Як розташовані молекули твердого тіла? Фізика

Кінетична енергія молекули

У газі молекули здійснюють вільний (ізольований з інших молекул) рух, лише іноді зіштовхуючись друг з одним чи зі стінками судини. Доки молекула здійснює вільний рух, у неї є тільки кінетична енергія. Під час зіткнення молекул з'являється і потенційна енергія. Таким чином, повна енергія газу становить суму кінетичної та потенційної енергій її молекул. Чим розріджений газ, тим більше молекулу кожний момент часу перебуває у стані вільного руху, які мають лише кінетичну енергію. Отже, при розрідженні газу зменшується частка потенційної енергіїу порівнянні з кінетичною.

Середня кінетична енергія молекули при рівновазі ідеального газу має одну дуже важливою особливістю: у суміші різних газівсередня кінетична енергія молекули для різних компонентівсуміші одна й та сама.

Наприклад, повітря є сумішшю газів. Середня енергіямолекули повітря для всіх його компонентів при нормальних умовахколи повітря ще можна розглядати як ідеальний газ, однакова. Ця властивість ідеальних газівможе бути підтверджено виходячи з загальних статистичних міркувань. З нього випливає важливий наслідок: якщо два різних газу (у різних судинах) перебувають у тепловій рівновазі один з одним, то середні кінетичні енергії їх молекул однакові.

У газах зазвичай відстань між молекулами та атомами значно більша, ніж розміри самих молекул, сили взаємодії молекул не великі. Внаслідок чого газ не має власної формита постійного обсягу. Газ легко стискається і може необмежено розширюватись. Молекули газу рухаються вільно (поступально, можуть обертатися), лише іноді стикаючись з іншими молекулами і стінками судини, в якій знаходиться газ, причому рухаються з дуже великими швидкостями.

Рух частинок у твердих тілах

Будова твердих тіл важливо на відміну від будови газів. Вони міжмолекулярні відстані малі і потенційна енергія молекул можна порівняти з кінетичною. Атоми (або іони, або цілі молекули) не можна назвати нерухомими, вони роблять безладне коливальний рухбіля середніх положень. Чим більша температура, тим більше енергія коливань, отже, і середня амплітуда коливань. Тепловими коливаннями атомів пояснюється теплоємність твердих тіл. Розглянемо докладніше рух частинок у кристалічних твердих тілах. Весь кристал в цілому є дуже складною пов'язаною коливальною системою. Відхилення атомів від середніх положень невеликі, і тому можна вважати, що атоми піддаються дії квазіпружних сил, що підкоряються лінійному законуГука. Такі коливальні системи називають лінійними.

Існує розвинена математична теоріясистем, схильних до лінійних коливань. У ній доведено дуже важливу теорему, суть якої полягає в наступному. Якщо система здійснює малі (лінійні) взаємопов'язані коливання, шляхом перетворення координат її формально можна звести до системи незалежних осциляторів (у яких рівняння коливань не залежать один від одного). Система незалежних осциляторів веде себе подібно ідеальному газутому, що атоми останнього теж можна як незалежні.

Саме, використовуючи уявлення про незалежність атомів газу, ми приходимо до закону Больцмана. Цей дуже важливий висновок є простою і надійною основою для всієї теорії твердого тіла.

Закон Больцмана

Число осциляторів із заданими параметрами (координати та швидкості) визначається так само, як і число молекул газу в заданому стані, за формулою:

Енергія осцилятора.

Закон Больцмана (1) у теорії твердого тіла не має обмежень, проте формула (2) для енергії осцилятора взята з класичної механіки. При теоретичному розгляді твердих тіл потрібно спиратися на квантову механікудля якої характерна дискретність зміни енергії осцилятора. Дискретність енергії осцилятора стає несуттєвою тільки при достатньо високих значенняхйого енергії. Це означає, що (2) можна користуватися лише за досить високих температур. При високих температурах твердого тіла, близьких до температури плавлення, із закону Больцмана випливає закон рівномірного розподілу енергії за ступенями свободи. Якщо в газах на кожний ступінь свободи в середньому припадає кількість енергії, що дорівнює (1/2) kT, то в осцилятора один ступінь свободи, крім кінетичної, має потенційну енергію. Тому на один ступінь свободи в твердому тіліпри достатньо високій температуріприпадає енергія, що дорівнює kT. Виходячи з цього закону, неважко розрахувати повну внутрішню енергію твердого тіла, а за нею та її теплоемкость. Моль твердого тіла містить NA атомів, а кожен атом має три ступені свободи. Отже, у молі міститься 3 NA осциляторів. Енергія молячи твердого тіла

а молярна теплоємність твердого тіла при досить високих температурах

Досвід підтверджує цей закон.

