A molekuláris kinetikai elmélet 1 helyzete. Az IKT alapvető rendelkezései. Az anyag szerkezete. Molekula. Anyagok aggregált állapotai

Az ICB főbb rendelkezései:

1. Minden anyag a legkisebb részecskékből áll: molekulákból, atomokból vagy ionokból.

2. Ezek a részecskék folyamatos kaotikus mozgásban vannak, melynek sebessége határozza meg az anyag hőmérsékletét.

3. A részecskék között vonzó és taszító erők lépnek fel, amelyek természete a köztük lévő távolságtól függ.

Ideális gáz olyan gáz, amelynek molekulái közötti kölcsönhatása elhanyagolható.

A fő különbségek az ideális és a valódi gáz között: az ideális gáz részecskéi nagyon kis golyók, gyakorlatilag anyagi pontok; a részecskék között nincsenek intermolekuláris kölcsönhatási erők; a részecskék ütközései abszolút rugalmasak. A valódi gáz olyan gáz, amelyet nem ír le a Clapeyron-Mendeleev állapotegyenlet ideális gázra. A paraméterei közötti függőségek azt mutatják, hogy a valódi gázban lévő molekulák kölcsönhatásba lépnek egymással, és bizonyos térfogatot foglalnak el. A valódi gáz állapotát a gyakorlatban gyakran az általánosított Mengyelejev-Clapeyron egyenlet írja le.

2 Állapotparaméterek és funkciók. Ideális gáz állapotegyenlete.

Lehetőségek:

A nyomás a munkafolyadék molekuláinak a felülettel való kölcsönhatásából adódik, és számszerűen egyenlő a test felületének egységnyi területére ható erővel az utóbbihoz képest.

A hőmérséklet olyan fizikai mennyiség, amely a test felmelegedési fokát jellemzi. A molekuláris kinetikai fogalmak szempontjából a hőmérséklet a molekulák hőmozgásának intenzitásának mértéke.

Fajlagos térfogat v az anyag egységnyi tömegére eső térfogata. Ha egy homogén M tömegű test v térfogatot foglal el, akkor definíció szerint v= V/M. Az SI rendszerben a fajlagos térfogat mértékegysége 1 m3/kg. Nyilvánvaló kapcsolat van az anyag fajlagos térfogata és sűrűsége között:

Ha minden termodinamikai paraméter időben állandó és a rendszer minden pontján azonos, akkor a rendszer ilyen állapotát egyensúlynak nevezzük.

Egy egyensúlyi termodinamikai rendszer esetén az állapotparaméterek között funkcionális kapcsolat van, amit állapotegyenletnek nevezünk.

Clapeyron - Mengyelejev egyenlet

3 Gázkeverékek. Látszólagos molekulatömeg. Gázelegy gázállandója.

A gázkeverék nem kölcsönható gázok mechanikus kombinációja. kémiai reakció gázok. A gázelegy viselkedését meghatározó fő törvény a Dalton-törvény: az ideális gázok keverékének össznyomása egyenlő az összes alkotóeleme parciális nyomásának összegével: A pi parciális nyomás az a nyomás, amely egy gáznak lenne. ha egyedül az elegy teljes térfogatát ugyanazon a hőmérsékleten elfoglalta . Egy keverék gázállandója: - a keverék látszólagos (átlagos) molekulatömege. Térfogatösszetétellel, tömegösszetétellel:.-univerzális gázállandó.

4 A termodinamika első főtétele.

A termodinamika első törvénye az energiamegmaradás törvénye, termodinamikai fogalmakkal írva (analitikai megfogalmazás: az 1. típusú örökmozgó lehetetlen):

Energia. A termodinamikában belső energián a molekulák mozgásának kinetikus energiáját, kölcsönhatásuk potenciális energiáját és nullát (a részecskék molekulán belüli mozgásának energiáját T=0K-nál) értjük. A molekulák kinetikus energiája a hőmérséklet függvénye, a potenciális energia értéke a molekulák közötti átlagos távolságtól és ennek következtében a gáz által elfoglalt V térfogattól függ, vagyis V függvénye. Az U energia a test állapotának függvénye.

Hő. A hőmérséklet-különbség következtében egyik testről a másikra átadott energiát hőnek nevezzük. A hő átadása történhet akár testek közötti közvetlen érintkezéssel (hővezetés, konvekció), akár távolról (sugárzással), és ez a folyamat minden esetben csak akkor lehetséges, ha a testek között hőmérséklet-különbség van.

Munka. Azt az energiát, amelyet egyik testről a másikra adnak át, amikor ezeknek a testeknek a térfogata megváltozik vagy elmozdul a térben, munkának nevezzük. A térfogat véges változása esetén a külső nyomás erőivel szembeni munka, amelyet tágulási munkának nevezünk, egyenlő A térfogatváltozás munkája megegyezik a p, v diagramban szereplő folyamatgörbe alatti területtel.

A belső energia magának a rendszernek a tulajdonsága, a rendszer állapotát jellemzi. A hő és a munka a rendszer mechanikai és termikus kölcsönhatási folyamatainak energetikai jellemzői környezet. Jellemezik azokat az energiamennyiségeket, amelyek egy bizonyos folyamat során a rendszerbe adódnak át, vagy a határain keresztül adják le.

Termikus egyensúly.

Hőfok. Celsius hőmérsékleti skála.

A molekuláris fizika és a termodinamika a makroszkopikus rendszerek tulajdonságait és viselkedését vizsgálja, i.e. hatalmas számú atomból és molekulából álló rendszerek. Tipikus rendszerek, amelyekben találkozunk Mindennapi élet, körülbelül 1025 atomot tartalmaz.

