Bir molekülün kinetik enerjisi

Bir gazda moleküller serbestçe (diğer moleküllerden izole edilmiş olarak) hareket eder ve yalnızca ara sıra birbirleriyle veya kabın duvarlarıyla çarpışır. Bir molekül serbestçe hareket ettiği sürece yalnızca kinetik enerjiye sahiptir. Çarpışma sırasında moleküller aynı zamanda potansiyel enerji de kazanırlar. Dolayısıyla bir gazın toplam enerjisi, moleküllerinin kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamıdır. Gaz ne kadar inceltilirse, zamanın her anında o kadar fazla molekül serbest hareket halindedir ve yalnızca kinetik enerjiye sahiptir. Sonuç olarak, gaz seyreltildiğinde oran potansiyel enerji kinetik ile karşılaştırıldığında.

İdeal bir gazın dengesindeki bir molekülün ortalama kinetik enerjisinin çok önemli bir özelliği vardır: Farklı gazlardan oluşan bir karışımda, karışımın farklı bileşenleri için bir molekülün ortalama kinetik enerjisi aynıdır.

Örneğin hava bir gaz karışımıdır. Havanın hala ideal gaz olarak kabul edilebildiği normal koşullar altında bir hava molekülünün tüm bileşenleri için ortalama enerjisi aynıdır. İdeal gazların bu özelliği genel istatistiksel değerlendirmelere dayanarak kanıtlanabilir. Bundan önemli bir sonuç çıkar: Eğer iki farklı gaz (farklı kaplarda) birbiriyle termal dengedeyse, moleküllerinin ortalama kinetik enerjileri aynıdır.

Gazlarda moleküller ve atomlar arasındaki mesafe genellikle moleküllerin boyutundan çok daha büyüktür; moleküller arasındaki etkileşim kuvvetleri büyük değildir. Sonuç olarak gazın kendine ait bir şekli ve sabit bir hacmi yoktur. Gaz kolayca sıkıştırılır ve sınırsız olarak genişleyebilir. Gaz molekülleri serbestçe hareket eder (ötelemesel olarak dönebilirler), ancak bazen diğer moleküllerle ve gazın bulunduğu kabın duvarlarıyla çarpışır ve çok yüksek hızlarda hareket ederler.

Katılarda parçacıkların hareketi

Katıların yapısı temel olarak gazların yapısından farklıdır. Bunlarda moleküller arası mesafeler küçüktür ve moleküllerin potansiyel enerjisi kinetik enerjiyle karşılaştırılabilir. Atomlara (veya iyonlara veya tüm moleküllere) hareketsiz denemez, rastgele hareketler yaparlar. salınım hareketi orta pozisyonlara yakın. Sıcaklık ne kadar yüksek olursa, salınım enerjisi de o kadar büyük olur ve dolayısıyla salınımların ortalama genliği de artar. Atomların termal titreşimleri aynı zamanda katıların ısı kapasitesini de açıklar. Kristal katılardaki parçacıkların hareketlerini daha ayrıntılı olarak ele alalım. Bir bütün olarak kristalin tamamı çok karmaşık birleştirilmiş salınım sistemidir. Atomların ortalama konumlarından sapmaları küçüktür ve bu nedenle atomların Hooke'un doğrusal yasasına uyan yarı elastik kuvvetlerin etkisine maruz kaldığını varsayabiliriz. Bu tür salınım sistemlerine doğrusal denir.

Doğrusal salınımlara maruz kalan sistemlerin gelişmiş bir matematiksel teorisi vardır. Özü aşağıdaki gibi olan çok önemli bir teoremi kanıtlıyor. Sistem küçük (doğrusal) birbirine bağlı salınımlar gerçekleştiriyorsa, koordinatları dönüştürerek resmi olarak bağımsız osilatörlerden oluşan bir sisteme (salınım denklemleri birbirine bağlı olmayan) indirgenebilir. Bağımsız osilatörlerden oluşan bir sistem, ideal bir gaz gibi davranır, dolayısıyla bu gazın atomları da bağımsız olarak kabul edilebilir.

Boltzmann yasasına gaz atomlarının bağımsızlığı fikrini kullanarak ulaşıyoruz. Bu çok önemli sonuç katıların tüm teorisi için basit ve güvenilir bir temel sağlar.

Boltzmann yasası

Belirli parametrelere (koordinatlar ve hızlar) sahip osilatörlerin sayısı, aşağıdaki formüle göre belirli bir durumdaki gaz moleküllerinin sayısıyla aynı şekilde belirlenir:

Osilatör enerjisi.

Katı cisimler teorisindeki Boltzmann yasasının (1) herhangi bir kısıtlaması yoktur, ancak osilatör enerjisi için formül (2) klasik mekanikten alınmıştır. Katıları teorik olarak ele alırken, osilatörün enerjisindeki ayrık değişikliklerle karakterize edilen kuantum mekaniğine güvenmek gerekir. Osilatörün enerjisinin ayrıklığı, yalnızca enerjisinin yeterince yüksek değerlerinde önemsiz hale gelir. Bu, (2)'nin yalnızca yeterince yüksek sıcaklıklarda kullanılabileceği anlamına gelir. Bir katının erime noktasına yakın yüksek sıcaklıklarında, serbestlik dereceleri üzerinde enerjinin düzgün dağılımı yasası Boltzmann yasasını takip eder. Gazlarda her bir serbestlik derecesi için ortalama olarak (1/2) kT'ye eşit bir enerji miktarı varsa, osilatörün kinetik olana ek olarak potansiyel enerjiye sahip bir serbestlik derecesi vardır. Bu nedenle bir serbestlik derecesi için sağlam vücut yeterince yüksek bir sıcaklıkta kT'ye eşit bir enerji vardır. Bu yasaya dayanarak katı bir cismin toplam iç enerjisini ve ardından ısı kapasitesini hesaplamak zor değildir. Bir mol katı NA atomu içerir ve her atomun üç serbestlik derecesi vardır. Bu nedenle köstebek 3 NA osilatörü içerir. Bir mol katının enerjisi

ve yeterince yüksek sıcaklıklarda bir katının molar ısı kapasitesi

Deneyim bu yasayı doğrulamaktadır.

Sıvılar, gazlar ve katılar arasında bir ara pozisyonda bulunur. Sıvı moleküller uzun mesafelere dağılmaz ve normal koşullar altında sıvı hacmini korur. Ancak katılardan farklı olarak moleküller sadece titreşmekle kalmaz, aynı zamanda bir yerden bir yere atlarlar, yani serbest hareketler gerçekleştirirler. Sıcaklık arttıkça sıvılar kaynar (kaynama noktası denilen bir nokta vardır) ve gaza dönüşür. Sıcaklık düştükçe sıvılar kristalleşir ve katılar. Sıcaklık alanında gaz (doymuş buhar) ve sıvı arasındaki sınırın ortadan kalktığı (kritik nokta) bir nokta vardır. Katılaşma sıcaklığına yakın sıvılardaki moleküllerin termal hareket modeli, katılardaki moleküllerin davranışına çok benzer. Örneğin ısı kapasitesi katsayıları tamamen aynıdır. Bir maddenin ısı kapasitesi erime sırasında biraz değiştiğinden, bir sıvı içindeki parçacıkların hareketinin doğasının katı bir maddedeki harekete (erime sıcaklığında) yakın olduğu sonucuna varabiliriz. Isıtıldığında sıvının özellikleri yavaş yavaş değişir ve daha çok gaza benzer hale gelir. Sıvılarda parçacıkların ortalama kinetik enerjisi, moleküller arası etkileşimin potansiyel enerjisinden daha azdır. Sıvılarda ve katılarda moleküller arası etkileşimin enerjisi önemsiz derecede farklılık gösterir. Füzyon ısısı ile buharlaşma ısısını karşılaştırırsak, birinden diğerine geçerken şunu görürüz: toplama durumu diğerinde füzyon ısısı buharlaşma ısısından önemli ölçüde düşüktür. Bir sıvının yapısının yeterli bir matematiksel açıklaması ancak istatistiksel fiziğin yardımıyla yapılabilir. Örneğin, eğer bir sıvı aynı küresel moleküllerden oluşuyorsa, bu durumda onun yapısı, referans noktası olarak seçilen belirli bir molekülden r mesafesindeki herhangi bir molekülü tespit etme olasılığını veren radyal dağılım fonksiyonu g(r) ile tanımlanabilir. Bu fonksiyon kırınım incelenerek deneysel olarak bulunabilir. röntgen veya nötronlar varsa, Newton mekaniğini kullanarak bu fonksiyonun bilgisayar simülasyonu gerçekleştirilebilir.