Рідини займають проміжне положенняміж газами та твердими тілами. Молекули рідини не розходяться на великі відстані, і рідина в звичайних умовахзберігає власний обсяг. Але на відміну від твердих тіл молекули не тільки роблять коливання, а й перескакують із місця на місце, тобто роблять вільні рухи. При підвищенні температури рідини киплять (існує так звана температура кипіння) та переходять у газ. При зниженні температури рідини кристалізуються та стають твердими речовинами. Існує така точка в полі температур, в якій межа між газом ( насиченою парою) рідиною зникає ( критична точка). Картина теплового рухумолекул у рідинах поблизу температури твердіння дуже схожа на поведінку молекул у твердих тілах. Наприклад, коефіцієнти теплоємності майже збігаються. Так як теплоємність речовини при плавленні змінюється слабо, можна зробити висновок, що характер руху частинок в рідині близький руху в твердому тілі (при температурі плавлення). При нагріванні властивості рідини поступово змінюються, і вона стає більш схожою на газ. У рідин середня кінетична енергія частинок менша за потенційну енергію їхньої міжмолекулярної взаємодії. Енергія міжмолекулярної взаємодії в рідині та твердих тілах відрізняються несуттєво. Якщо порівняти теплоту плавлення та теплоту випаровування, то побачимо, що при переході з одного агрегатного станув інше теплота плавлення значно нижча, теплоти пароутворення. Адекватне математичний описСтруктура рідини може бути дано лише за допомогою статистичної фізики. Наприклад, якщо рідина складається з однакових сферичних молекул, її структуру можна описати радіальною функцією розподілу g(r), яка дає ймовірність виявлення якої-небудь молекули на відстані r від даної, обраної в якості точки відліку. Експериментально цю функцію можна знайти, досліджуючи дифракцію рентгенівських променівабо нейтронів, можна провести комп'ютерне моделюванняцією функцією, використовуючи механіку Ньютона.

Кінетична теорія рідини була розроблена Я.І. Френкель. У цій теорії рідина розглядається, як і у разі твердого тіла, як динамічна системагармонійно осциляторів. Але на відміну від твердого тіла положення рівноваги молекул рідини має тимчасовий характер. Повагавшись біля одного положення, молекула рідини перескакує в нове положення, розташоване по сусідству. Такий перескок відбувається із витратою енергії. Середній час " осілого життя» молекули рідини можна розрахувати як:

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

де $t_0 $ - період коливань близько одного положення рівноваги. Енергія, яку повинна отримати молекула, щоб з одного положення перейти в інше, називається енергією активації W, а час знаходження молекули в положенні рівноваги - часом осілого життя t.

У молекули води, наприклад, при кімнатній температурі, одна молекула здійснює близько 100 коливань і перескакує у нове становище. Сили тяжіння між молекул рідини великі, щоб зберігався обсяг, але обмеженість осілого життя молекул веде до виникнення такого явища, як плинність. Під час коливань частки біля положення рівноваги вони безперервно стикаються один з одним, тому навіть мале стиснення рідини призводить до різкого «запеклості» зіткнень частинок. Це означає різке підвищення тиску рідини на стінки судини, де її стискають.

Приклад 1

Завдання: Визначити питому теплоємність міді. Вважати, що температура міді близька до температури плавлення. ( Молярна масаміді $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(кг)(моль))$

Відповідно до закону Дюлонга і Пті моль хімічно. простих речовинпри температурах, близьких до температури плавлення, має теплоємність:

Питома теплоємність міді:

\[С=\frac(с)(\mu )\to С=\frac(3R)(\mu )\left(1.2\right),\] \[С=\frac(3\cdot 8,31) (63\cdot 10^(-3))=0,39\ \cdot 10^3(\frac(Дж)(кгК))\]

Відповідь: Питома теплоємністьміді $0,39\ cdot 10^3\left(\frac(Дж)(кгК)\right).$

Пояснення спрощено з точки зору фізики процес розчинення солі (NaCl) у воді.