Az ilyen rendszerek tanulmányozása során a legfontosabbak a makroszkopikus mennyiségek, amelyeket közvetlenül, kísérletileg mérnek, és amelyek a teljes molekulakészlet egészének tulajdonságait jellemzik. Tekintettel a makrorendszerek rendkívüli összetettségére, érdemes elkezdeni a tanulmányozást a legegyszerűbb objektumokkal – olyan rendszerekkel, amelyek állapota nem változik az idő múlásával. Egy makroszkópikus rendszer állapotát, amelyben korlátlan ideig tud maradni, egyensúlyi állapotnak nevezzük (termikus egyensúlyi állapotnak is nevezik).

A rendszer egészének egyensúlyi állapota makroszkopikus paramétereknek nevezett mennyiségekkel írható le, amelyek magukban foglalják a nyomást, térfogatot stb. A paraméterek mindegyike a rendszer valamely tulajdonságát jellemzi. Tehát az V térfogat a rendszer azon tulajdonságának mértéke, hogy a tér egyik vagy másik régióját elfoglalja; A P nyomás a rendszer azon tulajdonságának mértéke, hogy ellenáll a térfogata külső változásának.

Termikus egyensúlyi állapotban a makroszkopikus paraméterek nem változnak az idő múlásával, állandóak maradnak.

A makroszkopikus rendszer egyensúlyi tulajdonságait jellemző egyik legfontosabb paraméter a hőmérséklet. Bemutatjuk ezt a paramétert, amelyhez két olyan testet veszünk figyelembe, amelyek képesek kölcsönhatásba lépni és energiát cserélni. Ez a fajta kölcsönhatás, amelyet termikusnak neveznek, ahhoz a tényhez vezet, hogy a két test érintkezési területén lévő molekulák ütközésének eredményeként az energia a gyors molekulákról a lassú molekulákra kerül át. Ez azt jelenti, hogy az atomok mozgásának energiája az egyik testben csökken, a másikban nő. Azt a testet, amelyik energiát veszít, jobban felhevültnek, az energiát átadó testet pedig kevésbé fűtöttnek nevezzük. Ez az energiaátadás mindaddig folytatódik, amíg a termikus egyensúly létre nem jön. Termikus egyensúlyi állapotban a testek felmelegedési foka azonos. A test felmelegedési fokának jellemzésére egy hőmérsékletnek nevezett paramétert vezetünk be.

Tapasztalatból ismert, hogy a hőmérséklet változásával a testek méretei, az elektromos ellenállás és egyéb tulajdonságok megváltoznak. Így a hőmérséklet meghatározható az adott anyag valamely mérésre alkalmas fizikai tulajdonságának változásával.

A hőmérséklet mérésének legelterjedtebb módja a folyadék azon tulajdonságának felhasználása, hogy hevítés és hűtés közben térfogatot változtat. A hőmérsékletet mérő műszert hőmérőnek nevezzük.

Egy közönséges folyékony hőmérő egy kis üvegtartályból áll, amelyhez egy keskeny belső csatornával ellátott üvegcső csatlakozik. A tartály és a cső egy része meg van töltve higannyal vagy más folyadékkal. Annak a környezetnek a hőmérsékletét, amelyben a hőmérő elmerül, a csőben lévő higany felső szintjének helyzete határozza meg. A skála felosztásait a következőképpen alkalmazzák. A 0 szám a skála helyére kerül, ahol a folyadékoszlop szintjét állítják be, amikor a hőmérőt leengedik az olvadó hóba, a 100-as számot arra a helyre, ahol a folyadékoszlop szintjét állítják be, amikor a hőmérőt. normál nyomáson (105 Pa) forrásban lévő vízgőzbe merítve. A jelek közötti távolság 100 egyenlő részre van osztva, amelyet fokoknak nevezünk. Ezt a hőmérsékleti skálát a Celsius hozta létre. A Celsius fokot °C-nak nevezzük.

A makroszkopikus paraméterek mellett olyan rendszerparamétereket vezetünk be, amelyek az alkotó részecskék egyedi jellemzőihez kapcsolódnak, ezeket mikroszkópikusnak nevezzük. Ide tartozik elsősorban a részecskék tömege, sebessége, mozgási energiája.

Ideális gáz. Az ideális gáz molekuláris-kinetikai elméletének alapegyenlete.

Az elméletet R. Clausis német fizikus alkotta meg 1957-ben egy valódi gáz modelljére, amelyet ideális gáznak neveznek. A modell főbb jellemzői:

a molekulák közötti távolságok méretükhöz képest nagyok;

nincs kölcsönhatás a molekulák között távolról;

amikor molekulák ütköznek, nagy taszítóerők hatnak;

az ütközési idő sokkal rövidebb, mint az ütközések közötti szabad mozgás ideje.

A molekuláris-kinetikai elmélet (MKT) kapcsolatot teremt az ideális gáz makro- és mikroparaméterei között. Az MKT alapegyenlete a gáznyomás és a molekulák transzlációs mozgásának átlagos kinetikus energiája közötti összefüggést fejezi ki. A gáz nyomása az edény falára a molekulák számos ütközésének eredménye. A fal minden egyes becsapódáskor erőimpulzust kap, melynek nagysága a molekulák sebességétől, következésképpen mozgásuk energiájától függ. Hatalmas számú ütéssel állandó gáznyomás jön létre a falon. A hatások száma az n molekulák koncentrációjától függ. Így várható, hogy a gáznyomás összefüggésben van a molekulák koncentrációjával és mozgásuk energiájával. Megkapjuk az MKT alapegyenletét.