Sıvının kinetik teorisi Ya.I. Frenkel. Bu teoride, bir sıvı, bir katı durumunda olduğu gibi, uyumlu osilatörlerden oluşan dinamik bir sistem olarak kabul edilir. Ancak katı bir cismin aksine, bir sıvıdaki moleküllerin denge konumu geçicidir. Sıvı molekül bir konum etrafında salındıktan sonra yakınlarda bulunan yeni bir konuma atlar. Böyle bir sıçrama enerji harcanmasıyla ortaya çıkar. Sıvı bir molekülün ortalama "yerleşik ömrü" süresi şu şekilde hesaplanabilir:

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

burada $t_0\ $ bir denge konumu etrafındaki salınımların periyodudur. Bir molekülün bir konumdan diğerine geçebilmesi için alması gereken enerjiye aktivasyon enerjisi W, molekülün denge konumunda bulunduğu süreye ise “yerleşik yaşam” süresi t denir.

Örneğin oda sıcaklığında bir su molekülü yaklaşık 100 titreşime maruz kalır ve yeni bir konuma sıçrar. Bir sıvının molekülleri arasındaki çekim kuvvetleri hacmin korunmasını sağlayacak kadar güçlüdür, ancak moleküllerin sınırlı hareketsiz ömrü akışkanlık gibi bir olgunun ortaya çıkmasına neden olur. Denge konumuna yakın parçacık salınımları sırasında sürekli olarak birbirleriyle çarpışırlar, böylece sıvının küçük bir sıkıştırılması bile parçacık çarpışmalarının keskin bir "sertleşmesine" yol açar. Bu, sıvının sıkıştırıldığı kabın duvarları üzerindeki basıncında keskin bir artış anlamına gelir.

örnek 1

Görev: Bakırın özgül ısı kapasitesini belirleyin. Bakırın sıcaklığının erime noktasına yakın olduğunu varsayalım. ( Molar kütle bakır $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(kg)(mol))$

Dulong ve Petit kanununa göre benler kimyasal olarak basit maddeler erime noktasına yakın sıcaklıklarda bir ısı kapasitesine sahiptir:

Bakırın özgül ısı kapasitesi:

\[С=\frac(с)(\mu )\to С=\frac(3R)(\mu )\left(1.2\right),\] \[С=\frac(3\cdot 8.31) (63 \cdot 10^(-3))=0,39\ \cdot 10^3(\frac(J)(kgK))\]

Cevap: Bakırın özgül ısı kapasitesi $0,39\ \cdot 10^3\left(\frac(J)(kgK)\right).$

Ödev: Tuzun (NaCl) suda çözünme sürecini fizik açısından basitleştirilmiş bir şekilde açıklayın.

Modern çözüm teorisinin temeli D.I. Mendeleev. Çözünme sırasında iki işlemin aynı anda gerçekleştiğini tespit etti: fiziksel - üniforma dağıtımıÇözeltinin tüm hacmi boyunca çözünen maddenin parçacıkları ve kimyasal - çözücünün çözünen madde ile etkileşimi. Fiziksel süreçle ilgileniyoruz. Tuz molekülleri su moleküllerini yok etmez. Bu durumda suyun buharlaşması mümkün olmayacaktır. Tuz molekülleri su moleküllerine katılırsa yeni bir madde elde ederiz. Ve tuz molekülleri moleküllerin içine nüfuz edemez.

Klorun Na+ ve Cl- iyonları ile polar su molekülleri arasında iyon-dipol bağı oluşur. Sofra tuzu moleküllerindeki iyonik bağlardan daha güçlü olduğu ortaya çıktı. Bu işlem sonucunda NaCl kristallerinin yüzeyinde yer alan iyonlar arasındaki bağ zayıflar, sodyum ve klor iyonları kristalden ayrılır ve su molekülleri etraflarında hidrasyon kabukları adı verilen kabukları oluşturur. Ayrılan hidratlı iyonlar termal hareketin etkisi altında çözücü molekülleri arasında eşit şekilde dağıtılır.

Makale
"Modern doğa biliminin kavramları" disiplininde
Konu: “Sıvıların, gazların ve kristallerin yapısına ilişkin model fikirleri”

Tamamlayan: öğrenci gr. 10E1 A. Antoshkina
Kontrol eden: Doçent G. V. Surovitskaya

Penza 2010

İçerik
giriiş
Bölüm 1. Sıvı
1.1.Sıvı kavramı

1.3. Sıvı özellikleri
Bölüm 2. Gaz
2.1.Gaz kavramı
2.2 Moleküler hareket
2.3.Gaz özellikleri
Bölüm 3. Kristaller
3.1.Kristal kavramı
3.2.kristal kafes çeşitleri
3.3. Kristallerin özellikleri, şekli ve sistemi
Çözüm
Kaynakça

giriiş
Çeşitli maddelerin (madde kütlelerinin) insan duyularında yarattığı duyumlara göre hepsi üç ana gruba ayrılabilir: gaz, sıvı ve kristal (katı).
Gazların kendilerine ait yüzeyleri ve hacimleri yoktur. Bulundukları gemiyi tamamen işgal ediyorlar. Gazların artan sıcaklık ve azalan basınçla sınırsız bir şekilde genleşme yeteneği vardır. Gazlardaki moleküller arasındaki mesafeler, moleküllerin boyutlarından birçok kez daha büyüktür ve moleküller arası etkileşimler olarak adlandırılan aralarındaki etkileşimler zayıftır ve gazdaki moleküller neredeyse birbirlerinden bağımsız olarak hareket ederler. Bir gazdaki parçacıkların düzeni neredeyse tamamen rastgeledir (kaotik).
Kristaller, tüm katılar gibi, onları diğer katılardan ayıran bir yüzeye ve buna karşılık gelen, yerçekimi alanında değişmeyen (veya daha doğrusu çok az değişen) bir hacme sahiptir. Kristallerdeki parçacıklar arasındaki mesafeler gazlardan çok daha küçüktür ve moleküller arası veya atomlar arası (kristal bir elementin atomlarından yapılmışsa) etkileşimler gazlardan ve sıvılardan çok daha güçlüdür. Bir kristaldeki parçacıklar oldukça katı bir düzende dağılarak bir kristal kafes oluşturur. Kristal kafesi oluşturan parçacıklar nispeten sıkı bir şekilde yerlerine sabitlenmiştir. Kristallerin ayırt edici özelliği, özelliklerinin farklı yönlerde aynı olmamasıdır. Bu olaya özelliklerin anizotropisi denir.
Sıvılar, gaz ve kristal hallerin birçok özelliğini birleştirir. Yerçekimi alanında sıvı bulunan kabın pozisyonundaki değişikliklerden etkilenen bir yüzeye ve hacme sahiptirler. Yerçekimi alanındaki bir sıvı, bulunduğu kabın alt kısmını kaplar. Sıvı bir maddedeki moleküller, gazlara göre çok daha güçlü moleküller arası kuvvetlerle birbirine bağlanır. Sıvı maddelerdeki parçacıkların düzenlenme sırası da gazlara göre çok daha yüksektir. Su gibi bazı sıvılarda çok küçük hacimler, kristallerdekine yakın bir düzene sahiptir.
Raporda maddenin her halinin (sıvı, gaz ve kristal) özünü ortaya çıkarmaya çalıştım. Maddelerin özelliklerini, moleküllerin dizilişini ve kristal kafeslerini anlattı. Şimdi her maddeye daha yakından bakalım, örnek bir şekilde sunalım.