Основу сучасної теоріїрозчинів створив Д.І. Менделєєв. Він встановив, що при розчиненні протікають одночасно два процеси: фізичний - рівномірний розподілчастинок розчиняється речовини по всьому об'єму розчину, і хімічний - взаємодія розчинника з речовиною, що розчиняється. Нас цікавить фізичний процес. Молекули солі не руйнують молекули води. І тут не можна було б випарувати воду. Якби молекули солі приєднувалися до молекул води - ми отримували б якусь нову речовину. І всередину молекул воли молекули солі проникнути не можуть.

Між іонами Na+ та Cl-хлору та полярними молекулами води виникає іонно-дипольний зв'язок. Вона виявляється міцнішою, ніж іонні зв'язкиу молекулах кухонної солі. В результаті цього процесу зв'язок між іонами, розташованими на поверхні кристалів NaCl, послаблюється, іони натрію та хлору відриваються від кристала, а молекули води утворюють навколо них так звані гідратні оболонки. гідратовані іони, що відокремилися, під впливом теплового руху рівномірно розподіляються між молекулами розчинника.

фізика. Молекули. Розташування молекул у газоподібній, рідкій та твердій відстані.

У газоподібному стані молекули не пов'язані одна з одною, знаходяться на великій відстаніодин від одного. Рух Броунівський. Газ може бути відносно легко стиснутий.
У рідкому - молекули близько одна до одної, коливаються разом. Стиснення майже не піддаються.
У тврдом - молекули розташовані в строгому порядку (в кристалічних рештках), будь-який рух молекул відсутній. Стиснення не піддається.
Будова речовини та початки хімії:
http://samlib.ru/a/anemow_e_m/aa0.shtml
(без реєстрації та SMS-повідомлень, у зручному текстовому форматі: можна використовувати Ctrl+C)
Не можна погодитися про те, що у твердому стані молекули не рухаються.
Рух молекул у газах

У газах зазвичай відстань між молекулами та атомами значно більше розмірівмолекул, а сили тяжіння дуже малі. Тому гази не мають власної форми та постійного об'єму. Гази легко стискаються, тому що сили відштовхування на великих відстанях також малі. Гази мають властивість необмежено розширюватися, заповнюючи весь наданий їм об'єм. Молекули газу рухаються з дуже великими швидкостями, стикаються між собою, відскакують одна від одної різні сторони. Численні удари молекул об стінки судини утворюють тиск газу.

Рух молекул у рідинах

У рідинах молекули як коливаються біля положення рівноваги, а й роблять перескоки з одного положення рівноваги до сусіднього. Ці перескоки відбуваються періодично. Тимчасовий відрізок між такими перескоками отримав назву середній час осілого життя (або середній час релаксації) і позначається буквою? Іншими словами, час релаксації – це час коливань близько одного певного положення рівноваги. За кімнатної температури цей час становить у середньому 10-11 с. Час одного коливання становить 10–1210–13 с.

Час осілого життя зменшується із підвищенням температури. Відстань між молекулами рідини менше розмірівмолекул, частинки розташовані близько одна до одної, а міжмолекулярне тяжіння велике. Проте розташування молекул рідини не є строго впорядкованим по всьому об'єму.

Рідини, як і тверді тіла, зберігають свій об'єм, але не мають власної форми. Тому вони набувають форми судини, в якій знаходяться. Рідина має таку властивість, як плинність. Завдяки цій властивості рідина не чинить опір зміні форми, мало стискається, а е Фізичні властивостіоднакові в усіх напрямках всередині рідини (ізотропія рідин). Вперше характер молекулярного руху на рідинах встановив радянський фізикЯків Ілліч Френкель (1894–1952).