Tekintsünk egy R sugarú gömbtérfogatot, amely N ideális gázmolekulát tartalmaz. Tekintsük az egyik mozgását. Tegyük fel, hogy egy egyenes vonalban lendülettel mozgó molekula a normálhoz képest w szögben ütközött a falnak, és ugyanabban a szögben, lendülettel visszapattant róla. Határozzuk meg, hogy a molekula milyen lendületet ad át a falnak ütközéskor.

Az út, amelyen a molekula áthalad a falra való egyik ütközéstől a másikig, egyenlő az AB húrral, azaz a 2Rcossh értékkel.

Keresse meg a molekula falon egy másodperc alatt elért találatainak számát. Ez egyenlő a molekula sebességének és a molekula által a fallal való ütközéstől a másikig megtett úthoz viszonyított arányával.

A II. Newton-törvényből következik, hogy a falnak egységnyi idő alatt közölt lendülete számszerűen egyenlő az erővel, tehát az edény felületére ható nyomóerővel.

Ezt az egyenletet az ideális gáz molekuláris kinetikai elméletének alapegyenletének nevezzük.

Határozzuk meg a nyomás és a molekula transzlációs mozgásának átlagos kinetikus energiája közötti összefüggést.

Így az ideális gáz nyomása arányos a molekulák koncentrációjának és a molekula transzlációs mozgásának átlagos kinetikus energiájának szorzatával. Ezt az állítást tekinthetjük az ideális gáz molekuláris-kinetikai elmélete alapegyenletének egy másik megfogalmazásának.

Dalton törvénye.

Tekintsünk egy különböző anyagok molekuláiból álló gázt, amely az V térfogatban helyezkedik el. A kaotikus hőmozgás következtében a keverék egyes komponenseinek molekulái egyenletesen oszlanak el a térfogaton, azaz. mintha a gáz többi összetevője hiányozna. A molekulák egymással való állandó ütközése miatt, amihez részleges lendület- és energiacsere társul, a keverékben termikus egyensúly jön létre. Mindez ahhoz a tényhez vezet, hogy a keverék egyes komponenseinek nyomása nem függ a többi komponens jelenlététől.

Ezután a keletkező nyomást az összes komponens össznyomása határozza meg, pl. gázkeverékre érvényes a Dalton-törvény: a keverék nyomása ideális gázok egyenlő a benne lévő gázok parciális nyomásainak összegével, ahol k a keverékben lévő gázkomponens száma, Pk a parciális nyomása, azaz. az a nyomás, amely a k-adik gáznak akkor lenne, ha egyedül elfoglalná a keverék által elfoglalt teljes térfogatot.

A molekulák négyzetes középsebessége.

A molekuláris kinetikai elmélet alapegyenletéből egy képletet kaphatunk a molekulák átlagos négyzetes sebességének kiszámítására

A gáz állapotának bármilyen változását termodinamikai folyamatnak nevezzük.

Az ideális gázban a legegyszerűbb folyamatok az izofolyamatok. Ezek olyan folyamatok, amelyek során a gáz tömege és egyik állapotparamétere (hőmérséklet, nyomás vagy térfogat) állandó marad.

Az állandó hőmérsékleten végbemenő izotermikus folyamatot izoterm folyamatnak nevezzük.

R. Boyle és E. Mariotte kísérletileg megállapította, hogy állandó hőmérsékleten a gáz nyomásának és térfogatának szorzata adott gáztömegre állandó érték (Boyle-Mariotte törvény):

Grafikusan ezt a törvényt a PV koordinátákban egy izotermának nevezett egyenes ábrázolja.

Az ideális gázban végbemenő izofolyamatot, amelynek során a nyomás állandó marad, izobárnak nevezzük.

A gáz térfogatának a hőmérsékletétől való függését állandó nyomáson L. Gay-Lussac állapította meg, aki kimutatta, hogy egy adott tömegű gáz térfogata állandó nyomáson lineárisan növekszik a hőmérséklet emelkedésével (Gay-Lussac törvénye):

V = V0*(1 + *t), (17)

ahol V a gáz térfogata t hőmérsékleten, °С; V0 a térfogata 0 °С-on.

Ezt az értéket a térfogattágulás hőmérsékleti együtthatójának nevezzük. Minden gázra = (1/273°C-1). Következésképpen,

V = V0*(1 + *t). (tizennyolc)

Grafikusan a térfogat függését a hőmérséklettől egy egyenes vonal - egy izobár - ábrázolja. Nagyon is alacsony hőmérsékletek(közel -273°C) Gay-Lussac törvénye nem teljesül, ezért a grafikonon a folytonos vonal helyére szaggatott vonal kerül.

A gázban végbemenő izofolyamatot, amelyben a térfogat állandó marad, izokhorikusnak nevezzük.

Egy adott tömegű gáz nyomásának állandó térfogatú hőmérséklettől való függését először Charles francia fizikus végezte. Megállapította, hogy egy adott tömegű gáz nyomása állandó térfogat mellett lineárisan növekszik a hőmérséklet emelkedésével (Charles-törvény):

P = P0(1+t). (19)

Itt P a gáznyomás t hőmérsékleten, °С; P0 a nyomása 0 °C-on.

