طبيعة حركة الجزيئات في الحالة الصلبة. الموسوعة الكبرى للنفط والغاز
صفحة 1
إن طبيعة الحركة الحرارية للجزيئات في السوائل أكثر تعقيدًا منها في المواد الصلبة. وفقا لنموذج مبسط فإن الحركات الحرارية لجزيئات السائل تمثل تذبذبات غير منتظمة حول مراكز معينة. قد تكون الطاقة الحركية لاهتزازات الجزيئات الفردية في بعض اللحظات كافية للتغلب على الروابط بين الجزيئات. ثم تتاح لهذه الجزيئات الفرصة للقفز إلى بيئة الجزيئات الأخرى، وبالتالي تغيير مركز التذبذب. وهكذا، لبعض الوقت، يسمى زمن الحياة المستقرة، يكون كل جزيء في نظام منظم مع عدة جزيئات أقرب. وبعد القفز، يجد الجزيء السائل نفسه بين جزيئات جديدة مرتبة بطريقة مختلفة. لذلك، يتم ملاحظة الترتيب قصير المدى فقط في ترتيب الجزيئات في السائل.
وبالنظر إلى الظروف على سطح الأرض، يمكن العثور على بعض المواد فقط بشكل طبيعي في الحالات الثلاث، مثل الماء. تحدث معظم المواد في حالة معينة. يتم حظر الجزيئات الفردية وتبقى في مكانها، غير قادرة على التحرك. على الرغم من أن ذرات وجزيئات المواد الصلبة في حالة حركة، إلا أن الحركة محدودة بالطاقة الاهتزازية، والجزيئات الفردية ثابتة في مكانها وتهتز جنبًا إلى جنب. مع ارتفاع درجة الحرارة جسم صلبويزداد عدد الاهتزازات، لكن المادة الصلبة تحتفظ بشكلها وحجمها حيث تستقر الجزيئات في مكانها ولا تتفاعل مع بعضها البعض.
تختلف طبيعة الحركة الحرارية للجزيئات في السائل بشكل كبير عن الحركة الحرارية لجزيئات الغاز. بسبب عشوائية الحركة الحرارية، تختلف سرعات واتساع تذبذبات الجزيئات المجاورة، ومن وقت لآخر تتباعد الجزيئات المجاورة عن بعضها البعض لدرجة أن الجزيئات الفردية تقفز على مسافة رتبة d، وتتعثر في أماكن جديدة مواقف التوازن والبدء في التأرجح حولها. مع زيادة درجة الحرارة، يزداد متوسط طاقة الحركة الحرارية، ومعه تزداد سعة التذبذبات وتواتر قفزات الجزيئات من موضع التوازن إلى الموضع المجاور.
لرؤية مثال على ذلك، انقر فوق الرسم المتحرك التالي، الذي يوضح التركيب الجزيئي لبلورات الجليد. على الرغم من أن الجزيئات الموجودة في السوائل يمكن أن تتحرك وتتصادم مع بعضها البعض، إلا أنها تظل قريبة نسبيًا، مثل المواد الصلبة. عادةً في السوائل، تعمل القوى بين الجزيئات على تثبيت الجزيئات معًا، ثم تتفكك بعد ذلك. مع زيادة درجة حرارة السائل، يزداد عدد حركات الجزيئات الفردية. ونتيجة لذلك، يمكن للسوائل أن "تدور" لتأخذ شكل الحاوية الخاصة بها، ولكن لا يمكن ضغطها بسهولة لأن الجزيئات قريبة جدًا من بعضها بالفعل.
تعتمد طبيعة الحركة الحرارية للجزيئات على طبيعة التفاعل بين الجزيئات وتتغير عند مرور المادة منها.
التزجج هو عملية سريعة لتغيير طبيعة الحركة الحرارية لجزيئات البوليمر في الحالة غير المتبلورة، والتي تحدث في نطاق درجة حرارة ضيق، اعتمادًا على معدل التشوه الذي يتم ملاحظته فيه. يحدث دون تغيرات في حجم البوليمر ودون تأثير حراري، ولكن مع تغير في معامل التمدد الحراري والحرارة النوعية.
ولذلك فإن السوائل شكل غير محددولكن بمبلغ معين. في المثال المتحرك التالي، نرى أن الماء السائل يتكون من جزيئات يمكنها الدوران بحرية، ولكنها مع ذلك تظل قريبة من بعضها البعض. وهكذا فإن جزيئات الغاز تتفاعل قليلا، وتتصادم أحيانا. في الحالة الغازية، تتحرك الجزيئات بسرعة وتدور بحرية في أي اتجاه، وتنتشر على مسافات طويلة. ومع ارتفاع درجة الحرارة، يزداد عدد حركات الجزيئات الفردية.
