ماهیت حرکت مولکول ها در حالت جامد. دایره المعارف بزرگ نفت و گاز

صفحه 1

ماهیت حرکت حرارتی مولکول ها در مایعات پیچیده تر از جامدات است. طبق یک مدل ساده شده، حرکات حرارتی مولکول های مایع نشان دهنده ارتعاشات نامنظم نسبت به مراکز خاص است. انرژی جنبشی ارتعاشات مولکول های منفرد در برخی لحظات ممکن است برای غلبه بر پیوندهای بین مولکولی کافی باشد. سپس این مولکول ها این فرصت را دارند که به محیط مولکول های دیگر بپرند و در نتیجه مرکز ارتعاش را تغییر دهند. بنابراین، هر مولکول برای مدتی / که زمان زندگی بی تحرک نامیده می شود، در یک تشکیل منظم با چندین مولکول مجاور قرار دارد. پس از پرش، مولکول مایع خود را در میان مولکول‌های جدید می‌یابد که به روشی متفاوت چیده شده‌اند. بنابراین، فقط نظم کوتاه برد در آرایش مولکول ها در مایع مشاهده می شود.

ماهیت حرکت حرارتی مولکول ها در یک مایع به طور قابل توجهی با حرکت حرارتی مولکول های گاز متفاوت است. به دلیل ماهیت آشفته حرکت حرارتی، سرعت و دامنه ارتعاشات مولکول های همسایه متفاوت است و هر از گاهی مولکول های همسایه آنقدر از یکدیگر واگرا می شوند که تک تک مولکول ها از فاصله ای برابر با d می پرند و در حالت جدید گیر می کنند. موقعیت های تعادلی پیدا کرده و در اطراف آنها شروع به ارتعاش می کنند. با افزایش دما، میانگین انرژی حرکت حرارتی و همراه با آن دامنه ارتعاشات و فرکانس پرش مولکول ها از یک موقعیت تعادلی به موقعیت های همسایه افزایش می یابد.

ماهیت حرکت حرارتی مولکول ها به ماهیت برهمکنش مولکول ها بستگی دارد و با عبور ماده از آن تغییر می کند.

انتقال شیشه ای یک فرآیند سریع تغییر ماهیت حرکت حرارتی مولکول های پلیمر در حالت آمورف است که در محدوده دمایی باریکی رخ می دهد، بسته به سرعت تغییر شکلی که در آن مشاهده می شود. بدون تغییر در حجم پلیمر و بدون اثر حرارتی، اما با تغییر در ضریب انبساط حرارتی و ظرفیت گرمایی ویژه رخ می دهد.

این در این واقعیت نهفته است که ماهیت حرکت حرارتی مولکول‌های PD به حرکات ارتعاشی اتم‌ها در شبکه‌های کریستالی و مولکول‌های مایع نزدیک‌تر است تا حرکت آزاد ذرات در گازهای کمیاب.

خواننده B: قبلاً اشاره کردید که ماهیت حرکت حرارتی مولکول ها به برهمکنش بین مولکولی بستگی دارد و در طول انتقال از یک حالت تجمع به حالت دیگر تغییر می کند.

این تقسیم طیف پیوسته نور پراکنده به دلیل ماهیت حرکت حرارتی مولکول ها در مایعات است.

پراکندگی نور مولکولی اطلاعات بسیار ارزشمندی در مورد ساختار و ماهیت حرکت حرارتی مولکول های محیط پراکنده ارائه می دهد. کار در این زمینه در دهه 30 در یک جبهه گسترده توسعه یافت. آنها به طور قابل توجهی به حل مشکل حالت مایع ماده کمک کرده و دارند. در اینجا، شایستگی دانشمندان شوروی L. I. Mandelstam، G. S. Landsberg، L. D. Landau، E. F. Gross، S. M. Rytov و شاگردان آنها بسیار عالی است.