Рух молекул у твердих тілах

Молекули та атоми твердого тіла розташовані в певному порядку і утворюють кристалічну рештку. Такі тверді речовини називають кристалічними. Атоми здійснюють коливальні рухи біля положення рівноваги, а тяжіння між ними дуже велике. Тому тверді тіла у звичайних умовах зберігають об'єм і мають власну форму.
У газоподібному рухаються рандомно, включаються
У рідкому-рухаються відповідно один з одним
У твердому – не рухаються.

У цьому матеріалі не тільки розказано про те, як розташовані частинки в твердих тілах, але і як вони рухаються в газах або в рідинах. Також будуть описані види кристалічних ґрат у різних речовинах.

Агрегатний стан

Існують певні стандарти, що вказують на наявність трьох типових агрегатних станів, а саме: рідина та газ.

Визначимо складові кожного агрегатного стану.

Тверді речовини практично стабільні за обсягом та формою. Останню змінити вкрай проблематично без додаткових енергетичних витрат.
Рідина може легко змінювати форму, але зберігає обсяг.
Газоподібні речовини не зберігають форму, ні обсяг.

Головним критерієм, за яким визначається агрегатний стан, є розташування молекул та способи їхнього руху. У газоподібній речовині мінімальна відстань між окремо взятими молекулами значно більша за них самих. У свою чергу молекули не розходяться на великі відстані у звичайних для них умовах і зберігають свій обсяг. Діючі частинки в твердих тілах розташовуються в строго певному порядку, Кожна з них, подібно до маятника годинника, рухається біля певної точки в кристалічній решітці. Це надає твердим речовинам особливої міцності та жорсткості.

Тому в даному випадкуНайбільш актуальним є питання, як розташовані діючі частки в твердих тілах. В інших випадках атоми (молекули) немає настільки впорядкованої структури.

Особливості рідини

Необхідно звернути особливу увагуна те, що рідини є своєрідною проміжною ланкою між твердим станомтіла та його газоподібною фазою. Так, при зниженні температури рідина твердне, а при підвищенні її вище, ніж точка кипіння цієї речовини, переходить у газоподібний стан. Однак рідина має загальні рисиі з твердими, і з газоподібними речовинами. Так, у 1860 році видатний вітчизняний учений Д. І. Менделєєв встановив існування так званої критичної температури- Абсолютного кипіння. Це таке значення, при якому зникає тонка межа між газом та речовиною у твердому стані.

Наступний критерій, що поєднує два сусідні агрегатні стани, - ізотропність. У разі їх властивості однакові всіх напрямах. Кристали, своєю чергою, анізотропні. Подібно до газів, рідини не мають фіксованої форми і займають повністю обсяг судини, в якій знаходяться. Тобто вони мають низьку в'язкість і високу плинність. Зіткнувшись між собою, мікрочастинки рідини чи газу здійснюють вільні переміщення. Раніше вважалося, що в обсязі, який займає рідина, упорядкованого руху молекул немає. Таким чином, рідина та газ протиставлялися кристалам. Але в результаті подальших досліджень було доведено схожість між твердими та рідкими тілами.

У рідкій фазі при температурі, близькій до затвердіння, тепловий рух нагадує рух у твердих тілах. У цьому випадку рідина все ж таки може мати певну структуру. Тому, даючи відповідь на таке запитання, як розташовані частинки у твердих тілах у рідинах та газах, можна сказати, що в останніх рух молекул хаотичний, невпорядкований. а ось у твердих речовинах молекули займають здебільшого певне, фіксоване положення.

Рідина при цьому є своєрідною проміжною ланкою. Причому, чим ближче її температура до кипіння, тим більше молекули рухаються як у газах. Якщо температура ближче до переходу в тверду фазу, то мікрочастинки починають рухатися все більш і більше впорядковано.

Зміна стану речовин

Розглянемо насправді простому прикладізміна стану води. Лід – це тверда фаза води. Температура його – нижче нуля. При температурі, рівної нулю, лід починає танути і перетворюється на воду. Це пояснюється руйнуванням кристалічних ґрат: при нагріванні частки починають рухатися. Температура, коли він речовина змінює агрегатний стан, називається точкою плавлення (у разі у води вона дорівнює 0). Зауважимо, що температура льоду залишатиметься одному рівні до його плавлення. При цьому атоми або молекули рідини рухатимуться так само, як у твердих тілах.