تتمدد الغازات لتملأ أوعيتها وتكون كثافتها منخفضة. نظرًا لأن الجزيئات الفردية منفصلة على نطاق واسع ويمكن أن تدور بحرية في الحالة الغازية، فإن الغازات يتم ضغطها بسهولة ويمكن تشكيلها إلى أجل غير مسمى. تتشكل البلازما في ظل ظروف طاقة عالية للغاية، كبيرة جدًا بحيث تنفصل الجزيئات ولا توجد سوى الذرات الحرة. والأكثر إثارة للدهشة هو أن البلازما لديها الكثير من الطاقة بحيث يتم فصل الإلكترونات الخارجية بقوة عن الذرات الفردية، وتشكل غازًا أيونيًا مشحونًا ونشطًا للغاية.
يكمن في حقيقة أن طبيعة الحركة الحرارية لجزيئات PD أقرب إلى الحركات الاهتزازية لذرات الشبكات البلورية والجزيئات السائلة منها إلى الحركة الحرة للجزيئات في الغازات النادرة.
القارئ ب: لقد أشرت سابقًا إلى أن طبيعة الحركة الحرارية للجزيئات تعتمد على التفاعل بين الجزيئات والتغيرات أثناء الانتقال من حالة التجميع إلى أخرى.
ونظرًا لأن الذرات الموجودة في البلازما توجد كأيونات مشحونة، فإن البلازما تتصرف بشكل مختلف عن الغازات وتشكل الحالة الرابعة للمادة. يمكن إدراك البلازما ببساطة من خلال النظر إلى الأعلى؛ إن ظروف الطاقة العالية الموجودة في النجوم، مثل الشمس، تدفع الذرات الفردية نحو حالة البلازما.
وكما رأينا، فإن زيادة الطاقة تؤدي إلى المزيد من الحركة الجزيئية. وعلى العكس من ذلك، يؤدي انخفاض الطاقة إلى حركة جزيئية أقل. ونتيجة لذلك، التنبؤ الجزيئي النظرية الحركيةهو أنه إذا انخفضت طاقة المادة سنصل إلى نقطة تتوقف عندها كل حركة الجزيئات. تسمى درجة الحرارة التي تتوقف عندها الحركة الجزيئية بالصفر المطلق ويتم حسابها على أنها -15 درجة مئوية. على الرغم من أن العلماء قاموا بتبريد المادة إلى درجة قريبة من الصفر المطلق، إلا أنهم لم يتمكنوا أبدًا من الوصول إلى درجة الحرارة هذه.
مثل هذا التقسيم للطيف المستمر للضوء المتناثر تمليه طبيعة الحركة الحرارية للجزيئات في السوائل.
يوفر التشتت الجزيئي للضوء معلومات قيمة للغاية حول بنية وطبيعة الحركة الحرارية للجزيئات في وسائط التشتت. تم نشر العمل في هذا المجال على جبهة واسعة في الثلاثينيات. لقد ساهموا بشكل كبير وما زالوا يساهمون في حل مشكلة الحالة السائلة للمادة. هنا مزايا العلماء السوفييت L. I. Mandelstam، G. S. Landsberg، L. D. Landau، E. F. Gross، S. M. Rytov وطلابهم رائعة بشكل خاص.
تكمن صعوبة مراقبة المادة عند درجة حرارة الصفر المطلق في أن الضوء يحتاج إلى "رؤية" المادة، وينقل الضوء الطاقة إلى المادة، مما يؤدي إلى رفع درجة الحرارة. وعلى الرغم من هذه التحديات، لاحظ العلماء مؤخرًا الحالة الخامسة للمادة التي لا توجد إلا عند درجات حرارة قريبة جدًا من الصفر المطلق.
وفي هذه الحالة الغريبة تصل جميع ذرات المتكثفات إلى نفس الحالة الميكانيكية الكمومية ويمكنها التدفق دون أي احتكاك مع بعضها البعض. تم أيضًا وصف أو ملاحظة العديد من حالات المادة الأخرى الأقل شيوعًا. وتشمل بعض هذه الحالات البلورات السائلة، والمكثفات الفرميونية، والسوائل الفائقة، والمواد الصلبة الفائقة، والمادة الغريبة المسماة على نحو مناسب.
