A gázmolekulák közötti távolság táblázat. A molekulák közötti távolságok összehasonlíthatók a molekulák méretével (normál körülmények között). Molekulák mozgása folyadékokban

1. A gáznemű, folyékony és szilárd testek szerkezete

A molekuláris kinetikai elmélet lehetővé teszi annak megértését, hogy egy anyag miért lehet gáz, folyékony és szilárd halmazállapotú.
Gázok. Gázokban az atomok vagy molekulák közötti távolság átlagosan sokszoros több méretben maguk a molekulák ( ábra.8.5). Például légköri nyomáson egy edény térfogata több tízezerszer nagyobb, mint a benne lévő molekulák térfogata.

A gázok könnyen összenyomódnak, miközben a molekulák közötti átlagos távolság csökken, de a molekula alakja nem változik ( ábra.8.6).

Hatalmas sebességű molekulák – másodpercenként több száz méter – mozognak az űrben. Összeütközve különböző irányokba pattannak egymásról, mint a biliárdgolyók. A gázmolekulákat gyenge vonzási erők nem képesek egymás közelében tartani. Így a gázok korlátlanul tágulhatnak. Nem tartják meg sem alakjukat, sem térfogatukat.
A molekuláknak az edény falára gyakorolt ​​számos hatása gáznyomást hoz létre.

Folyadékok. A folyadék molekulái csaknem közel helyezkednek el egymáshoz ( ábra.8.7), tehát a folyadékmolekula másként viselkedik, mint a gázmolekula. Folyadékokban létezik az úgynevezett rövid hatótávolságú rend, azaz a molekulák rendezett elrendezése több molekulaátmérővel egyenlő távolságban megmarad. A molekula egyensúlyi helyzete körül oszcillál, és ütközik a szomszédos molekulákkal. Csak időnként hajt végre újabb "ugrást", új egyensúlyi helyzetbe kerülve. Ebben az egyensúlyi helyzetben a taszító erő egyenlő a vonzóerővel, azaz a molekula teljes kölcsönhatási ereje nulla. Idő rendezett élet vízmolekulák, azaz egy adott egyensúlyi helyzet körüli oszcillációinak ideje szobahőmérsékleten átlagosan 10-11 s. Egy oszcilláció ideje sokkal kevesebb (10 -12 -10 -13 s). A hőmérséklet emelkedésével a molekulák leülepedett élettartamának ideje csökken.

A folyadékok molekuláris mozgásának természete, amelyet először Ya. I. Frenkel szovjet fizikus állapított meg, lehetővé teszi a folyadékok alapvető tulajdonságainak megértését.
A folyékony molekulák közvetlenül egymás mellett helyezkednek el. A térfogat csökkenésével a taszító erők nagyon nagyok lesznek. Ez megmagyarázza folyadékok alacsony összenyomhatósága.
Mint ismeretes, a folyadékok folyékonyak, azaz nem tartják meg alakjukat. Ezt így lehet megmagyarázni. A külső erő észrevehetően nem változtatja meg a másodpercenkénti molekuláris ugrások számát. De a molekulák egyik rögzített helyzetből a másikba ugrása főleg a külső erő irányában történik ( ábra.8.8). Ezért folyik a folyadék, és edény formát ölt.

Szilárd anyagok. A szilárd anyagok atomjai vagy molekulái, ellentétben a folyadékok atomjaival és molekuláival, bizonyos egyensúlyi helyzetek körül rezegnek. Emiatt szilárd anyagok nemcsak a térfogatot, hanem a formát is megtartja. A szilárd testmolekulák kölcsönhatási energiája sokkal nagyobb, mint a kinetikus energiájuk.
Van még egy fontos különbség a folyékony és a szilárd anyagok között. A folyadék egy embertömeghez hasonlítható, ahol az egyes egyedek nyugtalanul lökdösődnek a helyükön, a szilárd test pedig olyan, mint ugyanazon egyedek karcsú csoportja, akik bár nem figyelnek oda, átlagosan megtartanak bizonyos távolságokat egymás között. . Ha egy szilárd test atomjainak vagy ionjainak egyensúlyi helyzetének középpontjait összekötjük, akkor a megfelelő térhálót kapjuk, ún. kristályos.
A 8.9. és 8.10. ábrán a konyhasó és a gyémánt kristályrácsai láthatók. A kristályatomok elrendezésének belső rendje szabályos külső geometriai alakzatokhoz vezet.

A 8.11. ábra jakut gyémántokat mutat be.

Egy gáz esetében a molekulák közötti l távolság sokkal nagyobb, mint a molekulák méretei r 0:" l>>r 0 .
A folyadékok és szilárd anyagok l≈r 0 . A folyadék molekulái rendezetlenül helyezkednek el, és időről időre egyik rögzített helyzetből a másikba ugrálnak.
A kristályos szilárd anyagokban a molekulák (vagy atomok) szigorúan rendezett módon helyezkednek el.

2 . Ideális gáz a molekuláris kinetikai elméletben

A fizika bármely területének tanulmányozása mindig egy bizonyos modell bevezetésével kezdődik, melynek keretein belül történik a tanulmányozás a jövőben. Például amikor kinematikát tanultunk, a test modellje egy anyagi pont volt, stb. Amint azt sejteni lehetett, a modell soha nem fog megfelelni a ténylegesen lezajló folyamatoknak, de gyakran nagyon közel áll ehhez az összefüggéshez.