تئوری حالت مایع در سطح فعلی خود، به دلیل پیچیدگی ساختار و ماهیت حرکت حرارتی مولکول ها، نمی تواند برای توصیف خواص مایعات واقعی در محدوده نسبتاً وسیعی از دما و فشار استفاده شود. بهترین سناریو نظریه آماریبه ما اجازه می دهد تا فقط یک وابستگی کیفی از خواص تعادلی مایعات به پارامترهای حالت و تابع توزیع شعاعی ایجاد کنیم.

بنابراین، یک تغییر کوچک در ظرفیت گرمایی یک جسم در حین ذوب را می توان به عنوان شاهدی بر این موضوع دانست که ماهیت حرکت حرارتی مولکول ها در مایعات مانند جامدات است، یعنی مولکول ها در اطراف موقعیت تعادل ارتعاش می کنند.

این تفاوت های کیفی بین حالت مایع و جامد ماده به دلیل تفاوت در ساختار مولکولی آنها و در ماهیت حرکت حرارتی مولکول ها است. هنگامی که گرم می شود، یک جامد تحت شرایط خاص به حالت مایع تبدیل می شود - ذوب می شود. مایع با کاهش دما سخت می شود.

همانطور که سامویلوف اشاره می کند، برای بررسی جامع مسئله حلالیت یون ها در محلول های الکترولیت، نمی توان خود را به تعیین اعداد حلالیت و انرژی حلالیت محدود کرد، بلکه لازم است تغییراتی را که با معرفی یون ها رخ می دهد نیز بررسی کرد. نه تنها در ساختار حلال، بلکه در ماهیت حرکت حرارتی مولکول های حلال. تمام تغییرات فوق در حلال عمدتاً به دلیل یکسان است - برهمکنش بین مولکول های حلال.

در یک مایع، مولکول ها در فواصل کوتاهی از یکدیگر قرار دارند و نیروهای برهمکنش بین مولکولی قابل توجهی بین آنها وجود دارد. ماهیت حرکت حرارتی مولکول ها در یک مایع به طور قابل توجهی با حرکت مولکول ها در یک گاز متفاوت است. مولکول های مایع در اطراف موقعیت های تعادل خاصی ارتعاش می کنند.

حرکت حرارتی حرکت بی نظم مولکول ها، اتم ها و یون ها در گازها، جامدات و مایعات است. ماهیت حرکت حرارتی مولکول ها، اتم ها و یون ها به حالت تجمع ماده بستگی دارد و توسط نیروهای برهمکنش بین مولکولی تعیین می شود.

ابزار و لوازم جانبی: هادی سیم ساخته شده از فلز مورد آزمایش، نصب برای اندازه گیری، ابزار اندازه گیری الکتریکی.

حرکت مولکول های گازها، مایعات و جامدات

طبق نظریه جنبشی مولکولی که یکی از خالقان آن دانشمند بزرگ روسی M.V. لومونوسوف، همه مواد از ذرات ریز تشکیل شده اند - مولکول هایی که در حرکت مداوم هستند و با یکدیگر تعامل دارند.

یک مولکول کوچکترین ذره یک ماده است که دارای خواص شیمیایی است. مولکول ها مواد مختلفترکیبات اتمی متفاوتی دارند.

شباهت های زیادی در ماهیت حرکت مولکول های گازها، مایعات و جامدات وجود دارد، اما تفاوت های قابل توجهی نیز وجود دارد.

ویژگی های مشترکحرکت مولکولی:

آ) سرعت متوسطهر چه دمای ماده بالاتر باشد، مولکول های بیشتری وجود دارد.

ب) سرعت های مولکول های مختلف یک ماده به گونه ای توزیع شده است که هر چه این سرعت به محتمل ترین سرعت حرکت مولکول های یک ماده در دمای معین نزدیک تر باشد، تعداد مولکول های دارای یک یا بیشتر است. سرعت دیگر

تفاوت قابل توجه در ماهیت حرکت مولکول های گازها، مایعات و جامدات با تفاوت در برهمکنش نیرو مولکول های آنها، مرتبط با تفاوت در فاصله متوسط ​​بین مولکول ها توضیح داده می شود.

