Какие движения совершают молекулы в жидкостях. Твердое, жидкое, газообразное – как движутся молекулы

Кристаллы твердые, но есть еще жидкости и газы. В газах молекулы не скреплены друг с другом, как в кристалле, а с легкостью распределяются по всему свободному пространству, перемещаясь по прямым линиям, как бильярдные шары, но с тем отличием, что в их распоряжении не два измерения стола, а три. Молекулы перемещаются, пока не встретят преграду – другую молекулу или стены контейнера, от которых они отскакивают – опять же по аналогии с бильярдными шарами. Газы можно сжать, следовательно, между молекулами действительно много пространства. Газ после сжатия "напрягается". Закрыв выходное отверстие велосипедного насоса, можно почувствовать это напряжение, если нажать на ручку. Если оставить палец там же, а ручку отпустить, то она выстрелит обратно. Напряжение, которое ты почувствовал, называют давлением.

Давление образуется оттого, что миллионы молекул воздуха (смесь азота, кислорода и нескольких других газов) в насосе бомбардируют рычаг (на самом деле не только рычаг, но из всей конструкции именно он может двигаться). При высоком давлении бомбардировка идет с большей частотой. Это происходит, когда то же количество молекул оказывается в меньшем пространстве, например, когда ты нажимаешь ручку насоса. Или повышаешь температуру, что заставляет молекулы газа перемещаться быстрее.

Жидкость похожа на газ тем, что ее атомы тоже "перетекают" с одного места на другое (поэтому их по аналогии с твердыми материалами называют "текучими"). Однако молекулы в жидкости располагаются гораздо ближе друг к другу, чем в газе. Газ быстро заполняет все предоставленное пространство. Жидкость тоже затекает во все щели, но до некоего уровня. Определенное количество жидкости занимает постоянный объем, не то что газ, и сила притяжения тянет ее к земле, таким образом она заполняет часть резервуара, необходимую для ее объема, снизу вверх. Так происходит, потому что молекулы жидкости расположены близко. Но, в отличие от твердого вещества, они способны скользить одна по другой, поэтому жидкость может течь.

Твердое вещество даже не пытается заполнить объем, в котором находится, – оно просто сохраняет свою форму Все потому, что молекулы в твердых телах не скользят друг по другу, как в жидкости, а прочно закреплены в одном (почти) положении по отношению к своим соседям. Я написал "почти", поскольку молекулы колеблются вокруг своих "парадных" позиций (чем выше температура, тем быстрее колебания), но не настолько, чтобы изменилась форма кристалла.

Бывают и "коварные" жидкости, например патока. Коварство ее в том, что она течет, однако очень медленно, и хоть она и заполняет нижнюю часть резервуара, но тратит на это много времени. Есть настолько "коварные" жидкости, что они ведут себя как твердые тела – так медленно они текут. Они даже обладают всеми свойствами твердых веществ, несмотря на то что лишены кристаллической решетки. Хороший пример – стекло. Оно "течет", но так медленно, что пройдут века, прежде чем мы это заметим. Поэтому из практических соображений мы считаем стекло твердым материалом.

В газах обычно расстояние между молекулами и атомами значительно больше размеров молекул, а силы притяжения очень малы. Поэтому газы не имеют собственной формы и постоянного объёма. Газы легко сжимаются, потому что силы отталкивания на больших расстояниях также малы. Газы обладают свойством неограниченно расширяться, заполняя весь предоставленный им объём. Молекулы газа движутся с очень большими скоростями, сталкиваются между собой, отскакивают друг от друга в разные стороны. Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа .

Движение молекул в жидкостях

В жидкостях молекулы не только колеблются около положения равновесия, но и совершают перескоки из одного положения равновесия в соседнее. Эти перескоки происходят периодически. Временной отрезок между такими перескоками получил название среднее время оседлой жизни (или среднее время релаксации ) и обозначается буквой?. Иными словами, время релаксации – это время колебаний около одного определённого положения равновесия. При комнатной температуре это время составляет в среднем 10 -11 с. Время одного колебания составляет 10 -12 …10 -13 с.

Время оседлой жизни уменьшается с повышением температуры. Расстояние между молекулами жидкости меньше размеров молекул, частицы расположены близко друг к другу, а межмолекулярное притяжение велико. Тем не менее, расположение молекул жидкости не является строго упорядоченным по всему объёму.