Bölüm 1. Sıvı
1.1 Sıvı kavramı
Her birimiz sıvı olarak kabul ettiği birçok maddeyi kolaylıkla hatırlayabiliriz. Ancak maddenin bu halinin kesin bir tanımını vermek o kadar kolay değildir. Sıvı, kendisini oluşturan parçacıkların (iyonlar, atomlar, moleküller) düzenlenmesinde tam bir düzenlilik ile karakterize edilen kristalimsi bir katı ile molekülleri kaotik (düzensiz) bir hareket halinde olan bir gaz arasında bir ara pozisyonda bulunur.
Sıvı cisimlerin şekli tamamen veya kısmen yüzeylerinin elastik bir zar gibi davranmasıyla belirlenebilir. Böylece su damlalar halinde birikebilir. Ancak bir sıvı, sabit yüzeyinin altında bile akma kabiliyetine sahiptir ve bu aynı zamanda formun (sıvı cismin iç kısımlarının) korunmadığı anlamına da gelir.
Sıvı moleküllerin kesin bir konumu yoktur ancak aynı zamanda tam bir hareket özgürlüğüne de sahip değildirler. Aralarında onları yakın tutacak kadar güçlü bir çekim vardır. Sıvı haldeki bir madde belirli bir sıcaklık aralığında bulunur, bunun altında katı bir duruma dönüşür (kristalleşme meydana gelir veya katı hal amorf bir duruma - cam dönüşümü gerçekleşir), üzerinde gaz haline dönüşür (buharlaşma meydana gelir). Bu aralığın sınırları basınca bağlıdır.Kural olarak sıvı haldeki bir maddenin yalnızca bir modifikasyonu vardır. (En önemli istisnalar kuantum sıvıları ve sıvı kristallerdir.) Bu nedenle, çoğu durumda, bir sıvı yalnızca bir toplanma durumu değil, aynı zamanda bir termodinamik fazdır (sıvı faz).Tüm sıvılar genellikle saf sıvılara ve karışımlara ayrılır. Bazı sıvı karışımları yaşam için büyük öneme sahiptir: kan, deniz suyu vb. Sıvılar çözücü görevi görebilir.
1.2. Bir sıvıdaki moleküllerin dizilişi
Sıvı haldeki bir maddenin molekülleri neredeyse birbirine yakın konumdadır. Moleküllerin kristalin tüm hacmi boyunca düzenli yapılar oluşturduğu ve sabit merkezler etrafında termal titreşimler gerçekleştirebildiği katı kristal cisimlerin aksine, sıvı moleküller daha fazla özgürlüğe sahiptir. Bir sıvının her molekülü, tıpkı bir katıda olduğu gibi, her taraftan komşu moleküller tarafından "sıkıştırılır" ve belirli bir denge konumu etrafında termal titreşimlere maruz kalır. Ancak zaman zaman herhangi bir molekül yakındaki boş bir bölgeye hareket edebilir. Sıvılarda bu tür sıçramalar oldukça sık meydana gelir; bu nedenle moleküller kristallerde olduğu gibi belirli merkezlere bağlı değildir ve sıvının tüm hacmi boyunca hareket edebilirler. Bu sıvıların akışkanlığını açıklar. Yakın konumdaki moleküller arasındaki güçlü etkileşim nedeniyle, birkaç molekül içeren yerel (kararsız) düzenli gruplar oluşturabilirler. Bu olguya kısa menzilli düzen denir (Şekil 1).

Şekil 1. sıvı moleküllerin kısa menzilli düzenine ve kristalli bir maddenin moleküllerinin uzun menzilli düzenine bir örnek: 1.1 – su; 1. – buz.

Pirinç. 2. su buharı (1) ve su (2). Su molekülleri yaklaşık 5.107 kat büyütülür.
Şekil 2, örnek olarak su kullanılarak gaz halindeki bir madde ile bir sıvı arasındaki farkı göstermektedir. Su molekülü H2O, 104° açıyla konumlanmış bir oksijen atomu ve iki hidrojen atomundan oluşur. Buhar molekülleri arasındaki ortalama mesafe, su molekülleri arasındaki ortalama mesafeden onlarca kat daha fazladır. Su moleküllerinin toplar halinde gösterildiği Şekil 1'den farklı olarak Şekil 2, su molekülünün yapısı hakkında fikir vermektedir. Moleküllerin yoğun paketlenmesi nedeniyle sıvıların sıkıştırılabilirliği, yani basınçtaki değişiklikle hacimdeki değişiklik çok küçüktür; gazlardan onlarca, yüzbinlerce kat daha azdır.

