La nature du mouvement des molécules à l'état solide. Grande encyclopédie du pétrole et du gaz

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La nature du mouvement thermique des molécules dans les liquides est plus complexe que dans les solides. Selon un modèle simplifié, les mouvements thermiques des molécules liquides représentent des vibrations irrégulières par rapport à certains centres. L'énergie cinétique des vibrations de molécules individuelles à certains moments peut être suffisante pour surmonter les liaisons intermoléculaires. Ces molécules ont alors la possibilité de sauter dans l’environnement d’autres molécules, modifiant ainsi le centre de vibration. Ainsi, chaque molécule pendant un certain temps /, appelé temps de vie sédentaire, est en formation ordonnée avec plusieurs molécules proches. Après avoir fait le saut, la molécule liquide se retrouve parmi de nouvelles molécules, disposées différemment. Par conséquent, seul un ordre à courte portée dans la disposition des molécules est observé dans un liquide.

Compte tenu des conditions à la surface de la Terre, seules certaines substances peuvent être trouvées naturellement dans les trois états, comme l'eau. La plupart des substances se trouvent dans un certain état. Les molécules individuelles sont bloquées et restent en place, incapables de bouger. Bien que les atomes et les molécules des solides soient en mouvement, le mouvement est limité par l’énergie vibratoire et les molécules individuelles sont fixées en place et vibrent côte à côte. À mesure que la température augmente solide le nombre de vibrations augmente, mais le solide conserve sa forme et son volume, puisque les molécules sont verrouillées et n'interagissent pas entre elles.

La nature du mouvement thermique des molécules dans un liquide diffère considérablement du mouvement thermique des molécules de gaz. En raison de la nature chaotique du mouvement thermique, les vitesses et les amplitudes de vibrations des molécules voisines sont différentes, et de temps en temps, les molécules voisines divergent tellement les unes des autres que les molécules individuelles sautent sur une distance de l'ordre de d, se coincent dans de nouvelles positions d’équilibre et commencent à vibrer autour d’elles. Avec l'augmentation de la température, l'énergie moyenne du mouvement thermique augmente, et avec elle l'amplitude des vibrations et la fréquence des sauts de molécules d'une position d'équilibre aux positions voisines.

Pour voir un exemple, cliquez sur l'animation suivante, qui montre la structure moléculaire des cristaux de glace. Bien que les molécules des liquides puissent se déplacer et entrer en collision les unes avec les autres, elles restent relativement proches, comme les solides. Généralement dans les liquides, les forces intermoléculaires rassemblent les molécules qui se brisent ensuite. À mesure que la température d’un liquide augmente, la quantité de mouvement des molécules individuelles augmente. De ce fait, les liquides peuvent « circuler » pour prendre la forme de leur contenant, mais ne peuvent pas être facilement comprimés car les molécules sont déjà très proches les unes des autres.

La nature du mouvement thermique des molécules dépend de la nature de l'interaction des molécules et change lors du passage de la substance.

La transition vitreuse est un processus rapide de modification de la nature du mouvement thermique des molécules de polymère à l'état amorphe, se produisant dans une plage de température étroite, en fonction du taux de déformation auquel il est observé. Se produit sans modification du volume du polymère et sans effet thermique, mais avec une modification du coefficient de dilatation thermique et de la capacité thermique spécifique.

Les liquides ont donc forme indéfinie, mais un certain volume. Dans l’exemple d’animation suivant, nous voyons que l’eau liquide est composée de molécules qui peuvent circuler librement, tout en restant proches les unes des autres. Ainsi, les molécules de gaz interagissent peu, entrant parfois en collision. À l’état gazeux, les molécules se déplacent rapidement et circulent librement dans toutes les directions, se propageant sur de longues distances. À mesure que la température augmente, la quantité de mouvement des molécules individuelles augmente.

Les gaz se dilatent pour remplir leurs conteneurs et ont une faible densité. Étant donné que les molécules individuelles sont largement séparées et peuvent circuler librement à l’état gazeux, les gaz sont facilement comprimés et peuvent avoir une forme indéterminée. Les plasmas se forment dans des conditions d'énergie extrêmement élevées, si grandes que les molécules sont séparées et que seuls des atomes libres existent. Plus étonnant encore, le plasma a tellement d'énergie que les électrons externes sont violemment arrachés aux atomes individuels, formant un gaz ionique hautement chargé et énergétique.