Ez alól a molekuláris fizika, és különösen az MKT sem kivétel. Sok tudós dolgozott a modell leírásának problémáján a 18. század óta: M. Lomonoszov, D. Joule, R. Clausius (1. ábra). Ez utóbbi ugyanis 1857-ben vezette be az ideális gázmodellt. Az anyag alapvető tulajdonságainak kvalitatív magyarázata a molekuláris kinetikai elmélet alapján nem különösebben nehéz. A kísérletileg mért mennyiségek (nyomás, hőmérséklet stb.) és maguknak a molekuláknak a tulajdonságai, száma és mozgási sebessége között kvantitatív összefüggéseket megállapító elmélet azonban nagyon összetett. Normál nyomású gázban a molekulák közötti távolság sokszorosa a méretüknek. Ebben az esetben a molekulák kölcsönhatási ereje elhanyagolható, és a molekulák kinetikus energiája sokkal nagyobb, mint a kölcsönhatás potenciális energiája. A gázmolekulákat anyagi pontoknak vagy nagyon kicsi szilárd golyóknak tekinthetjük. Ahelyett igazi gáz, amelyek molekulái között komplex kölcsönhatási erők hatnak, azt fogjuk figyelembe venni modell ideális gáz.

Ideális gáz– gázmodell, amelyben a gázmolekulákat és atomokat nagyon kicsi (eltűnő méretű) rugalmas golyókként ábrázolják, amelyek egymással (közvetlen érintkezés nélkül) nem lépnek kölcsönhatásba, hanem csak ütköznek (lásd 2. ábra).

Meg kell jegyezni, hogy a ritkított hidrogén (nagyon alacsony nyomáson) szinte teljesen kielégíti az ideális gázmodellt.

Rizs. 2.

Ideális gáz olyan gáz, amelynek molekulái közötti kölcsönhatás elhanyagolható. Természetesen, amikor egy ideális gáz molekulái ütköznek, taszító erő hat rájuk. Mivel a modell szerint a gázmolekulákat anyagi pontoknak tekinthetjük, ezért figyelmen kívül hagyjuk a molekulák méretét, feltételezve, hogy az általuk elfoglalt térfogat jóval kisebb, mint az edény térfogata.
Emlékezzünk vissza, hogy egy fizikai modellben a valós rendszernek csak azokat a tulajdonságait veszik figyelembe, amelyek figyelembevétele feltétlenül szükséges a rendszer vizsgált viselkedési mintáinak magyarázatához. Egyetlen modell sem képes átadni a rendszer összes tulajdonságát. Most egy meglehetősen szűk feladatot kell megoldanunk: a molekuláris-kinetikai elmélet segítségével kiszámítani egy ideális gáz nyomását az edény falára. Erre a problémára az ideális gázmodell meglehetősen kielégítőnek bizonyul. Ez olyan eredményekhez vezet, amelyeket a tapasztalat igazol.

3. Gáznyomás a molekuláris kinetikai elméletben Legyen a gáz zárt edényben. A manométer a gáznyomást mutatja p0. Hogyan keletkezik ez a nyomás?
Minden gázmolekula, amely a falnak ütközik, rövid ideig bizonyos erővel hat rá. A falat érő véletlenszerű behatások következtében a nyomás gyorsan változik az idő múlásával, körülbelül a 8.12. ábrán látható módon. Az egyes molekulák becsapódása által okozott hatások azonban olyan gyengék, hogy a manométer nem rögzíti azokat. A nyomásmérő rögzíti az érzékeny elem - a membrán - felületének minden egységnyi területére ható időátlagos erőt. A kis nyomásváltozások ellenére az átlagos nyomás p0 a gyakorlatban ez egy egészen határozott értéknek bizonyul, mivel nagyon sok ütés éri a falat, és a molekulák tömege nagyon kicsi.

Az ideális gáz egy valódi gáz modellje. E modell szerint a gázmolekulák anyagi pontoknak tekinthetők, amelyek kölcsönhatása csak ütközéskor jön létre. A falnak ütközve a gázmolekulák nyomást gyakorolnak rá.

4. A gáz mikro- és makroparaméterei

Most elkezdhetjük az ideális gáz paramétereinek leírását. Két csoportra oszthatók:

Ideális gázparaméterek

Vagyis a mikroparaméterek egyetlen részecske (mikrotest), a makroparaméterek pedig a teljes gázrész (makrotest) állapotát írják le. Most írjuk fel az egyes paramétereket másokkal összekötő összefüggést, vagy az MKT alapegyenletét:

Itt: - a részecskék átlagos sebessége;

Meghatározás. - koncentráció gázrészecskék - térfogategységenkénti részecskék száma; ; Mértékegység - .

5. A molekulák négyzetes sebességének középértéke

Az átlagos nyomás kiszámításához ismerni kell a molekulák átlagos sebességét (pontosabban a sebesség négyzetének átlagos értékét). Ez nem könnyű kérdés. Megszoktad, hogy minden részecskének van sebessége. A molekulák átlagos sebessége az összes részecske mozgásától függ.
Átlagos értékek. Kezdettől fogva fel kell adni a gázt alkotó összes molekula mozgásának követését. Túl sokan vannak, és nagyon nehezen mozognak. Nem kell tudnunk, hogyan mozog az egyes molekulák. Meg kell találnunk, hogy az összes gázmolekula mozgása milyen eredményhez vezet.
A gázmolekulák egész halmazának mozgásának természete tapasztalatból ismert. A molekulák véletlenszerű (termikus) mozgásban vesznek részt. Ez azt jelenti, hogy bármely molekula sebessége lehet nagyon nagy vagy nagyon kicsi. A molekulák mozgási iránya folyamatosan változik, amikor egymással ütköznek.
Az egyes molekulák sebessége azonban bármi lehet az átlagos ezeknek a sebességeknek a modulusának értéke egészen határozott. Ugyanígy az osztály tanulóinak magassága sem azonos, de az átlagértéke egy bizonyos szám. A szám meghatározásához össze kell adni az egyes tanulók magasságát, és el kell osztani ezt az összeget a tanulók számával.
A sebesség négyzetének átlagértéke. A jövőben nem magának a sebességnek az átlagértékére lesz szükségünk, hanem a sebesség négyzetére. A molekulák átlagos kinetikus energiája ettől az értéktől függ. A molekulák átlagos kinetikus energiája pedig, mint hamarosan látni fogjuk, nagy jelentőséggel bír az egész molekuláris-kinetikai elméletben.
Jelöljük az egyes gázmolekulák sebességi modulusait . A sebesség négyzetének átlagos értékét a következő képlet határozza meg:

ahol N a gázban lévő molekulák száma.
De bármely vektor modulusának négyzete egyenlő a koordinátatengelyekre vetített vetületei négyzetösszegével Ó, OY, OZ. Így