در گازها، فاصله متوسط ​​بین مولکول ها چندین برابر بزرگتر از اندازه خود مولکول ها است. در نتیجه، نیروهای برهمکنش بین مولکول‌های گاز کوچک است و مولکول‌ها در سرتاسر ظرفی که گاز در آن قرار دارد، تقریباً مستقل از یکدیگر حرکت می‌کنند و در هنگام برخورد با مولکول‌های دیگر و با دیواره‌های گاز، جهت و میزان سرعت را تغییر می‌دهند. کشتی. مسیر یک مولکول گاز یک خط شکسته است، شبیه به مسیر حرکت براونی.

مسیر آزاد مولکول های گاز، یعنی. میانگین طول مسیر مولکول ها بین دو برخورد متوالی به فشار و دمای گاز بستگی دارد. در دمای معمولیو فشار، میانگین مسیر آزاد حدود 10-5 سانتی متر است. مولکول های گاز تقریباً 1010 بار در ثانیه با یکدیگر یا با دیواره های ظرف برخورد می کنند و جهت حرکت آنها تغییر می کند. این واقعیت را توضیح می دهد که سرعت انتشار گازها در مقایسه با سرعت حرکت انتقالی مولکول های گاز کم است که در شرایط عادی تقریباً 1.5 برابر سرعت صوت در یک گاز معین و برابر با 500 متر بر ثانیه است.

در مایعات، فاصله بین مولکول ها بسیار کمتر از گازها است. نیروهای برهمکنش بین هر مولکول و همسایگان آن بسیار زیاد است، در نتیجه مولکول‌های مایع حول موقعیت‌های تعادل متوسط ​​خاصی در نوسان هستند. در عین حال، از آنجایی که میانگین انرژی جنبشی مولکول های مایع با انرژی برهمکنش آنها قابل مقایسه است، مولکول هایی با انرژی جنبشی اضافی تصادفی بر اندرکنش ذرات همسایه غلبه کرده و مرکز ارتعاش را تغییر می دهند. ذرات مایع در حال نوسان عملاً به طور ناگهانی در فضا در فواصل بسیار کوتاه (~10-8 ثانیه) حرکت می کنند.

بنابراین، یک مایع شامل بسیاری از مناطق میکروسکوپی است که در آنها نظمی در آرایش ذرات نزدیک وجود دارد که با زمان و مکان تغییر می کند، یعنی. در کل حجم مایع تکرار نمی شود. چنین ساختاری گفته می شود سفارش بستن .

در جامدات، فواصل بین مولکول ها حتی کمتر است، در نتیجه نیروهای برهمکنش بین هر مولکول و همسایگان آن به قدری زیاد است که مولکول فقط ارتعاشات کوچکی را در اطراف یک موقعیت تعادل ثابت خاص انجام می دهد - یک گره. در یک جسم کریستالی آرایش نسبی خاصی از گره ها وجود دارد که به آن می گویند شبکه کریستالی ماهیت شبکه کریستالی توسط ماهیت برهمکنش های بین مولکولی یک ماده مشخص می شود.

موارد فوق در مورد یک جامد کریستالی ایده آل صدق می کند. در کریستال های واقعی اختلالات مختلفی در نظم وجود دارد که در طی تبلور یک ماده ایجاد می شود.

همراه با کریستال ها، جامدات بی شکل نیز در طبیعت وجود دارند که در آن ها، مانند مایعات، اتم ها در اطراف گره هایی که به طور تصادفی واقع شده اند به ارتعاش در می آیند. با این حال، حرکت ذرات یک جسم بی شکل از یک مرکز ارتعاش به مرکز ارتعاش دیگر در فواصل زمانی زیادی رخ می دهد که اجسام آمورف عملا اجسام جامد هستند.

