od trdnega telesa je ravnotežni položaj molekul v tekočini začasen. Po nihanju okoli enega položaja molekula tekočine skoči na nov položaj v bližini. Takšen skok nastane s porabo energije. Povprečni čas "umirjene življenjske dobe" tekoče molekule se lahko izračuna kot:
\[\left\langle t\right\rangle =t_0e^(\frac(W)(kT))\left(5\desno),\]
kjer je $t_0\ $ obdobje nihanja okoli enega ravnotežnega položaja. Energija, ki jo mora prejeti molekula, da se premakne iz enega položaja v drugega, se imenuje aktivacijska energija W, čas, ko je molekula v ravnotežnem položaju, pa se imenuje čas "ustaljene življenjske dobe" t.
Za molekulo vode, na primer, pri sobni temperaturi ena molekula naredi približno 100 nihajev in skoči na novo mesto. Sile privlačnosti med molekulami tekočine so velike za ohranjanje prostornine, vendar omejeno sedeče življenje molekul vodi do pojava takšnega pojava, kot je fluidnost. Med nihanjem delcev v bližini ravnotežnega položaja nenehno trčijo drug ob drugega, zato že majhno stiskanje tekočine vodi do ostrega "utrjevanja" trkov delcev. To pomeni močno povečanje pritiska tekočine na stene posode, v kateri je stisnjena.
Primer 1
Naloga: Določite specifično toplotno kapaciteto bakra. Predpostavimo, da je temperatura bakra blizu tališča. (Molska masa bakra $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(kg)(mol))$
V skladu z Dulongovim in Petitovim zakonom ima mol kemično preprostih snovi pri temperaturah blizu tališča toplotno kapaciteto:
Specifična toplotna kapaciteta bakra:
\[C=\frac(c)(\mu )\to C=\frac(3R)(\mu )\levo(1,2\desno),\] \[C=\frac(3\cdot 8,31) (63\cdot 10^(-3))=0,39\ \cdot 10^3(\frac(J)(kgK))\]
Odgovor: Specifična toplotna kapaciteta bakra je $0,39\ \cdot 10^3\left(\frac(J)(kgK)\desno).$
Naloga: Poenostavljeno razložite z vidika fizike proces raztapljanja soli (NaCl) v vodi.
Osnovo sodobne teorije rešitev je ustvaril D.I. Mendelejev. Ugotovil je, da med raztapljanjem potekata hkrati dva procesa: fizikalni - enakomerna porazdelitev delcev raztopljene snovi po prostornini raztopine in kemični - interakcija topila z raztopljeno snovjo. Zanima nas fizični proces. Molekule soli ne uničijo molekul vode. V tem primeru bi bilo nemogoče izhlapeti vodo. Če bi molekule soli pritrdili na molekule vode, bi dobili neko novo snov. In molekule soli ne morejo prodreti v molekule vode.
Med ioni Na+ in Cl- klora in polarnimi molekulami vode nastane ionsko-dipolna vez. Izkaže se, da je močnejša od ionskih vezi v molekulah soli. Zaradi tega procesa oslabi vez med ioni, ki se nahajajo na površini kristalov NaCl, natrijevi in klorovi ioni se odcepijo od kristala, molekule vode pa okrog njih tvorijo tako imenovane hidratacijske lupine. Izločeni hidratirani ioni se pod vplivom toplotnega gibanja enakomerno porazdelijo med molekule topila.
To gradivo ne govori samo o tem, kako se delci nahajajo v trdnih snoveh, ampak tudi o tem, kako se gibljejo v plinih ali tekočinah. Opisane bodo tudi vrste kristalnih mrež v različnih snoveh.
Agregatno stanje
Obstajajo določeni standardi, ki kažejo na prisotnost treh tipičnih agregatnih stanj, in sicer: tekočina in plin.
Določimo komponente za vsako agregatno stanje.
- Trdne snovi so v bistvu stabilne v prostornini in obliki. Slednje je zelo problematično spremeniti brez dodatnih stroškov energije.
- Tekočina lahko zlahka spremeni obliko, vendar ohrani prostornino.
- Plinaste snovi ne ohranijo ne oblike ne prostornine.