A mennyiségek átlagértékei a (8.9) képlethez hasonló képletekkel határozhatók meg. Az átlagérték és a vetületek négyzeteinek átlagértékei között ugyanaz az összefüggés van, mint a (8,10) arány:

Valójában a (8.10) egyenlőség minden molekulára érvényes. Összeadjuk ezeket az egyenlőségeket az egyes molekulákhoz, és elosztjuk a kapott egyenlet mindkét oldalát a molekulák számával N, a (8.11) képlethez jutunk.
Figyelem! Mivel a három tengely irányai Ó, OYés oz a molekulák véletlenszerű mozgása miatt egyenlők, a sebességvetületek négyzeteinek átlagértékei egyenlők egymással:

Látod, a káoszból kirajzolódik egy bizonyos szabályszerűség. Te magad is kitalálnád?
Figyelembe véve a (8.12) összefüggést, behelyettesítjük a (8.11) képletbe és helyett. Ekkor a sebesség vetületének középnégyzetére ezt kapjuk:

azaz a sebességvetület középnégyzete magának a sebességnek az átlagos négyzetének az 1/3-a. Az 1/3 tényező a tér háromdimenziós volta miatt jelenik meg, és ennek megfelelően bármely vektorra három vetület létezik.
A molekulák sebessége véletlenszerűen változik, de a sebesség négyzetének átlaga jól definiált érték.

6. A molekuláris-kinetikai elmélet alapegyenlete
Továbblépünk a gázok molekuláris-kinetikai elméletének alapegyenletének levezetéséhez. Ez az egyenlet megállapítja a gáznyomás függését molekulái átlagos kinetikus energiájától. Ennek az egyenletnek a levezetése után a XIX. és érvényességének kísérleti bizonyítékai elindították a kvantitatív elmélet rohamos fejlődését, amely a mai napig tart.
Szinte minden fizika állítás bizonyítása, bármely egyenlet levezetése megoldható változó mértékben szigor és meggyőzőképesség: nagyon leegyszerűsítve, többé-kevésbé szigorúan, vagy a modern tudomány számára elérhető teljes szigorral.
A gázok molekuláris-kinetikai elmélete egyenletének szigorú levezetése meglehetősen bonyolult. Ezért az egyenlet nagyon leegyszerűsített, sematikus levezetésére szorítkozunk. Az összes egyszerűsítés ellenére az eredmény helyes lesz.
A főegyenlet levezetése. Számítsa ki a falra ható gáznyomást! CD hajó ABCD terület S, merőleges a koordinátatengelyre ÖKÖR (ábra.8.13).

Amikor egy molekula falnak ütközik, a lendülete megváltozik: . Mivel a molekulák sebességi modulusa becsapódáskor nem változik, ezért . Newton második törvénye szerint a molekula lendületének változása egyenlő az érfal oldaláról rá ható erő impulzusával, Newton harmadik törvénye szerint pedig annak az erőnek a lendületével, amellyel a molekula hatott. a falon abszolút értékben megegyezik. Következésképpen a molekula becsapódása következtében a falra olyan erő hatott, amelynek lendülete egyenlő.

Mekkora az átlagos távolság a telített vízgőz molekulái között 100°C-on?

4.1.65 számú feladat a "Feladatgyűjtemény a fizika felvételi vizsgákra való felkészüléshez az USPTU-n" c.

Adott:

\(t=100^\circ\) C, \(l-?\)

A probléma megoldása:

Tekintsük a vízgőzt tetszőleges mennyiségben, amely egyenlő \(\nu\) mol. Egy adott mennyiségű vízgőz által elfoglalt térfogat \ (V \) meghatározásához a Clapeyron-Mendeleev egyenletet kell használni:

Ebben a képletben \(R\) az univerzális gázállandó, egyenlő 8,31 J/(mol·K). A telített vízgőz nyomása \(p\) 100 ° C hőmérsékleten 100 kPa, ez ismert tény, és ezt minden tanulónak tudnia kell.

A vízgőzmolekulák \(N\) számának meghatározásához a következő képletet használjuk:

Itt \(N_A\) Avogadro száma, egyenlő 6,023 10 23 1/mol.

Ezután minden molekulához tartozik egy \(V_0\) térfogatú kocka, amelyet nyilvánvalóan a képlet határoz meg:

\[(V_0) = \frac(V)(N)\]

\[(V_0) = \frac((\nu RT))((p\nu (N_A))) = \frac((RT))((p(N_A)))\]

Most nézze meg a problémát a diagramon. Minden molekula hagyományosan a saját kockájában található, a két molekula közötti távolság 0-tól \(2d\-ig) változhat, ahol \(d\) a kocka élének hossza. Az átlagos távolság \(l\) egyenlő lesz a kocka élének hosszával \(d\):

A \(d\) élhossz így található:

Ennek eredményeként a következő képletet kapjuk:

Váltsuk át a hőmérsékletet Kelvin-skálára, és számítsuk ki a választ:

Válasz: 3,72 nm.