رسانایی گرمایی

رسانایی حرارتی انتقال حرارتی است که در حضور یک گرادیان دما رخ می دهد و در اثر حرکت حرارتی ذرات ایجاد می شود. شکل 1a یک بدن مستقیم را نشان می دهد

زغال سنگ با پایه های 1 و 2 که در حالت عادی نسبت به محور قرار دارند ایکس.بگذارید دمای بدن تابعی از یک مختصات باشد T = T(x)، که در آن dT/dx < 0 (температура убывает в положительном направлении оси ایکس). سپس، از طریق هر بخش از بدن که به محور انتخاب شده نرمال است، گرما منتقل می شود که توسط قانون فوریه (1820) توضیح داده شده است.

جایی که Δ س– مقدار گرمای منتقل شده از ناحیه توسط بخش اسدر زمان Δ تی، c ضریب هدایت حرارتی است که بستگی به خواص ماده دارد. علامت منفی در (1) نشان می دهد که انتقال حرارت به سمت کاهش دما (بر خلاف گرادیان دما) هدایت می شود. dT/dx). اگر بدن همگن باشد و فرآیند ثابت باشد، دما در امتداد محور کاهش می یابد ایکسخطی: dT/dx=const(شکل 1، ب).

عبارت (1) به شما امکان می دهد چگالی را پیدا کنید جریان دما(جریان گرما از طریق واحد سطح در واحد زمان):

از دومی چنین بر می آید که

ضریب هدایت حرارتی از نظر عددی برابر با مقدار گرمای منتقل شده از طریق واحد سطح در واحد زمان با گرادیان دمای واحد است. .

هنگام تعیین رسانایی حرارتی گازها و مایعات، لازم است که سایر انواع انتقال حرارت - همرفت (حرکت قسمت های گرمتر محیط به سمت بالا و پایین آمدن قسمت های سردتر) و انتقال حرارت توسط تابش (انتقال حرارت تابشی) را به دقت حذف کنید.

هدایت حرارتی یک ماده به حالت آن بستگی دارد. جدول I مقادیر ضریب هدایت حرارتی برخی از مواد را نشان می دهد.

جدول I

مایعات (در صورت حذف فلزات مایع) دارای ضریب هدایت حرارتی هستند که به طور متوسط ​​کمتر از جامدات و بیشتر از گازها است. رسانایی حرارتی گازها و فلزات با افزایش دما افزایش می یابد، در حالی که هدایت حرارتی مایعات، به عنوان یک قاعده، کاهش می یابد.

برای گازها، نظریه جنبشی مولکولی به ما اجازه می دهد تا ثابت کنیم که ضریب هدایت حرارتی برابر است با

میانگین مسیر آزاد مولکول ها کجاست،

میانگین سرعت حرکت آنها، r - چگالی، رزومه- ظرفیت گرمایی ویژه ایزوکوریک

مکانیسم هدایت حرارتی گازها، مایعات و جامدات

تصادفی بودن حرکت حرارتی مولکول های گاز و برخورد مداوم بین آنها منجر به اختلاط مداوم ذرات و تغییر در سرعت و انرژی آنها می شود. که در گاز هدایت حرارتی زمانی اتفاق می افتد که اختلاف دما در آن ناشی از هر دلیل خارجی باشد. مولکول های گاز در مکان های مختلف حجم آن دارای میانگین انرژی جنبشی متفاوتی هستند. بنابراین، در طول حرکت حرارتی آشفته مولکول ها، انتقال انرژی هدایت شده . مولکول هایی که از قسمت های گرم شده گاز به قسمت های سردتر حرکت می کنند انرژی اضافی خود را به ذرات اطراف می دهند. برعکس، مولکول‌هایی که به آرامی حرکت می‌کنند و از قسمت‌های سردتر به قسمت‌های داغ می‌افتند، انرژی خود را به دلیل برخورد با مولکول‌هایی با سرعت بالا افزایش می‌دهند.