Glavno merilo, po katerem se določa agregacijsko stanje, je razporeditev molekul in metode njihovega gibanja. V plinasti snovi je najmanjša razdalja med posameznimi molekulami veliko večja od njih samih. Po drugi strani pa se molekule ne razhajajo na dolge razdalje v svojih običajnih pogojih in ohranijo svojo prostornino. Aktivni delci v trdnih snoveh so razporejeni v strogo določenem vrstnem redu, vsak od njih se kot nihalo ure giblje okoli določene točke v kristalni mreži. To daje trdnim snovem posebno trdnost in togost.
Zato je v tem primeru najpomembnejše vprašanje, kako se delujoči delci nahajajo v trdnih snoveh. V vseh drugih primerih atomi (molekule) nimajo tako urejene strukture.
Lastnosti tekočine
Posebno pozornost je treba nameniti dejstvu, da so tekočine nekakšen vmesni člen med trdnim stanjem telesa in njegovo plinasto fazo. Torej, ko temperatura pade, se tekočina strdi, in ko se dvigne nad vrelišče dane snovi, preide v plinasto stanje. Vendar ima tekočina skupne lastnosti s trdnimi in plinastimi snovmi. Tako je leta 1860 izjemni ruski znanstvenik D. I. Mendelejev ugotovil obstoj tako imenovane kritične temperature - absolutnega vrelišča. To je vrednost, pri kateri tanka meja med plinom in trdnim stanjem izgine.
Naslednji kriterij, ki združuje dve sosednji agregatni stanji, je izotropija. V tem primeru so njihove lastnosti v vseh smereh enake. Kristali pa so anizotropni. Tako kot plini tudi tekočine nimajo fiksne oblike in zavzemajo celotno prostornino posode, v kateri se nahajajo. To pomeni, da imajo nizko viskoznost in visoko tekočnost. Med trčenjem se mikrodelci tekočine ali plina prosto gibljejo. Prej je veljalo, da v prostornini, ki jo zaseda tekočina, ni urejenega gibanja molekul. Tako sta bila tekočina in plin v nasprotju s kristali. Toda kot rezultat poznejših študij je bila dokazana podobnost med trdnimi in tekočimi telesi.
V tekoči fazi pri temperaturi blizu strjevanja je toplotno gibanje podobno gibanju trdnih snovi. V tem primeru ima lahko tekočina še vedno določeno strukturo. Če torej odgovorimo na vprašanje, kako se delci nahajajo v trdnih snoveh v tekočinah in plinih, lahko rečemo, da je v slednjih gibanje molekul kaotično, neurejeno. v trdnih snoveh pa molekule v večini primerov zasedajo določeno, fiksno lego.
V tem primeru je tekočina nekakšen vmesni člen. Poleg tega, bližje kot je temperatura vrelišča, bolj se molekule gibljejo kot v plinih. Če je temperatura bližje prehodu v trdno fazo, se začnejo mikrodelci gibati vedno bolj urejeno.
Sprememba agregatnega stanja snovi
Razmislite o najpreprostejšem primeru spremembe stanja vode. Led je trdna faza vode. Njegova temperatura je pod ničlo. Pri temperaturi, ki je enaka nič, se led začne topiti in se spremeni v vodo. To je posledica uničenja kristalne mreže: pri segrevanju se delci začnejo premikati. Temperaturo, pri kateri snov spremeni agregatno stanje, imenujemo tališče (v našem primeru je za vodo 0). Upoštevajte, da bo temperatura ledu ostala enaka, dokler se popolnoma ne stopi. V tem primeru se bodo atomi ali molekule tekočine gibale na enak način kot v trdnih snoveh.
Po tem nadaljujemo s segrevanjem vode. V tem primeru se delci začnejo intenzivneje premikati, dokler naša snov ne doseže naslednje točke spremembe agregatnega stanja – vrelišča. Takšen trenutek nastopi, ko se zaradi pospeševanja gibanja prekinejo vezi med molekulami, ki ga tvorijo – takrat dobi prosti značaj, obravnavana tekočina pa preide v plinasto fazo. Proces pretvorbe snovi (vode) iz tekoče v plinasto stanje imenujemo vretje.