Ha nem érti a megoldást, és kérdése van, vagy hibát talál, nyugodtan írjon alább megjegyzést.

A szilárd anyagok azok az anyagok, amelyek képesek testet alkotni és térfogatuk van. Alakjukban különböznek a folyadékoktól és gázoktól. A szilárd anyagok megtartják a test alakját, mivel részecskéik nem tudnak szabadon mozogni. Sűrűségükben, plaszticitásukban, elektromos vezetőképességükben és színükben különböznek egymástól. Más tulajdonságokkal is rendelkeznek. Így például ezeknek az anyagoknak a többsége hevítés közben megolvad, és folyékony halmazállapotú aggregációt kap. Némelyikük hevítéskor azonnal gázzá (szublimáttá) alakul. De vannak olyanok is, amelyek más anyagokra bomlanak le.

Szilárd anyagok típusai

Minden szilárd anyagot két csoportra osztanak.

1. Amorf, amelyben az egyes részecskék véletlenszerűen vannak elrendezve. Más szóval: nincs világos (definiált) szerkezetük. Ezek a szilárd anyagok meghatározott hőmérsékleti tartományon belül képesek megolvadni. Ezek közül a leggyakoribb az üveg és a gyanta.
2. Kristályos, amelyek viszont 4 típusra oszlanak: atomi, molekuláris, ionos, fémes. Bennük a részecskék csak egy bizonyos minta szerint helyezkednek el, nevezetesen a kristályrács csomópontjain. Geometriája különböző anyagokban nagyon eltérő lehet.

A szilárd kristályos anyagok számukat tekintve túlsúlyban vannak az amorf anyagokkal szemben.

A kristályos szilárd anyagok fajtái

Szilárd állapotban szinte minden anyag kristályos szerkezetű. Megkülönböztetik őket a csomópontjukon lévő rácsuk különböző részecskéket és kémiai elemek. Velük összhangban kapták a nevüket. Mindegyik típusnak megvannak a saját jellemzői:

• Az atomi kristályrácsban a szilárd test részecskéi kovalens kötéssel vannak megkötve. Tartósságával tűnik ki. Emiatt az ilyen anyagokat magas és forráspontja különbözteti meg. Ez a típus magában foglalja a kvarcot és a gyémántot.
• A molekuláris kristályrácsban a részecskék közötti kötést gyengesége különbözteti meg. Az ilyen típusú anyagokat a könnyű forrás és olvadás jellemzi. Illékonyak, ezért van egy bizonyos szaguk. Ezek a szilárd anyagok közé tartozik a jég és a cukor. Az ilyen típusú szilárd anyagokban a molekulák mozgását aktivitásuk különbözteti meg.
• A csomópontokban a megfelelő részecskék váltakoznak, pozitívan és negatívan töltve. Elektrosztatikus vonzás tartja össze őket. Ez a típus rács található lúgokban, sókban, sok ilyen típusú anyag könnyen oldódik vízben. Az ionok közötti meglehetősen erős kötés miatt tűzállóak. Szinte mindegyik szagtalan, mivel nem illékonyság jellemzi őket. Az ionrácsos anyagok nem képesek elektromos áramot vezetni, mivel nem tartalmaznak szabad elektronokat. Az ionos szilárd anyag tipikus példája az asztali só. Egy ilyen kristályrács törékennyé teszi. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy ennek bármilyen elmozdulása az ionok taszító erőinek megjelenéséhez vezethet.
• A fémkristályrácsban csak pozitív töltésű kémiai ionok vannak jelen a csomópontokban. Közöttük szabad elektronok vannak, amelyeken a hő- és elektromos energia tökéletesen áthalad. Ezért minden fém megkülönböztethető olyan tulajdonsággal, mint a vezetőképesség.

A merev test általános fogalmai

A szilárd anyagok és az anyagok gyakorlatilag ugyanazok. Ezek a kifejezések a 4 összesítési állapot egyikére utalnak. A szilárd anyagok stabil alakkal és az atomok hőmozgásának természetével rendelkeznek. Sőt, az utóbbiak kis oszcillációkat okoznak az egyensúlyi helyzetek közelében. Az összetétel és a belső szerkezet vizsgálatával foglalkozó tudományágat szilárdtestfizikának nevezzük. Vannak más fontos ismeretek is az ilyen anyagokkal kapcsolatban. A külső hatások és mozgás hatására bekövetkező alakváltozást a deformálható test mechanikájának nevezzük.

A szilárd anyagok eltérő tulajdonságainak köszönhetően különféle, ember által létrehozott technikai eszközökben találtak alkalmazást. Leggyakrabban olyan tulajdonságokon alapultak, mint a keménység, térfogat, tömeg, rugalmasság, plaszticitás, törékenység. A modern tudomány lehetővé teszi más minőségű szilárd anyagok használatát, amelyek csak laboratóriumban találhatók meg.

Mik azok a kristályok

A kristályok szilárd testek, amelyek részecskéi bizonyos sorrendben vannak elrendezve. Mindegyiknek megvan a maga szerkezete. Atomjai háromdimenziós periodikus elrendezést alkotnak, amelyet kristályrácsnak neveznek. A szilárd anyagok szerkezeti szimmetriája eltérő. A szilárd anyag kristályos állapota stabilnak tekinthető, mivel minimális potenciális energiával rendelkezik.

A szilárd anyagok túlnyomó többsége nagyszámú véletlenszerűen orientált egyedi szemcsékből (kristályok) áll. Az ilyen anyagokat polikristályosnak nevezik. Ide tartoznak a műszaki ötvözetek és fémek, valamint számos kőzet. A monokristályos természetes vagy szintetikus kristályokra utal.