رسانایی گرمایی در مایعات مانند گازها، در حضور یک گرادیان دما رخ می دهد. با این حال، اگر در گازها انرژی در حین برخورد ذراتی که حرکات انتقالی را انجام می دهند منتقل شود، در مایعات انرژی در هنگام برخورد ذرات در حال نوسان منتقل می شود. ذرات با انرژی بالاتر با دامنه بیشتری ارتعاش می کنند و در هنگام برخورد با ذرات دیگر به نظر می رسد که آنها را تکان می دهند و انرژی را به آنها منتقل می کنند. این مکانیسم انتقال انرژی، درست مانند مکانیسمی که در گازها عمل می کند، انتقال سریع آن را تضمین نمی کند و بنابراین هدایت حرارتی مایعات بسیار کم است، اگرچه چندین برابر بیشتر از هدایت حرارتی گازها است. استثناء فلزات مایع است که ضریب هدایت حرارتی آنها نزدیک به فلزات جامد است. این با این واقعیت توضیح داده می شود که در فلزات مایع گرما نه تنها همراه با انتقال ارتعاشات از یک ذره به ذره دیگر، بلکه با کمک ذرات باردار الکتریکی متحرک - الکترون ها، موجود در فلزات، اما در مایعات دیگر وجود ندارد، منتقل می شود.

اگر در جامد بین قسمت‌های مختلف آن اختلاف دما وجود دارد، پس همان‌طور که در گازها و مایعات اتفاق می‌افتد، گرما از قسمت گرم‌تر به قسمت کمتر گرم منتقل می‌شود.

بر خلاف مایعات و گازها، همرفت نمی تواند در یک جامد رخ دهد، به عنوان مثال. حرکت توده ای از ماده همراه با گرما بنابراین، انتقال حرارت در یک جامد تنها با هدایت حرارتی انجام می شود.

مکانیسم انتقال حرارت در یک جامد از ماهیت حرکات حرارتی در آن ناشی می شود. جامد مجموعه ای از اتم هاست که ارتعاش دارند. ولی این نوسانات نیست

مستقل از یکدیگرارتعاشات می توانند (با سرعت صوت) از یک اتم به اتم دیگر منتقل شوند. در این حالت موجی تشکیل می شود که انرژی ارتعاشی را منتقل می کند. این انتشار ارتعاشات نحوه انتقال گرما است.

از نظر کمی، انتقال حرارت در یک جامد با بیان (1) توصیف می شود. مقدار ضریب هدایت حرارتی c را نمی توان به همان روشی که برای گاز - یک سیستم ساده تر متشکل از ذرات غیر متقابل - محاسبه کرد.

محاسبه تقریبی ضریب هدایت حرارتی یک جسم جامد را می توان با استفاده از مفاهیم کوانتومی انجام داد.

نظریه کوانتومبه ما اجازه می دهد تا شبه ذرات خاصی را با ارتعاشاتی که در جسم جامد با سرعت صوت منتشر می شود مقایسه کنیم - فونون ها هر ذره با انرژی برابر با ثابت پلانک ضرب در فرکانس ارتعاش n مشخص می شود. بنابراین انرژی کوانتوم ارتعاشی - فونون برابر است با ساعت n

اگر از ایده فونون ها استفاده کنیم، می توان گفت که حرکات حرارتی در یک جامد دقیقاً توسط آنها ایجاد می شود، به طوری که در صفر مطلق هیچ فونونی وجود ندارد و با افزایش دما تعداد آنها افزایش می یابد، اما نه به صورت خطی، بلکه بر اساس یک قانون پیچیده تر (در دماهای پایین، به نسبت مکعب دما).