Жидкости, как и твёрдые тела, сохраняют свой объём, но не имеют собственной формы. Поэтому они принимают форму сосуда, в котором находятся. Жидкость обладает таким свойством, как текучесть . Благодаря этому свойству жидкость не сопротивляется изменению формы, мало сжимается, а её физические свойства одинаковы по всем направлениям внутри жидкости (изотропия жидкостей). Впервые характер молекулярного движения в жидкостях установил советский физик Яков Ильич Френкель (1894 – 1952).

Движение молекул в твёрдых телах

Молекулы и атомы твёрдого тела расположены в определённом порядке и образуют кристаллическую решётку . Такие твёрдые вещества называют кристаллическими. Атомы совершают колебательные движения около положения равновесия, а притяжение между ними очень велико. Поэтому твёрдые тела в обычных условиях сохраняют объём и имеют собственную форму.

Кинетическая энергия молекулы

В газе молекулы совершают свободное (изолированное от других молекул) движение, лишь время от времени сталкиваясь друг с другом или со стенками сосуда. До тех пор, пока молекула совершает свободное движение, у нее имеется только кинетическая энергия. Во время столкновения у молекул появляется и потенциальная энергия. Таким образом, полная энергия газа представляют сумму кинетической и потенциальной энергий ее молекул. Чем разреженное газ, тем больше молекул в каждый момент времени пребывает в состоянии свободного движения, имеющих только кинетическую энергию. Следовательно, при разрежении газа уменьшается доля потенциальной энергии в сравнении с кинетической.

Средняя кинетическая энергия молекулы пpи равновесии идеального газа обладает одной очень важной особенностью: в смеси различных газов средняя кинетическая энергия молекулы для различных компонентов смеси одна и та же.

Например, воздух представляет собой смесь газов. Средняя энергия молекулы воздуха для всех его компонентов пpи нормальных условиях, когда воздух еще можно рассматривать как идеальный газ, одинакова. Данное свойство идеальных газов может быть доказано на основании общих статистических соображений. Из него вытекает важное следствие: если два различных газа (в разных сосудах) находятся в тепловом равновесии друг с другом, то средние кинетические энергии их молекул одинаковы.

В газах обычно расстояние между молекулами и атомами значительно больше, чем размеры самих молекул, силы взаимодействия молекул не велики. Вследствие чего газ не имеет собственной формы и постоянного объема. Газ легко сжимается и может неограниченно расширяться. Молекулы газа движутся свободно (поступательно, могут вращаться), лишь иногда сталкиваясь с другими молекулами и стенками сосуда, в котором находится газ, причем движутся с очень большими скоростями.

Движение частиц в твердых телах

Строение твёрдых тел принципиально отлично от строения газов. В них межмолекулярные расстояния малы и потенциальная энергия молекул сравнима с кинетической. Атомы (или ионы, или целые молекулы) нельзя назвать неподвижными, они совершают беспорядочное колебательное движение около средних положений. Чем больше температура, тем больше энергия колебаний, а следовательно, и средняя амплитуда колебаний. Тепловыми колебаниями атомов объясняется и теплоемкость твёрдых тел. Рассмотрим подробнее движения частиц в кристаллических твердых телах. Весь кристалл в целом представляет собой очень сложную связанную колебательную систему. Отклонения атомов от средних положений невелики, и поэтому можно считать, что атомы подвергаются действию квазиупругих сил, подчиняющихся линейному закону Гука. Такие колебательные системы называются линейными.

Существует развитая математическая теория систем, подверженных линейным колебаниям. В ней доказана очень важная теорема, суть которой состоит в следующем. Если система совершает малые (линейные) взаимосвязанные колебания, то путем преобразования координат ее формально можно свести к системе независимых осцилляторов (у которых уравнения колебаний не зависят друг от друга). Система независимых осцилляторов ведет себя подобно идеальному газу в том смысле, что атомы последнего тоже можно рассматривать как независимые.

Именно используя представление о независимости атомов газа, мы приходим к закону Больцмана. Этот очень важный вывод представляет простую и надежную основу для всей теории твёрдого тела.

