Sifat pergerakan molekul dalam keadaan padat. Ensiklopedia besar minyak dan gas
Halaman 1
Sifat gerak termal molekul dalam cairan lebih kompleks daripada pada padatan. Menurut model yang disederhanakan, gerakan termal molekul cairan menunjukkan osilasi tidak beraturan di sekitar pusat tertentu. Energi kinetik getaran molekul individu pada beberapa saat mungkin cukup untuk mengatasi ikatan antarmolekul. Kemudian molekul-molekul ini mendapat kesempatan untuk melompat ke lingkungan molekul lain, sehingga mengubah pusat osilasi. Jadi, untuk beberapa waktu /, yang disebut masa hidup menetap, setiap molekul berada dalam sistem teratur dengan beberapa molekul terdekat. Setelah melakukan lompatan, molekul cair menemukan dirinya di antara molekul-molekul baru, tersusun dengan cara yang berbeda. Oleh karena itu, hanya urutan jarak pendek dalam susunan molekul yang diamati dalam cairan.
Mengingat kondisi di permukaan bumi, hanya beberapa zat yang dapat ditemukan secara alami di ketiga keadaan tersebut, seperti air. Sebagian besar zat terjadi dalam keadaan tertentu. Molekul individu diblokir dan tetap di tempatnya, tidak dapat bergerak. Meskipun atom dan molekul padatan bergerak, gerakannya dibatasi oleh energi vibrasi, dan masing-masing molekul tetap pada tempatnya dan bergetar berdampingan. Saat suhu meningkat tubuh yang kokoh jumlah getaran meningkat, tetapi padatan mempertahankan bentuk dan volumenya karena molekul terkunci di tempatnya dan tidak berinteraksi satu sama lain.
Sifat gerak termal molekul dalam cairan berbeda secara signifikan dari gerak termal molekul gas. Karena keacakan gerakan termal, kecepatan dan amplitudo osilasi molekul tetangga berbeda, dan dari waktu ke waktu molekul tetangga menyimpang satu sama lain sedemikian rupa sehingga molekul individu melompati jarak urutan d, terjebak dalam yang baru. posisi kesetimbangan dan mulai berosilasi di sekitar mereka. Dengan meningkatnya suhu, energi rata-rata gerakan termal meningkat, dan dengan itu amplitudo osilasi dan frekuensi lompatan molekul dari satu posisi kesetimbangan ke posisi tetangga.
Untuk melihat contohnya, klik animasi berikut, yang menunjukkan struktur molekul kristal es. Meskipun molekul dalam cairan dapat bergerak dan bertabrakan satu sama lain, mereka tetap relatif dekat, seperti padatan. Biasanya dalam cairan, gaya antarmolekul menyatukan molekul, yang kemudian pecah. Saat suhu cairan meningkat, jumlah pergerakan molekul individu meningkat. Akibatnya, cairan dapat "bersirkulasi" untuk mengambil bentuk wadahnya, tetapi tidak dapat dimampatkan dengan mudah karena molekul-molekulnya sudah sangat berdekatan.
Sifat gerak termal molekul bergantung pada sifat interaksi molekul dan berubah ketika suatu zat lewat.
Transisi kaca adalah proses cepat untuk mengubah sifat gerakan termal molekul polimer dalam keadaan amorf, yang berlangsung dalam kisaran suhu yang sempit, bergantung pada laju deformasi yang diamati. Terjadi tanpa perubahan volume polimer dan tanpa efek termal, tetapi dengan perubahan koefisien muai panas dan panas spesifik.
Oleh karena itu, cairan adalah bentuk yang tidak terbatas, tetapi jumlah tertentu. Dalam contoh animasi berikut, kita melihat bahwa air cair terdiri dari molekul-molekul yang dapat bersirkulasi dengan bebas, namun tetap berdekatan satu sama lain. Jadi, molekul gas berinteraksi sedikit, terkadang bertabrakan. Dalam keadaan gas, molekul bergerak cepat dan bersirkulasi dengan bebas ke segala arah, menyebar dalam jarak jauh. Dengan meningkatnya suhu, jumlah pergerakan molekul individu meningkat.