Після цього продовжимо нагрівати воду. Частинки при цьому починають рухатися інтенсивніше, поки наша речовина не досягне наступної точки зміни агрегатного стану - точки кипіння. Такий момент настає при розриві зв'язків між утворюючими її молекулами за рахунок прискорення руху - тоді воно набуває вільного характеру, і рідина, що розглядається, переходить у газоподібну фазу. Процес трансформації речовини (води) з рідкої фази в газоподібну називається кипінням.

Температуру, коли вода закипає, називають точкою кипіння. У нашому випадку це значення дорівнює 100 градусів за Цельсієм (температура залежить від тиску, нормальний тиск становить одну атмосферу). Зауважимо: поки існуюча рідинаЦілком і повністю не перетвориться на пару, температура її залишається постійною.

Можливий зворотний процес переходу води з газоподібного стану (пара) в рідину, який називається конденсація.

Далі можна спостерігати процес замерзання – процес переходу рідини (води) у тверду форму (початковий стан описано вище – це лід). Описані раніше процеси дозволяють отримати пряму відповідь на те, як розташовані частинки у твердих тілах, рідинах та газах. Розташування та стан молекул речовини залежить від його агрегатного стану.

Що таке тверде тіло? Як у ньому поводяться мікрочастинки?

Тверде тіло – це стан матеріального середовища, відмінна особливістьякого полягає у збереженні постійної форми та постійному характері теплового руху мікрочастинок, що здійснюють незначні коливання. Тіла можуть перебувати у твердому, рідкому та газоподібному стані. Є ще й четвертий стан, який сучасні вчені схильні відносити до агрегатних - це так звана плазма.

Отже, у першому випадку будь-яка речовина, як правило, має постійну незмінну форму, і на це має ключовий вплив те, як розташовані частинки в твердих тілах. На мікроскопічному рівні видно, що атоми, з яких складається тверде тіло, з'єднані один з одним хімічними зв'язкамиі знаходяться у вузлах кристалічних ґрат.

Але є й виняток. аморфні речовини, які знаходяться у твердому стані, але наявністю кристалічних ґрат не можуть похвалитися. Саме відштовхуючись від цього і можна дати відповідь на те, як розташовані частинки у твердих тілах. Фізика у разі вказує те що, що атоми чи молекули перебувають у вузлах решітки. А ось у другому випадку подібної впорядкованості точно немає, і така речовина більше схожа на рідину.

Фізика та можлива будова твердого тіла

У цьому випадку речовина прагне зберегти свій об'єм і, звичайно, форму. Тобто для того, щоб змінити останню, необхідно докласти зусиль, і не має значення, чи це металевий предмет, шматок пластику або пластилін. Причина полягає в його молекулярну будову. А якщо точніше висловитись, у взаємодії молекул, з яких складається тіло. Вони в даному випадку розташовані найближче. Таке розташування молекул носить характер, що повторюється. Саме тому сили взаємного тяжінняміж кожним із таких компонентів дуже великі.

Взаємодія мікрочастинок пояснює характер їхнього руху. Форму чи об'єм подібного твердого тіла скоригувати у той чи інший бік дуже важко. Частинки твердого тіла не здатні хаотично рухатися по всьому об'єму твердого тіла, а можуть лише коливатися біля певної точки простору. Молекули твердого тіла коливаються хаотично в різні боки, але натикаються на собі подібні, які повертають їх до початкового стану. Саме тому частинки в твердих тілах розташовуються, як правило, в певному порядку.

Частинки та їх розташування у твердому тілі

Тверді тіла можуть бути трьох видів: кристалічні, аморфні та композити. Саме хімічний складвпливає розташування частинок у твердих тілах.

Кристалічні тверді тіла мають упорядковану структуру. Їхні молекули або атоми утворюють кристалічну просторову решітку. правильної форми. Таким чином, тверде тіло, що знаходиться в кристалічному стані, має певну кристалічну решітку, яка, у свою чергу, задає певні фізичні властивості. Це і є відповідь на те, як розташовані частинки у твердому тілі.

