固体状態での分子の動きの性質。 石油とガスの大百科事典
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液体中の分子の熱運動の性質は、固体よりも複雑です。 単純化されたモデルによると、液体分子の熱運動は、特定の中心を中心とした不規則な振動を表しています。 ある時点での個々の分子の振動の運動エネルギーは、分子間結合を克服するのに十分である可能性があります。 次に、これらの分子は他の分子の環境に飛び込む機会を得て、振動の中心を変化させます。 このように、安定した生命の時間と呼ばれるしばらくの間/、各分子はいくつかの最も近い分子を持つ秩序だったシステムにあります. ジャンプした液体分子は、別の方法で配置された新しい分子の中にいることに気づきます。 そのため、液体中では分子配列の近距離秩序のみが観察されます。
地球の表面の条件を考えると、水など、3 つの状態すべてで自然に見つかる物質は限られています。 ほとんどの物質は特定の状態で発生します。 個々の分子はブロックされてその場にとどまり、動くことができません。 固体の原子や分子は動いていますが、その動きは振動エネルギーによって制限されており、個々の分子は所定の位置に固定され、並んで振動しています。 気温が上がるにつれて ソリッドボディ振動数は増加しますが、分子が所定の位置に固定され、互いに相互作用しないため、固体はその形状と体積を保持します。
液体中の分子の熱運動の性質は、気体分子の熱運動とは大きく異なります。 熱運動のランダム性により、隣接する分子の振動の速度と振幅は異なり、時々、隣接する分子は互いに大きく発散するため、個々の分子は d のオーダーの距離を飛び越え、新しい状態で立ち往生します。平衡位置になり、その周りで振動し始めます。 温度が上昇すると、熱運動の平均エネルギーが増加し、振動の振幅と、ある平衡位置から隣接する位置への分子のジャンプの頻度が増加します。
この例を見るには、氷の結晶の分子構造を示す次のアニメーションをクリックしてください。 液体中の分子は移動して互いに衝突することができますが、固体のように比較的接近したままです。 通常、液体では、分子間力によって分子が結合し、分子がバラバラになります。 液体の温度が上昇すると、個々の分子の動きの数が増加します。 その結果、液体は「循環」して容器の形をとることができますが、分子がすでに非常に接近しているため、簡単に圧縮することはできません.
分子の熱運動の性質は、分子の相互作用の性質に依存し、物質が通過するときに変化します。
ガラス転移は、アモルファス状態のポリマー分子の熱運動の性質を変化させる高速プロセスであり、観察される変形速度に応じて、狭い温度範囲で発生します。 ポリマーの体積の変化や熱効果なしで発生しますが、熱膨張係数と比熱の変化があります。
したがって、液体は 不定形、しかし、ある程度。 次のアニメーションの例では、液体の水は自由に循環できる分子で構成されていますが、それでも互いに近くに留まっていることがわかります。 したがって、ガス分子はほとんど相互作用せず、衝突することもあります。 気体状態では、分子は素早く動き、あらゆる方向に自由に循環し、長距離に広がります。 温度が上昇すると、個々の分子の動きの数が増加します。
ガスは膨張して容器を満たし、密度が低くなります。 個々の分子は広く分離されており、気体の状態で自由に循環できるため、気体は容易に圧縮され、無限に成形できます。 プラズマは非常に高いエネルギーの条件下で形成されるため、分子が分離して自由原子のみが存在するほど大きくなります。 さらに驚くべきことは、プラズマが非常に多くのエネルギーを持っているため、外側の電子が個々の原子から強く分離され、高度に帯電したエネルギーの高いイオン ガスを形成することです。
それは、PD分子の熱運動の性質が、希薄ガス中の粒子の自由運動よりも、結晶格子や液体分子の原子の振動運動に近いという事実にあります。
読者 B: 先ほど、分子の熱運動の性質は分子間相互作用に依存し、ある凝集状態から別の凝集状態への移行中に変化することを指摘しました。