Cela réside dans le fait que la nature du mouvement thermique des molécules de PD est plus proche des mouvements vibratoires des atomes dans les réseaux cristallins et des molécules liquides que du libre mouvement des particules dans les gaz raréfiés.

Lecteur B : Vous avez souligné plus tôt que la nature du mouvement thermique des molécules dépend de l'interaction intermoléculaire et des changements lors du passage d'un état d'agrégation à un autre.

Étant donné que les atomes du plasma existent sous forme d’ions chargés, les plasmas se comportent différemment des gaz et forment un quatrième état de la matière. Le plasma peut être perçu simplement en levant les yeux ; Les conditions de haute énergie trouvées dans les étoiles telles que le Soleil poussent les atomes individuels vers un état de plasma.

Comme nous l’avons vu, l’augmentation de l’énergie entraîne davantage de mouvements moléculaires. À l’inverse, une diminution de l’énergie entraîne moins de mouvement moléculaire. En conséquence, la prédiction de Molecular théorie cinétique est que si l’énergie d’une substance diminue, nous atteindrons un point où tout mouvement moléculaire cessera. La température à laquelle le mouvement moléculaire s'arrête est appelée zéro absolu et est calculée à -15 degrés Celsius. Bien que les scientifiques aient refroidi des substances jusqu’à un niveau proche du zéro absolu, ils n’ont jamais réussi à atteindre cette température.

Cette division du spectre continu de la lumière diffusée est dictée par la nature même du mouvement thermique des molécules dans les liquides.

La diffusion moléculaire de la lumière fournit des informations très précieuses sur la structure et la nature du mouvement thermique des molécules des milieux diffusants. Les travaux dans ce domaine se sont développés sur un large front dans les années 30 ; ils ont contribué de manière significative et contribuent encore à la solution du problème de l'état liquide de la matière. Ici, les mérites des scientifiques soviétiques L. I. Mandelstam, G. S. Landsberg, L. D. Landau, E. F. Gross, S. M. Rytov et de leurs étudiants sont particulièrement importants.

La difficulté d’observer la matière à température zéro absolue est que la lumière est nécessaire pour « voir » la matière, et la lumière transfère de l’énergie à la matière, ce qui élève la température. Malgré ces problèmes, les scientifiques ont récemment observé un cinquième état de la matière qui n'existe qu'à des températures très proches du zéro absolu.

Dans cet état étrange, tous les atomes des condensats atteignent le même état mécano-quantique et peuvent circuler sans aucune friction les uns avec les autres. Plusieurs autres états moins courants de la matière ont également été décrits ou observés. Certains de ces états incluent les cristaux liquides, les condensats de fermions, les superfluides, les supersolides et la matière étrange, bien nommée.

La théorie de l'état liquide à son niveau actuel, en raison de la complexité de la structure et de la nature du mouvement thermique des molécules, ne peut pas être utilisée pour décrire les propriétés de liquides réels dans une plage assez large de températures et de pressions. Le meilleur cas de scenario théorie statistique permet d'établir uniquement une dépendance qualitative des propriétés d'équilibre des liquides sur les paramètres d'état et la fonction de distribution radiale.

Cela se produit à des températures très basses, proches du zéro absolu. Il a été créé pour la première fois à l’Université du Colorado. De nombreux scientifiques pensent que c’est faux. La nature d'un condensat fait que toutes les particules qui le composent sont dans le même état quantique, ce qui n'est possible que si lesdites particules sont des bosons. Or, le principe d'exclusion de Pauli empêche l'utilisation simultanée d'une paire de fermions du même état quantique. Par conséquent, le condensat de fermions ne devrait pas exister.

Ainsi, un léger changement dans la capacité thermique d'un corps lors de la fusion peut être considéré comme une preuve que la nature du mouvement thermique des molécules dans les liquides est la même que dans les solides, à savoir que les molécules vibrent autour de la position d'équilibre.

Ces différences qualitatives entre les états liquide et solide de la matière sont dues à des différences dans leur structure moléculaire et dans la nature du mouvement thermique des molécules. Lorsqu'il est chauffé, un solide dans certaines conditions se transforme en état liquide - il fond. Le liquide durcit lorsque la température baisse.