Temperaturo, pri kateri voda zavre, imenujemo vrelišče. V našem primeru je ta vrednost enaka 100 stopinj Celzija (temperatura je odvisna od tlaka, normalni tlak je ena atmosfera). Opomba: dokler se obstoječa tekočina popolnoma in popolnoma ne spremeni v paro, njena temperatura ostane konstantna.
Možen je tudi obraten proces prehajanja vode iz plinastega stanja (pare) v tekočino, ki ga imenujemo kondenzacija.
Nato lahko opazujete postopek zmrzovanja - proces prehoda tekočine (vode) v trdno obliko (začetno stanje je opisano zgoraj - to je led). Prej opisani procesi ponujajo neposreden odgovor na to, kako so delci razporejeni v trdnih snoveh, tekočinah in plinih. Lokacija in stanje molekul snovi je odvisno od njenega agregatnega stanja.
Kaj je trdno telo? Kako se v njej obnašajo mikrodelci?
Trdno telo je stanje materialnega okolja, katerega značilnost je ohranjanje stalne oblike in stalne narave toplotnega gibanja mikrodelcev, ki povzročajo rahle vibracije. Telesa so lahko v trdnem, tekočem in plinastem stanju. Obstaja tudi četrto stanje, ki ga sodobni znanstveniki ponavadi uvrščajo med agregate - to je tako imenovana plazma.
Torej ima v prvem primeru vsaka snov praviloma stalno, nespremenljivo obliko, na to pa ključno vpliva način razporeditve delcev v trdnih snoveh. Na mikroskopski ravni je razvidno, da so atomi, ki sestavljajo trdno telo, med seboj povezani s kemičnimi vezmi in se nahajajo na vozliščih kristalne mreže.
Vendar obstaja izjema - amorfne snovi, ki so v trdnem stanju, vendar se ne morejo pohvaliti s kristalno mrežo. Izhajajoč iz tega je mogoče dati odgovor, kako se delci nahajajo v trdnih snoveh. Fizika v prvem primeru kaže, da se atomi ali molekule nahajajo na mrežnih mestih. Toda v drugem primeru tega reda zagotovo ni in je takšna snov bolj podobna tekočini.
Fizika in možna zgradba trdnega telesa
V tem primeru snov teži k ohranjanju prostornine in seveda oblike. To pomeni, da se je treba potruditi, da bi spremenili slednje, in ni pomembno, ali gre za kovinski predmet, kos plastike ali plastelina. Razlog je v njegovi molekularni zgradbi. In če smo natančnejši, v interakciji molekul, ki sestavljajo telo. V tem primeru se nahajajo najbližje. Ta razporeditev molekul se ponavlja. Zato so sile medsebojne privlačnosti med vsako od teh komponent zelo velike.
Interakcija mikrodelcev pojasnjuje naravo njihovega gibanja. Zelo težko je popraviti obliko ali prostornino tako trdnega telesa v eno ali drugo smer. Delci trdnega telesa se ne morejo naključno gibati po prostornini trdnega telesa, ampak lahko le nihajo okoli določene točke v prostoru. Molekule trdnega telesa naključno nihajo v različne smeri, a se spotaknejo ob podobne, ki jih vrnejo v prvotno stanje. Zato so delci v trdnih snoveh praviloma razporejeni v strogo določenem vrstnem redu.
Delci in njihova lokacija v trdnem telesu
Trdne snovi so lahko treh vrst: kristalne, amorfne in kompozitne. Kemična sestava je tista, ki vpliva na razporeditev delcev v trdnih snoveh.
Kristalne trdne snovi imajo urejeno strukturo. Njihove molekule oziroma atomi tvorijo kristalno prostorsko mrežo pravilne oblike. Tako ima trdno telo v kristalnem stanju določeno kristalno mrežo, ki posledično določa določene fizikalne lastnosti. To je odgovor na to, kako so delci razporejeni v trdni snovi.