プラズマ中の原子は荷電イオンとして存在するため、プラズマはガスとは異なる振る舞いをし、物質の第 4 状態を形成します。 プラズマは見上げるだけで認識できます。 太陽などの星に存在する高エネルギー条件は、個々の原子をプラズマ状態に押し上げます。
これまで見てきたように、エネルギーが増加すると、分子運動が増加します。 逆に、エネルギーが減少すると、分子運動が減少します。 その結果、分子の予測は 運動理論物質のエネルギーが減少すると、すべての分子運動が停止する点に到達するということです。 分子運動が停止する温度は絶対零度と呼ばれ、-15℃として計算されます。 科学者たちは物質を絶対零度近くまで冷却しましたが、その温度に到達することはできませんでした。
散乱光の連続スペクトルのこのような分割は、液体中の分子の熱運動の性質そのものによって決まります。
光の分子散乱は、散乱媒体中の分子の熱運動の構造と性質に関する非常に貴重な情報を提供します。 この分野での仕事は、1930 年代に幅広い分野で展開されました。 それらは、物質の液体状態の問題の解決に大きく貢献しており、引き続き貢献しています。 ここで、ソビエトの科学者 L. I. マンデルスタム、G. S. ランズバーグ、L. D. ランダウ、E. F. グロス、S. M. ライトフとその学生たちの功績は特に素晴らしいものです。
絶対零度で物質を観察することの難しさは、物質を「見る」ために光が必要であり、光がエネルギーを物質に伝達し、温度が上昇することです。 これらの課題にもかかわらず、科学者たちは最近、絶対零度に非常に近い温度でのみ存在する物質の第 5 の状態を観察しました。
この奇妙な状態では、凝縮体のすべての原子が同じ機械的量子状態に達し、互いに摩擦することなく流れることができます。 他のいくつかのあまり一般的でない物質の状態も記述または観察されています。 これらの状態には、液晶、フェルミオン凝縮体、超流動体、超固体、および適切な名前のストレンジ物質が含まれます。
現在のレベルでの液体状態の理論は、分子の構造の複雑さと熱運動の性質のために、かなり広い範囲の温度と圧力で実際の液体の特性を説明するために使用することはできません。 最良のシナリオ 統計理論状態パラメーターと動径分布関数に対する液体の平衡特性の定性的な依存性のみを確立することができます。
これは、絶対零度に近い非常に低い温度で発生します。 コロラド大学で最初に作成されました。 多くの科学者はそれが間違っていると考えています。 凝縮体の性質は、それを構成するすべての粒子が同じ量子状態にあることを意味します。これは、粒子がボソンである場合にのみ可能です。 パウリの排他原理により、同じフェルミオンのペアが同じ量子状態を同時に使用することが防止されます。 したがって、フェルミオン凝縮体は存在しないはずです。
したがって、融解中の物体の熱容量のわずかな変化は、液体中の分子の熱運動の性質が固体中の分子と同じであること、つまり分子が平衡位置の周りで振動していることの証拠と見なすことができます。
物質の液体状態と固体状態の間のこれらの質的な違いは、それらの分子構造と分子の熱運動の性質の違いによるものです。 加熱すると、特定の条件下で固体が液体状態になり、溶けます。 液体は温度が下がると固まります。
ジャンは、フェルミオン原子のペアの凝縮を達成しました。 同じスピンを持つ原子のペアのスピンの合計は、常に整数になります。 同一のフェルミオン原子のペアが分子を形成する場合、整数のスピンを持ちます。 したがって、この分子は凝縮できるボソンです。
クーパー対がボソンに同化できることは事実ですが、これはクーパー対の形成が凝縮体の存在を自動的に意味することを意味するものではありません。 クーパー対の凝縮体を得るには、すべて同じ量子状態にグループ化する必要があります。
サモイロフが指摘するように、電解質溶液中のイオンの溶媒和の問題を包括的に考察するには、溶媒和数と溶媒和エネルギーの決定に限定することはできません。溶媒の構造のみですが、溶媒分子の熱運動の性質において. 溶媒の上記のすべての変化は、主に1つの同じ理由によるものです-司祭と溶媒の分子間の相互作用.