Gas mengembang untuk mengisi wadahnya dan memiliki kerapatan rendah. Karena molekul individu dipisahkan secara luas dan dapat bersirkulasi dengan bebas dalam bentuk gas, gas mudah dikompresi dan dapat dibentuk tanpa batas. Plasma terbentuk dalam kondisi energi yang sangat tinggi, begitu besar sehingga molekulnya terpisah dan hanya ada atom bebas. Yang lebih menakjubkan lagi adalah bahwa plasma memiliki begitu banyak energi sehingga elektron terluar terpisah dengan kuat dari masing-masing atom, membentuk gas ion yang bermuatan tinggi dan energik.
Itu terletak pada fakta bahwa sifat gerakan termal molekul PD lebih dekat dengan gerakan getaran atom kisi kristal dan molekul cair daripada gerakan bebas partikel dalam gas yang dijernihkan.
Pembaca B: Sebelumnya Anda menunjukkan bahwa sifat gerak termal molekul bergantung pada interaksi antarmolekul dan perubahan selama transisi dari satu keadaan agregasi ke keadaan agregasi lainnya.
Karena atom dalam plasma ada sebagai ion bermuatan, plasma berperilaku berbeda dari gas dan membentuk materi keempat. Plasma dapat dirasakan hanya dengan melihat ke atas; Kondisi energi tinggi yang ada di bintang, seperti matahari, mendorong setiap atom menuju keadaan plasma.
Seperti yang telah kita lihat, peningkatan energi menghasilkan lebih banyak gerakan molekuler. Sebaliknya, penurunan energi menghasilkan gerakan molekul yang lebih sedikit. Akibatnya, prediksi molekuler teori kinetik adalah jika energi materi berkurang, kita akan mencapai titik di mana semua gerakan molekul berhenti. Suhu di mana gerakan molekul berhenti disebut nol mutlak dan dihitung sebagai -15 derajat Celcius. Meskipun para ilmuwan telah mendinginkan materi hingga mendekati nol mutlak, mereka tidak pernah mampu mencapai suhu tersebut.
Pembagian spektrum kontinyu dari cahaya yang tersebar seperti itu ditentukan oleh sifat gerak termal molekul dalam cairan.
Hamburan cahaya molekul memberikan informasi yang sangat berharga tentang struktur dan sifat gerak termal molekul dalam media hamburan. Pekerjaan di bidang ini dibuka secara luas di tahun 30-an; mereka telah berkontribusi besar dan terus berkontribusi pada penyelesaian masalah materi cair. Di sini jasa para ilmuwan Soviet L. I. Mandelstam, G. S. Landsberg, L. D. Landau, E. F. Gross, S. M. Rytov dan murid-muridnya sangat luar biasa.
Kesulitan mengamati materi pada suhu nol mutlak adalah dibutuhkan cahaya untuk "melihat" materi, dan cahaya mentransfer energi ke materi, yang menaikkan suhu. Terlepas dari tantangan ini, para ilmuwan baru-baru ini mengamati keadaan materi kelima yang hanya ada pada suhu yang sangat mendekati nol mutlak.
Dalam keadaan aneh ini, semua atom kondensat mencapai keadaan mekanik-kuantum yang sama dan dapat mengalir tanpa gesekan satu sama lain. Beberapa keadaan materi lain yang kurang umum juga telah dijelaskan atau diamati. Beberapa dari keadaan ini termasuk kristal cair, kondensat fermionik, superfluida, superpadat, dan materi aneh yang dinamai tepat.
Teori keadaan cair pada tingkatnya saat ini, karena kompleksitas struktur dan sifat gerak termal molekul, tidak dapat digunakan untuk menggambarkan sifat-sifat cairan nyata dalam kisaran suhu dan tekanan yang cukup luas. Skenario kasus terbaik teori statistik memungkinkan seseorang untuk menetapkan hanya ketergantungan kualitatif dari sifat kesetimbangan cairan pada parameter keadaan dan fungsi distribusi radial.