Az ilyen szilárd anyagok leggyakrabban a folyékony fázis állapotából képződnek, amelyet olvadék vagy oldat képvisel. Néha gázhalmazállapotból nyerik. Ezt a folyamatot kristályosodásnak nevezik. A tudományos és technológiai fejlődésnek köszönhetően a különféle anyagok termesztésének (szintézisének) eljárása ipari méreteket öltött. A legtöbb kristálynak természetes formája van, méretük nagyon eltérő. Tehát a természetes kvarc (kőzetkristály) akár több száz kilogrammot is nyomhat, a gyémántok pedig akár több grammot is.

Az amorf szilárd anyagokban az atomok állandó oszcillációban vannak a véletlenszerűen elhelyezkedő pontok körül. Megtartanak egy bizonyos rövid távú sorrendet, de nincs hosszú távú sorrend. Ez annak köszönhető, hogy molekuláik méretükhöz mérhető távolságra helyezkednek el. Az ilyen szilárd anyag leggyakoribb példája életünkben az üveges állapot. gyakran végtelenül magas viszkozitású folyadéknak tekintik. Kristályosodásuk ideje néha olyan hosszú, hogy egyáltalán nem jelenik meg.

Ezeknek az anyagoknak a fenti tulajdonságai teszik egyedivé őket. Az amorf szilárd anyagokat instabilnak tekintik, mert idővel kristályosodhatnak.

A szilárd anyagot alkotó molekulák és atomok nagy sűrűségűek. Gyakorlatilag megtartják kölcsönös helyzetüket más részecskékkel szemben, és az intermolekuláris kölcsönhatás miatt tartják össze. A szilárd anyag különböző irányú molekulái közötti távolságot rácsparaméternek nevezzük. Az anyag szerkezete és szimmetriája számos tulajdonságot meghatároz, például az elektronsávot, a hasítást és az optikát. Ha kellően nagy erőt fejtenek ki egy szilárd anyagra, ezek a tulajdonságok ilyen vagy olyan mértékben sérülhetnek. Ebben az esetben a szilárd test maradandó deformációnak van kitéve.

A szilárd anyagok atomjai alkotják oszcilláló mozgások, amelyek meghatározzák a hőenergia birtoklását. Mivel elhanyagolhatóak, csak laboratóriumi körülmények között figyelhetők meg. szilárd anyag nagymértékben befolyásolja tulajdonságait.

Szilárd anyagok tanulmányozása

Ezen anyagok jellemzőit, tulajdonságait, tulajdonságait és a részecskék mozgását a szilárdtestfizika különböző alfejezetei tanulmányozzák.

A kutatáshoz radiospektroszkópiát, röntgensugarakkal végzett szerkezeti elemzést és egyéb módszereket használnak. Így vizsgálják a szilárd anyagok mechanikai, fizikai és termikus tulajdonságait. A keménységet, a terhelésállóságot, a szakítószilárdságot, a fázisátalakításokat az anyagtudomány vizsgálja. Nagyrészt a szilárdtestfizikát visszhangozza. Van még egy fontos modern tudomány. A meglévő anyagok vizsgálatát és az új anyagok szintézisét szilárdtest-kémia végzi.

A szilárd anyagok jellemzői

A szilárd anyag atomjai külső elektronjainak mozgásának természete meghatározza számos tulajdonságát, például elektromos. Az ilyen testeknek 5 osztálya van. Az atomi kötés típusától függően vannak beállítva:

• Ionos, melynek fő jellemzője az elektrosztatikus vonzás ereje. Jellemzői: a fény visszaverődése és elnyelése az infravörös tartományban. Alacsony hőmérsékleten az ionos kötést alacsony elektromos vezetőképesség jellemzi. Ilyen anyag például a sósav nátriumsója (NaCl).
• Kovalens, az elektronpár miatt, amely mindkét atomhoz tartozik. Az ilyen kötés a következőkre oszlik: egyszeres (egyszerű), kettős és hármas. Ezek az elnevezések elektronpárok jelenlétét jelzik (1, 2, 3). A kettős és hármas kötéseket többszörösnek nevezzük. Van ennek a csoportnak egy másik felosztása is. Tehát az elektronsűrűség eloszlásától függően poláris és nem poláris kötéseket különböztetünk meg. Az elsőt különböző atomok alkotják, a másodikat pedig ugyanaz. Az ilyen szilárd halmazállapotú anyagok, amelyekre példa a gyémánt (C) és a szilícium (Si), a sűrűségével különböztethetők meg. A legkeményebb kristályok kifejezetten a kovalens kötéshez tartoznak.
• Fémes, az atomok vegyértékelektronjainak kombinálásával keletkezik. Ennek eredményeként megjelenik egy közös elektronfelhő, amely az elektromos feszültség hatására elmozdul. Fémkötés akkor jön létre, ha a kötött atomok nagyok. Képesek elektronokat adni. Sok fémben és összetett vegyületben ez a kötés szilárd halmazállapotot képez. Példák: nátrium, bárium, alumínium, réz, arany. A nemfémes vegyületek közül a következők említhetők: AlCr 2, Ca 2 Cu, Cu 5 Zn 8. A fémes kötéssel rendelkező anyagok (fémek) fizikai tulajdonságaikban változatosak. Lehetnek folyékonyak (Hg), lágyak (Na, K), nagyon kemények (W, Nb).
• Molekuláris, kristályokban keletkező, amelyeket egy anyag egyedi molekulái alkotnak. A nulla elektronsűrűségű molekulák közötti hézagok jellemzik. Az ilyen kristályokban lévő atomokat megkötő erők jelentősek. Ebben az esetben a molekulákat csak gyenge intermolekuláris vonzás vonzza egymáshoz. Ezért a köztük lévő kötések hevítés hatására könnyen tönkremennek. Az atomok közötti kötéseket sokkal nehezebb megszakítani. molekuláris kötés orientációra, diszperzióra és indukcióra osztva. Ilyen anyag például a szilárd metán.
• Hidrogén, amely egy molekula vagy annak egy része pozitívan polarizált atomjai és egy másik molekula vagy más rész negatívan polarizált legkisebb részecskéje között fordul elő. A jég az ilyen kötéseknek tulajdonítható.