Gene a réalisé la condensation de paires d'atomes fermioniques. La somme des spins d’une paire d’atomes ayant le même spin sera toujours un nombre entier. Si une paire d’atomes de fermions identiques forme une molécule, celle-ci aura un spin entier. Cette molécule est donc un boson capable de se condenser.

S’il est vrai qu’une paire de Cooper peut être assimilée à un boson, cela ne signifie pas pour autant que la formation de paires de Cooper implique automatiquement la présence d’un condensat. Pour obtenir un condensat de paires de Cooper, il faut que toutes soient regroupées dans un même état quantique.

Comme le souligne Samoilov, pour une considération globale de la question de la solvatation des ions dans les solutions électrolytiques, on ne peut pas se limiter à la détermination des nombres de solvatation et de l'énergie de solvatation, mais il est également nécessaire d'étudier les changements qui se produisent avec l'introduction d'ions. non seulement dans la structure du solvant, mais aussi dans la nature du mouvement thermique des molécules du solvant. Tous les changements ci-dessus dans le solvant sont principalement dus à la même raison : l'interaction entre les molécules du solvant.

Un condensat de fermions se comporte comme une onde plutôt que comme une particule car il reste stable pendant très peu de temps. Les molécules de gaz fermioniques sont des fermions plutôt que des bosons car, bien que seuls les fermions soient combinés, ils complèteront la rotation jusqu'à un nombre entier et se stabiliseront à ce stade.

Le principe d'exclusion de Pauli stipule que deux fermions ne peuvent pas occuper simultanément le même état quantique. Cela a changé au fil du temps à mesure que les électrons stabilisaient l’onde, lui donnant une forme stable. Jin, Marcus Greiner et Cindy Regal sont allés plus loin et, grâce à l'ultracongélation des particules, ont découvert un nouvel état de la matière, le sixième gaz fermionique. Selon ces physiciens, la glace quantique est constituée de bosons, une classe de particules de nature grégaire, et dont les lois statistiques tendent à favoriser les occupations multiples d'un même état quantique.

Dans un liquide, les molécules sont situées à de courtes distances les unes des autres et il existe entre elles des forces d’interaction intermoléculaires importantes. La nature du mouvement thermique des molécules dans un liquide diffère considérablement de celle du mouvement des molécules dans un gaz. Les molécules liquides vibrent autour de certaines positions d'équilibre.

Cependant, un gaz fermionique est entièrement constitué de fermions. Contrairement aux bosons, ils sont insociables et, par définition, aucun d’entre eux ne pourra jamais occuper le même état de mouvement. Une paire de fermions identiques ne peut pas occuper le même état quantique. À hautes températures le comportement de ces particules élémentaires est quasiment imperceptible. Cependant, à mesure qu’ils se refroidissent, ils ont tendance à rechercher des états d’énergie inférieurs, et c’est à ce stade que la nature antagoniste des bosons et des fermions augmente.

Mais comment se comportent les fermions ultracongelés ? Pour résoudre le mystère, les physiciens de Boulder ont utilisé des lasers pour capturer un petit nuage de 1 000 atomes de potassium. En limitant leur mouvement naturel, ils ont refroidi les atomes à des parties par million au-dessus du zéro absolu. En raison de leur nature secrète, les fermions de ces atomes devraient se repousser, mais cela n’a pas été le cas. En appliquant un champ magnétique aux atomes surfondus, ils se sont brièvement rencontrés par paires et ont créé un condensat remarquable. Selon New State Parents, cette découverte pourrait conduire à un large éventail d’applications pratiques.

Le mouvement thermique est le mouvement chaotique de molécules, d'atomes et d'ions dans des gaz, des solides et des liquides. La nature du mouvement thermique des molécules, des atomes et des ions dépend de l'état d'agrégation de la substance et est déterminée par les forces d'interaction intermoléculaire.

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Par exemple, le gaz fermion offre une nouvelle voie de recherche sur la supraconductivité, un phénomène dans lequel l’électricité circule sans résistance. Il peut y avoir plusieurs états que l’on peut appeler le septième état de la matière. Ces conditions ne se produisent que dans des conditions extrêmes dans l’espace ou uniquement lors de la théorie de l’explosion du Big Bang.