لا يمكن استخدام نظرية الحالة السائلة عند مستواها الحالي، بسبب تعقيد بنية وطبيعة الحركة الحرارية للجزيئات، لوصف خصائص السوائل الحقيقية في نطاق واسع إلى حد ما من درجات الحرارة والضغوط. أفضل سيناريو النظرية الإحصائيةيسمح للمرء بإنشاء اعتماد نوعي فقط لخصائص توازن السوائل على معلمات الحالة ووظيفة التوزيع الشعاعي.
ويحدث هذا عند درجات حرارة منخفضة جدًا تقترب من الصفر المطلق. تم إنشاؤه لأول مرة في جامعة كولورادو. ويعتبره كثير من العلماء خطأ. تشير طبيعة المكثفات إلى أن جميع الجسيمات التي تتكون منها هي في نفس الحالة الكمومية، وهو أمر ممكن فقط إذا كانت الجسيمات المذكورة عبارة عن بوزونات. الآن يمنع مبدأ استبعاد باولي نفس زوج الفرميونات من استخدام نفس الحالة الكمومية في نفس الوقت. ولذلك، لا ينبغي أن تكون المكثفات الفرميونية موجودة.
وبالتالي، يمكن اعتبار التغير الطفيف في السعة الحرارية لجسم أثناء الذوبان دليلاً على أن طبيعة الحركة الحرارية للجزيئات في السوائل هي نفسها كما في المواد الصلبة، أي أن الجزيئات تتأرجح حول موضع التوازن.
هذه الاختلافات النوعية بين الحالة السائلة والصلبة للمادة ترجع إلى الاختلاف في تركيبها الجزيئي وفي طبيعة الحركة الحرارية للجزيئات. عند تسخينه، يتحول الجسم الصلب في ظل ظروف معينة إلى حالة سائلة - فهو يذوب. يتجمد السائل عندما تنخفض درجة الحرارة.
حقق جان تكثيف أزواج من ذرات الفرميونية. إن مجموع دورات زوج من الذرات بنفس الدوران سيكون دائمًا عددًا صحيحًا. إذا قام زوج من ذرات الفرميونية المتطابقة بتكوين جزيء، فسيكون له عدد صحيح من الدوران. ولذلك، فإن هذا الجزيء هو بوزون يمكن أن يتكثف.
في حين أنه من الممكن تشبيه زوج كوبر بالبوزون، إلا أن هذا لا يعني أن تكوين أزواج كوبر يعني تلقائيًا وجود تكاثف. للحصول على مكثفة من أزواج كوبر، من الضروري أن يتم تجميعها جميعًا في نفس الحالة الكمومية.
كما يشير سامويلوف، من أجل دراسة شاملة لمسألة ذوبان الأيونات في المحاليل الإلكتروليتية، لا يمكن أن يقتصر المرء على تحديد أرقام الذوبان وطاقة الذوبان، ولكن من الضروري أيضًا دراسة التغييرات التي تحدث عند إدخال الأيونات، وليس فقط في بنية المذيب، ولكن في طبيعة الحركة الحرارية لجزيئات المذيب. جميع التغييرات المذكورة أعلاه في المذيب ترجع بشكل رئيسي إلى نفس السبب - التفاعل بين الكهنة وجزيئات المذيب.
يتصرف المكثف الفرميوني كموجة وليس كجسيم، لأنه يظل مستقرًا لفترة قصيرة جدًا. جزيئات غاز الفرميونات هي فرميونات، وليست بوزونات، لأنه على الرغم من اتحاد الفرميونات فقط، إلا أنها ستكمل الدوران إلى عدد صحيح وتستقر عند تلك النقطة.
ينص مبدأ استبعاد باولي على أن الفرميونات لا يمكن أن يشغلا نفس الحالة الكمومية في نفس الوقت. تغير هذا مع مرور الوقت حيث قامت الإلكترونات بتثبيت الموجة، مما أعطاها شكلًا مستقرًا. أخذ جين وماركوس غرينر وسيندي ريغال خطوة أخرى إلى الأمام، وبفضل التجميد الفائق للجسيمات، اكتشفوا حالة جديدة للمادة، وهي الحالة السادسة، وهي غاز الفرميونيك. وفقًا لهؤلاء الفيزيائيين، يتكون الجليد الكمومي من البوزونات، وهي فئة من الجسيمات ذات طبيعة جماعية، وتميل قوانينها الإحصائية إلى تفضيل مجموعات متعددة من نفس الحالة الكمومية.
في السائل، توجد الجزيئات على مسافات صغيرة من بعضها البعض، وهناك قوى كبيرة للتفاعل بين الجزيئات بينهما. تختلف طبيعة الحركة الحرارية للجزيئات في السائل بشكل كبير عن حركة الجزيئات في الغاز. تتأرجح جزيئات السائل حول مواضع اتزان معينة.