Szilárd anyagok tulajdonságai

Mit tudunk ma? A tudósok régóta tanulmányozták a szilárd halmazállapotú anyagok tulajdonságait. Hőmérséklet hatására az is megváltozik. Az ilyen test folyadékká való átalakulását olvadásnak nevezzük. A szilárd anyag gáz halmazállapotúvá történő átalakulását szublimációnak nevezzük. Amikor a hőmérsékletet csökkentjük, a szilárd anyag kristályosodik. Egyes anyagok a hideg hatására amorf fázisba kerülnek. A tudósok ezt a folyamatot vitrifikációnak nevezik.

A szilárd testek belső szerkezete megváltozik. Csökkenő hőmérséklettel szerzi a legnagyobb rendet. T > 0 K légköri nyomáson és hőmérsékleten a természetben előforduló anyagok megszilárdulnak. Ez alól csak a hélium kivétel, amelynek kristályosodásához 24 atm nyomásra van szükség.

Az anyag szilárd halmazállapota különféle fizikai tulajdonságokat ad neki. Jellemzik a testek sajátos viselkedését bizonyos mezők és erők hatására. Ezeket a tulajdonságokat csoportokra osztják. Az expozíciónak 3 módja van, amelyek 3 energiatípusnak felelnek meg (mechanikus, termikus, elektromágneses). Ennek megfelelően 3 csoport van fizikai tulajdonságok szilárd anyagok:

• A testek igénybevételével és deformációjával kapcsolatos mechanikai tulajdonságok. E kritériumok szerint a szilárd anyagokat rugalmas, reológiai, szilárdsági és technológiai csoportokra osztják. Nyugalomban egy ilyen test megtartja alakját, de külső erő hatására megváltozhat. Ugyanakkor deformációja lehet plasztikus (a kezdeti forma nem tér vissza), rugalmas (visszatér eredeti formájába) vagy destruktív (egy bizonyos küszöb elérésekor bomlás / törés következik be). Az alkalmazott erőre adott választ a rugalmassági modulusok írják le. A szilárd test nem csak a nyomásnak, nyújtásnak, hanem az elmozdulásoknak, csavarodásnak és hajlításnak is ellenáll. A szilárd test ereje az a tulajdonsága, hogy ellenáll a pusztulásnak.
• Termikus, termikus mezőknek kitéve nyilvánul meg. Az egyik legtöbb fontos tulajdonságait- az olvadáspont, amelyen a test folyékony állapotba kerül. Kristályos szilárd anyagokban figyelhető meg. Az amorf testek látens olvadási hővel rendelkeznek, mivel a hőmérséklet emelkedésével fokozatosan folyékony halmazállapotba való átmenetük megy végbe. Egy bizonyos hő elérésekor az amorf test elveszti rugalmasságát és plaszticitást nyer. Ez az állapot azt jelenti, hogy elérte az üvegesedési hőmérsékletet. Melegítéskor a szilárd anyag deformálódik. És legtöbbször kitágul. Mennyiségileg ezt az állapotot egy bizonyos együttható jellemzi. A testhőmérséklet befolyásolja az olyan mechanikai jellemzőket, mint a folyékonyság, a hajlékonyság, a keménység és a szilárdság.
• Elektromágneses, amely a mikrorészecskék és a nagy merevségű elektromágneses hullámok szilárd anyagra gyakorolt ​​hatásával jár. A sugárzási tulajdonságokat feltételesen utalják rájuk.

A sáv felépítése

A szilárd anyagokat az úgynevezett sávszerkezet szerint is osztályozzák. Tehát ezek között megkülönböztethető:

• A vezetőkre jellemző, hogy vezetési és vegyértéksávjaik átfedik egymást. Ebben az esetben az elektronok mozoghatnak közöttük, megkapva a legkisebb energiát. Minden fém vezető. Ha egy ilyen testre potenciálkülönbséget alkalmazunk, elektromos áram keletkezik (az elektronok szabad mozgása miatt a legalacsonyabb és legmagasabb potenciállal rendelkező pontok között).
• Dielektrikumok, amelyek zónái nem fedik át egymást. A köztük lévő intervallum meghaladja a 4 eV-ot. Sok energiára van szükség ahhoz, hogy az elektronokat a vegyértékből a vezetési sávba vezessék. Ezen tulajdonságok miatt a dielektrikumok gyakorlatilag nem vezetnek áramot.
• A vezetési és vegyértéksávok hiányával jellemezhető félvezetők. A köztük lévő intervallum kisebb, mint 4 eV. Az elektronok vegyértékből a vezetési sávba történő átviteléhez kevesebb energia szükséges, mint a dielektrikumokhoz. A tiszta (adalékolatlan és natív) félvezetők nem engedik át jól az áramot.

A szilárd testekben a molekuláris mozgások határozzák meg elektromágneses tulajdonságaikat.

Egyéb tulajdonságok

A szilárd anyagokat mágneses tulajdonságaik szerint is felosztják. Három csoport van:

• Diamágnesek, amelyek tulajdonságai kevéssé függenek a hőmérséklettől vagy az aggregáció állapotától.
• Paramágnesek, amelyek a vezetési elektronok orientációjának és az atomok mágneses momentumainak a következményei. Curie törvénye szerint érzékenységük a hőmérséklettel arányosan csökken. Tehát 300 K-en 10 -5.
• Rendezett mágneses szerkezetű, nagy hatótávolságú atomrendű testek. Rácsuk csomópontjainál periodikusan mágneses momentumú részecskék helyezkednek el. Ilyen szilárd anyagokat és anyagokat gyakran használnak különböző területeken emberi tevékenység.