1.3. Sıvı özellikleri
Akışkanlık. Sıvıların temel özelliği akışkanlıktır. Sıvının dengede olan bir bölümüne harici bir kuvvet uygulanırsa, bu kuvvetin uygulandığı yönde sıvı parçacıklarının akışı ortaya çıkar: sıvı akar. Böylece, dengesiz dış kuvvetlerin etkisi altında sıvı, şeklini ve parçaların göreceli düzenini korumaz ve bu nedenle içinde bulunduğu kabın şeklini alır. Plastik katıların aksine, bir sıvının akma sınırı yoktur: sıvının akması için keyfi olarak küçük bir dış kuvvetin uygulanması yeterlidir.
Hacmin korunması. Bir sıvının karakteristik özelliklerinden biri, belirli bir hacme sahip olmasıdır (sabit dış koşullar altında). Sıvıların mekanik olarak sıkıştırılması son derece zordur çünkü gazların aksine moleküller arasında çok az boş alan vardır. Kap içindeki bir sıvıya uygulanan basınç, bu sıvının hacmindeki her noktaya değişmeden iletilir (Pascal kanunu gazlar için de geçerlidir). Bu özellik, çok düşük sıkıştırılabilirlik ile birlikte hidrolik makinelerde kullanılmaktadır. Sıvıların genellikle ısıtıldıklarında hacimleri artar (genişler), soğutulduklarında ise hacimleri azalır (daralır). Ancak istisnalar da vardır; örneğin su ısıtıldığında, normal basınçta ve 0 °C ila yaklaşık 4 °C arasındaki sıcaklıklarda büzülür.
Viskozite. Ek olarak sıvılar (gazlar gibi) viskozite ile de karakterize edilir. Bir parçanın diğerine göre hareketine, yani iç sürtünmeye direnme yeteneği olarak tanımlanır. Bitişik sıvı katmanları birbirine göre hareket ettiğinde, termal hareketin neden olduğu çarpışmalara ek olarak kaçınılmaz olarak molekül çarpışmaları da meydana gelir. Düzenli hareketi engelleyen kuvvetler ortaya çıkar. Bu durumda, düzenli hareketin kinetik enerjisi termal enerjiye - moleküllerin kaotik hareketinin enerjisine dönüşür.Kaptaki hareket ettirilen ve kendi haline bırakılan sıvı yavaş yavaş duracak, ancak sıcaklığı artacaktır.
Serbest yüzey oluşumu ve yüzey gerilimi. Hacmin korunması nedeniyle sıvı serbest bir yüzey oluşturabilir. Böyle bir yüzey, belirli bir maddenin fazları arasındaki arayüzdür: bir tarafta sıvı faz, diğer tarafta gaz fazı (buhar) ve muhtemelen başka gazlar, örneğin hava vardır. Aynı maddenin sıvı ve gaz fazları temas ederse, arayüz alanını azaltan kuvvetler (yüzey gerilimi kuvvetleri) ortaya çıkar. Arayüz, büzülme eğiliminde olan elastik bir zar gibi davranır. Yüzey gerilimi sıvı moleküller arasındaki çekimle açıklanabilir. Her molekül diğer molekülleri çeker, kendilerini onlarla "çevrelemeye" çalışır ve bu nedenle yüzeyi terk eder. Buna göre yüzey azalma eğilimindedir. Bu nedenle, sabun kabarcıkları ve kabarcıklar kaynarken küresel bir şekil alma eğilimindedir: belirli bir hacim için bir küre minimum yüzey alanına sahiptir. Bir sıvıya yalnızca yüzey gerilimi kuvvetleri etki ediyorsa, sıvı mutlaka küresel bir şekil alacaktır - örneğin sıfır yerçekimindeki su damlaları. Yoğunluğu sıvınınkinden daha büyük olan küçük nesneler, yerçekimi kuvveti yüzey alanının artmasını önleyen kuvvetten daha az olduğundan sıvının yüzeyinde "yüzebilir". (Bkz. Yüzey gerilimi.)
Buharlaşma ve yoğunlaşma. Buharlaşma, bir maddenin sıvı halden gaz fazına (buhar) kademeli geçişidir. Termal hareket sırasında bazı moleküller sıvıyı yüzeyinden terk ederek buhar haline gelir. Aynı zamanda bazı moleküller buhardan sıvıya geri döner. Bir sıvıya girenden daha fazla molekül ayrılırsa buharlaşma meydana gelir. Yoğuşma ters bir işlemdir, bir maddenin gaz halindeki durumdan sıvı duruma geçişidir. Bu durumda buhardan sıvıya, sıvıdan buhara olduğundan daha fazla molekül geçer. Buharlaşma ve yoğuşma dengesiz süreçlerdir; yerel denge sağlanana kadar (eğer kurulursa) meydana gelirler ve sıvı tamamen buharlaşabilir veya mümkün olduğu kadar çok molekül geri dönüş olarak sıvıyı terk ettiğinde buharıyla dengeye gelebilir.
Kaynama, bir sıvı içinde buharlaşma işlemidir. Yeterince yüksek bir sıcaklıkta, buhar basıncı, sıvının içindeki basınçtan daha yüksek hale gelir ve orada (yerçekimi koşulları altında) yukarı doğru yüzen buhar kabarcıkları oluşmaya başlar.
Islanma, bir sıvının buhar varlığında, yani üç fazın arayüzlerinde katı bir yüzeyle temas etmesi sonucu ortaya çıkan bir yüzey olgusudur. Islanma, bir sıvının bir yüzeye "yapışmasını" ve onun üzerine yayılmasını (veya tersine itilmesini ve yayılmamasını) karakterize eder. Üç durum vardır: ıslanma yok, sınırlı ıslanma ve tam ıslanma.
Karışabilirlik, sıvıların birbiri içinde çözünebilme yeteneğidir. Karışabilen sıvılara örnek: su ve etil alkol, karışmayan sıvılara örnek: su ve sıvı yağ.
Difüzyon. Bir kapta iki karışık sıvı bulunduğunda, termal hareketin bir sonucu olarak moleküller yavaş yavaş ara yüzeyden geçmeye başlar ve böylece sıvılar yavaş yavaş karışır. Bu olaya difüzyon denir (aynı zamanda diğer toplanma durumlarındaki maddelerde de meydana gelir).
Aşırı ısınma ve hipotermi. Bir sıvı kaynama noktasının üzerinde ısıtılabilir, böylece kaynama meydana gelmez. Bu, hacim içinde önemli sıcaklık değişiklikleri olmaksızın ve titreşim gibi mekanik etkiler olmadan, eşit bir ısıtma gerektirir. Aşırı ısınmış bir sıvıya bir şey atarsanız anında kaynar. Mikrodalgada aşırı ısıtılmış su kolayca elde edilir. Aşırı soğutma, bir sıvının katı bir toplanma durumuna dönüşmeden donma noktasının altına soğutulmasıdır. Aşırı ısınmada olduğu gibi aşırı soğutma da titreşimin olmamasını ve önemli sıcaklık değişikliklerinin olmasını gerektirir.
Diğer aşamalarla birliktelik. Resmi olarak konuşursak, bir sıvı fazın aynı maddenin diğer fazları (gaz veya kristal) ile dengede bir arada bulunması için kesin olarak tanımlanmış koşullar gereklidir. Dolayısıyla belirli bir basınçta kesin olarak tanımlanmış bir sıcaklığa ihtiyaç vardır. Bununla birlikte, doğada ve teknolojide her yerde sıvı, buharla veya aynı zamanda katı bir toplanma durumuyla bir arada bulunur - örneğin su, buharla ve sıklıkla buzla (buharın havayla birlikte mevcut ayrı bir faz olduğunu düşünürsek). Bunun nedeni aşağıdaki nedenlerden kaynaklanmaktadır:
- Dengesizlik durumu. Bir sıvının buharlaşması zaman alır; sıvı tamamen buharlaşana kadar buharla bir arada bulunur. Doğada su, ters işlem olan yoğunlaşma gibi sürekli olarak buharlaşır.
- Kapalı hacim. Kapalı bir kaptaki sıvı buharlaşmaya başlar, ancak hacim sınırlı olduğundan buhar basıncı artar, miktarı yeterince büyükse, sıvı tamamen buharlaşmadan bile doymuş hale gelir. Doyma durumuna ulaşıldığında buharlaşan sıvı miktarı yoğunlaşan sıvı miktarına eşit olur ve sistem dengeye gelir. Böylece sınırlı bir hacimde sıvı ve buharın dengede bir arada bulunması için gerekli koşullar oluşturulabilir.
- Dünyanın yerçekimi koşullarında bir atmosferin varlığı. Bir sıvı atmosferik basınçtan (hava ve buhar) etkilenirken, buhar için neredeyse yalnızca kısmi basıncının dikkate alınması gerekir. Bu nedenle yüzeyinin üzerindeki sıvı ve buhar, faz diyagramında sırasıyla sıvı fazın bulunduğu bölgede ve gaz fazının bulunduğu bölgede farklı noktalara karşılık gelir. Bu, buharlaşmayı iptal etmez, ancak buharlaşma, her iki fazın bir arada var olduğu süreyi gerektirir. Bu koşul olmasaydı sıvılar çok çabuk kaynar ve buharlaşırdı.

Bölüm 2. Gaz
2.1. Gaz konsepti
GAZ, kendisini oluşturan parçacıkların (atomlar, moleküller) birbirinden önemli mesafelerde bulunduğu ve serbest hareket halinde olduğu bir maddenin toplu hallerinden biridir. Moleküllerin yakın mesafelerde olduğu ve önemli çekim ve itme kuvvetleriyle birbirine bağlandığı sıvı ve katıdan farklı olarak, gazdaki moleküllerin etkileşimi, yalnızca yaklaşmalarının (çarpışma) kısa anlarında kendini gösterir. Bu durumda çarpışan parçacıkların hareket hızının büyüklüğünde ve yönünde keskin bir değişiklik olur.
"Gaz" adı Yunanca "kaos" kelimesinden gelir ve 17. yüzyılın başında Van Helmont tarafından tanıtıldı; tam bir düzensizlik ve kaosla karakterize edilen bir gazdaki parçacıkların hareketinin gerçek doğasını çok iyi yansıtıyor. . Örneğin sıvılardan farklı olarak gazlar serbest bir yüzey oluşturmaz ve kendilerine sunulan hacmin tamamını eşit şekilde doldurur. İyonlaşmış gazları da dahil edersek gaz hali, Evrendeki maddenin en yaygın halidir (gezegensel atmosferler, yıldızlar, bulutsular, yıldızlararası madde vb.).
2.2. Moleküler hareket
Gazlardaki moleküllerin hareketi rastgeledir: Moleküllerin hızları herhangi bir tercih edilen yöne sahip değildir, ancak her yöne kaotik bir şekilde dağılmıştır. Moleküllerin birbirleriyle çarpışması nedeniyle hızları hem yön hem de büyüklük açısından sürekli değişir. Bu nedenle moleküllerin hızları birbirinden çok farklı olabilir. Bir gazın içinde herhangi bir anda son derece hızlı hareket eden moleküller ve nispeten yavaş hareket eden moleküller bulunur. Ancak diğerlerinden çok daha yavaş veya çok daha hızlı hareket eden moleküllerin sayısı azdır. Çoğu molekül, molekül türüne ve vücut sıcaklığına bağlı olarak ortalama hızlardan nispeten çok az farklı olan hızlarda hareket eder. Aşağıda moleküllerin hızından bahsederken ortalama hızlarını kastedeceğiz. Moleküllerin ortalama hızının ölçülmesi ve hesaplanması konusuna daha sonra değineceğiz. Gaz moleküllerinin hareketiyle ilgili birçok tartışmada ortalama serbest yol kavramı önemli bir rol oynar. Ortalama serbest yol, moleküllerin birbirini izleyen iki çarpışma arasında kat ettiği ortalama mesafedir. Gaz yoğunluğu azaldıkça ortalama serbest yol artar. Atmosfer basıncında ve 0°C'de, hava moleküllerinin ortalama serbest yolu yaklaşık 10-8-10-7 m'dir (Şekil 371).