Az értéket a nyomás hőmérsékleti együtthatójának nevezzük. Értéke nem függ a gáz természetétől; minden gázra = 1/273 °C-1. Ily módon

P = P0(1 + *t). (húsz)

A nyomás grafikus függését a hőmérséklettől egy egyenes vonal – egy izokor – ábrázolja.

Abszolút hőmérsékleti skála.

Ha az izokort a negatív hőmérsékletek tartományába folytatjuk, akkor az abszcissza tengellyel való metszéspontnál kapunk

P = P0(1 + *t) = 0. (21)

Innen ered az a hőmérséklet, amelyen az ideális gáz nyomása eltűnik, t = -273°C (pontosabban -273,16°C). Ezt a hőmérsékletet választották a termodinamikai hőmérsékletskála kiindulópontjának, amelyet Kelvin angol tudós javasolt. Ezt a hőmérsékletet nulla kelvinnek (vagy abszolút nullának) nevezik.

A termodinamikai hőmérsékleti skálán mért hőmérsékletet T-vel jelöljük. Ezt termodinamikai hőmérsékletnek nevezzük. Mivel a jég olvadáspontja normál légköri nyomáson, 0 °C-nak vesszük, 273,16 K-1, akkor

T = 273,16 + t. (22)

Claiperon egyenlet.

Kapjunk egy másik formát az izobár és izokor folyamatokat leíró egyenletekhez, ha a (18) és (20) egyenletben a Celsius-skálán mért hőmérsékletet a termodinamikai hőmérséklettel helyettesítjük:

V = V0(1 + *t) = V0() = V0

A T1 és T2 hőmérsékletű gáz térfogatát V1 és V2 jelöléssel írjuk

V1 = V0, V2 = V0.

Ha ezeket az egyenlőségeket tagokra osztjuk, megkapjuk a Meleg-Lussac törvényt a formában

V1/V2 = T1/T2 Vagy = állandó.

Charles és Gay-Lussac törvényei összevonhatók egy általános törvénybe, amely a P, V és T paraméterekre vonatkozik állandó gáztömeg mellett.

Valóban, tegyük fel, hogy a gáz m = const kezdeti állapotát a V1, P1, T1, a végállapot pedig V2, P2, T2 paraméterek jellemzik. A kezdeti állapotból a végállapotba való átmenet két folyamat segítségével történjen: izoterm és izobár. Az első folyamat során a nyomást P1-ről P2-re változtatjuk. Az átmenet után a gáz térfogatát V-vel jelöljük, majd a Boyle-Mariotte törvény szerint Р1V1 = Р2V.

A második szakaszban a hőmérsékletet T1-ről T2-re csökkentjük, míg a hangerő V-ről V2-re változik; tehát Károly törvénye.

Az ideális gáz állapotegyenlete a Mengyelejev-Clapeyron egyenlet.

A (28) egyenletben szereplő állandó értéke, amelyet R-ként jelölünk, bármely gáz egy móljára azonos, ezért ezt az állandót nevezzük univerzális gázállandónak.

Határozzuk meg R számértékét SI-ben, amelynél figyelembe vesszük, hogy az Avogadro törvényéből következően bármely gáz egy mólja azonos nyomáson és azonos hőmérsékleten azonos térfogatot foglal el. Különösen Т0 = 273K és Р0 = 105 Pa nyomáson egy mól gáz térfogata egyenlő V0 = 22,4*10-і mі. Ekkor R = = 8,31 J/(mol * K).

A (29) egyenletből könnyen meghatározható egyenlet bármilyen tömegű gázra. Egy m tömegű gáz egy térfogatot fog elfoglalni

ahol M 1 mol tömege, m/M a gázmolok száma.

A (30) egyenletet Mengyelejev-Clapeyron egyenletnek nevezik, és ez a fő egyenlet, amely a termikus egyensúlyi állapotban lévő gáz paramétereit viszonyítja. Ezért ideális gáz állapotegyenletnek nevezik.

Hőmérséklet - az átlagos kinetikus energia mértéke

Az ideális gáz állapotegyenletének és a gázok kinetikai elméletének egy mólra felírt alapegyenletének összehasonlítása (ehhez az NA Avogadro-számmal egyenlő N molekulák számát vesszük).

Egy molekula transzlációs mozgásának átlagos kinetikus energiája nem függ a molekula természetétől, és arányos a T abszolút gázhőmérsékletével. Ebből következik, hogy az abszolút hőmérséklet a molekulák átlagos kinetikus energiájának mértéke.

A (31) egyenletben szereplő R/NA = k értéket Boltzmann-állandónak nevezzük, és ez a molekulánkénti gázállandó:

k \u003d 1,38 * 10-23 J / K-23.

A molekulák transzlációs mozgásának (31) átlagos kinetikai energiájának értékét behelyettesítve a gázok molekuláris-kinetikai elméletének alapegyenletébe, az ideális gáz állapotegyenletének egy másik formáját kapjuk:

A gáz nyomása arányos az egységnyi térfogatra jutó molekulák számának és termodinamikai hőmérsékletének szorzatával. A fűtőben a vezeték felületétől, vörösen izzó Áramütés, az ezüst atomok elpárolognak. A fűtőberendezésből a lyukon keresztül a vákuumkamrába jutva a gőzmolekulák egy résrendszer segítségével két szögsebességgel forgó korong felé irányított keskeny nyalábba alakulnak ki, amelyek a molekulák sebesség szerinti osztályozására szolgálnak. A lemezek rései közötti szög. Az X korongok közötti távolság nem változik a kísérlet során. Ahhoz, hogy egy gőzmolekula elérje a részecskedetektor vevőjét, át kell haladnia a lemezeken lévő réseken. Ehhez a V sebességgel mozgó molekula korongok közötti áthaladásának idejét meg kell egyeznie a második korong résének szöggel történő elfordulásának idejével.