Dans une matière hautement symétrique. Dans la matière faiblement symétrique. Dans le plasma des quarks gluons. Ce sont des procédures qui servent à séparer les composants d'un mélange, qu'il soit solide, liquide ou mélange gazeux. Les principales méthodes de séparation des mélanges sont la décantation, la filtration, la centrifugation, la dissolution fractionnée, etc. Il existe également d'autres méthodes telles que la flottation, le criblage, la lévigation, la ventilation, la séparation magnétique, la cristallisation, la liquéfaction fractionnée, l'évaporation fractionnée, la chromatographie et l'extraction par solvant.

Mouvement des molécules de gaz, liquides et solides

Selon la théorie de la cinétique moléculaire, dont l'un des créateurs est le grand scientifique russe M.V. Lomonossov, Toutes les substances sont constituées de minuscules particules – des molécules en mouvement continu et qui interagissent les unes avec les autres.

Une molécule est la plus petite particule d’une substance qui possède ses propriétés chimiques. Molécules diverses substances ont des compositions atomiques différentes.

Sachant que le système est un mélange, une ou plusieurs techniques de séparation du mélange peuvent être utilisées pour isoler deux ou plusieurs composants du mélange. Les méthodes de séparation d'un mélange sont appelées analyses immédiates sans modifier la nature des substances. Et pour chaque type de mélange il en existe plusieurs différentes façons divisions. Vous trouverez ci-dessous les méthodes les plus courantes de séparation par mélange.

Méthode utilisée pour séparer des mélanges hétérogènes solide-liquide et liquide-liquide. Exemples : eau trouble, eau et huile. Si nous laissons tranquille un seau d'eau boueuse pendant un moment, nous remarquerons que l'argile se déposera, c'est-à-dire qu'elle ira au fond du seau, cela est dû au fait qu'elle est plus grosse que l'eau. . De cette façon, l’eau peut être facilement retirée du seau.

Il existe de nombreuses similitudes dans la nature du mouvement des molécules de gaz, de liquides et de solides, mais il existe également des différences significatives.

Caractéristiques communes mouvement moléculaire :

UN) vitesse moyenne plus la température de la substance est élevée, plus il y a de molécules ;

b) les vitesses des différentes molécules d'une substance donnée sont réparties de telle manière que plus cette vitesse est proche de la vitesse la plus probable de mouvement des molécules d'une substance donnée à une température donnée, plus le nombre de molécules possédant une ou une autre vitesse.

Vous pouvez retirer l'eau et séparer les liquides du mélange. Nous pouvons dire que la plupart des éléments présents dans la nature sont une sorte de mélange. L'air atmosphérique, les roches, les feuilles des plantes et même les cheveux sont des exemples de mélanges, chaque mélange a des propriétés différentes. propriétés physiques. De plus, chaque composant du mélange possède des propriétés physiques et chimiques uniques. Autrement dit, le fait qu’un mélange de composants n’entraîne pas de modification de leurs structures chimiques de base. Lorsque la structure principale d'un composant change, réaction chimique plutôt que de simplement mélanger. Ainsi, les trois états de la matière sont solide, liquide et gazeux.

La différence significative dans la nature du mouvement des molécules de gaz, de liquides et de solides s'explique par la différence d'interaction de force de leurs molécules, associée à la différence des distances moyennes entre les molécules.

Dans les gaz, les distances moyennes entre les molécules sont plusieurs fois supérieures à la taille des molécules elles-mêmes. En conséquence, les forces d'interaction entre les molécules de gaz sont faibles et les molécules se déplacent dans tout le récipient dans lequel se trouve le gaz, presque indépendamment les unes des autres, changeant la direction et l'ampleur de la vitesse lorsqu'elles entrent en collision avec d'autres molécules et avec les parois du gaz. navire. La trajectoire d’une molécule de gaz est une ligne brisée, semblable à la trajectoire du mouvement brownien.

Il se comporte comme un corps solide. Lorsqu'on tente de classifier les différents états de la matière, on dit généralement qu'il existe trois états : l'état gazeux, état solide et à l'état solide. La différence entre ces différents états tient à la manière dont les atomes qui composent la substance sont disposés et au mélange des molécules qui la composent.

