Движение молекул

• Каковы особенности кинетической энергии молекул.
• Как движутся частицы в твердых телах.
• Закон Больцмана.
• Закон Дюлонга и Пти.

Каковы особенности кинетической энергии молекул.

Известно, что в газе молекулы имеют возможность двигаться свободно. Время от времени они будут сталкиваться между собой и стенками сосудов. Пока молекула имеет возможность совершать свободное движение, она обладает только кинетической энергией. Если молекулы столкнулись, то в этот момент их энергия потенциальная. Можно сделать вывод, что в газе можно заметить два вида энергии: кинетическую и потенциальную. Если газ разреженный, то в нем будет большое количество молекул, которые находятся в свободном движении. У них есть только кинетическая энергия. Если разреженность газа небольшая, то в нем выше доля потенциальной энергии, чем кинетической.

Усредненная энергия, которой обладает молекула, является крайне важной особенностью. Если это смесь различных газов, то средняя кинетическая энергия молекулы во всех компонентах смешенных газов будет одинаковой.

Для иллюстрации данного примера можно представить воздух. Он как раз является смесью различных газов. Средняя энергия, которой обладают молекулы, равна во всех его состояниях. Данное свойство доказывается на основе соображений общей статистики. Есть взаимосвязанное следствие, если два неодинаковых газа находятся в температурном равновесии между собой, то и кинетические энергии молекул будут равны. Расстояние между молекулами и атомами в газах традиционно больше, чем расстояние между молекулами. Поэтому у газа нет собственной формы и статичного объема. Его без труда можно сжать и расширить, причем неустановленное количество раз. Молекулы в газе движутся беспрепятственно, могут даже осуществлять вращение, иногда они сталкиваются между собой и со стенками сосуда, их скорость очень высока.

Как движутся частицы в твердых телах.

Твердые тела не похожи своим строением от газов. Расстояние между молекулами в твердых телах достаточно мало, а потенциальная энергия молекул близка к кинетической. Атомы двигаются меньше, но неподвижными их назвать нельзя. Их движение беспорядочно и занимает среднее положение. Если температура повышается, то энергия колебаний тоже растет, как и их амплитуда.

Тепловые колебания атомов могут разъяснить и теплоемкость твердых тел. Например, следует рассмотреть движение атомов в кристаллических телах. Кристалл представляет собой сложную структуру, которая привязана к колебательной системе. Атомы могут отклоняться от своего курса, но незначительно. При всем этом можно считать их движение линейным. Есть специальная теория в математике, которая подтверждает, что в линейных системах могут проявляться колебания. Если в системе можно заметить линейные колебания, которые взаимосвязаны, то можно преобразовать координаты и привести к системе независимых осцилляторов, уравнения их колебаний не находятся в связи друг с другом. Система независимых осцилляторов ведет себя подобно идеальному газу в том смысле, что атомы последнего тоже можно рассматривать как независимые.

Основой всей теории твердого тела является закон Больцмана.

Закон Больцмана.

Закон Больцмана в теории твёрдого тела не имеет ограничений, однако формула для энергии осциллятора взята из классической механики. Когда происходит рассматривание твердых тел, то здесь лучшим приемом будет опираться на квантовую механику. Дискретность энергии осциллятора становится несущественной только в том случае, достаточно высоких значениях его энергии. Это значит, что можно пользоваться лишь пpи достаточно высоких температурах.

Закон Дюлонга и Пти.

Данный закон можно сформулировать таким образом, все твердые тела, которые состоят из одного атома, под воздействием высоких температур имеют одинаковую молярную теплоемкость. Она равна 3R. Данный закон можно подтвердить опытом.

В жидкости, как правило, молекулы находятся на близком расстоянии друг от друга. Молекулы в жидкостях осуществляют не только колебания, но отскакивания с места и на место. Их движение свободно и ничем не ограничивается.

Когда температура повышается и жидкость вскипает, то она переходит в газообразное состояние. Когда температура понижается, то жидкость становится твердой и кристаллизуется. Существует такая точка в поле температур, в которой граница между газом (насыщенным паром) жидкостью исчезает (критическая точка).

Когда теплоемкость вещества не изменяется при плавлении, это означает, что частицы движутся сходно движению частиц в твердом теле. Когда жидкость нагревается она переходит в газообразное состояние. Энергия воздействия между молекулами в твердых телах и жидкости имеет несущественные различия. Если сравнить то, при какой температуре плавится предмет, а при каком испаряется, то можно будет заметить, что переход из одного состояние в другое требует температуры, которая значительно ниже теплоты, при которой образуется пар. Грамотно описать структуру жидкости может статистическая физика. В ее арсенале имеются все необходимые формулы.

Например, в случае, когда в жидкости содержатся в основном только одинаковые сферические молекулы, она имеет структуру, которую следует описывать с помощью радиальной функцией распределения g(r),она помогает обнаружить молекулы, которые находятся на значительно расстоянии, чтобы выбрать правильную точку для отсчета. Если провести ряд экспериментов, то можно обнаружить такую молекулу. Кроме того, с помощью использования компьютера можно установить такое явление.

Теория кинетической жидкости была установлена ученым Я.И. Френкелем. Согласно этому предположению, жидкость можно рассмотреть сходно с твердым телом. Она выступает в качестве динамической системы. Одна есть ряд важных отличительных особенностей, которые не позволяют сравнивать положения, в которых молекула находятся в равновесие. Так как в жидкости и газах молекулы не могут находиться в равновесие долгое время. Колеблясь на одном месте некоторое время, она быстро переходит в другое состояние, которое раньше не занимала.

Молекула воды при стандартной температуре в помещении может совершить более ста колебаний и перескакивать в новые положения. Между молекулами, которые находят в жидкости, сила притяжения действует очень сильно, чтобы сохранить первоначальный объем. Молекулы не могут долго находиться на одном месте, возникает такое свойство, как текучесть.

Когда частицы колеблются, они все время соприкасаются друг с другом. Если происходит небольшое сжатие жидкости, то частицы ударяются еще более ожесточенно. Резко возрастает давление, которое они оказывают на стенки сосуда, в котором находятся.

Пример 1.
Задание: Определить удельную теплоёмкость меди. Считать, что температура меди близка к температуре плавления.
Решение:
Здесь следует применить разобранный закон Дюлонга и Пти. Следуя ему, моль химически простых веществ при температурах, близких к температуре плавления, имеет особенную теплоёмкость.

Пример 2.
Задание: Как можно легко объяснить процесс процесс растворения соли (NaCl) в воде.
Решение:
Основу современной теории растворов создал Д.И. Менделеев. Он установил, что при растворении протекают одновременно два процесса: физический - равномерное распределение частиц растворяемого вещества по всему объему раствора, и химический - взаимодействие растворителя с растворяемым веществом. Нас интересует физический процесс.

Соль не может разрушить воду. В этом случае нельзя было бы выпарить воду. Если бы молекулы соли присоединялись бы к молекулам воды - мы получали бы некое новое вещество. И внутрь молекул волы молекулы соли проникнуть не могут.

Между ионами Na+ и Cl - хлора и полярными молекулами воды может образоваться ионно-дипольная связь. Она оказывается прочнее, чем ионные связи в молекулах поваренной соли. В результате этого процесса связь между ионами, расположенными на поверхности кристаллов NaCl, ослабляется, ионы натрия и хлора отрываются от кристалла, а молекулы воды образуют вокруг них так называемые гидратные оболочки.