1. definíció

Molekuláris kinetikai elmélet- ez az anyag szerkezetének és tulajdonságainak doktrínája, amely az atomok és molekulák, mint a kémiai anyagok legkisebb részecskéi létezésének gondolatán alapul.

A molekula molekuláris-kinetikai elméletének főbb rendelkezései:

Minden anyag lehet folyékony, szilárd és gáz halmazállapotú. Atomokból álló részecskékből állnak. Az elemi molekulák összetett szerkezetűek lehetnek, azaz több atomot is tartalmazhatnak. A molekulák és atomok elektromosan semleges részecskék, amelyek bizonyos körülmények között további elektromos töltést szereznek, és pozitív vagy negatív ionokká alakulnak.
Az atomok és molekulák folyamatosan mozognak.
Az elektromos erőjellegű részecskék kölcsönhatásba lépnek egymással.

Az MKT főbb rendelkezéseit és példáit fentebb felsoroltuk. A részecskék között kis gravitációs hatás lép fel.

3. ábra. egy . egy . Egy Brown-részecske pályája.

2. definíció

A molekulák és atomok Brown-mozgása megerősíti és kísérletileg alátámasztja a molekuláris kinetikai elmélet főbb rendelkezéseinek létezését. A részecskéknek ez a termikus mozgása folyadékban vagy gázban szuszpendált molekulákkal történik.

A molekuláris kinetikai elmélet főbb rendelkezéseinek kísérleti alátámasztása

1827-ben R. Brown fedezte fel ezt a mozgást, amely véletlenszerű becsapódásoknak és molekulák mozgásának volt köszönhető. Mivel a folyamat kaotikus volt, az ütések nem tudták kiegyenlíteni egymást. Ebből az a következtetés vonható le, hogy a Brown-részecske sebessége nem lehet állandó, folyamatosan változik, és az iránymozgást cikkcakkként ábrázolja, a 3. ábrán látható. egy . egy .

A. Einstein 1905-ben beszélt a Brown-mozgásról. Elméletét J. Perrin 1908-1911 közötti kísérletei igazolták.

3. definíció

Következmény Einstein elméletéből: eltolási négyzet< r 2 >a Brown-részecske kiindulási helyzetéhez viszonyított értéke, sok Brown-részecske átlagában, arányos a t megfigyelési idővel.

Kifejezés< r 2 >= D t megmagyarázza a diffúziós törvényt. Az elmélet szerint D monoton nő a hőmérséklet emelkedésével. Véletlenszerű mozgás diffúzió jelenlétében látható.

4. definíció

Diffúzió- ez a definíciója annak a jelenségnek, amikor két vagy több szomszédos anyag egymásba hatol.

Ez a folyamat gyorsan megy végbe egy inhomogén gázban. A különböző sűrűségű diffúziós példáknak köszönhetően homogén keveréket kaphatunk. Amikor az oxigén O 2 és a hidrogén H 2 ugyanabban az edényben van egy válaszfallal, amikor azt eltávolítják, a gázok keveredni kezdenek, és veszélyes keveréket képeznek. A folyamat akkor lehetséges, ha a hidrogén felül van, az oxigén pedig alul.

Folyadékokban is előfordulnak áthatolási folyamatok, de sokkal lassabban. Ha egy szilárd anyagot, a cukrot feloldunk vízben, homogén oldatot kapunk, ami jól példázza a folyadékokban zajló diffúziós folyamatokat. Nál nél valós körülmények a folyadékok és gázok keveredését gyors keverési folyamatok takarják el, például ha konvekciós áramok lépnek fel.

A szilárd anyagok diffúzióját lassú sebessége jellemzi. Ha a fémek kölcsönhatási felületét megtisztítják, akkor látható, hogy hosszú időn keresztül mindegyikben más fém atomjai jelennek meg.

5. definíció

A diffúziót és a Brown-mozgást rokon jelenségnek tekintik.

Mindkét anyag részecskéinek áthatolásával a mozgás véletlenszerű, vagyis a molekulák kaotikus hőmozgása történik.

A két molekula között ható erők a köztük lévő távolságtól függenek. A molekulák pozitív és negatív töltéssel is rendelkeznek. Nagy távolságokon az intermolekuláris vonzás erői, kis távolságokon a taszító erők érvényesülnek.

Kép 3 . 1 . 2 mutatja a molekulák közötti kölcsönhatás eredő F erőjének és E p potenciális energiájának függését a központjaik távolságától. R = r 0 távolságban a kölcsönhatási erő eltűnik. Ezt a távolságot feltételesen a molekula átmérőjének tekintjük. r = r 0 esetén a kölcsönhatás potenciális energiája minimális.

6. definíció

Két molekula r 0 távolsággal történő elmozdításához E 0 -t kell jelenteni, ún kötési energia vagy potenciális kút mélysége.

3. ábra. egy . 2.Az interakció ereje Fés a kölcsönhatás potenciális energiája E p két molekula. F > 0- taszító erő F< 0 - gravitációs erő.

Mivel a molekulák kis méretűek, az egyszerű egyatomos molekulák mérete nem haladhatja meg a 10-10 métert, az összetettek pedig akár több százszoros méreteket is elérhetnek.

7. definíció

A molekulák véletlenszerű véletlenszerű mozgását ún hőmozgás.