ومع ذلك، يتكون غاز الفرميون بالكامل من الفرميونات. وهي، على عكس البوزونات، غير قابلة للانفصال، وبحكم التعريف، لا يمكن لأي منها أن يشغل نفس حالة الحركة. لا يمكن لزوج من الفرميونات المتطابقة أن يشغل نفس الحالة الكمومية. في درجات حرارة عاليةسلوك هذه الجسيمات الأولية يكاد يكون غير محسوس. ومع ذلك، عندما تبرد، فإنها تميل إلى البحث عن حالات طاقة أقل، وعند هذه النقطة تتكثف الطبيعة العدائية للبوزونات والفرميونات.
ولكن كيف تتصرف الفرميونات شديدة التجمد؟ لحل اللغز، استخدم فيزيائيو بولدر أشعة الليزر لالتقاط سحابة صغيرة مكونة من 1000 ذرة بوتاسيوم. ومن خلال الحد من حركتها الطبيعية، قاموا بتبريد الذرات إلى أجزاء من المليون فوق الصفر المطلق. ونظرًا لطبيعتها الغامضة، فإن فرميونات هذه الذرات يجب أن تتنافر، لكن هذا لم يكن الحال. ومن خلال تطبيق مجال مغناطيسي على الذرات شديدة البرودة، التقت لفترة وجيزة في أزواج وخلقت تكاثفًا رائعًا. ووفقا لأولياء الأمور في الولاية الجديدة، فإن هذه النتيجة يمكن أن تؤدي إلى مجموعة واسعة من التطبيقات العملية.
الحركة الحرارية هي الحركة الفوضوية للجزيئات والذرات والأيونات في الغازات والمواد الصلبة والسوائل. تعتمد طبيعة الحركة الحرارية للجزيئات والذرات والأيونات على حالة تجميع المادة وتحددها قوى التفاعل بين الجزيئات.
الأجهزة وملحقاتها: موصل سلكي مصنوع من المعدن المختبر، جهاز قياس، أدوات قياس كهربائية.
على سبيل المثال، يقدم غاز الفرميون خطًا جديدًا للبحث في الموصلية الفائقة، وهي الظاهرة التي تتدفق فيها الكهرباء دون مقاومة. قد تكون هناك عدة حالات يمكن تسميتها بالحالة السابعة للمادة. تحدث هذه الحالات فقط في ظل الظروف القاسية في الفضاء، أو تحدث فقط أثناء نظرية الانفجار الكبير.
في مادة متناظرة للغاية. في مسألة متناظرة ضعيفة. في بلازما غلوون كواركات. هي الإجراءات التي تعمل على فصل مكونات المخلوط سواء كانت صلبة أو سائلة أو خليط الغاز. الطرق الرئيسية لفصل المخاليط هي التصفية، والترشيح، والطرد المركزي، والذوبان الجزئي، وما إلى ذلك. هناك أيضًا طرق أخرى مثل التعويم، والغربلة، والرفع، والتهوية، والفصل المغناطيسي، والتبلور، والتسييل التجزيئي، والتبخر التجزيئي، والكروماتوغرافيا، والاستخلاص بالمذيبات.
حركة جزيئات الغازات والسوائل والمواد الصلبة
وفقًا للنظرية الحركية الجزيئية، أحد مؤسسيها هو العالم الروسي العظيم م.ف. لومونوسوف، تتكون جميع المواد من جزيئات صغيرة - جزيئات في حركة مستمرة وتتفاعل مع بعضها البعض.
الجزيء هو أصغر جسيم في المادة التي لها خواصها الكيميائية. جزيئات مواد مختلفةلها تركيب ذري مختلف.
مع العلم أن النظام عبارة عن خليط، يمكن استخدام طريقة أو أكثر لفصل المخاليط لعزل مكونين أو أكثر من مكونات الخليط. تسمى طرق فصل المخلوط بالتحليل الفوري دون تغيير طبيعة المواد. ولكل نوع من الخليط هناك عدة طرق مختلفةانفصال. فيما يلي الطرق الأكثر شيوعًا لفصل المزيج.
طريقة تستخدم لفصل المخاليط الصلبة والسائلة والسائلة والسائلة غير المتجانسة. أمثلة: الماء العكر والماء والزيت. وإذا تركنا دلو الماء العكر لفترة من الوقت، سنلاحظ أن الطين سوف يستقر، أي أنه سيتجه إلى قاع الدلو، وهذا بسبب كونه أكبر حجماً مقارنة بالماء. وبالتالي، يمكن إزالة الماء بسهولة من الدلو.