Наведемо приклад: багато років тому у Петербурзі складі зберігався запас білих блискучих олов'яних гудзиків, які за зниження температури втратили свій блиск і з білих стали сірими. Ґудзики розсипалися в сірий порошок. "Олов'яна чума" - так назвали цю "хворобу", але насправді це була перебудова структури кристалів під впливом низької температури. Олово при переході з білого різновиду в сіру розсипається на порошок. Кристали, своєю чергою, діляться на моно- і полікристали.

Монокристали та полікристали

Монокристали (кухонна сіль) - це одиночні однорідні кристали, представлені безперервною кристалічною решіткоюв формі правильних багатокутників. Полікристали (пісок, цукор, метали, каміння) - це кристалічні тіла, що зрослися з дрібних, хаотично розташованих кристалів У кристалах спостерігається таке явище як анізотропія.

Аморфність: особливий випадок

Аморфні тіла (смола, каніфоль, скло, бурштин) не мають чіткого строгого порядкуу розташуванні частинок. Це нестандартний випадок того, в якому порядку знаходяться частинки у твердих тілах. У разі спостерігається явище ізотропії, фізичні властивості аморфних тіл однакові у всіх напрямах. При високих температурах вони стають подібними до в'язких рідин, а при низьких - схожі на тверді тіла. При зовнішньому впливіодночасно виявляють пружні властивості, тобто при ударі розколюються на мініатюрні частинки, як тверді тіла, і плинність: при тривалому температурному вплив починають текти, як рідини. Не мають певних температур плавлення та кристалізації. При нагріванні аморфні тіла розм'якшуються.

Приклади аморфних речовин

Візьмемо, наприклад, звичайний цукор і з'ясуємо розташування частинок у твердих тілах різних випадкахна його прикладі. У цьому випадку той самий матеріал може зустрічатися в кристалічному або аморфному вигляді. Якщо розплавлений цукор застигає повільно, молекули утворюють рівні ряди – кристали (кусковий цукор, або цукровий пісок). Якщо розплавлений цукор, наприклад, вилити в холодну воду, Охолодження відбудеться дуже швидко, і частки не встигнуть сформувати правильні ряди - розплав затвердіє, не утворюючи кристалів. Так виходить цукровий льодяник (це і є некристалічний цукор).

Але через деякий час така речовина може перекристалізуватись, частки збираються у правильні ряди. Якщо цукровий льодяник полежить кілька місяців, він почне покриватися пухким шаром. Так виникають поверхні кристали. Для цукру терміном буде кілька місяців, а для каменю – мільйони років. Унікальним прикладомможе бути вуглець. Графіт - це кристалічний вуглець, структура його шарувата. А алмаз - це найтвердіший на землі мінерал, здатний різати скло та розпилювати каміння, його застосовують для буріння та полірування. У цьому випадку речовина одна - вуглець, але особливість полягає у здатності утворювати різні кристалічні форми. Це ще один варіант відповіді на те, як розташовані частинки у твердому тілі.

Підсумки. Висновок

Будова і розташування частинок у твердих тілах залежить від того, до якого виду належить речовина, що розглядається. Якщо речовина кристалічна, то розташування мікрочастинок матиме впорядкований характер. Аморфні структури такої особливості не мають. А от композити можуть належати як до першої, так і до другої групи.

В одному випадку рідина поводиться аналогічно твердій речовині (при низькій температурі, яка близька до температури кристалізації), але може вести і як газ (при її підвищенні). Тому в даному оглядовому матеріалі було розглянуто, як розташовані частинки не тільки в твердих тілах, а й інших основних агрегатних станах речовини.

Кінетична енергія молекули

У газі молекули здійснюють вільний (ізольований з інших молекул) рух, лише іноді зіштовхуючись друг з одним чи зі стінками судини. Доки молекула здійснює вільний рух, у неї є тільки кінетична енергія. Під час зіткнення молекул з'являється і потенційна енергія. Таким чином, повна енергія газу становить суму кінетичної та потенційної енергій її молекул. Чим розріджений газ, тим більше молекул у кожний момент часу перебуває у стані вільного руху, що мають лише кінетичну енергію. Отже, при розрідженні газу зменшується частка потенційної енергії порівняно з кінетичною.

Середня кінетична енергія молекули при рівновазі ідеального газу має одну дуже важливу особливість: у суміші різних газів середня кінетична енергія молекули для різних компонентів суміші одна і та ж.