A hőmérséklet emelkedésével a hőmozgás kinetikai energiája nő. Alacsony hőmérsékleten az átlagos kinetikus energia a legtöbb esetben az kisebb érték a potenciálkút mélysége E 0 . Ez az eset azt mutatja, hogy a molekulák folyadékba vagy szilárd anyagba áramlanak, és a köztük lévő átlagos távolság r 0. Ha a hőmérséklet emelkedik, akkor a molekula átlagos kinetikus energiája meghaladja az E 0 értéket, akkor szétrepülnek és gáznemű anyagot képeznek.

Szilárd anyagokban a molekulák véletlenszerűen mozognak a rögzített centrumok, azaz egyensúlyi helyzetek körül. Térben szabálytalanul (amorf testekben) vagy rendezett ömlesztett struktúrák (kristályos testek) képződésével oszlik el.

Anyagok aggregált állapotai

A molekulák termikus mozgásának szabadsága a folyadékokban látható, mivel nem kötődnek a központokhoz, ami lehetővé teszi a mozgást a teljes térfogatban. Ez magyarázza a folyékonyságát.

8. definíció

Ha a molekulák közel vannak egymáshoz, akkor több molekulával rendezett struktúrákat alkothatnak. Ezt a jelenséget elnevezték zárja a rendet. távoli rend kristályos testekre jellemző.

A gázokban a molekulák közötti távolság sokkal nagyobb, ezért a ható erők kicsik, mozgásuk egyenes vonal mentén haladva várja a következő ütközést. A 10-8 m érték a levegőmolekulák közötti átlagos távolság normál körülmények között. Mivel az erők kölcsönhatása gyenge, a gázok kitágulnak, és az edény bármely térfogatát kitölthetik. Ha kölcsönhatásuk nullára irányul, akkor ideális gáz ábrázolásáról beszélünk.

Ideális gáz kinetikai modellje

A mikronban kifejezett anyagmennyiséget a részecskék számával arányosnak tekintjük.

9. definíció

anyajegy- ez annak az anyagnak a mennyisége, amely annyi részecskét (molekulát) tartalmaz, ahány atom van 0,012-g C 12 szénben. Egy szénmolekula egy atomból áll. Ebből következik, hogy 1 mól anyagnak ugyanannyi molekulája van. Ezt a számot hívják állandó Avogadro N A: N A \u003d 6, 02 ċ 1023 mol - 1.

Egy anyag mennyiségének meghatározására szolgáló képlet ν a részecskék számának N aránya az Avogadro-állandóhoz N A: ν = N N A.

10. definíció

Egy mól anyag tömege a moláris tömeget M-nek nevezzük. Az M \u003d N A ċ m 0 képlet alakjában rögzítjük.

A moláris tömeget kilogramm per mólban fejezzük ki (k g / mol b).

11. definíció

Ha az anyag összetételében egy atom van, akkor célszerű a részecske atomtömegéről beszélni. Az atom egysége a C 12 szénizotóp 1 12 tömege, az ún atomtömeg egységés így írva ( a. eszik.): 1 a. e. m. \u003d 1, 66 ċ 10 - 27 - g.

Ez az érték egybeesik a proton és a neutron tömegével.

12. definíció

Egy adott anyag atomjának vagy molekulájának tömegének arányát a szénatom tömegének 1 12-éhez ún. relatív tömeg.

Ha hibát észlel a szövegben, jelölje ki, és nyomja meg a Ctrl+Enter billentyűkombinációt

A molekuláris fizika tanulmányozása a gázok molekuláris-kinetikai elméletének tanulmányozásával kezdődik.

A gázok molekuláris kinetikai elmélete - a fizika egy ága, amely statisztikai módszerekkel vizsgálja tulajdonságaikat molekulaszerkezetük és a molekulák közötti kölcsönhatás bizonyos törvénye alapján.

A gáz (a görögül chaoc - káosz) egy anyag aggregált állapota, amelyben az azt alkotó atomok és molekulák gyengén kölcsönhatásba lépnek, és véletlenszerűen mozognak egymással való ütközés következtében, és elfoglalják a számukra biztosított teljes térfogatot.

A gázok kinetikai elmélete néhány általános elképzelésen és kísérleti tényen alapul. Tekintsünk először egy ideális gáznak nevezett modellt.

Ideális gáz - a molekula gáza, aminek tekinthető anyagi pontokés amelyeknél a molekulák kölcsönhatásának potenciális energiája elhanyagolható a mozgási energiájukhoz képest. A gázmolekulák egymás és az edény falai közötti ütközéseit abszolút rugalmasnak tekintjük.

Egyes valódi gázok tulajdonságait tekintve közel állnak az ideális gázhoz a normálishoz közeli körülmények között (oxigén, hélium), valamint alacsony nyomáson és magas hőmérsékleten.

makroszkopikus A gáz állapotát a nyomás, a hőmérséklet és a térfogat határozza meg. A nyomás, a hőmérséklet és a térfogat viszont a rendszer makroszkopikus állapotát jellemző paraméterek. mikroszkopikus a gáz állapotát az összes molekulájának helyzete és sebessége határozza meg.

A rendszerállapot-beállítások változhatnak. Bármely termodinamikai paraméter változását nevezzük termodinamikai folyamat. Ha a rendszer állapota idővel nem változik, akkor steady state. A rendszer stacionárius állapotát, amelyet nem külső folyamatok okoznak, ún a rendszer egyensúlyi állapota. A termodinamikai rendszer egyensúlyi állapotát leíró egyenletet ún állapotegyenlet.