في طبيعة حركة جزيئات الغازات والسوائل والمواد الصلبة، هناك الكثير من القواسم المشتركة، وهناك أيضًا اختلافات كبيرة.
السمات المشتركةالحركة الجزيئية:
أ) متوسط السرعةكلما زاد عدد الجزيئات، ارتفعت درجة حرارة المادة؛
ب) يتم توزيع سرعات الجزيئات المختلفة لمادة معينة بحيث يكون عدد الجزيئات ذات سرعة معينة أكبر، وكلما كانت هذه السرعة أقرب إلى السرعة الأكثر احتمالية لحركة جزيئات مادة معينة عند درجة حرارة معينة.
يمكن إزالة الماء ويمكن فصل السوائل عن الخليط. ويمكن القول أن معظم الأشياء الموجودة في الطبيعة هي نوع من الخليط. الهواء الجوي والحجارة وأوراق النباتات وحتى الشعر هي أمثلة على المخاليط، وكل خليط يختلف عن الآخر الخصائص الفيزيائية. بالإضافة إلى ذلك، كل مكون من الخليط له خصائص فيزيائية وكيميائية فريدة من نوعها. أي أن حقيقة اختلاط المكونات لا تعني تغيراً في بنيتها الكيميائية الأساسية. عند تغيير الهيكل الرئيسي للمكون، تفاعل كيميائيبدلا من مجرد الخلط. وهكذا فإن حالات المادة الثلاث هي الصلبة والسائلة والغازية.
يرجع الاختلاف الكبير في طبيعة حركة جزيئات الغازات والسوائل والمواد الصلبة إلى اختلاف قوة تفاعل جزيئاتها، المرتبط بالاختلاف في متوسط المسافات بين الجزيئات.
في الغازات، يكون متوسط المسافات بين الجزيئات أكبر بعدة مرات من حجم الجزيئات نفسها. ونتيجة لذلك، فإن قوى التفاعل بين جزيئات الغاز تكون صغيرة وتتحرك الجزيئات في جميع أنحاء الوعاء الذي يوجد فيه الغاز، بشكل مستقل تقريبًا عن بعضها البعض، مما يغير اتجاه وحجم السرعة في الاصطدامات مع الجزيئات الأخرى ومع الجدران من السفينة. مسار جزيء الغاز عبارة عن خط متقطع يشبه مسار الحركة البراونية.
يتصرف مثل جسم صلب. عند محاولة تصنيف حالات المادة المختلفة، يقال عادةً أن هناك ثلاث حالات: الحالة الغازية، والحالة الغازية، والحالة الغازية. الحالة الصلبةوالحالة الصلبة. الفرق بين هذه الحالات المختلفة يتعلق بترتيب الذرات التي تشكل المادة واختلاط الجزيئات التي تشكلها.
وبما أن هذه الجزيئات متباعدة جدًا، فإننا نفهم أن الغازات خفيفة: وزن الغاز هو في المقام الأول وزن الفراغ بين الجزيئات، وأن الغازات تشغل كل المساحة الموجودة فيها: الجزيئات كثيرة جدًا لدرجة أنها ليست حساسة للجاذبية .
متوسط المسار الحر لجزيئات الغاز، أي. يعتمد متوسط طول مسار الجزيئات بين تصادمين متتاليين على ضغط الغاز ودرجة حرارته. في درجة الحرارة العاديةوالضغط يكون المسار الحر حوالي 10 -5 سم، وتتصادم جزيئات الغاز مع بعضها البعض أو مع جدران الوعاء حوالي 1010 مرات في الثانية، مما يغير اتجاه حركتها. وهذا ما يفسر حقيقة أن معدل انتشار الغازات صغير مقارنة بمعدل الحركة الانتقالية لجزيئات الغاز، والتي في الظروف العادية أكبر بحوالي 1.5 مرة من سرعة الصوت في غاز معين وتساوي 500 م/ث. .
في السوائل، تكون المسافات بين الجزيئات أصغر بكثير منها في الغازات. إن قوى تفاعل كل جزيء مع جيرانه كبيرة بما فيه الكفاية، ونتيجة لذلك تتأرجح جزيئات السائل حول بعض مواضع التوازن المتوسطة. في الوقت نفسه، نظرًا لأن متوسط \u200b\u200bالطاقة الحركية للجزيئات السائلة يشبه طاقة تفاعلها، فإن الجزيئات ذات الفائض العشوائي من الطاقة الحركية تتغلب على تفاعل الجزيئات المجاورة وتغير مركز التذبذب. تقفز جسيمات السائل المتذبذبة عمليًا في فترات زمنية قصيرة جدًا (حوالي 10 -8 ثوانٍ) في الفضاء.