Ini terjadi pada suhu yang sangat rendah mendekati nol mutlak. Ini pertama kali dibuat di University of Colorado. Banyak ilmuwan menganggapnya salah. Sifat kondensat menyiratkan bahwa semua partikel penyusunnya berada dalam keadaan kuantum yang sama, yang hanya mungkin jika partikel tersebut adalah boson. Sekarang prinsip eksklusi Pauli mencegah pasangan Fermion yang sama menggunakan keadaan kuantum yang sama pada waktu yang sama. Oleh karena itu, kondensat fermionik seharusnya tidak ada.
Dengan demikian, perubahan kecil dalam kapasitas panas suatu benda selama peleburan dapat dianggap sebagai bukti bahwa sifat gerak termal molekul dalam cairan sama dengan pada padatan, yaitu molekul berosilasi di sekitar posisi kesetimbangan.
Perbedaan kualitatif antara keadaan cair dan padat suatu zat ini disebabkan oleh perbedaan struktur molekulnya dan sifat gerak termal molekul. Saat dipanaskan, benda padat dalam kondisi tertentu berubah menjadi cairan - meleleh. Cairan membeku ketika suhu turun.
Jean mencapai kondensasi pasangan atom fermion. Jumlah putaran sepasang atom dengan putaran yang sama akan selalu bilangan bulat. Jika sepasang atom fermionik identik membentuk sebuah molekul, ia akan memiliki putaran bilangan bulat. Oleh karena itu, molekul ini adalah boson yang dapat mengembun.
Meskipun benar bahwa pasangan Cooper dapat berasimilasi dengan boson, ini tidak berarti bahwa pembentukan pasangan Cooper secara otomatis menyiratkan adanya kondensat. Untuk mendapatkan kondensat pasangan Cooper, semuanya perlu dikelompokkan ke dalam keadaan kuantum yang sama.
Seperti yang ditunjukkan Samoilov, untuk pertimbangan komprehensif masalah solvasi ion dalam larutan elektrolit, seseorang tidak dapat dibatasi untuk menentukan bilangan solvasi dan energi solvasi, tetapi juga perlu menyelidiki perubahan yang terjadi ketika ion dimasukkan, bukan hanya dalam struktur pelarut, tetapi dalam sifat gerak termal molekul pelarut. Semua perubahan pelarut di atas terutama disebabkan oleh satu alasan yang sama - interaksi antara para imam dan molekul pelarut.
Kondensat fermionik berperilaku seperti gelombang dan bukan seperti partikel, karena tetap stabil untuk waktu yang sangat singkat. Molekul gas fermion adalah fermion, bukan boson, karena meskipun hanya fermion yang digabungkan, mereka akan menyelesaikan putaran menjadi bilangan bulat dan stabil pada titik tersebut.
Prinsip pengecualian Pauli menyatakan bahwa dua fermion tidak dapat menempati keadaan kuantum yang sama pada waktu yang sama. Ini berubah dari waktu ke waktu karena elektron menstabilkan gelombang, memberikannya bentuk yang stabil. Jin, Markus Greiner, dan Cindy Regal melangkah lebih jauh dan, berkat ultrafreezing partikel, menemukan keadaan materi baru, yang keenam, gas fermionik. Menurut fisikawan ini, es kuantum terdiri dari boson, kelas partikel yang sifatnya suka berteman, dan hukum statistiknya cenderung mendukung banyak populasi dari keadaan kuantum yang sama.
Dalam cairan, molekul terletak pada jarak kecil satu sama lain dan ada kekuatan interaksi antarmolekul yang signifikan di antara mereka. Sifat gerak termal molekul dalam cairan berbeda secara signifikan dari gerak molekul dalam gas. Molekul cair berosilasi tentang posisi kesetimbangan tertentu.