Наприклад, повітря є сумішшю газів. Середня енергія молекули повітря для всіх його компонентів за нормальних умов, коли повітря ще можна розглядати як ідеальний газ, однакова. Ця властивість ідеальних газів може бути доведена на підставі загальних статистичних міркувань. З нього випливає важливий наслідок: якщо два різних газу (у різних судинах) перебувають у тепловій рівновазі один з одним, то середні кінетичні енергії їх молекул однакові.

У газах зазвичай відстань між молекулами та атомами значно більша, ніж розміри самих молекул, сили взаємодії молекул не великі. Внаслідок чого газ не має власної форми та постійного обсягу. Газ легко стискається і може необмежено розширюватись. Молекули газу рухаються вільно (поступально можуть обертатися), лише іноді зіштовхуючись з іншими молекулами і стінками судини, в якому знаходиться газ, причому рухаються з дуже великими швидкостями.

Рух частинок у твердих тілах

Будова твердих тіл важливо на відміну від будови газів. Вони міжмолекулярні відстані малі і потенційна енергія молекул можна порівняти з кінетичною. Атоми (або іони, або цілі молекули) не можна назвати нерухомими, вони роблять безладний коливальний рух біля середніх положень. Чим більша температура, тим більша енергія коливань, а отже, і середня амплітуда коливань. Тепловими коливаннями атомів пояснюється теплоємність твердих тіл. Розглянемо докладніше рух частинок у кристалічних твердих тілах. Весь кристал в цілому є дуже складною пов'язаною коливальною системою. Відхилення атомів від середніх положень невеликі, і тому вважатимуться, що атоми піддаються дії квазіпружних сил, які підпорядковуються лінійному закону Гука. Такі коливальні системи називають лінійними.

Існує розвинена математична теорія систем, схильних до лінійних коливань. У ній доведено дуже важливу теорему, суть якої полягає в наступному. Якщо система здійснює малі (лінійні) взаємопов'язані коливання, шляхом перетворення координат її формально можна звести до системи незалежних осциляторів (у яких рівняння коливань не залежать один від одного). Система незалежних осциляторів поводиться подібно до ідеального газу в тому сенсі, що атоми останнього теж можна розглядати як незалежні.

Закон Больцмана

Енергія осцилятора.

Закон Больцмана (1) теоретично твердого тіла немає обмежень, проте формула (2) для енергії осцилятора взято з класичної механіки. При теоретичному розгляді твердих тіл потрібно спиратися на квантову механіку, для якої характерна дискретність зміни енергії осцилятора. Дискретність енергії осцилятора стає несуттєвою лише за досить високих значеннях його енергії. Це означає, що (2) можна користуватися лише за досить високих температур. При високих температурах твердого тіла, близьких до температури плавлення, із закону Больцмана випливає закон рівномірного розподілу енергії за ступенями свободи. Якщо в газах на кожний ступінь свободи в середньому припадає кількість енергії, що дорівнює (1/2) kT, то в осцилятора один ступінь свободи, крім кінетичної, має потенційну енергію. Тому на один ступінь свободи в твердому тілі при досить високій температурі припадає енергія, що дорівнює kT. Виходячи з цього закону, неважко розрахувати повну внутрішню енергію твердого тіла, а за нею і його теплоємність. Моль твердого тіла містить NA атомів, а кожен атом має три ступені свободи. Отже, у молі міститься 3 NA осциляторів. Енергія молячи твердого тіла

а молярна теплоємність твердого тіла при досить високих температурах

Досвід підтверджує цей закон.