وهكذا فإن السائل يتكون من العديد من المناطق المجهرية التي يوجد فيها بعض النظام في ترتيب الجسيمات القريبة، والتي تتغير مع الزمان والمكان، أي. لا يتكرر في كامل حجم السائل. ويقال أن مثل هذا الهيكل لديه أمر قصير المدى .
في المواد الصلبة، تكون المسافات بين الجزيئات أصغر، ونتيجة لذلك تكون قوى تفاعل كل جزيء مع الجزيء المجاور كبيرة جدًا يقوم الجزيء بإجراء تذبذبات صغيرة فقط حول موضع توازن ثابت معين - العقدة. في الجسم البلوري، هناك ترتيب متبادل محدد للعقد، وهو ما يسمى شعرية الكريستال. يتم تحديد طبيعة الشبكة البلورية حسب طبيعة التفاعلات بين الجزيئات لمادة معينة.
ينطبق ما سبق على المادة الصلبة البلورية المثالية. في البلورات الحقيقية، هناك انتهاكات مختلفة للترتيب التي تحدث أثناء تبلور المادة.
جنبا إلى جنب مع البلورات، هناك أيضا مواد صلبة غير متبلورة في الطبيعة، حيث، على غرار السوائل، تهتز الذرات حول العقد الموجودة بشكل عشوائي. ومع ذلك، فإن حركة جزيئات الجسم غير المتبلور من مركز تذبذب إلى آخر تحدث على فترات زمنية طويلة بحيث تكون الأجسام غير المتبلورة عمليًا أجسامًا صلبة.
توصيل حراري
الموصلية الحرارية هي انتقال الحرارة الذي يحدث في وجود تدرج في درجة الحرارة وينتج عن الحركة الحرارية للجزيئات. يوضح الشكل 1 أ جسمًا مستقيمًا
على شكل فحم مع القاعدتين 1 و 2 تقعان بشكل طبيعي على المحور س.دع درجة حرارة الجسم تكون دالة لإحداثيات واحدة تي = تي(س)، حيث دي تي/دي إكس < 0 (температура убывает в положительном направлении оси X). ثم تنتقل الحرارة من خلال أي جزء من أجزاء الجسم المتوضع على المحور المختار، وهو ما وصفه قانون فورييه (1820).
حيث ∆ س- كمية الحرارة المنقولة عبر المنطقة ذات المقطع العرضي سفي الوقت المناسب Δ رج- معامل التوصيل الحراري حسب خواص المادة. تشير علامة الطرح (1) إلى أن انتقال الحرارة موجه نحو انخفاض درجة الحرارة (عكس التدرج الحراري دي تي/دي إكس). إذا كان الجسم متجانسًا وكانت العملية ثابتة، فإن درجة الحرارة تنخفض على طول المحور Xخطي: dT/dx=const(الشكل 1 ب).
يسمح لنا التعبير (1) بإيجاد الكثافة تدفق الحرارة(تدفق الحرارة خلال وحدة المساحة لكل وحدة زمنية):
ويترتب على هذا الأخير أن
معامل التوصيل الحراري يساوي عدديًا كمية الحرارة المنقولة عبر وحدة مساحة السطح لكل وحدة زمنية عند تدرج درجة حرارة الوحدة. .
عند تحديد التوصيل الحراري للغازات والسوائل، من الضروري استبعاد الأنواع الأخرى من نقل الحرارة بعناية - الحمل الحراري (تحريك الأجزاء الأكثر سخونة من الوسط لأعلى وخفض الأجزاء الباردة) ونقل الحرارة عن طريق الإشعاع (نقل الحرارة الإشعاعي).
تعتمد الموصلية الحرارية للمادة على حالتها. الجدول الأول يوضح قيم التوصيل الحراري لبعض المواد.
الجدول الأول
بالنسبة للسوائل (إذا استثنينا المعادن السائلة)، يكون معامل التوصيل الحراري في المتوسط أقل من معامل التوصيل الحراري للمواد الصلبة، وأكبر من معامل التوصيل الحراري للغازات. تزداد الموصلية الحرارية للغازات والمعادن مع زيادة درجة الحرارة، بينما تنخفض السوائل عادة.
بالنسبة للغازات، تتيح نظرية الحركية الجزيئية إثبات أن معامل التوصيل الحراري يساوي
أين هو متوسط المسار الحر للجزيئات،
متوسط سرعة حركتهم، ص - الكثافة، السيرة الذاتيةهي السعة الحرارية النوعية المتساوية.