Parce que ces molécules sont très éloignées les unes des autres, on comprend que les gaz sont légers : peser un gaz, c'est d'abord peser le vide entre les molécules, et que les gaz occupent tout l'espace dont ils disposent : il y a tellement de molécules qu'elles ne le sont pas. sensible à la gravité.

Le libre parcours des molécules de gaz, c'est-à-dire La longueur moyenne du trajet des molécules entre deux collisions successives dépend de la pression et de la température du gaz. À température normale et la pression, le libre parcours moyen est d'environ 10 -5 cm. Les molécules de gaz entrent en collision les unes avec les autres ou avec les parois du récipient environ 1010 fois par seconde, changeant la direction de leur mouvement. Cela explique le fait que le taux de diffusion des gaz est faible par rapport à la vitesse de déplacement des molécules de gaz, qui dans des conditions normales est d'environ 1,5 fois la vitesse du son dans un gaz donné et est égale à 500 m/s.

Dans les liquides, les distances entre les molécules sont beaucoup plus petites que dans les gaz. Les forces d'interaction entre chaque molécule et ses voisines sont assez importantes, de sorte que les molécules liquides oscillent autour de certaines positions d'équilibre moyennes. Dans le même temps, puisque l'énergie cinétique moyenne des molécules liquides est comparable à leur énergie d'interaction, les molécules présentant un excès aléatoire d'énergie cinétique surmontent l'interaction des particules voisines et modifient le centre de vibration. Les particules liquides pratiquement oscillantes se déplacent brusquement dans l'espace à des intervalles très courts (~ 10 à 8 s).



Ainsi, un liquide est constitué de nombreuses régions microscopiques dans lesquelles il existe un certain ordre dans la disposition des particules proches, changeant avec le temps et l'espace, c'est-à-dire ne pas répéter dans tout le volume de liquide. On dit qu’une telle structure a clôturer la commande .

Dans les solides, les distances entre les molécules sont encore plus petites, de sorte que les forces d'interaction entre chaque molécule et ses voisines sont si grandes que la molécule n'effectue que de petites vibrations autour d'une certaine position d'équilibre constante - un nœud. Dans un corps cristallin, il existe une certaine disposition relative spécifique des nœuds, appelée réseau cristallin. La nature du réseau cristallin est déterminée par la nature des interactions intermoléculaires d'une substance donnée.

Ce qui précède s’applique à un solide cristallin idéal. Dans les cristaux réels, diverses perturbations de l'ordre surviennent lors de la cristallisation d'une substance.

Outre les cristaux, il existe également dans la nature des solides amorphes dans lesquels, comme les liquides, les atomes vibrent autour de nœuds situés au hasard. Cependant, le mouvement des particules d'un corps amorphe d'un centre de vibration à un autre se produit à des intervalles de temps si grands que les corps pratiquement amorphes sont des corps solides.

Conductivité thermique

La conductivité thermique est le transfert de chaleur qui se produit en présence d'un gradient de température et est provoqué par le mouvement thermique des particules. La figure 1a montre un corps droit

en forme de charbon avec les bases 1 et 2 situées perpendiculairement à l'axe X. Supposons que la température corporelle soit fonction d'une coordonnée T = T(x), dans lequel dT/dx < 0 (температура убывает в положительном направлении оси X). Ensuite, à travers n’importe quelle section du corps normale à l’axe sélectionné, la chaleur est transférée, ce qui est décrit par la loi de Fourier (1820)

où Δ Q– la quantité de chaleur transférée à travers la zone par la section S dans le temps Δ t, c est le coefficient de conductivité thermique, en fonction des propriétés de la substance. Le signe moins en (1) indique que le transfert de chaleur est orienté vers une diminution de la température (à l'opposé du gradient de température dT/dx). Si le corps est homogène et que le processus est stable, alors la température diminue le long de l'axe X linéaire: dT/dx=const(Fig.1, b).

L'expression (1) permet de trouver la densité flux de chaleur(flux de chaleur à travers l'unité de surface par unité de temps) :

De ce dernier il résulte que

Le coefficient de conductivité thermique est numériquement égal à la quantité de chaleur transférée à travers une unité de surface par unité de temps avec un gradient de température unitaire. .