A gázok molekuláris-kinetikai elméletének főbb rendelkezései

A molekuláris kinetikai elmélet első pozíciója a molekulák mozgásának teljes véletlenszerűsége. Egy gázban a molekulamozgás minden iránya egyenlő. Nincs olyan irány, amelyben a molekulák nagyobb számban mozognának, vagy amelyben a gyorsabbak dominálnának a molekula bármely más irányához képest.

A második alapállás a molekulák átlagos sebességének arányossága az abszolút hőmérsékletük négyzetgyökével. Ez az álláspont kísérletek eredménye.

A harmadik pozíció - a különböző gázok molekuláinak átlagos kinetikai energiái azonos hőmérsékleten megegyeznek egymással. Ez az álláspont is kísérletek eredménye.

1.1. A gázok kinetikai elméletének alapegyenlete

Az egyenlet levezetéséhez feltételezzük, hogy az edény ideális gázt tartalmaz. A gázmolekulák ütköznek egymással és az edény falával. A molekulák egymással való ütközése csak az energia molekulák közötti újraelosztásához vezet. Válasszunk ki egy elemi területet az edény falán, és számítsuk ki rajta a gáznyomást (1. ábra). Minden ütközésnél egy, a helyszínre merőlegesen mozgó molekula lendületet ad át neki
, ahol m a molekula tömege, v a sebessége. A platform t ideje alatt S csak azok a molekulák érik el, amelyeket a S alappal és vt magasságú henger térfogata tartalmaz. Ha n a molekulák koncentrációja, akkor ezeknek a molekuláknak a száma nSvt. Figyelembe kell azonban venni, hogy a molekulák a S terület felé eltérő szögben és különböző sebességgel mozognak. Mivel a molekulák mozgása kaotikus, három egymásra merőleges irányú mozgással helyettesíthető. Ráadásul, mivel egyik iránynak sincs előnye a többihez képest, így bármikor az összes molekula 1/3-a mindegyik mentén mozog, a fele pedig, pl. 1/6 az egyik irányba, a másik fele az ellenkező irányba. Ekkor t idővel a S terület eléri a molekulák számát, amely egyenlő
. Amikor egy platformmal S ütköznek, ezek a molekulák lendületet adnak át neki

Ekkor a gáz által az érfalra gyakorolt nyomás egyenlő

. (1.1.1)

Ahogy fentebb megjegyeztük, a molekulák különböző sebességgel mozognak v 1, v 2 , …, v n , ha a V gáztérfogat N molekulát tartalmaz, akkor a v sebesség helyett figyelembe kell venni négyzetes átlagsebesség

Ekkor az (1.1.1) egyenlet így írható fel

(1.1.2)

Az (1.1.2) egyenletet nevezzük az ideális gázok kinetikai elméletének alapegyenlete .

P
mivel a koncentráció n=N/V, ezért

vagy
,

ahol E  egy molekula átlagos kinetikus energiája, E a gáz mozgási energiája.

A nyomás arányos az egységnyi térfogatra jutó molekulák számával és a molekulák kinetikus energiájának átlagos értékével.

Az alapegyenletből levezethető az összes, a 18. században kísérletileg megállapított gáztörvény, adott gáztömegre a következő törvények érvényesek:

Boyle-Mariotte PV = állandó, T = állandó;

Meleg Lussac
p=const és
at V=const;

Dalton p=p1+p2+…+pn;

1 kilomól ideális gázra a Clapeyron-Mengyelejev képlet érvényes

, (1.1.4)

ahol R=8,314 J/(molK) az univerzális gázállandó. Egy mól gáz esetén N \u003d N A \u003d 6,0210 23 az Avagadro-szám. Ezért az Avogadro-szám bármely anyag egy móljában lévő molekulák száma. Az egységnyi térfogatra (1m 2) jutó gázmolekulák számát normál körülmények között (p=1,01310 -5 Pa, T=273K) Loschmidt-számnak nevezzük N L =2,68710 25 m -3. Ez egyenlő az Avogadro-szám osztva egy mól gáz térfogatával normál körülmények között V m \u003d 22,4110 -3 m 3 mol -1

Az (1.1.3) és (1.1.4) kifejezések összehasonlításával kapjuk

Figyelembe véve a Boltzmann-állandót (k=R/N A =1,3810 -23 J/K):

(1.1.5)

Kaptunk egy összefüggést egy molekula átlagos kinetikus energiájának a hőmérséklethez viszonyítva.

Hőfok - egy termodinamikai rendszer egyensúlyi állapotát jellemző fizikai mennyiség, amely arányos a rendszert alkotó részecskék kaotikus mozgásának átlagos kinetikus energiájával.

Különböző hőmérsékletű anyagok érintkezése esetén, pl. a részecskék kinetikus energiái, hőcsere megy végbe - hőmérséklet kiegyenlítés.

A hőmérséklet mérésére az anyagok fizikai tulajdonságainak a hőmérséklettől való függését (érintkezési potenciálkülönbség, hőtágulás, elektromos ellenállás függése, emissziós tényező stb.) használják.

Az (1.1.4) egyenletből megvizsgálhatjuk a hőmérséklet, a nyomás és a térfogat közötti összefüggést egy adott tömeg ideális gáz esetén.

ahol m a gáz tömege,

 a gáz moláris tömege,

 - anyajegyek száma,

N a molekulák száma egy adott térfogatú gázban.

Mivel azonos gáztömegű két különböző állapotra p 1 V 1 =NkT 1 és p 2 V 2 =NkT 2
azok.
(1.1.6)

A termodinamikai hőmérséklet egyenesen arányos a térfogat és a nyomás szorzatával (adott gáztömeg esetén).