آلية التوصيل الحراري للغازات والسوائل والمواد الصلبة
عشوائية الحركة الحرارية لجزيئات الغاز والتصادمات المستمرة بينها تؤدي إلى اختلاط الجزيئات بشكل مستمر وتغير في سرعتها وطاقاتها. في غاز تحدث التوصيل الحراري عندما يكون هناك اختلاف في درجة الحرارة فيه نتيجة لبعض الأسباب الخارجية. تمتلك جزيئات الغاز الموجودة في أماكن مختلفة من حجمها متوسطًا مختلفًا من الطاقات الحركية. ولذلك، أثناء الحركة الحرارية الفوضوية للجزيئات، نقل الطاقة الموجهة . الجزيئات التي تسقط من الأجزاء الساخنة من الغاز إلى الأجزاء الباردة تعطي فائضًا من طاقتها إلى الجزيئات المحيطة. على العكس من ذلك، فإن الجزيئات التي تتحرك ببطء، من الأجزاء الباردة إلى الأجزاء الأكثر سخونة، تزيد من طاقتها بسبب اصطدامها بالجزيئات ذات السرعات العالية.
توصيل حراري في السوائل كما هو الحال في الغازات، ويحدث في وجود تدرج في درجة الحرارة. ومع ذلك، إذا انتقلت الطاقة في الغازات أثناء تصادم الجسيمات التي تقوم بحركات انتقالية، فإن الطاقة في السوائل تنتقل أثناء تصادم الجسيمات المتذبذبة. تتأرجح الجسيمات ذات الطاقة الأعلى بسعة أكبر، وعندما تصطدم بجزيئات أخرى، تهزها كما لو كانت تنقل الطاقة إليها. مثل هذه الآلية لنقل الطاقة، مثلها مثل الآلية العاملة في الغازات، لا تضمن نقلها السريع وبالتالي فإن التوصيل الحراري للسوائل منخفض للغاية، على الرغم من أنها تتجاوز التوصيل الحراري للغازات بعدة مرات. الاستثناء هو المعادن السائلة، التي تكون معاملات التوصيل الحراري الخاصة بها قريبة من معاملات المعادن الصلبة. يتم تفسير ذلك بحقيقة أنه في المعادن السائلة يتم نقل الحرارة ليس فقط مع نقل الاهتزازات من جسيم إلى آخر، ولكن أيضًا بمساعدة الجزيئات المتنقلة المشحونة كهربائيًا - الإلكترونات الموجودة في المعادن، ولكنها غائبة في السوائل الأخرى .
إذا كان في جسم صلب فيوجد اختلاف في درجات الحرارة بين أجزائه المختلفة، فكما يحدث في الغازات والسوائل، تنتقل الحرارة من الجزء الأكثر حرارة إلى الجزء الأقل حرارة.
على عكس السوائل والغازات، لا يمكن أن يحدث الحمل الحراري في جسم صلب، أي. حركة كتلة المادة بالحرارة. لذلك، يتم نقل الحرارة في المادة الصلبة فقط عن طريق التوصيل الحراري.
آلية انتقال الحرارة في المادة الصلبة تتبع طبيعة الحركات الحرارية فيها. الجسم الصلب عبارة عن مجموعة من الذرات التي تهتز. لكن هذه التقلبات
مستقلة عن بعضها البعض.يمكن أن تنتقل الاهتزازات (بسرعة الصوت) من ذرة إلى أخرى. في هذه الحالة تتشكل موجة تنقل طاقة الاهتزازات. مثل هذا الانتشار للتذبذبات هو نقل الحرارة.
من الناحية الكمية، يتم وصف انتقال الحرارة في الجسم الصلب بالتعبير (1). لا يمكن حساب قيمة معامل التوصيل الحراري c بنفس الطريقة التي يتم بها حساب الغاز - وهو نظام أبسط يتكون من جزيئات غير متفاعلة.
يمكن إجراء حساب تقريبي للتوصيل الحراري للمادة الصلبة باستخدام المفاهيم الكمومية.
نظرية الكميسمح لنا بمقارنة أشباه جسيمات معينة تنتشر في مادة صلبة بسرعة الصوت مع الاهتزازات - فونونات. يتميز كل جسيم بطاقة تساوي ثابت بلانك مضروبًا في تردد التذبذب n. وبالتالي فإن طاقة كمية من الاهتزازات - أي الفونون - تساوي حن.