Lors de la détermination de la conductivité thermique des gaz et des liquides, il est nécessaire d'exclure soigneusement les autres types de transfert de chaleur - convection (mouvement des parties les plus chaudes du milieu vers le haut et abaissement des plus froides) et transfert de chaleur par rayonnement (transfert de chaleur radiant).

La conductivité thermique d'une substance dépend de son état. Le tableau I montre les valeurs du coefficient de conductivité thermique de certaines substances.

Tableau I

Les liquides (si l'on exclut les métaux liquides) ont un coefficient de conductivité thermique en moyenne inférieur à celui des solides et supérieur à celui des gaz. La conductivité thermique des gaz et des métaux augmente avec l'augmentation de la température, tandis que celle des liquides diminue en règle générale.

Pour les gaz, la théorie de la cinétique moléculaire permet d'établir que le coefficient de conductivité thermique est égal à

où est le libre parcours moyen des molécules,

Vitesse moyenne de leur mouvement, r - densité, CV- capacité thermique spécifique isochore.

Le mécanisme de conductivité thermique des gaz, liquides et solides

Le caractère aléatoire du mouvement thermique des molécules de gaz et les collisions continues entre elles conduisent à un mélange constant de particules et à des changements dans leurs vitesses et énergies. DANS gaz la conductivité thermique se produit lorsqu'il y a une différence de température causée par des raisons externes. Les molécules de gaz situées à différents endroits de son volume ont des énergies cinétiques moyennes différentes. Par conséquent, lors du mouvement thermique chaotique des molécules, transfert d'énergie dirigé . Les molécules qui se déplacent des parties chauffées du gaz vers les parties plus froides cèdent leur excès d'énergie aux particules environnantes. Au contraire, les molécules se déplaçant lentement, tombant des parties les plus froides vers les plus chaudes, augmentent leur énergie en raison des collisions avec des molécules à grande vitesse.

Conductivité thermique dans les liquides comme dans les gaz, cela se produit en présence d'un gradient de température. Cependant, si dans les gaz l'énergie est transférée lors de collisions de particules effectuant des mouvements de translation, alors dans les liquides l'énergie est transférée lors de collisions de particules oscillantes. Les particules ayant une énergie plus élevée vibrent avec une plus grande amplitude et, lorsqu'elles entrent en collision avec d'autres particules, semblent les secouer, leur transférant de l'énergie. Ce mécanisme de transfert d'énergie, tout comme celui opérant dans les gaz, n'assure pas son transfert rapide et donc la conductivité thermique des liquides est très faible, bien qu'elle soit plusieurs fois supérieure à la conductivité thermique des gaz. L'exception concerne les métaux liquides, dont les coefficients de conductivité thermique sont proches de ceux des métaux solides. Cela s'explique par le fait que dans les métaux liquides, la chaleur est transférée non seulement avec le transfert de vibrations d'une particule à une autre, mais également à l'aide de particules mobiles chargées électriquement - des électrons présents dans les métaux, mais absents dans d'autres liquides.

Si dans solide Il y a une différence de température entre ses différentes parties, puis, tout comme dans les gaz et les liquides, la chaleur est transférée de la partie la plus chauffée à la partie la moins chauffée.

Contrairement aux liquides et aux gaz, la convection ne peut pas se produire dans un solide, c'est-à-dire mouvement d'une masse de matière accompagné de chaleur. Par conséquent, le transfert de chaleur dans un solide s'effectue uniquement par conductivité thermique.

Le mécanisme de transfert de chaleur dans un solide découle de la nature des mouvements thermiques qui s'y déroulent. Un solide est un ensemble d'atomes qui vibrent. Mais ces fluctuations ne sont pas

indépendants les uns des autres. Les vibrations peuvent être transmises (à la vitesse du son) d'un atome à un autre. Dans ce cas, une onde se forme qui transfère l’énergie vibratoire. Cette propagation des vibrations est la manière dont la chaleur est transférée.

Quantitativement, le transfert de chaleur dans un solide est décrit par l'expression (1). La valeur du coefficient de conductivité thermique c ne peut pas être calculée de la même manière que pour un gaz - un système plus simple constitué de particules n'interagissant pas.

Un calcul approximatif du coefficient de conductivité thermique d'un corps solide peut être effectué à l'aide de concepts quantiques.