Namun, gas fermion seluruhnya terdiri dari fermion. Mereka, tidak seperti boson, tidak ramah dan, menurut definisi, tidak satu pun dari mereka yang dapat menempati keadaan gerak yang sama. Sepasang fermion identik tidak dapat menempati keadaan kuantum yang sama. Pada suhu tinggi perilaku partikel elementer ini hampir tidak terlihat. Namun, ketika mereka mendingin, mereka cenderung mencari keadaan energi yang lebih rendah, dan pada titik inilah sifat antagonis boson dan fermion meningkat.
Tapi bagaimana perilaku fermion ultrafrozen? Untuk memecahkan teka-teki tersebut, fisikawan Boulder menggunakan laser untuk menangkap awan kecil yang terdiri dari 1.000 atom potasium. Dengan membatasi gerakan alaminya, mereka mendinginkan atom hingga sepersejuta di atas nol mutlak. Karena sifatnya yang misterius, fermion dari atom-atom ini seharusnya saling tolak, tetapi tidak demikian. Dengan menerapkan medan magnet ke atom superdingin, mereka bertemu sebentar berpasangan dan menciptakan kondensat yang luar biasa. Menurut orang tua dari negara bagian baru, temuan ini dapat mengarah pada penerapan praktis yang luas.
Gerakan termal adalah gerakan kacau molekul, atom, dan ion dalam gas, padatan, dan cairan. Sifat gerak termal molekul, atom, dan ion bergantung pada keadaan agregat zat dan ditentukan oleh gaya interaksi antarmolekul.
Perangkat dan aksesori: konduktor kawat yang terbuat dari logam yang diselidiki, alat pengukur, alat pengukur listrik.
Misalnya, gas fermionik menawarkan penelitian baru tentang superkonduktivitas, fenomena di mana listrik mengalir tanpa hambatan. Mungkin ada beberapa keadaan yang bisa disebut keadaan materi ketujuh. Keadaan ini hanya terjadi dalam kondisi ekstrim di luar angkasa, atau hanya terjadi selama ledakan teori Big Bang.
Dalam materi yang sangat simetris. Dalam materi simetris lemah. Dalam plasma quark gluon. Ini adalah prosedur yang berfungsi untuk memisahkan komponen campuran, baik padat, cair atau campuran gas. Metode utama untuk memisahkan campuran adalah dekantasi, filtrasi, sentrifugasi, pembubaran fraksional, dll. ada juga metode lain seperti flotasi, penyaringan, levigasi, ventilasi, pemisahan magnetik, kristalisasi, pencairan fraksional, penguapan fraksional, kromatografi dan ekstraksi pelarut.
Pergerakan molekul gas, cairan dan padatan
Menurut teori kinetik molekuler, salah satu pendirinya adalah ilmuwan besar Rusia M.V. Lomonosov, Semua zat terdiri dari partikel kecil - molekul yang terus bergerak dan berinteraksi satu sama lain.
Molekul adalah partikel terkecil dari suatu zat yang memiliki partikelnya sendiri sifat kimia. molekul berbagai zat memiliki komposisi atom yang berbeda.
Mengetahui bahwa sistem adalah campuran, satu atau lebih metode pemisahan campuran dapat digunakan untuk mengisolasi dua atau lebih komponen campuran. Metode pemisahan campuran disebut analisis langsung tanpa mengubah sifat zat. Dan untuk setiap jenis campuran ada beberapa cara yang berbeda pemisahan. Di bawah ini adalah cara paling umum untuk memisahkan campuran.
Metode yang digunakan untuk memisahkan campuran padat-cair dan cair-cair yang heterogen. Contoh: air keruh, air dan minyak. Jika kita membiarkan ember berisi air keruh beberapa saat, kita akan melihat bahwa tanah liat akan mengendap, yaitu akan masuk ke dasar ember, hal ini karena lebih besar dari air. Dengan demikian, air dapat dengan mudah dikeluarkan dari ember.
Dalam sifat pergerakan molekul gas, cairan dan padatan, ada banyak kesamaan, ada juga perbedaan yang signifikan.