Закон Больцмана

Число осцилляторов с заданными параметрами (координаты и скорости) определяется так же, как и число молекул газа в заданном состоянии, по формуле:

Энергия осциллятора.

Закон Больцмана (1) в теории твёрдого тела не имеет ограничений, однако формула (2) для энергии осциллятора взята из классической механики. Пpи теоретическом рассмотрении твёрдых тел нужно опираться на квантовую механику, для которой характерна дискретность изменения энергии осциллятора. Дискретность энергии осциллятора становится несущественной только пpи достаточно высоких значениях его энергии. Это значит, что (2) можно пользоваться лишь пpи достаточно высоких температурах. Пpи высоких температурах твёрдого тела, близких к температуре плавления, из закона Больцмана вытекает закон равномерного распределения энергии по степеням свободы. Если в газах на каждую степень свободы в среднем приходится количество энергии, равное (1/2) kT, то у осциллятора одна степень свободы, кроме кинетической, имеет потенциальную энергию. Поэтому на одну степень свободы в твёрдом теле пpи достаточно высокой температуре приходится энергия, равная kT. Исходя из этого закона, нетрудно рассчитать полную внутреннюю энергию твердого тела, а вслед за ней и его теплоемкость. Моль твердого тела содержит NA атомов, а каждый атом имеет три степени свободы. Следовательно, в моле содержится 3 NA осцилляторов. Энергия моля твердого тела

а молярная теплоемкость твердого тела пpи достаточно высоких температурах

Опыт подтверждает этот закон.

Жидкости занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами. Молекулы жидкости не расходятся на большие расстояния, и жидкость в обычных условиях сохраняет свой объем. Но в отличие от твердых тел молекулы не только совершают колебания, но и перескакивают с места на место, то есть совершают свободные движения. При повышении температуры жидкости кипят (существует так называемая температура кипения) и переходят в газ. При понижении температуры жидкости кристаллизуются и становятся твердыми веществами. Существует такая точка в поле температур, в которой граница между газом (насыщенным паром) жидкостью исчезает (критическая точка). Картина теплового движения молекул в жидкостях вблизи температуры затвердевания очень похожа на поведение молекул в твердых телах. К примеру, коэффициенты теплоемкости прочти совпадают. Так как теплоемкость вещества при плавлении изменяется слабо, то можно сделать вывод, что характер движения частиц в жидкости близок движению в твердом теле (при температуре плавления). При нагревании свойства жидкости постепенно изменяются, и она становится более похожа на газ. У жидкостей средняя кинетическая энергия частиц меньше потенциальной энергии их межмолекулярного взаимодействия. Энергия межмолекулярного взаимодействия в жидкости и твердых телах отличаются несущественно. Если сравнить теплоту плавления и теплоту испарения, то увидим, что при переходе из одного агрегатного состояния в другое теплота плавления существенно ниже, теплоты парообразования. Адекватное математическое описание структуры жидкости может быть дано лишь с помощью статистической физики. Например, если жидкость состоит из одинаковых сферических молекул, то ее структуру можно описать радиальной функцией распределения g(r), которая дает вероятность обнаружения какой-либо молекулы на расстоянии r от данной, выбранной в качестве точки отсчета. Экспериментально эту функцию можно найти, исследуя дифракцию рентгеновских лучей или нейтронов, можно провести компьютерное моделирование этой функции, используя механику Ньютона.

Кинетическая теория жидкости была разработана Я.И. Френкелем. В этой теории жидкость рассматривается, как и в случае твердого тела, как динамическая система гармонически осцилляторов. Но в отличие от твердого тела положение равновесия молекул в жидкости имеет временный характер. Поколебавшись около одного положения, молекула жидкости перескакивает в новое положение, расположенное по соседству. Такой перескок происходит с затратой энергии. Среднее время «оседлой жизни» молекулы жидкости можно рассчитать как:

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

где $t_0\ $- период колебаний около одного положения равновесия. Энергия, которую должна получить молекула, чтобы из одного положения перейти в другое, называется энергией активации W, а время нахождения молекулы в положении равновесия -- временем «оседлой жизни» t.