Naj navedemo primer: pred mnogimi leti so v Sankt Peterburgu v skladišču shranili zalogo bleščečih belih pločevinastih gumbov, ki so ob padcu temperature izgubili sijaj in iz belih postali sivi. Gumbi so se zdrobili v siv prah. "Kositrna kuga" - tako se je imenovala ta "bolezen", v resnici pa je šlo za prestrukturiranje strukture kristalov pod vplivom nizke temperature. Kositer se ob prehodu iz bele sorte v sivo zdrobi v prah. Kristale pa delimo na mono- in polikristale.
Monokristali in polikristali
Monokristali (navadna sol) so enojni homogeni kristali, ki jih predstavlja zvezna kristalna mreža v obliki pravilnih poligonov. Polikristali (pesek, sladkor, kovine, kamni) so kristalna telesa, ki so zrasla iz majhnih, naključno razporejenih kristalov. V kristalih opazimo tak pojav, kot je anizotropija.
Amorf: poseben primer
Amorfna telesa (smola, kolofonija, steklo, jantar) nimajo jasnega strogega reda v razporeditvi delcev. To je nestandardni primer vrstnega reda, v katerem so delci v trdnih snoveh. V tem primeru opazimo pojav izotropije, fizikalne lastnosti amorfnih teles so enake v vseh smereh. Pri visokih temperaturah postanejo kot viskozne tekočine, pri nizkih temperaturah pa kot trdne snovi. Pod zunanjim vplivom se istočasno zaznajo elastične lastnosti, to je, da se ob udarcu razbijejo na miniaturne delce, kot so trdne snovi, in fluidnost: pri dolgotrajni izpostavljenosti temperaturi začnejo teči kot tekočine. Nimajo posebnih temperatur taljenja in kristalizacije. Pri segrevanju se amorfna telesa zmehčajo.
Primeri amorfnih snovi
Vzemimo za primer navaden sladkor in na njegovem primeru ugotovimo razporeditev delcev v trdnih snoveh v različnih primerih. V tem primeru se lahko isti material pojavi v kristalni ali amorfni obliki. Če se stopljeni sladkor počasi strjuje, tvorijo molekule enakomerne vrste – kristale (sladkor v kosih ali sladkor v prahu). Če na primer stopljeni sladkor vlijemo v hladno vodo, se bo ohladitev zgodila zelo hitro in delci ne bodo imeli časa, da bi oblikovali pravilne vrste - talina se bo strdila brez tvorbe kristalov. Tako se dobi sladkorni bonbon (to je nekristalni sladkor).
Toda čez nekaj časa se lahko taka snov rekristalizira, delci se zberejo v pravilnih vrstah. Če sladkarija leži več mesecev, se bo začela pokrivati z ohlapno plastjo. Tako se na površini pojavijo kristali. Za sladkor bo obdobje nekaj mesecev, za kamen pa milijone let. Ogljik je edinstven primer. Grafit je kristalni ogljik, njegova struktura je plastna. In diamant je najtrši mineral na zemlji, z njim lahko režemo steklo in žagamo kamenje, uporabljamo ga za vrtanje in poliranje. V tem primeru je snov ena - ogljik, vendar je posebnost v zmožnosti tvorbe različnih kristalnih oblik. To je še en odgovor na to, kako so delci razporejeni v trdni snovi.
Rezultati. Zaključek
Zgradba in razporeditev delcev v trdnih snoveh sta odvisni od vrste obravnavane snovi. Če je snov kristalinična, bo razporeditev mikrodelcev urejena. Amorfne strukture nimajo te lastnosti. Toda kompoziti lahko pripadajo tako prvi kot drugi skupini.
V enem primeru se tekočina obnaša podobno kot trdna snov (pri nizki temperaturi, ki je blizu kristalizacijske temperature), lahko pa se obnaša tudi kot plin (pri dvigovanju). Zato je bilo v tem preglednem gradivu obravnavano, kako se delci nahajajo ne samo v trdnih snoveh, temveč tudi v drugih osnovnih agregatnih stanjih snovi.
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. Take trdne snovi imenujemo kristalne. Atomi nihajo okoli ravnotežnega položaja in privlačnost med njimi je zelo močna. Zato trdna telesa v normalnih pogojih ohranijo prostornino in imajo svojo obliko.