Fitur umum gerak molekul:
sebuah) kecepatan rata-rata semakin banyak molekul, semakin tinggi suhu zat tersebut;
b) kecepatan berbagai molekul zat tertentu didistribusikan sedemikian rupa sehingga jumlah molekul dengan kecepatan tertentu lebih besar, semakin dekat kecepatan ini dengan kecepatan pergerakan molekul zat tertentu yang paling mungkin pada suhu yang diberikan.
Air dapat dihilangkan dan cairan dapat dipisahkan dari campuran. Dapat dikatakan bahwa sebagian besar hal yang ada di alam adalah semacam campuran. Udara atmosfer, batuan, daun tanaman bahkan rambut adalah contoh campuran, setiap campuran memiliki sifat fisik yang berbeda. Selain itu, setiap komponen campuran memiliki sifat fisik dan kimia yang unik. Artinya, fakta bahwa campuran komponen tidak berarti perubahan struktur kimia dasarnya. Saat mengubah struktur utama suatu komponen, reaksi kimia daripada hanya mencampur. Jadi, tiga wujud materi adalah padat, cair, dan gas.
Perbedaan yang signifikan dalam sifat pergerakan molekul gas, cairan, dan padatan dijelaskan oleh perbedaan interaksi gaya molekulnya, terkait dengan perbedaan jarak rata-rata antar molekul.
Dalam gas, jarak rata-rata antar molekul jauh lebih besar daripada ukuran molekul itu sendiri. Akibatnya, gaya interaksi antara molekul gas menjadi kecil dan molekul bergerak di seluruh bejana tempat gas berada, hampir tidak bergantung satu sama lain, mengubah arah dan besarnya kecepatan dalam tumbukan dengan molekul lain dan dengan dinding. dari kapal. Jalur molekul gas adalah garis putus-putus yang mirip dengan lintasan gerak Brown.
Berperilaku seperti tubuh yang solid. Ketika mencoba mengklasifikasikan berbagai keadaan materi, biasanya dikatakan bahwa ada tiga keadaan: keadaan gas, keadaan padat dan keadaan padat. Perbedaan antara keadaan-keadaan yang berbeda ini berkaitan dengan susunan atom-atom penyusun materi dan pencampuran molekul-molekul penyusunnya.
Karena molekul-molekul ini sangat berjauhan, kita memahami bahwa gas itu ringan: menimbang gas pertama-tama adalah menimbang kekosongan antar molekul, dan bahwa gas menempati semua ruang yang dimilikinya: molekul sangat banyak sehingga tidak peka terhadap gravitasi .
Jalan bebas rata-rata molekul gas, yaitu panjang jalur rata-rata molekul antara dua tumbukan yang berurutan tergantung pada tekanan dan suhu gas. Pada suhu normal dan tekanan, jalur bebasnya sekitar 10 -5 cm Molekul gas saling bertabrakan atau dengan dinding bejana sekitar 1010 kali per detik, mengubah arah pergerakannya. Ini menjelaskan fakta bahwa laju difusi gas kecil dibandingkan dengan laju pergerakan translasi molekul gas, yang dalam kondisi normal kira-kira 1,5 kali lebih besar daripada kecepatan suara dalam gas tertentu dan sama dengan 500 m/s. .
Dalam cairan, jarak antar molekul jauh lebih kecil daripada di gas. Kekuatan interaksi setiap molekul dengan tetangganya cukup besar, akibatnya molekul cairan berosilasi di sekitar beberapa posisi kesetimbangan rata-rata. Pada saat yang sama, karena energi kinetik rata-rata molekul cair sebanding dengan energi interaksinya, molekul dengan kelebihan energi kinetik acak mengatasi interaksi partikel tetangga dan mengubah pusat osilasi. Partikel cairan yang berosilasi secara praktis pada interval waktu yang sangat singkat (~10 -8 detik) melompat ke angkasa.