У молекулы воды, например, при комнатной температуре, одна молекула совершает около 100 колебаний и перескакивает в новое положение. Силы притяжения между молекулам жидкости велики, чтобы сохранялся объем, но ограниченность оседлой жизни молекул ведет к возникновению такого явления, как текучесть. Во врем колебаний частицы около положения равновесия они непрерывно соударяются друг с другом, поэтому даже малое сжатие жидкости приводит к резкому «ожесточению» соударений частиц. Это означает резкое повышение давления жидкости на стенки сосуда, в котором ее сжимают.

Пример 1

Задание: Определить удельную теплоёмкость меди. Считать, что температура меди близка к температуре плавления. (Молярная масса меди $\mu =63\cdot 10^{-3}\frac{кг}{моль})$

Согласно закону Дюлонга и Пти моль химически простых веществ при температурах, близких к температуре плавления, имеет теплоемкость:

Удельная теплоемкость меди:

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

Ответ: Удельная теплоёмкость меди $0,39\ \cdot 10^3\left(\frac{Дж}{кгК}\right).$

Задание: Объясните упрощённо с точки зрения физики процесс растворения соли (NaCl) в воде.

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. Молекулы соли не разрушают молекулы воды. 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 возникает 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. Отделившиеся гидратированные ионы под влиянием теплового движения равномерно распределяются между молекулами растворителя.

Движение молекул в газах

Основные Положения Молекулярно-Кинетической Теории (Опытное Обоснование)

В основе молекулярно-кинетической теории строения вещества лежат три положения:

1. Все тела состоят из частиц (атомов, молекул, ионов и др.);

2. Частицы непрерывно хаотически движутся;

3. Частицы взаимодействуют друг с другом.

22)Бро́уновское движе́ние - беспорядочное движение микроскопических, видимых, взвешенных в жидкости (или газе) частиц твёрдого вещества (пылинки, частичкипыльцы растения и так далее), вызываемое тепловым движением частиц жидкости (или газа). Не следует смешивать понятия «броуновское движение» и «тепловое движение»: броуновское движение является следствием и свидетельством существования теплового движения.

23) Моль (русское обозначение: моль ; международное: mol ) - единица измерения количества вещества в Международной системе единиц (СИ), одна из семи основных единиц СИ .

Моль принят в качестве единицы СИ XIV Генеральной конференцией по мерам и весам в 1971 году. Точное определение моля формулируется так :

Моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц.

Число́ Авога́дро , конста́нта Авогадро - физическая константа, численно равная количеству специфицированных структурных единиц (атомов, молекул, ионов, электронов или любых других частиц) в 1 моле вещества. Определяется как количество атомов в 12 граммах (точно) чистого изотопа углерода-12. Обозначается обычно как N A , реже как L .

N A = 6,022 141 29(27)·10 23 моль −1 .

В газах обычно расстояние между молекулами и атомами значительно больше размеров молекул, а силы притяжения очень малы. Поэтому газы не имеют собственной формы и постоянного объёма. Газы легко сжимаются, потому что силы отталкивания на больших расстояниях также малы. Газы обладают свойством неограниченно расширяться, заполняя весь предоставленный им объём. Молекулы газа движутся с очень большими скоростями, сталкиваются между собой, отскакивают друг от друга в разные стороны. Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа .

В жидкостях молекулы не только колеблются около положения равновесия, но и совершают перескоки из одного положения равновесия в соседнее. Эти перескоки происходят периодически. Временной отрезок между такими перескоками получил название среднее время оседлой жизни (или среднее время релаксации ) и обозначается буквой?. Иными словами, время релаксации – это время колебаний около одного определённого положения равновесия. При комнатной температуре это время составляет в среднем 10 -11 с. Время одного колебания составляет 10 -12 …10 -13 с.

Время оседлой жизни уменьшается с повышением температуры. Расстояние между молекулами жидкости меньше размеров молекул, частицы расположены близко друг к другу, а межмолекулярное притяжение велико. Тем не менее, расположение молекул жидкости не является строго упорядоченным по всему объёму.

Жидкости, как и твёрдые тела, сохраняют свой объём, но не имеют собственной формы. Поэтому они принимают форму сосуда, в котором находятся. Жидкость обладает таким свойством, как текучесть . Благодаря этому свойству жидкость не сопротивляется изменению формы, мало сжимается, а её физические свойства одинаковы по всем направлениям внутри жидкости (изотропия жидкостей). Впервые характер молекулярного движения в жидкостях установил советский физик Яков Ильич Френкель (1894 – 1952).