Рідини займають проміжне положення між газами та твердими тілами. Молекули рідини не розходяться великі відстані, і рідина у звичайних умовах зберігає свій обсяг. Але на відміну від твердих тіл молекули не тільки роблять коливання, а й перескакують з місця на місце, тобто вільні рухи. При підвищенні температури рідини киплять (існує так звана температура кипіння) та переходять у газ. При зниженні температури рідини кристалізуються та стають твердими речовинами. Існує така точка у полі температур, у якій межа між газом (насиченою парою) рідиною зникає (критична точка). Картина теплового руху молекул у рідинах поблизу температури твердіння дуже схожа на поведінку молекул у твердих тілах. Наприклад, коефіцієнти теплоємності майже збігаються. Так як теплоємність речовини при плавленні змінюється слабо, можна зробити висновок, що характер руху частинок в рідині близький руху в твердому тілі (при температурі плавлення). При нагріванні властивості рідини поступово змінюються, і вона стає більш схожою на газ. У рідин середня кінетична енергія частинок менша за потенційну енергію їхньої міжмолекулярної взаємодії. Енергія міжмолекулярної взаємодії в рідині та твердих тілах відрізняються несуттєво. Якщо порівняти теплоту плавлення та теплоту випаровування, то побачимо, що при переході з одного агрегатного стану в інший теплота плавлення суттєво нижча, теплоти пароутворення. Адекватний математичний опис структури рідини може бути лише за допомогою статистичної фізики. Наприклад, якщо рідина складається з однакових сферичних молекул, її структуру можна описати радіальною функцією розподілу g(r), яка дає ймовірність виявлення якої-небудь молекули на відстані r від даної, обраної в якості точки відліку. Експериментально цю функцію можна визначити, досліджуючи дифракцію рентгенівських променів чи нейтронів, можна провести комп'ютерне моделювання цієї функції, використовуючи механіку Ньютона.

Кінетична теорія рідини була розроблена Я.І. Френкель. У цій теорії рідина розглядається, як і у разі твердого тіла, як динамічна система гармонійно осциляторів. Але на відміну від твердого тіла положення рівноваги молекул рідини має тимчасовий характер. Повагавшись біля одного положення, молекула рідини перескакує в нове положення, розташоване по сусідству. Такий перескок відбувається із витратою енергії. Середній час «осілого життя» молекули рідини можна розрахувати як:

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

У молекули води, наприклад, при кімнатній температурі одна молекула робить близько 100 коливань і перескакує в нове положення. Сили тяжіння між молекул рідини великі, щоб зберігався обсяг, але обмеженість осілого життя молекул веде до виникнення такого явища, як плинність. Під час коливань частки біля положення рівноваги вони безперервно стикаються один з одним, тому навіть мале стиснення рідини призводить до різкого «запеклості» зіткнень частинок. Це означає різке підвищення тиску рідини на стінки судини, де її стискають.

Приклад 1

Завдання: Визначити питому теплоємність міді. Вважати, що температура міді близька до температури плавлення. (Молярна маса міді $\mu =63\cdot 10^(-3)\frac(кг)(моль))$

Відповідно до закону Дюлонга і Пті моль хімічно простих речовин при температурах, близьких до температури плавлення, має теплоємність:

Питома теплоємність міді:

\[С=\frac(с)(\mu )\to С=\frac(3R)(\mu )\left(1.2\right),\] \[С=\frac(3\cdot 8,31) (63\cdot 10^(-3))=0,39\ \cdot 10^3(\frac(Дж)(кгК))\]

Відповідь: Питома теплоємність міді $0,39 \ cdot 10 ^ 3 \ left (\ frac (Дж) (кгК) \ right).

Пояснення спрощено з точки зору фізики процес розчинення солі (NaCl) у воді.

Основу сучасної теорії розчинів створив Д.І. Менделєєв. Він встановив, що при розчиненні протікають одночасно два процеси: фізичний - рівномірний розподіл частинок розчиняється речовини по всьому об'єму розчину, і хімічний - взаємодія розчинника з речовиною, що розчиняється. Нас цікавить фізичний процес. Молекули солі не руйнують молекули води. І тут не можна було б випарувати воду. Якби молекули солі приєднувалися до молекул води - ми отримували б якусь нову речовину. І всередину молекул воли молекули солі проникнути не можуть.

Між іонами Na+ та Cl-хлору та полярними молекулами води виникає іонно-дипольний зв'язок. Вона виявляється міцнішою, ніж іонні зв'язки в молекулах кухонної солі. В результаті цього процесу зв'язок між іонами, розташованими на поверхні кристалів NaCl, послаблюється, іони натрію та хлору відриваються від кристала, а молекули води утворюють навколо них так звані гідратні оболонки. гідратовані іони, що відокремилися, під впливом теплового руху рівномірно розподіляються між молекулами розчинника.