Dengan demikian, cairan terdiri dari banyak daerah mikroskopis di mana ada keteraturan dalam susunan partikel di dekatnya, yang berubah seiring waktu dan ruang, yaitu. tidak berulang di seluruh volume cairan. Struktur seperti itu dikatakan memiliki pesanan jarak pendek .
Dalam padatan, jarak antar molekul bahkan lebih kecil, akibatnya gaya interaksi setiap molekul dengan tetangganya begitu besar sehingga molekul hanya melakukan osilasi kecil di sekitar posisi kesetimbangan konstan tertentu - sebuah simpul. Dalam tubuh kristal, pengaturan simpul tertentu yang saling menguntungkan dibedakan, yang disebut kisi kristal. Sifat kisi kristal ditentukan oleh sifat interaksi antarmolekul suatu zat.
Hal tersebut di atas berlaku untuk padatan kristal yang ideal. Dalam kristal nyata, ada berbagai pelanggaran urutan yang terjadi selama kristalisasi suatu zat.
Seiring dengan kristal, ada juga padatan amorf di alam, di mana, mirip dengan cairan, atom bergetar di sekitar node yang terletak secara acak. Namun, pergerakan partikel benda amorf dari satu pusat osilasi ke pusat osilasi lainnya terjadi dalam interval waktu yang begitu lama sehingga benda amorf praktis adalah benda padat.
Konduktivitas termal
Konduktivitas termal adalah perpindahan panas yang terjadi dengan adanya gradien suhu dan disebabkan oleh gerakan termal partikel. Gambar 1a menunjukkan tubuh lurus
berbentuk batubara dengan basis 1 dan 2 terletak normal terhadap sumbu x. Biarkan suhu tubuh menjadi fungsi dari satu koordinat T = T(x), di mana dT/dx < 0 (температура убывает в положительном направлении оси X). Kemudian, melalui bagian tubuh mana pun yang normal terhadap sumbu yang dipilih, panas dipindahkan, yang dijelaskan oleh hukum Fourier (1820)
dimana ∆ Q- jumlah panas yang ditransfer melalui area dengan penampang S dalam waktu Δ t, c- koefisien konduktivitas termal, tergantung pada sifat-sifat zat tersebut. Tanda minus pada (1) menunjukkan bahwa perpindahan panas diarahkan pada penurunan suhu (berlawanan dengan gradien suhu dT/dx). Jika bendanya homogen dan prosesnya stabil, maka suhu turun di sepanjang sumbu X linier: dT/dx=konst(Gbr. 1b).
Ekspresi (1) memungkinkan Anda menemukan kerapatan aliran panas(aliran panas melalui satuan luas per satuan waktu):
Ini mengikuti dari yang terakhir itu
Koefisien konduktivitas termal secara numerik sama dengan jumlah panas yang dipindahkan melalui satuan luas permukaan per satuan waktu pada gradien suhu satuan. .
Saat menentukan konduktivitas termal gas dan cairan, perlu hati-hati mengecualikan jenis perpindahan panas lainnya - konveksi (memindahkan bagian media yang lebih panas ke atas dan menurunkan bagian yang lebih dingin) dan perpindahan panas melalui radiasi (perpindahan panas radiasi).
Konduktivitas termal suatu zat tergantung pada keadaannya. Tabel I menunjukkan nilai konduktivitas termal beberapa zat.
Tabel I
Untuk cairan (jika kita mengecualikan logam cair), koefisien konduktivitas termal rata-rata lebih kecil dari pada padatan, dan lebih besar dari pada gas. Konduktivitas termal gas dan logam meningkat dengan meningkatnya suhu, sedangkan cairan biasanya menurun.
Untuk gas, teori kinetik molekuler memungkinkan untuk menetapkan bahwa koefisien konduktivitas termal sama dengan
di mana jalan bebas rata-rata molekul,
Kecepatan rata-rata gerakan mereka, r - kepadatan, CV adalah kapasitas panas spesifik isokorik.