Pirinç. 371. Bu, normal basınçtaki bir hava molekülünün yaklaşık olarak izlediği yoldur (bir milyon kat arttırılmıştır)
Çok seyrekleştirilmiş gazlarda (örneğin içi boş ampullerin içinde), ortalama serbest yol birkaç santimetreye ve hatta onlarca santimetreye ulaşır. Burada moleküller neredeyse hiç çarpışma olmadan duvardan duvara hareket eder. Katılarda moleküller ortalama konumların etrafında titreşirler. Sıvılarda moleküller ortalama konumların etrafında da titreşirler. Bununla birlikte, zaman zaman her molekül, öncekinden moleküller arası birkaç mesafeyle ayrılan yeni bir ortalama konuma atlar.
2.3. Gaz özellikleri
Gaz halinde parçacıklar arasındaki etkileşimin enerjisi kinetik enerjisinden çok daha azdır: EMMB<< Екин.
Bu nedenle, gaz molekülleri (atomlar) bir arada tutulmaz, ancak parçacıkların hacminden önemli ölçüde daha büyük bir hacimde serbestçe hareket eder. Moleküller birbirine yeterince yaklaştığında moleküller arası etkileşim kuvvetleri ortaya çıkar. Moleküller arası etkileşimin zayıf olması, gazın yoğunluğunun düşük olmasını, sınırsız genişleme isteğini ve bu isteği engelleyen kabın duvarlarına baskı uygulama yeteneğini belirler. Gaz molekülleri rastgele, kaotik bir hareket halindedir ve gazda moleküllerin dizilişinde bir düzen yoktur. Bir gazın durumu şu şekilde karakterize edilir: sıcaklık - T, basınç - p ve hacim - V. Düşük basınçlarda ve yüksek sıcaklıklarda, tüm tipik gazlar yaklaşık olarak aynı şekilde davranır. Ancak zaten sıradan ve özellikle düşük sıcaklıklarda ve yüksek basınçlarda, gazların bireyselliği ortaya çıkmaya başlar. Dış basıncın artması ve sıcaklığın azalması gaz parçacıklarını birbirine yaklaştırır, böylece moleküller arası etkileşim daha büyük ölçüde kendini göstermeye başlar. Bu tür gazlar için Mendeleev-Clapeyron denklemini uygulamak artık mümkün değildir: ancak van der Waals denklemi kullanılmalıdır:
burada a ve b sırasıyla moleküller arasındaki çekici kuvvetlerin varlığını ve moleküllerin gerçek hacmini hesaba katan sabit terimlerdir.
Gazlar sıkıştırıldığında, yoğunlukları önemli ölçüde arttığında, IMF kuvvetleri giderek daha fazla fark edilir hale gelir, bu da moleküllerden çeşitli bileşenlerin oluşması için koşulların yaratılmasına yol açar. Ortaklar nispeten kararsız molekül gruplarıdır. IMF bileşenlerinin doğasından, evrensel etkileşim kuvvetlerinin artan atom boyutlarıyla birlikte arttığı, polarize edilebilirliğin keskin bir şekilde arttığı, dolayısıyla bir maddenin aynı türdeki parçacıkları (atomlar veya moleküller) ne kadar ağırsa, genellikle derecesi o kadar yüksek olur. Belirli bir sıcaklıkta bunların birleşimi ne kadar düşük olursa, böyle bir madde gazdan sıvıya dönüşür.

Bölüm 3. Kristaller
3.1.Kristal kavramı
Kristallerin dünyası, yaşayan doğanın dünyasından daha az güzel, çeşitli, gelişen ve çoğu zaman daha az gizemli olmayan bir dünyadır. Kristallerin jeoloji bilimleri açısından önemi, yer kabuğunun büyük çoğunluğunun kristal halinde olması gerçeğinde yatmaktadır. Jeolojinin mineraller ve kayalar gibi temel nesnelerinin sınıflandırılmasında kristal kavramı birincil, temeldir, elementlerin periyodik tablosundaki bir atoma veya maddelerin kimyasal sınıflandırmasındaki bir moleküle benzer. Ünlü mineralojistin aforistik ifadesine göre, St. Petersburg Madencilik Enstitüsü profesörü D.P. Grigoriev, "Mineral bir kristaldir." Minerallerin ve kayaların özelliklerinin kristal halinin genel özellikleriyle yakından ilişkili olduğu açıktır.
"Kristal" kelimesi Yunancadır (????????????), orijinal anlamı "buz" dur. Bununla birlikte, eski zamanlarda, bu terim diğer maddelerin (kuvars, kalsit vb.) Şeffaf doğal polihedrasına aktarılmıştı, çünkü bunun aynı zamanda bir nedenden dolayı yüksek sıcaklıklarda stabil hale gelen buz olduğuna inanılıyordu. Rusça'da bu kelimenin iki biçimi vardır: "kristal", doğal olarak oluşan çok yönlü bir gövde anlamına gelir ve "kristal" - yüksek kırılma indisine sahip özel bir cam türü ve ayrıca şeffaf renksiz kuvars ("kaya kristali"). Çoğu Avrupa dili, bu kavramların her ikisi için de aynı kelimeyi kullanır (Londra'daki İngilizce "Crystal Palace" - "Crystal Palace" ve kristal büyümesi üzerine uluslararası bir dergi olan "Crystal Growth" ile karşılaştırın).
İnsanlık kristallerle çok eski çağlarda tanıştı. Bu, her şeyden önce, doğada sıklıkla gerçekleştirilen, yani kendiliğinden şaşırtıcı derecede mükemmel çokyüzlüler biçimini alabilmeleri için kendi kendini kesme yeteneklerinden kaynaklanmaktadır. Modern bir insan bile, doğal kristallerle ilk kez karşılaştığında, çoğu zaman bu çokyüzlülerin yetenekli bir zanaatkarın işi olmadığına inanmaz. Bazı arkeolojik buluntuların da gösterdiği gibi, kristallerin şekline uzun zamandır büyülü bir önem verilmiştir. İncil'de "kristal"den (görünüşe göre hala "kristal"den bahsediyoruz) söz edilmektedir (örneğin bkz. Yuhanna'nın Vahiyi, 21, 11; 32, 1, vb.). Matematikçiler arasında, beş düzenli polihedranın (Platonik katılar) prototiplerinin doğal kristaller olduğuna dair mantıklı bir görüş var. Pek çok Arşimet (yarı düzenli) polihedranın kristal dünyasında tam veya çok yakın analogları da vardır. Ve antik çağın uygulamalı sanatında, kristalin çokyüzlüler bazen rol model olarak kullanıldı ve bunlar açıkça o zamanın bilimi tarafından dikkate alınmadı. Örneğin, Devlet İnziva Yeri, şekli güzel yarı değerli mineral garnet kristallerinin karakteristik şeklini doğru bir şekilde yeniden üreten bir dizi boncuk içerir. Bu boncuklar altından yapılmıştır (muhtemelen MS 1.-5. yüzyıllara ait Orta Doğu işi). Bu nedenle, kristallerin uzun zamandır insanın ilgisini çeken ana alanlar üzerinde gözle görülür bir etkisi olmuştur: duygusal (din, sanat), ideolojik (din), entelektüel (bilim, sanat).
3.2. Ana kristal kafes türleri
Katılarda atomlar uzayda iki şekilde düzenlenebilir: 1) Birbirlerine göre belirli bir yeri işgal etmediklerinde atomların rastgele düzenlenmesi. Bu tür cisimlere amorf denir 2) Atomlar uzayda iyi tanımlanmış yerleri işgal ettiğinde atomların düzenli bir şekilde düzenlenmesi Bu tür maddelere kristal denir.
Atomlar ortalama konumlarına göre yaklaşık 1013 Hz frekansla salınır. Bu salınımların genliği sıcaklıkla orantılıdır. Atomların uzaydaki düzenli dizilimi sayesinde merkezleri hayali düz çizgilerle birbirine bağlanabilmektedir. Bu tür kesişen çizgiler kümesi, kristal kafes adı verilen uzamsal bir kafesi temsil eder.
Atomların dış elektron yörüngeleri birbirine temas eder, dolayısıyla kristal kafesteki atomların paketlenme yoğunluğu çok yüksektir. Kristal katılar kristal tanelerden - kristalitlerden oluşur. Komşu tanelerde kristal kafesler birbirlerine göre belirli bir açıyla döndürülür. Kristalitlerde kısa ve uzun menzilli düzenler gözlenir. Bu, hem belirli bir atomu çevreleyen en yakın komşularının (kısa menzilli düzen) hem de ondan tane sınırlarına kadar (uzun menzilli düzen) önemli mesafelerde bulunan atomların düzenli bir düzenlemesinin ve stabilitesinin varlığı anlamına gelir.