Théorie des quanta permet de comparer certaines quasiparticules à des vibrations se propageant dans un corps solide à la vitesse du son - phonons. Chaque particule est caractérisée par une énergie égale à la constante de Planck multipliée par la fréquence de vibration n. L'énergie du quantum vibratoire - phonon est donc égale à h n.

Si nous utilisons l'idée de phonons, nous pouvons dire que les mouvements thermiques dans un solide sont précisément provoqués par eux, de sorte qu'au zéro absolu il n'y a pas de phonons, et avec l'augmentation de la température, leur nombre augmente, mais pas linéairement, mais selon une loi plus complexe (à basse température, proportionnellement au cube de température).

Nous pouvons désormais considérer un corps solide comme un récipient contenant un gaz de phonons, un gaz qui, à très haute température, peut être considéré comme un gaz parfait. Comme dans le cas d'un gaz ordinaire, le transfert de chaleur dans un gaz de phonons s'effectue par collisions de phonons avec des atomes du réseau, et tous les arguments en faveur gaz parfait sont valables ici aussi. Par conséquent, le coefficient de conductivité thermique d’un solide peut être exprimé exactement par la même formule

où r est la densité du corps, CV- sa capacité thermique spécifique, Avec est la vitesse du son dans le corps, l est le libre parcours moyen des phonons.

Dans les métaux, en plus des vibrations du réseau, les particules chargées - les électrons - participent également au transfert de chaleur, qui sont en même temps porteurs de courant électrique dans le métal. À des températures élevées électronique une partie de la conductivité thermique est beaucoup plus grande treillis . Ceci explique la conductivité thermique élevée des métaux par rapport aux non-métaux, dans lesquels les phonons sont les seuls caloporteurs. Le coefficient de conductivité thermique des métaux peut être calculé à l'aide de la formule :

où est le libre parcours moyen des électrons, est la vitesse moyenne de leur mouvement thermique.

Dans les supraconducteurs, dans lequel le courant électrique ne rencontre pas de résistance, la conductivité thermique électronique est pratiquement absente : les électrons porteurs de charge sans résistance ne participent pas au transfert de chaleur et la conductivité thermique dans les supraconducteurs est purement réticulaire.

loi Wiedemann-Franz

Les métaux ont à la fois une conductivité électrique élevée et une conductivité thermique élevée. Cela s'explique par le fait que les porteurs de courant et de chaleur dans les métaux sont les mêmes particules - des électrons libres qui, lorsqu'ils sont mélangés dans le métal, portent non seulement une charge électrique, mais également l'énergie du mouvement chaotique (thermique) inhérent à eux, c'est-à-dire effectuer un transfert de chaleur.

En 1853, Wiedemann et Franz établissent expérimentalement une loi selon laquelle rapport de conductivité thermique c à une conductivité électrique spécifique s pour les métaux à même température est la même et augmente proportionnellement à la température thermodynamique :

Où k Et e– quantités constantes (constante de Boltzmann et charge électronique).

En considérant les électrons comme un gaz monoatomique, l'expression de la théorie cinétique des gaz peut être utilisée pour le coefficient de conductivité thermique.

Où n×m= r - densité du gaz.

Chaleur spécifique le gaz monoatomique est égal à . En substituant cette valeur dans l'expression de χ, nous obtenons

Selon la théorie classique des métaux, leur conductivité électrique est

Puis l'attitude

Après avoir effectué le remplacement, on arrive à la relation (5), qui exprime loi Wiedemann-Franz .

Remplacement des valeurs k= 1,38·10 -23 J/K et e= 1,60·10 -19 C dans la formule (5), on trouve

Si nous utilisons cette formule pour calculer la valeur de tous les métaux à T= 300 K, alors nous obtenons 6,7·10 -6 J·Ohm/s·K. La loi de Wiedemann-Franz pour la plupart des métaux correspond à une expérience à des températures de 100÷400 K, mais à basse température, la loi est considérablement violée. Les écarts entre les données calculées et expérimentales sont particulièrement importants à basse température pour l'argent, le cuivre et l'or. Il existe des métaux (béryllium, manganèse) qui n'obéissent pas du tout à la loi de Wiedemann-Franz.