Mekanisme konduktivitas termal gas, cairan dan padatan
Keacakan gerakan termal molekul gas, tumbukan terus menerus di antara mereka menyebabkan pencampuran partikel yang konstan dan perubahan kecepatan dan energinya. PADA gas konduktivitas termal terjadi ketika ada perbedaan suhu di dalamnya yang disebabkan oleh beberapa penyebab eksternal. Molekul gas di berbagai tempat volumenya memiliki energi kinetik rata-rata yang berbeda. Oleh karena itu, selama gerakan termal molekul yang kacau, transfer energi terarah . Molekul yang telah jatuh dari bagian gas yang dipanaskan ke bagian yang lebih dingin melepaskan kelebihan energinya ke partikel di sekitarnya. Sebaliknya, molekul yang bergerak perlahan, berpindah dari bagian dingin ke bagian yang lebih panas, meningkatkan energinya karena tumbukan dengan molekul dengan kecepatan tinggi.
Konduktivitas termal dalam cairan seperti dalam gas, terjadi dengan adanya gradien suhu. Namun, jika dalam gas energi dipindahkan selama tumbukan partikel yang melakukan gerakan translasi, maka dalam cairan energi dipindahkan selama tumbukan partikel berosilasi. Partikel dengan energi yang lebih tinggi berosilasi dengan amplitudo yang lebih besar dan, ketika bertabrakan dengan partikel lain, mengguncangnya seolah-olah mentransfer energi ke partikel tersebut. Mekanisme transfer energi seperti itu, seperti halnya mekanisme yang beroperasi pada gas, tidak memastikan transfernya yang cepat dan oleh karena itu konduktivitas termal cairan sangat rendah, meskipun beberapa kali melebihi konduktivitas termal gas. Pengecualian adalah logam cair, yang koefisien konduktivitas termalnya mendekati logam padat. Ini dijelaskan oleh fakta bahwa dalam logam cair, panas dipindahkan tidak hanya bersamaan dengan perpindahan getaran dari satu partikel ke partikel lainnya, tetapi juga dengan bantuan partikel bermuatan listrik bergerak - elektron yang ada dalam logam, tetapi tidak ada pada logam lain. cairan.
Jika di tubuh yang kokoh ada perbedaan suhu antara berbagai bagiannya, maka, seperti yang terjadi pada gas dan cairan, panas dipindahkan dari bagian yang lebih panas ke bagian yang kurang panas.
Tidak seperti cairan dan gas, konveksi tidak dapat terjadi pada benda padat, mis. pergerakan massa materi dengan panas. Oleh karena itu, perpindahan panas dalam padatan hanya dilakukan dengan konduksi termal.
Mekanisme perpindahan panas dalam padatan mengikuti sifat gerak termal di dalamnya. Benda padat adalah kumpulan atom yang bergetar. Tetapi fluktuasi ini
independen satu sama lain. Getaran dapat ditransmisikan (dengan kecepatan suara) dari satu atom ke atom lainnya. Dalam hal ini, gelombang terbentuk, yang mentransfer energi getaran. Perambatan osilasi seperti itu adalah perpindahan panas.
Secara kuantitatif, perpindahan panas dalam benda padat digambarkan dengan persamaan (1). Nilai koefisien konduktivitas termal c tidak dapat dihitung dengan cara yang sama seperti yang dilakukan untuk gas - sistem yang lebih sederhana yang terdiri dari partikel yang tidak berinteraksi.
Perhitungan perkiraan konduktivitas termal benda padat dapat dilakukan dengan menggunakan konsep kuantum.
Teori kuantum memungkinkan kita untuk membandingkan partikel kuasi tertentu yang merambat dalam benda padat dengan kecepatan suara dengan getaran - fonon. Setiap partikel dicirikan oleh energi yang sama dengan konstanta Planck dikalikan dengan frekuensi osilasi n. Energi kuantum getaran - fonon, oleh karena itu, sama dengan h n.