Példaként a Mengyelejev-Clapeyron egyenlet alkalmazására tekintsük a hőmérséklet és nyomás változásának folyamatát állandó térfogatú V=const (izokhorikus folyamat). Ebben az esetben célszerű a nyomásnak a sűrűségtől és a hőmérséklettől való függését használni

, (1.1.7)

ahol  \u003d m /  - gázsűrűség (kg / m 3).

Az izokhor folyamat gráfja a p, T koordinátákban (1.1.2. ábra) az origón áthaladó egyenes. Az (1.1.7) függésből és a grafikonból az következik, hogy nagyobb sűrűség (vagy n koncentráció) nagyobb nyomásnak felel meg. Másrészt egy nagyobb V térfogat (m állandó tömeg mellett) az egyenesnek az abszcissza tengelyéhez viszonyított kisebb dőlésszögének felel meg - ez fordított összefüggés.

1. példa Határozza meg azt a hőmérsékletet, amelyen 4 m 2 gáz 1,510 5 Pa nyomást hoz létre, ha normál körülmények között a gáz 5 m 3 térfogatot foglal el.

Megoldás. Normál körülmények között, V 1 \u003d 5 m 3, p 1 \u003d 1 atm \u003d 101325 Pa, T 1 \u003d 273K, meg kell találni a T 2 értéket V 2 \u003d 4m 3, p 0 2d 1,510 5 Pa. Az (5) szerint megvan

ahol

Példa2. Hány molekulát lélegzel be, ha egy lélegzetvétellel 1 liter levegőt veszel be?

Megoldás. Egy kilomol térfogata 22,4 m 3, ami azt jelenti, hogy 1 liter levegő 110 -3 / 22,4 = 4,510 -5 kmol. Így 1 liter levegő 4,510 -5 6,0210 26 = 2,710 22 molekulát tartalmaz.

Példa3. Mi nehezebb, mint 1 m 3 száraz levegő vagy 1 m 3 nedves levegő azonos hőmérsékleten és nyomáson?  levegő \u003d 29 kg / kmol,  víz \u003d 18 kg / kmol.

Megoldás. A száraz levegő molekulájának átlagos tömege nagyobb, mint a vízgőzé. A molekulák száma mindkét esetben azonos, de nedves levegőben a molekulák egy részét könnyebb vízmolekulák helyettesítik, ezért 1m 3 száraz levegő nehezebb, mint 1 m 3 nedves levegő.

4. példa Hogyan változik egy adott tömegű gáz nyomása állandó térfogat mellett, ha a gáz hőmérsékletét megkétszerezzük, és minden molekula két atomra bomlik?

Megoldás.
, mivel N és T 2-szeresére nő, a nyomás 4-szeresére nő.

5. példa. Mutasd meg mit
.

Megoldás. Tekintsünk négy olyan molekulát, amelyek sebessége eltérő és egyenlő 1,2,3 és 4m/s. Átlag négyzet
egyenlő

és a négyzetes átlagsebesség az

Ha az egyes molekulák sebessége +1, -2, -3, +4 m/s, akkor
, a

Az anyag részecskékből áll.

Molekula az anyag legkisebb részecskéje, amelynek alapvető kémiai tulajdonságai vannak.

Egy molekula atomokból áll. Atom- az anyag legkisebb részecskéje, amely kémiai reakciókban nem osztódik.

Sok molekula két vagy több atomból áll, amelyeket kémiai kötések tartanak össze. Egyes molekulák több százezer atomból állnak.

A molekuláris kinetikai elmélet második pozíciója

A molekulák folyamatos kaotikus mozgásban vannak. Ez a mozgás nem függ külső hatásoktól. A mozgás a molekulák ütközése miatt előre nem látható irányban történik. A bizonyíték az Brown-mozgás részecskék (R. Brown fedezte fel 1827-ben). A részecskéket folyadékba vagy gázba helyezik, és az anyag molekuláival való ütközés következtében kiszámíthatatlan mozgásuk figyelhető meg.

Brown-mozgás

A kaotikus mozgás bizonyítéka az diffúzió- az egyik anyag molekuláinak behatolása egy másik anyag molekulái közötti résbe. Például a légfrissítő illatát nemcsak a permetezés helyén érezzük, hanem fokozatosan keveredik a levegő molekuláival az egész helyiségben.

Aggregált halmazállapot

NÁL NÉL gázok a molekulák közötti átlagos távolság több százszor nagyobb a méretüknél. A molekulák általában fokozatosan és egyenletesen mozognak. Az ütközések után forogni kezdenek.

NÁL NÉL folyadékok a molekulák közötti távolság sokkal kisebb. A molekulák vibrációs és transzlációs mozgást végeznek. A molekulák rövid időközönként új egyensúlyi helyzetekbe ugranak (figyeljük a folyadék folyékonyságát).

NÁL NÉL szilárd A testekben lévő molekulák oszcillálnak és nagyon ritkán mozognak (csak a hőmérséklet emelkedésével).

A molekuláris kinetikai elmélet harmadik pozíciója

Az elektromágneses természetű molekulák között kölcsönhatási erők lépnek fel. Ezek az erők lehetővé teszik a rugalmas erők kialakulásának magyarázatát. Egy anyag összenyomásakor a molekulák közelednek egymáshoz, taszító erő keletkezik közöttük, amikor a külső erők elmozdítják egymástól a molekulákat (kinyújtják az anyagot), vonzó erő keletkezik közöttük.