a) b)
Pirinç. 1.1. Kristal (a) ve amorf (b) maddedeki atomların düzenlenmesi
Difüzyon nedeniyle, tek tek atomlar kristal kafesin düğümlerindeki yerlerini bırakabilirler, ancak bir bütün olarak kristal yapının düzeni bozulmaz.
Tüm metaller, aralarında serbest elektronların (elektron gazı olarak adlandırılan) hareket ettiği, düşük hareketli pozitif yüklü iyonlardan oluşan belirli bir kristal kafes tipine sahip kristal gövdelerdir. Bu tip yapıya metalik bağ denir. Kafesin türü, üç uzamsal eksen boyunca tekrarlanan tekrarı belirli bir kristalin gövdenin kafesini oluşturan temel geometrik gövdenin şekli ile belirlenir.

A) B)

C) D)
Pirinç. 1.2. Ana metal kristal kafes türleri:
A) kübik (hücre başına 1 atom)
B) vücut merkezli kübik (bcc) (hücre başına 2 atom)
vesaire.................

Bir molekülün kinetik enerjisi

Bir gazda moleküller serbestçe (diğer moleküllerden izole edilmiş olarak) hareket eder ve yalnızca ara sıra birbirleriyle veya kabın duvarlarıyla çarpışır. Bir molekül serbestçe hareket ettiği sürece yalnızca kinetik enerjiye sahiptir. Çarpışma sırasında moleküller aynı zamanda potansiyel enerji de kazanırlar. Dolayısıyla bir gazın toplam enerjisi, moleküllerinin kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamıdır. Gaz ne kadar inceltilirse, zamanın her anında o kadar fazla molekül serbest hareket halindedir ve yalnızca kinetik enerjiye sahiptir. Sonuç olarak, gaz seyreltildiğinde potansiyel enerjinin oranı kinetik enerjiye oranla azalır.

İdeal bir gazın dengesindeki bir molekülün ortalama kinetik enerjisinin çok önemli bir özelliği vardır: Farklı gazlardan oluşan bir karışımda, karışımın farklı bileşenleri için bir molekülün ortalama kinetik enerjisi aynıdır.

Örneğin hava bir gaz karışımıdır. Havanın hala ideal gaz olarak kabul edilebildiği normal koşullar altında bir hava molekülünün tüm bileşenleri için ortalama enerjisi aynıdır. İdeal gazların bu özelliği genel istatistiksel değerlendirmelere dayanarak kanıtlanabilir. Bundan önemli bir sonuç çıkar: Eğer iki farklı gaz (farklı kaplarda) birbiriyle termal dengedeyse, moleküllerinin ortalama kinetik enerjileri aynıdır.

Gazlarda moleküller ve atomlar arasındaki mesafe genellikle moleküllerin boyutundan çok daha büyüktür; moleküller arasındaki etkileşim kuvvetleri büyük değildir. Sonuç olarak gazın kendine ait bir şekli ve sabit bir hacmi yoktur. Gaz kolayca sıkıştırılır ve sınırsız olarak genişleyebilir. Gaz molekülleri serbestçe hareket eder (ötelemesel olarak dönebilirler), ancak bazen diğer moleküllerle ve gazın bulunduğu kabın duvarlarıyla çarpışır ve çok yüksek hızlarda hareket ederler.

Katılarda parçacıkların hareketi

Katıların yapısı temel olarak gazların yapısından farklıdır. Bunlarda moleküller arası mesafeler küçüktür ve moleküllerin potansiyel enerjisi kinetik enerjiyle karşılaştırılabilir. Atomlara (veya iyonlara veya tüm moleküllere) hareketsiz denemez; ortalama konumlar etrafında rastgele salınım hareketi yaparlar. Sıcaklık ne kadar yüksek olursa, salınım enerjisi de o kadar büyük olur ve dolayısıyla salınımların ortalama genliği de artar. Atomların termal titreşimleri aynı zamanda katıların ısı kapasitesini de açıklar. Kristal katılardaki parçacıkların hareketlerini daha ayrıntılı olarak ele alalım. Bir bütün olarak kristalin tamamı çok karmaşık birleştirilmiş salınım sistemidir. Atomların ortalama konumlarından sapmaları küçüktür ve bu nedenle atomların Hooke'un doğrusal yasasına uyan yarı elastik kuvvetlerin etkisine maruz kaldığını varsayabiliriz. Bu tür salınım sistemlerine doğrusal denir.

Doğrusal salınımlara maruz kalan sistemlerin gelişmiş bir matematiksel teorisi vardır. Özü aşağıdaki gibi olan çok önemli bir teoremi kanıtlıyor. Sistem küçük (doğrusal) birbirine bağlı salınımlar gerçekleştiriyorsa, koordinatları dönüştürerek resmi olarak bağımsız osilatörlerden oluşan bir sisteme (salınım denklemleri birbirine bağlı olmayan) indirgenebilir. Bağımsız osilatörlerden oluşan bir sistem, ideal bir gaz gibi davranır, dolayısıyla bu gazın atomları da bağımsız olarak kabul edilebilir.

Boltzmann yasasına gaz atomlarının bağımsızlığı fikrini kullanarak ulaşıyoruz. Bu çok önemli sonuç, katıların teorisinin tamamı için basit ve güvenilir bir temel sağlar.

Boltzmann yasası

Belirli parametrelere (koordinatlar ve hızlar) sahip osilatörlerin sayısı, aşağıdaki formüle göre belirli bir durumdaki gaz moleküllerinin sayısıyla aynı şekilde belirlenir:

Osilatör enerjisi.

Katı cisimler teorisindeki Boltzmann yasasının (1) herhangi bir kısıtlaması yoktur, ancak osilatör enerjisi için formül (2) klasik mekanikten alınmıştır. Katıları teorik olarak ele alırken, osilatörün enerjisindeki ayrık değişikliklerle karakterize edilen kuantum mekaniğine güvenmek gerekir. Osilatörün enerjisinin ayrıklığı, yalnızca enerjisinin yeterince yüksek değerlerinde önemsiz hale gelir. Bu, (2)'nin yalnızca yeterince yüksek sıcaklıklarda kullanılabileceği anlamına gelir. Bir katının erime noktasına yakın yüksek sıcaklıklarında, serbestlik dereceleri üzerinde enerjinin düzgün dağılımı yasası Boltzmann yasasını takip eder. Gazlarda her bir serbestlik derecesi için ortalama olarak (1/2) kT'ye eşit bir enerji miktarı varsa, osilatörün kinetik olana ek olarak potansiyel enerjiye sahip bir serbestlik derecesi vardır. Bu nedenle, yeterince yüksek sıcaklıkta bir katının bir serbestlik derecesi başına kT'ye eşit bir enerji vardır. Bu yasaya dayanarak katı bir cismin toplam iç enerjisini ve ardından ısı kapasitesini hesaplamak zor değildir. Bir mol katı NA atomu içerir ve her atomun üç serbestlik derecesi vardır. Bu nedenle köstebek 3 NA osilatörü içerir. Bir mol katının enerjisi

ve yeterince yüksek sıcaklıklarda bir katının molar ısı kapasitesi

Deneyim bu yasayı doğrulamaktadır.