Jika kita menggunakan konsep fonon, maka kita dapat mengatakan bahwa gerakan termal dalam padatan justru disebabkan olehnya, sehingga pada nol mutlak tidak ada fonon, dan dengan meningkatnya suhu jumlahnya bertambah, tetapi tidak secara linier, tetapi menurut a hukum yang lebih kompleks (pada suhu rendah, secara proporsional kubus suhu).
Kita sekarang dapat menganggap benda padat sebagai bejana yang berisi gas fonon, gas yang pada suhu sangat tinggi dapat dianggap sebagai gas ideal. Seperti dalam kasus gas biasa, perpindahan panas dalam gas fonon dilakukan oleh tumbukan fonon dengan atom kisi, dan semua argumen untuk gas ideal di sini juga benar. Oleh karena itu, konduktivitas termal suatu zat padat dapat dinyatakan dengan rumus yang persis sama
di mana r adalah kerapatan benda, CV adalah kapasitas panas spesifiknya, Dengan adalah kecepatan suara dalam tubuh, l adalah jalur bebas rata-rata fonon.
Dalam logam, selain getaran kisi, partikel bermuatan, elektron, juga berpartisipasi dalam perpindahan panas, yang pada saat yang sama merupakan pembawa arus listrik dalam logam. Pada suhu tinggi elektronik bagian dari konduktivitas termal jauh lebih besar kisi . Ini menjelaskan konduktivitas termal yang tinggi dari logam dibandingkan dengan nonlogam, di mana fonon adalah satu-satunya pembawa panas. Koefisien konduktivitas termal logam dapat dihitung dengan rumus:
di mana jalur bebas rata-rata elektron, adalah kecepatan rata-rata gerakan termalnya.
Dalam superkonduktor, di mana arus listrik tidak menemui hambatan, praktis tidak ada konduktivitas termal elektronik: elektron yang membawa muatan tanpa hambatan tidak berpartisipasi dalam perpindahan panas, dan konduktivitas termal dalam superkonduktor murni kisi.
hukum Wiedemann-Franz
Logam memiliki konduktivitas listrik yang tinggi dan konduktivitas termal yang tinggi. Ini dijelaskan oleh fakta bahwa pembawa arus dan panas dalam logam adalah partikel yang sama - elektron bebas, yang, ketika dicampur dalam logam, tidak hanya membawa muatan listrik, tetapi juga energi gerakan kacau (termal) yang melekat di dalamnya. mereka, mis. melakukan perpindahan panas.
Pada tahun 1853, Wiedemann dan Franz secara eksperimental menetapkan hukum yang menurutnya rasio konduktivitas termal c terhadap konduktivitas listrik s untuk logam pada suhu yang sama adalah sama dan meningkat sebanding dengan suhu termodinamika:
di mana k dan e adalah konstanta (konstanta Boltzmann dan muatan elektron).
Mempertimbangkan elektron sebagai gas monoatomik, untuk koefisien konduktivitas termal seseorang dapat menggunakan ekspresi teori kinetik gas
di mana n×m= r adalah massa jenis gas.
Panas spesifik gas monoatomik sama dengan . Mengganti nilai ini ke dalam ekspresi untuk χ , kita peroleh
Menurut teori klasik logam, konduktivitas listriknya
Kemudian hubungannya
Setelah mengganti , kita sampai pada relasi (5), yang menyatakan hukum Wiedemann-Franz .
Mengganti nilai-nilai k= 1,38 10 -23 J/K dan e= 1,60 10 -19 C ke dalam rumus (5), kita temukan
Jika, menggunakan rumus ini, hitung nilai semua logam di T\u003d 300 K, maka kita dapatkan 6,7 10 -6 J Ω / s K. Hukum Wiedemann-Franz untuk sebagian besar logam sesuai dengan pengalaman pada suhu 100–400 K, tetapi pada suhu rendah hukum tersebut dilanggar secara signifikan. Perbedaan antara data yang dihitung dan eksperimen pada suhu rendah sangat besar terutama untuk perak, tembaga, dan emas. Ada logam (berilium, mangan) yang sama sekali tidak mematuhi hukum Wiedemann-Franz.