Молекулярная теория вещества исходит из положения о непрерывном хаотическом движении молекул. Причем характер движения молекул определяется значениями сил, действующих между молекулами. Так, в обычных газах (не сильно сжатых) между молекулами практически отсутствуют силы взаимного притяжения, поэтому молекулы газа движутся прямолинейно, одновременно сталкиваясь друг с другом и со стенками сосуда.

В результате столкновения направление и значение модуля скорости молекул меняется хаотически. При огромном количестве молекул ни одно из направлений движения молекул не является предпочтительным, все они в равной степени возможны.

Причем случайный характер столкновений (одни молекулы испытывают лобовое столкновение, другие - «вскользь») приводит к самым различным значениям модуля скорости, которые образуют непрерывный ряд чисел, начиная от нуля до самых наибольших значений.

Расчеты показывают, что доля молекул, как с малыми, так и с огромными значениями скорости мала. Большинство молекул движется со скоростями, сравнительно мало отличающимися от среднего значения модуля скорости хаотического движения молекул.

С ростом температуры доля медленных молекул сокращается, доля быстрых молекул возрастает, а среднее значение модуля скорости хаотического движения молекулы повышается.

Замечание. При указании скорости хаотического движения молекулы имеется в виду среднее значение скорости этого движения.

Если можно было бы проследить за движением молекулы газа, то траектория ее представляла бы собой своеобразную зигзагообразную линию (рис. 2).

Прямолинейный отрезок этой траектории соответствует равномерному движению молекулы между двумя ее последовательными столкновениями с другими молекулами. Длина такого отрезка называется длиной свободного пробега.

При характеристике движения молекул подразумевается среднее значение длины свободного пробега, которое возрастает с уменьшением плотности газа.

Характер движения молекул в различных телах зависит от значения сил взаимодействия между ними. В твердых телах молекулы, атомы или ионы совершают хаотические колебания относительно узлов кристаллической решетки, которые являются их равновесными положениями.

Хаотичность движения структурных частиц проявляется в том, что направление движения изменяется при колебании совершенно непредсказуемо, как и амплитуда колебания.

С повышением температуры интенсивность хаотических колебаний, которая определяется амплитудой, и частота колебаний возрастают. При взаимодействии друг с другом отдельные молекулы могут получить избыток энергии и поэтому способны покидать равновесное положение, что приводит к перемещению частиц, т.е. к их поступательному движению. Именно этим объясняется диффузия в твердых телах, находящихся в соприкосновении друг с другом длительное время.

В жидкостях силы притяжения молекул намного больше, чем силы притяжения между молекулами газа. По теории Я.И. Френкеля в жидкости каждая молекула колеблется в течение некоторого промежутка времени около своего положения равновесия. Причем в ближайшем ее окружении другие молекулы располагаются в определенной последовательности, что напоминает расположение частиц в кристаллической решетке. Однако в отличие от кристаллической решетки этот порядок является «ближним», т.е. он имеет место только в ограниченном микрообъемс, а не по всему объему жидкости. В соседнем микрообъеме наблюдается уже другое упорядоченное расположение молекул.

По истечении некоторого промежутка времени молекула, получив запас энергии от соседних, взаимодействующих с ней молекул, совершает скачок, покидает свое место и перемещается на расстояние порядка размера самой молекулы. Таким образом, молекула в жидкости некоторое время находится в «оседлом» состоянии (выражение Френкеля), медленно перемещаясь хаотически внутри жидкости.

Поскольку интенсивность хаотическою движения молекул во всех телах связана с температурой, то хаотическое движение часто называют также тепловым движением молекул. С повышением температуры тела скорость теплового движения молекул возрастает, а при понижении температуры - уменьшается.

Историческая справка. Френель Яков Ильич (1894-1952) - советский физик-теоретик. Основные работы относятся к физике твердого тела, магнетизму, физике жидкостей. Физике атомного ядра. Ввел представления о колебательно-поступательном движении молекул в жидкостях и построил кинетическую теорию жидкостей. Развил молекулярную теорию текучести твердых тел, теорию диффузии и вязкости.