Sıvılar, gazlar ve katılar arasında bir ara pozisyonda bulunur. Sıvı moleküller uzun mesafelere dağılmaz ve normal koşullar altında sıvı hacmini korur. Ancak katılardan farklı olarak moleküller sadece titreşmekle kalmaz, aynı zamanda bir yerden bir yere atlarlar, yani serbest hareketler gerçekleştirirler. Sıcaklık arttıkça sıvılar kaynar (kaynama noktası denilen bir nokta vardır) ve gaza dönüşür. Sıcaklık düştükçe sıvılar kristalleşerek katı hale gelir. Sıcaklık alanında gaz (doymuş buhar) ve sıvı arasındaki sınırın ortadan kalktığı (kritik nokta) bir nokta vardır. Katılaşma sıcaklığına yakın sıvılardaki moleküllerin termal hareket modeli, katılardaki moleküllerin davranışına çok benzer. Örneğin ısı kapasitesi katsayıları tamamen aynıdır. Bir maddenin ısı kapasitesi erime sırasında biraz değiştiğinden, bir sıvı içindeki parçacıkların hareketinin doğasının katı bir maddedeki harekete (erime sıcaklığında) yakın olduğu sonucuna varabiliriz. Isıtıldığında sıvının özellikleri yavaş yavaş değişir ve daha çok gaza benzer hale gelir. Sıvılarda parçacıkların ortalama kinetik enerjisi, moleküller arası etkileşimin potansiyel enerjisinden daha azdır. Sıvılarda ve katılarda moleküller arası etkileşimin enerjisi önemsiz derecede farklılık gösterir. Füzyon ısısı ile buharlaşma ısısını karşılaştırırsak, bir toplanma durumundan diğerine geçiş sırasında füzyon ısısının buharlaşma ısısından önemli ölçüde düşük olduğunu görürüz. Bir sıvının yapısının yeterli bir matematiksel açıklaması ancak istatistiksel fiziğin yardımıyla yapılabilir. Örneğin, eğer bir sıvı aynı küresel moleküllerden oluşuyorsa, bu durumda onun yapısı, referans noktası olarak seçilen belirli bir molekülden r mesafesindeki herhangi bir molekülü tespit etme olasılığını veren radyal dağılım fonksiyonu g(r) ile tanımlanabilir. Bu fonksiyon, x-ışınlarının veya nötronların kırınımını inceleyerek deneysel olarak bulunabilir veya bu fonksiyonun bilgisayar simülasyonu, Newton mekaniği kullanılarak gerçekleştirilebilir.

Sıvının kinetik teorisi Ya.I. Frenkel. Bu teoride, bir sıvı, bir katı durumunda olduğu gibi, uyumlu osilatörlerden oluşan dinamik bir sistem olarak kabul edilir. Ancak katı bir cismin aksine, bir sıvıdaki moleküllerin denge konumu geçicidir. Sıvı molekül bir konum etrafında salındıktan sonra yakınlarda bulunan yeni bir konuma atlar. Böyle bir sıçrama enerji harcanmasıyla ortaya çıkar. Sıvı bir molekülün ortalama "yerleşik ömrü" süresi şu şekilde hesaplanabilir:

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

burada $t_0\ $ bir denge konumu etrafındaki salınımların periyodudur. Bir molekülün bir konumdan diğerine geçebilmesi için alması gereken enerjiye aktivasyon enerjisi W, molekülün denge konumunda bulunduğu süreye ise “yerleşik yaşam” süresi t denir.

Örneğin oda sıcaklığında bir su molekülü yaklaşık 100 titreşime maruz kalır ve yeni bir konuma sıçrar. Bir sıvının molekülleri arasındaki çekim kuvvetleri hacmin korunmasını sağlayacak kadar güçlüdür, ancak moleküllerin sınırlı hareketsiz ömrü akışkanlık gibi bir olgunun ortaya çıkmasına neden olur. Denge konumuna yakın parçacık salınımları sırasında sürekli olarak birbirleriyle çarpışırlar, böylece sıvının küçük bir sıkıştırılması bile parçacık çarpışmalarının keskin bir "sertleşmesine" yol açar. Bu, sıvının sıkıştırıldığı kabın duvarları üzerindeki basıncında keskin bir artış anlamına gelir.

örnek 1

Görev: Bakırın özgül ısı kapasitesini belirleyin. Bakırın sıcaklığının erime noktasına yakın olduğunu varsayalım. (Bakırın molar kütlesi $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(kg)(mol))$

Dulong ve Petit yasasına göre, erime noktasına yakın sıcaklıklarda kimyasal açıdan basit maddelerin bir molünün ısı kapasitesi vardır:

Bakırın özgül ısı kapasitesi:

\[С=\frac(с)(\mu )\to С=\frac(3R)(\mu )\left(1.2\right),\] \[С=\frac(3\cdot 8.31) (63 \cdot 10^(-3))=0,39\ \cdot 10^3(\frac(J)(kgK))\]

Cevap: Bakırın özgül ısı kapasitesi $0,39\ \cdot 10^3\left(\frac(J)(kgK)\right).$

Ödev: Tuzun (NaCl) suda çözünme sürecini fizik açısından basitleştirilmiş bir şekilde açıklayın.

Modern çözüm teorisinin temeli D.I. Mendeleev. Çözünme sırasında iki işlemin aynı anda gerçekleştiğini tespit etti: fiziksel - çözünen madde parçacıklarının çözeltinin tüm hacmi boyunca eşit dağılımı ve kimyasal - çözücünün çözünen madde ile etkileşimi. Fiziksel süreçle ilgileniyoruz. Tuz molekülleri su moleküllerini yok etmez. Bu durumda suyun buharlaşması mümkün olmayacaktır. Tuz molekülleri su moleküllerine katılırsa yeni bir madde elde ederiz. Ve tuz molekülleri moleküllerin içine nüfuz edemez.

Klorun Na+ ve Cl- iyonları ile polar su molekülleri arasında iyon-dipol bağı oluşur. Sofra tuzu moleküllerindeki iyonik bağlardan daha güçlü olduğu ortaya çıktı. Bu işlem sonucunda NaCl kristallerinin yüzeyinde yer alan iyonlar arasındaki bağ zayıflar, sodyum ve klor iyonları kristalden ayrılır ve su molekülleri etraflarında hidrasyon kabukları adı verilen kabukları oluşturur. Ayrılan hidratlı iyonlar termal hareketin etkisi altında çözücü molekülleri arasında eşit şekilde dağıtılır.

Sıvı, özellikler ve yapı bakımından gazlar ve katı kristalli maddeler arasında bir ara pozisyonda bulunur. Bu nedenle hem gaz hem de katı madde özelliklerine sahiptir. Moleküler kinetik teoride, bir maddenin farklı toplanma durumları, farklı moleküler düzen dereceleriyle ilişkilidir. Katılar için sözde uzun menzilli düzen parçacıkların düzenlenmesinde, yani. büyük mesafelerde tekrarlanan düzenli düzenlemeleri. Sıvılarda sözde bir şey var emri kapat parçacıkların düzenlenmesinde, yani. mesafeler boyunca tekrarlanan sıralı düzenlemeleri, atomlar arası olanlarla karşılaştırılabilir. Kristalleşme sıcaklığına yakın sıcaklıklarda sıvının yapısı katıya yakındır. Kaynama noktasına yakın yüksek sıcaklıklarda, sıvının yapısı gaz durumuna karşılık gelir; neredeyse tüm moleküller kaotik termal harekete katılır.

Sıvılar da katılar gibi belli bir hacme sahiptirler ve gazlar gibi bulundukları kabın şeklini alırlar. Gaz molekülleri pratik olarak moleküller arası etkileşim kuvvetleriyle birbirine bağlanmaz ve bu durumda, gaz moleküllerinin termal hareketinin ortalama enerjisi, aralarındaki çekim kuvvetlerinin neden olduğu ortalama potansiyel enerjiden çok daha büyüktür, dolayısıyla gaz moleküller farklı yönlere uçar ve gaz kendisine sağlanan hacmi kaplar. Katılarda ve sıvılarda moleküller arasındaki çekim kuvvetleri zaten önemlidir ve molekülleri birbirlerinden belirli bir mesafede tutar. Bu durumda moleküllerin ortalama termal hareket enerjisi, moleküller arası etkileşim kuvvetleri nedeniyle ortalama potansiyel enerjiden daha azdır ve moleküller arasındaki çekim kuvvetlerini yenmek için yeterli değildir, dolayısıyla katılar ve sıvılar belirli bir hacme sahiptir.