A természet legkeményebb anyagai

Kik ők? A szilárd anyagok sűrűsége nagymértékben meghatározza keménységüket. Az elmúlt években a tudósok több olyan anyagot fedeztek fel, amelyek a "legtartósabb testnek" vallják magukat. A legkeményebb anyag a fullerit (fullerénmolekulákkal rendelkező kristály), amely körülbelül másfélszer keményebb, mint a gyémánt. Sajnos jelenleg csak rendkívül kis mennyiségben kapható.

A mai napig a legkeményebb anyag, amelyet a jövőben az iparban felhasználhatnak, a lonsdaleite (hatszögletű gyémánt). 58%-kal keményebb, mint a gyémánt. A lonsdaleite a szén allotróp módosulata. Kristályrácsa nagyon hasonlít a gyémánthoz. A lonsdaleite sejtje 4 atomot, a gyémánt pedig 8 atomot tartalmaz. A széles körben használt kristályok közül ma is a gyémánt a legkeményebb.

Gáztörvények és az MKT alapjai.

Ha a gáz kellően ritkított (és ez általános dolog, leggyakrabban ritkított gázokkal kell számolnunk), akkor szinte minden számítást egy képlet segítségével végeznek, amely a P nyomást, a V térfogatot, a ν gáz mennyiségét és a T hőmérsékletet viszonyítja. ez a híres „ideális gáz egyenletállapota” P·V= ν·R·T. Meglehetősen egyszerű és érthető, hogyan lehet megtalálni az egyik mennyiséget, ha az összes többi megadva van. De meg lehet fogalmazni a problémát úgy is, hogy a kérdés valamilyen más mennyiségre vonatkozik - például egy gáz sűrűségére. Tehát a feladat a nitrogén sűrűségének meghatározása 300 K hőmérsékleten és 0,2 atm nyomáson. Oldjuk meg. Az állapotból ítélve a gáz meglehetősen ritka (a 80%-ban nitrogénből álló, jóval nagyobb nyomású levegő ritkítottnak tekinthető, szabadon lélegezzük be és könnyen áthaladunk rajta), és ha ez nem így lenne, még mindig lennének más képleteink, nem – használd ezt, kedvesem. A feltétel nem határozza meg a gáz egyetlen részének térfogatát sem, mi magunk állítjuk be. Vegyünk 1 köbméter nitrogént, és keressük meg ebben a térfogatban a gáz mennyiségét. A nitrogén M = 0,028 kg / mol moláris tömegének ismeretében megtaláljuk ennek a résznek a tömegét - és a probléma megoldódott. A gáz mennyisége ν= P V/R T, tömege m = ν M = M P V/R T, tehát a sűrűség ρ= m/V = M P/R T = 0,028 20000/( 8,3 300) ≈ 0,2 kg/m3. Az általunk választott térfogat soha nem szerepelt a válaszban, a konkrétság kedvéért választottuk - így könnyebb okoskodni, mert nem kell azonnal rájönni, hogy a térfogat bármi lehet, de a sűrűség is ugyanaz lesz . Azonban azt gondolhatjuk, hogy "egy térfogatot, mondjuk ötször többet, pontosan ötszörösére növeljük a gáz mennyiségét, ezért bármilyen térfogatot veszünk is, a sűrűség ugyanaz lesz." Egyszerűen átírhatja kedvenc képletét, behelyettesítve abba a gázmennyiség kifejezését a gáz egy részének tömegén és annak moláris tömegén keresztül: ν \u003d m / M, akkor az m / V \u003d M P / R T arány azonnal kifejezve, és ez a sűrűség . Lehetett venni egy mól gázt és megkeresni az általa elfoglalt térfogatot, ami után azonnal meg lehet találni a sűrűséget, mert ismert a mól tömege. Általánosságban elmondható, hogy minél egyszerűbb a feladat, annál egyenlőbb és szebb megoldási módok vannak ...
Itt van egy másik probléma, ahol a kérdés váratlannak tűnhet: keresse meg a légnyomás különbségét 20 m magasságban és 50 m talajszint feletti magasságban. Hőmérséklet 00С, nyomás 1 atm. Megoldás: ha ilyen körülmények között megtaláljuk a ρ levegősűrűséget, akkor a ∆P = ρ·g·∆H nyomáskülönbség. A sűrűséget ugyanúgy megtaláljuk, mint az előző feladatnál, csak az a nehézség, hogy a levegő gázkeverék. Feltételezve, hogy 80% nitrogénből és 20% oxigénből áll, a keverék egy móljának tömegét kapjuk: m = 0,8 0,028 + 0,2 0,032 ≈ 0,029 kg. A mól által elfoglalt térfogat V= R·T/P, és a sűrűséget e két mennyiség arányaként kapjuk meg. Akkor minden világos, a válasz körülbelül 35 Pa lesz.
A gáz sűrűségét is ki kell számolni például egy adott térfogatú ballon emelőerejének meghatározásánál, a búvárhengerekben lévő, ismert ideig tartó víz alatti légzéshez szükséges levegő mennyiségének kiszámításakor, a szám kiszámításakor. egy adott mennyiségű higanygőz sivatagon keresztül történő szállításához szükséges szamarak, és sok más esetben is.
De a feladat bonyolultabb: egy elektromos vízforraló zajosan forr az asztalon, fogyasztása 1000 W, hatásfok. fűtés 75% (a többi "elhagyja" a környező térbe). A fúvókából - az "orr" területe 1 cm2 - gőzsugár repül ki, becsülje meg a gáz sebességét ebben a sugárban. Az összes szükséges adatot a táblázatokból veszik.
Döntés. Tételezzük fel, hogy a víz felett a kannában telített gőz képződik, majd +1000 C-on telített vízgőz sugár száll ki a kifolyóból. Egy ilyen gőz nyomása 1 atm, könnyű megtalálni a sűrűségét. Ismerve a párolgáshoz felhasznált teljesítményt P = 0,75 P0 = 750 W és a párolgási (párolgási) fajhőt r = 2300 kJ / kg, megkapjuk az idő alatt keletkező gőz tömegét τ: m = 0,75 P0 τ / r. Ismerjük a sűrűséget, akkor könnyű meghatározni ennek a gőzmennyiségnek a térfogatát. A többi már világos - képzeljük el ezt a térfogatot egy ​1 cm2 keresztmetszeti területű oszlopnak, ennek az oszlopnak a hossza osztva τ-val, megadja az indulási sebességet (ilyen hosszúság kirepül egy második). Tehát a sugár kiáramlási sebessége a teáskanna kifolyójából V = m/(ρ S τ) = 0,75P0 τ/(r ρ S τ) = 0,75P0 R T/(r P M S) = 750 8,3 373/(2,3 106 1 105 0,018 1 10-4) ≈ 5 m/s.
c) Zilberman A.R.