اکنون می‌توانیم جسم جامد را ظرفی در نظر بگیریم که حاوی گاز فونون است، گازی که در دماهای بسیار بالا می‌توان آن را گاز ایده‌آلی در نظر گرفت. همانطور که در مورد گاز معمولی، انتقال حرارت در گاز فونون با برخورد فونون ها با اتم های شبکه انجام می شود و همه استدلال ها برای گاز ایده آلاینجا هم معتبر هستند بنابراین، ضریب هدایت حرارتی یک جامد را می توان دقیقاً با همان فرمول بیان کرد

جایی که r چگالی بدن است، رزومه- ظرفیت گرمایی ویژه آن، باسرعت صوت در بدن است، l میانگین مسیر آزاد فونون ها است.

در فلزات، علاوه بر ارتعاشات شبکه، ذرات باردار - الکترون - نیز در انتقال حرارت شرکت می کنند که در عین حال حامل جریان الکتریکی در فلز هستند. در دمای بالا الکترونیکی بخشی از هدایت حرارتی بسیار بیشتر است شبکه . این توضیح دهنده رسانایی حرارتی بالای فلزات در مقایسه با غیر فلزات است که در آن فونون ها تنها حامل گرما هستند. ضریب هدایت حرارتی فلزات را می توان با استفاده از فرمول محاسبه کرد:

میانگین مسیر آزاد الکترونها کجاست، میانگین سرعت حرکت حرارتی آنهاست.

در ابررساناها، که در آن جریان الکتریکی مقاومت را برآورده نمی کند ، رسانایی گرمایی الکترونیکی عملاً وجود ندارد: الکترون های حامل بار بدون مقاومت در انتقال گرما شرکت نمی کنند و هدایت حرارتی در ابررساناها کاملاً شبکه است.

قانون ویدمان-فرانتس

فلزات هم رسانایی الکتریکی و هم رسانایی حرارتی بالایی دارند. این با این واقعیت توضیح داده می شود که حاملان جریان و گرما در فلزات همان ذرات هستند - الکترون های آزاد که وقتی در فلز مخلوط می شوند نه تنها بار الکتریکی بلکه انرژی حرکت آشفته (حرارتی) ذاتی را نیز حمل می کنند. آنها، یعنی انتقال حرارت را انجام دهید

در سال 1853، ویدمان و فرانتس به طور تجربی قانونی وضع کردند که بر اساس آن نسبت هدایت حرارتیج به هدایت الکتریکی خاصس برای فلزات در یک دما یکسان است و متناسب با دمای ترمودینامیکی افزایش می یابد:

جایی که کو ه- مقادیر ثابت (ثابت بولتزمن و بار الکترون).

با در نظر گرفتن الکترون ها به عنوان یک گاز تک اتمی، می توان از بیان نظریه جنبشی گازها برای ضریب هدایت حرارتی استفاده کرد.

جایی که n×m= r - چگالی گاز.

گرمای خاصگاز تک اتمی برابر است با . با جایگزینی این مقدار در عبارت χ، دریافت می کنیم

بر اساس تئوری کلاسیک فلزات، رسانایی الکتریکی آنها است

سپس نگرش

پس از انجام جایگزینی، به رابطه (5) می رسیم که بیان می کند قانون ویدمان-فرانتس .

جایگزینی مقادیر ک= 1.38·10 -23 J/K و ه= 1.60·10 -19 C به فرمول (5)، پیدا می کنیم

اگر از این فرمول برای محاسبه مقدار تمام فلزات در تی= 300 K، سپس 6.7·10 -6 J·Ohm/s·K بدست می آوریم. قانون Wiedemann-Franz برای بیشتر فلزات مربوط به آزمایش در دمای 100 ÷ 400 K است، اما در دماهای پایین این قانون به طور قابل توجهی نقض می شود. اختلاف بین داده های محاسبه شده و تجربی به ویژه در دماهای پایین برای نقره، مس و طلا زیاد است. فلزاتی (بریلیوم، منگنز) وجود دارند که به هیچ وجه از قانون ویدمان-فرانتس تبعیت نمی کنند.