Sıvılardaki basınç, sıcaklığın artması ve hacmin azalmasıyla çok keskin bir şekilde artar. Sıvıdaki molekülleri birbirine bağlayan kuvvetler daha önemli olduğundan, sıvıların hacimsel genleşmesi buhar ve gazlarınkinden çok daha azdır; aynı açıklama termal genleşme için de geçerlidir.

Sıvıların ısı kapasiteleri genellikle sıcaklıkla artar (çok az da olsa). Ср/СV oranı pratik olarak birliğe eşittir.

Sıvı teorisi henüz tam olarak gelişmemiştir. Sıvıların karmaşık özelliklerinin incelenmesinde bir takım problemlerin geliştirilmesi Ya.I.'ye aittir. Frenkel (1894–1952). Bir sıvıdaki termal hareketi, her molekülün belirli bir denge konumu etrafında bir süre salınması ve ardından aniden atomlar arası düzende bir mesafede orijinalinden ayrılan yeni bir konuma hareket etmesiyle açıkladı. Böylece sıvının molekülleri, sıvının tüm kütlesi boyunca oldukça yavaş hareket eder. Sıvının sıcaklığı arttıkça titreşim hareketinin frekansı keskin bir şekilde artar ve moleküllerin hareketliliği artar.

Frenkel modeline dayanarak bazı şeyleri açıklamak mümkündür. ayırt edici özellikleri sıvının özellikleri. Bu nedenle sıvılar, kritik sıcaklığa yakın olsa bile, çok daha büyük bir sıcaklığa sahiptir. viskozite gazlardan daha fazladır ve sıcaklık arttıkça viskozite azalır (ve gazlarda olduğu gibi artmaz). Bu, momentum aktarım sürecinin farklı doğasıyla açıklanmaktadır: Bir denge durumundan diğerine sıçrayan moleküller tarafından iletilir ve bu sıçramalar, artan sıcaklıkla önemli ölçüde daha sık hale gelir. Difüzyon sıvılarda yalnızca moleküler sıçramalar nedeniyle oluşur ve gazlara göre çok daha yavaş gerçekleşir. Termal iletkenlik sıvılar, denge konumları etrafında farklı genliklerle salınan parçacıklar arasındaki kinetik enerji alışverişinden kaynaklanır; moleküllerin ani sıçramaları gözle görülür bir rol oynamaz. Isı iletkenliğinin mekanizması gazlardaki mekanizmaya benzer. Bir sıvının karakteristik özelliği, sahip olabilmesidir. Serbest yüzey(sağlam duvarlarla sınırlı değildir).

Konu: Maddenin üç hali

Seçenek I

BEN.Katılarda moleküller nasıl düzenlenir ve nasıl hareket ederler?

Moleküller, moleküllerin boyutlarından daha küçük mesafelerde bulunur ve birbirlerine göre serbestçe hareket ederler. Moleküller birbirlerinden büyük mesafelerde bulunurlar (moleküllerin boyutuna kıyasla) ve rastgele hareket ederler. Moleküller kesin bir düzende düzenlenir ve belirli denge konumları etrafında titreşirler.

II.Aşağıdaki özelliklerden hangisi gazlara aittir?

Belli bir hacme sahiptir Kabın tamamını kaplar Kabın şeklini alır Az sıkıştırılır Kolayca sıkıştırılır

III.kapasiteli bir kaptan pompalanırsa gazın hacmi değişir mi?1 litre2 litre kapasiteli bir kapta mı?

IV. Moleküller birbirlerinden büyük mesafelerde bulunurlar (moleküllerin boyutuna göre), birbirleriyle zayıf etkileşime girerler ve kaotik bir şekilde hareket ederler. Bu nasıl bir vücut?

Gaz Katı cisim Sıvı Böyle bir cisim yoktur

V.Çelik hangi durumda olabilir?

Yalnızca katı halde Yalnızca sıvı halde Yalnızca gaz halinde Her üç durumda da

Konu: Maddenin üç hali

Seçenek II

BEN.Sıvıların molekülleri nasıl düzenlenir ve nasıl hareket ederler?

Moleküller, moleküllerin boyutlarıyla orantılı mesafelerde bulunur ve birbirlerine göre serbestçe hareket ederler. Moleküller birbirlerinden büyük mesafelerde (moleküllerin boyutuna göre) bulunur ve rastgele hareket ederler. Moleküller kesin bir düzende düzenlenir ve belirli denge konumları etrafında titreşirler.

II.Aşağıdaki özelliklerden hangisi gazlara aittir?

Kendilerine sağlanan hacmin tamamını kaplar Sıkıştırılması zordur Kristal yapıya sahiptir Kolayca sıkıştırılır Kendi şekli yoktur

III.Bir kapta hacmi 100 cm3 olan su bulunmaktadır. 200 cm3 kapasiteli bardağa dökülür. Suyun hacmi değişir mi?

IV. Moleküller sıkı bir şekilde paketlenmiştir, birbirlerine güçlü bir şekilde çekilirler ve her molekül belirli bir konum etrafında titreşir. Bu nasıl bir vücut?

Gaz Sıvı Katı cisim Böyle cisimler yoktur

V.Su hangi durumda olabilir?

Yalnızca sıvı halde Yalnızca gaz halinde Yalnızca katı halde Her üç durumda da

Konu: Maddenin üç hali

Seçenek III

BEN.Gaz molekülleri nasıl düzenlenir ve nasıl hareket ederler?

Moleküller, moleküllerin boyutlarından daha küçük mesafelerde bulunur ve birbirlerine göre serbestçe hareket ederler. Moleküller, moleküllerin boyutlarından kat kat daha büyük mesafelerde bulunur ve rastgele hareket eder. Moleküller kesin bir sıraya göre düzenlenmiştir ve belirli konumlar etrafında titreşirler.

II.Aşağıdaki özelliklerden hangisi katılara aittir?

Şekil değiştirmesi zordur Kendilerine sağlanan hacmin tamamını kaplarlar Şeklini sabit tutarlar Kolayca şekil değiştirirler Küçülmesi zordur

III.20 litre kapasiteli bir tüpten 40 litre kapasiteli bir tüpe pompalanırsa gazın hacmi değişir mi?

2 kat artacak 2 kat azalacak Değişmeyecek

IV. Moleküllerinin uzak mesafelerde bulunduğu, birbirlerine güçlü bir şekilde çekildikleri ve belirli konumlar etrafında titreştikleri bir madde var mıdır?

Gaz Sıvı Katı Böyle bir madde mevcut değildir

V.Cıva hangi durumda olabilir?

Yalnızca sıvıda Yalnızca katıda Yalnızca gazda Her üç durumda da

Konu: Maddenin üç hali

IV seçeneği

BEN. Aşağıda moleküllerin katı, sıvı ve gazlardaki davranışları verilmiştir. Sıvı ve gazların ortak noktaları nelerdir?

Moleküllerin molekül boyutlarından daha küçük mesafelerde bulunması ve birbirlerine göre serbestçe hareket etmesi Moleküllerin birbirlerinden büyük mesafelerde bulunması ve rastgele hareket etmesi Moleküllerin birbirlerine göre rastgele hareket etmesi Moleküllerin düzenlenmesi kesin bir sırayla ve belirli konumların yakınında titreşir

II.Aşağıdaki özelliklerden hangisi katılara aittir?

Belli bir hacme sahiptir Tüm kabın hacmini kaplar Kabın şeklini alır Düşük sıkıştırma Kolayca sıkıştırılır

III.Şişede 0,5 litre hacimli su bulunmaktadır. 1 litrelik bir şişeye dökülür. Suyun hacmi değişir mi?

Artacak Azalacak Değişiklik yok

IV. Moleküller, aralarındaki mesafe moleküllerin boyutundan daha az olacak şekilde düzenlenir. Birbirlerinden güçlü bir şekilde etkilenirler ve bir yerden bir yere hareket ederler. Bu nasıl bir vücut?

Gaz Sıvı Katı

V.Alkol hangi durumda olabilir?

Yalnızca katı halde Yalnızca sıvı halde Yalnızca gaz halinde Her üç durumda da

Testlerin cevapları