A molekuláris fizikában vizsgált legegyszerűbb rendszerre példa az gáz. A statisztikai megközelítés szerint a gázokat nagyon sok (1026 m–3-ig) állandó véletlenszerű mozgásban lévő részecskéből álló rendszereknek tekintjük. A molekuláris kinetikai elméletben használják ideális gázmodell, amely szerint úgy vélik, hogy:

1) a gázmolekulák saját térfogata elhanyagolható az edény térfogatához képest;

2) a gázmolekulák között nincsenek kölcsönhatási erők;

3) a gázmolekulák ütközései egymással és az edény falával abszolút rugalmasak.

Becsüljük meg a gázban lévő molekulák közötti távolságokat. Normál körülmények között (N.O.: р=1,03·10 5 Pa; t=0ºС) az egységnyi térfogatra jutó molekulák száma: . Ekkor a molekulánkénti átlagos térfogat:

(m 3).

Molekulák közötti átlagos távolság: m. A molekula átlagos átmérője: d»3 10 -10 m. A molekula belső méretei a köztük lévő távolsághoz képest kicsik (10-szer). Következésképpen a részecskék (molekulák) olyan kicsik, hogy anyagi pontokhoz hasonlíthatók.

Egy gázban a molekulák legtöbbször olyan távol vannak egymástól, hogy a köztük lévő kölcsönhatási erők gyakorlatilag nulla. Ennek tekinthető a gázmolekulák kinetikus energiája sokkal nagyobb, mint a potenciális energia,így az utóbbi elhanyagolható.

Azonban a rövid távú interakció pillanataiban ( összecsapások) kölcsönhatási erők jelentősek lehetnek, ami a molekulák közötti energia- és impulzuscseréhez vezet. Az ütközések azt a mechanizmust szolgálják, amellyel egy makrorendszer az adott körülmények között rendelkezésére álló egyik energiaállapotból a másikba léphet.

Az ideális gázmodell valós gázok vizsgálatára használható, mivel a normálishoz közeli körülmények között vannak (például oxigén, hidrogén, nitrogén, szén-dioxid, vízgőz, hélium), valamint alacsony nyomásokés magas hőmérsékletek tulajdonságaikban közel állnak az ideális gázhoz.

A test állapota változhat felmelegedés, kompresszió, alakváltozás során, vagyis bármelyik paraméter megváltoztatásakor. A rendszernek vannak egyensúlyi és nem egyensúlyi állapotai. egyensúlyi állapot olyan állapot, amelyben a rendszer összes paramétere nem változik az idő múlásával (egyébként igen nem egyensúlyi állapot), és nincsenek olyan erők, amelyek képesek megváltoztatni a paramétereket.

A rendszer állapotának legfontosabb paraméterei a test sűrűsége (vagy a sűrűség reciproka - fajlagos térfogat), a nyomás és a hőmérséklet. Sűrűség (r) az anyag térfogategységenkénti tömege. Nyomás (R a test felületének egységnyi területére ható erő, amely a felület normálja mentén irányul. Különbség hőmérsékletek (DT) a testek termikus egyensúlyi állapotától való eltérésének mértéke. Van egy tapasztalati hőmérséklet és egy abszolút hőmérséklet. tapasztalati hőmérséklet (t) a testek egy fizikai atmoszféra nyomása alatti olvadó jéggel fennálló termikus egyensúlyi állapotától való eltérésének mértéke. A mértékegység az 1 Celsius fok(1 o C), amelyet az a feltétel határoz meg, hogy a 0 o C a légköri nyomáson olvadó jégnek, a 100 o C pedig az azonos nyomású forrásban lévő víznek tulajdonítható. Az abszolút és a tapasztalati hőmérséklet közötti különbség mindenekelőtt az, hogy az abszolút hőmérsékletet a legalacsonyabb hőmérséklettől mérjük. abszolút nulla, amely 273,16 o-kal alacsonyabb a jég olvadáspontja alatt, azaz

Vegye figyelembe, hogy minden olyan funkcionális függést, amely a termodinamikai paramétereket egymáshoz kapcsolja, mint például (6.2.2, a), állapotegyenletnek is nevezzük.. A paraméterek ((6.2.2, a), (6.2.2, b)) közötti függőségi függvény formáját minden anyag esetében kísérletileg meghatározzuk. Az állapotegyenletet azonban eddig csak ritkított állapotú gázokra, közelítő formában pedig egyes sűrített gázokra sikerült meghatározni.