إذا استخدمنا مفهوم الفونونات، فيمكننا القول أن الحركات الحرارية في المادة الصلبة تحدث بسببها على وجه التحديد، بحيث لا توجد فونونات عند الصفر المطلق، ومع زيادة درجة الحرارة يزداد عددها، ولكن ليس خطيًا، ولكن وفقًا لـ قانون أكثر تعقيدا (في درجات حرارة منخفضة، درجة حرارة مكعب متناسبة).
يمكننا الآن أن نعتبر الجسم الصلب بمثابة وعاء يحتوي على غاز من الفونونات، وهو غاز يمكن اعتباره غازًا مثاليًا عند درجات حرارة عالية جدًا. كما هو الحال في الغاز العادي، يتم نقل الحرارة في غاز الفونون عن طريق تصادم الفونونات مع ذرات شبكية، وجميع الحجج لصالح غاز مثاليصحيحة هنا أيضا. لذلك، يمكن التعبير عن التوصيل الحراري للمادة الصلبة بنفس الصيغة تمامًا
حيث r هي كثافة الجسم، السيرة الذاتيةهي قدرتها الحرارية المحددة، معهي سرعة الصوت في الجسم، l هو متوسط المسار الحر للفونونات.
في المعادن، بالإضافة إلى اهتزازات الشبكة، تشارك أيضًا الجسيمات المشحونة والإلكترونات في نقل الحرارة، والتي تكون في نفس الوقت حاملة للتيار الكهربائي في المعدن. في درجات حرارة عالية إلكتروني جزء من الموصلية الحرارية أكبر من ذلك بكثير بنية . وهذا ما يفسر الموصلية الحرارية العالية للمعادن مقارنة بغير المعادن، حيث تكون الفونونات هي الناقلات الحرارية الوحيدة. يمكن حساب معامل التوصيل الحراري للمعادن بالصيغة:
أين هو متوسط المسار الحر للإلكترونات، هو متوسط سرعة حركتها الحرارية.
في الموصلات الفائقة، حيث لا يواجه التيار الكهربائي مقاومة، لا يوجد عمليا أي موصلية حرارية إلكترونية: الإلكترونات التي تحمل شحنة دون مقاومة لا تشارك في نقل الحرارة، والتوصيل الحراري في الموصلات الفائقة عبارة عن شبكة بحتة.
قانون فيدمان-فرانز
تتمتع المعادن بموصلية كهربائية عالية وموصلية حرارية عالية. ويفسر ذلك حقيقة أن حاملات التيار والحرارة في المعادن هي نفس الجسيمات - الإلكترونات الحرة التي، عند خلطها في المعدن، لا تحمل شحنة كهربائية فحسب، بل تحمل أيضًا طاقة الحركة الفوضوية (الحرارية) المتأصلة في لهم، أي. تنفيذ نقل الحرارة.
في عام 1853، وضع فيدمان وفرانز بشكل تجريبي قانونًا ينص على: نسبة التوصيل الحراريج إلى الموصلية الكهربائيةس بالنسبة للمعادن التي لها نفس درجة الحرارة هي نفسها وتزداد بما يتناسب مع درجة الحرارة الديناميكية الحرارية:
أين كو ههي الثوابت (ثابت بولتزمان وشحنة الإلكترون).
باعتبار الإلكترونات غازًا أحادي الذرة، بالنسبة لمعامل التوصيل الحراري يمكن استخدام تعبير النظرية الحركية للغازات
أين ن × م= r هي كثافة الغاز.
حرارة نوعيةغاز أحادي الذرة يساوي . استبدال هذه القيمة في التعبير عن χ نحصل عليه
وفقا للنظرية الكلاسيكية للمعادن، الموصلية الكهربائية
ثم العلاقة
بعد الاستبدال، نصل إلى العلاقة (5)، التي تعبر عن قانون فيدمان-فرانز .
استبدال القيم ك= 1.38 10 -23 جول/ك و ه= 1.60 10 -19 C في الصيغة (5)، نجد
إذا، باستخدام هذه الصيغة، حساب القيمة لجميع المعادن في ت\u003d 300 K، ثم نحصل على 6.7 10 -6 J Ω / s K. يتوافق قانون فيدمان-فرانز بالنسبة لمعظم المعادن مع الخبرة عند درجات حرارة تتراوح بين 100-400 كلفن، ولكن عند درجات الحرارة المنخفضة ينتهك القانون بشكل كبير. تعتبر التناقضات بين البيانات المحسوبة والتجريبية في درجات الحرارة المنخفضة كبيرة بشكل خاص بالنسبة للفضة والنحاس والذهب. هناك معادن (البريليوم والمنغنيز) لا تخضع لقانون فيدمان-فرانز على الإطلاق.