フェルミオン凝縮体は波のように振舞うが、粒子のようには振る舞わない。 フェルミオン ガス分子はボソンではなくフェルミオンです。これは、フェルミオンのみが組み合わされているにもかかわらず、スピンが完全に整数になり、その時点で安定するためです。
パウリの排他原理は、2 つのフェルミオンが同時に同じ量子状態を占めることはできないと述べています。 電子が波を安定させ、安定した形状を与えるにつれて、これは時間とともに変化しました。 Jin、Markus Greiner、Cindy Regal はさらに一歩進んで、粒子の超凍結のおかげで、物質の新しい状態である 6 番目のフェルミオン ガスを発見しました。 これらの物理学者によると、量子氷は本質的に群生する粒子のクラスであるボソンで構成されており、それらの統計法則は同じ量子状態の複数の集団を支持する傾向があります.
液体では、分子は互いにわずかな距離で配置されており、それらの間に分子間相互作用の大きな力があります。 液体中の分子の熱運動の性質は、気体中の分子の運動とは大きく異なります。 液体分子は、特定の平衡位置を中心に振動します。
ただし、フェルミオン ガスはすべてフェルミオンで構成されています。 それらは、ボソンとは異なり、非社交的であり、定義により、同じ運動状態を占めることはできません。 同じフェルミオンのペアが同じ量子状態を占めることはできません。 で 高温これらの素粒子の挙動はほとんど知覚できません。 しかし、冷却されると、より低いエネルギー状態を求める傾向があり、この時点でボソンとフェルミオンの拮抗的な性質が強まります。
しかし、超凍結フェルミオンはどのように振る舞うのでしょうか? パズルを解くために、ボルダーの物理学者はレーザーを使用して、1,000 個のカリウム原子の小さな雲を捉えました。 自然な動きを制限することで、原子を絶対零度よりも数百万分の 1 高い温度まで冷却しました。 それらの難解な性質のために、これらの原子のフェルミオンは互いに反発するはずですが、そうではありませんでした。 過冷却された原子に磁場をかけることで、それらは簡単に対になって出会い、驚くべき凝縮体を作りました。 新しい州の両親によると、この発見は幅広い実用的なアプリケーションにつながる可能性があります.
熱運動は、気体、固体、液体中の分子、原子、イオンの無秩序な運動です。 分子、原子、およびイオンの熱運動の性質は、物質の凝集状態に依存し、分子間相互作用の力によって決定されます。
装置および付属品: 調査対象の金属製のワイヤ導体、測定装置、電気測定器。
たとえば、フェルミオン ガスは、電気が抵抗なく流れる現象である超伝導の新しい研究分野を提供します。 物質の第7の状態と呼べる状態がいくつかあるかもしれません。 これらの状態は、宇宙の極端な条件下でのみ発生するか、爆発のビッグバン理論中にのみ発生します。
非常に対称的な物質で。 弱対称性物質において。 グルオンクォークのプラズマ中。 これらは、固体、液体、または混合物の成分を分離するのに役立つ手順です。 混合ガス. 混合物を分離する主な方法は、デカンテーション、ろ過、遠心分離、分別溶解などです。 浮選、スクリーニング、浮揚、換気、磁気分離、結晶化、分別液化、分別蒸発、クロマトグラフィー、溶媒抽出などの他の方法もあります。
気体、液体、固体の分子の動き
分子動力学理論によると、その創始者の 1 人はロシアの偉大な科学者 M.V. ロモノソフ すべての物質は小さな粒子で構成されています。分子は連続的に動いており、互いに相互作用しています。
分子は、それ自身を持つ物質の最小の粒子です。 化学的特性. 分子 さまざまな物質異なる原子組成を持っています。
システムが混合物であることを知っていれば、混合物を分離する 1 つまたは複数の方法を使用して、混合物の 2 つまたは複数の成分を分離することができます。 物質の性質を変えずに混合物を分離する方法は、即時分析と呼ばれます。 そして、混合物の種類ごとに、いくつかあります 違う方法分離。 以下は、ミックスを分離する最も一般的な方法です。
不均一な固液混合物と液液混合物を分離するために使用される方法。 例：濁った水、水と油。 濁った水の入ったバケツをしばらくそのままにしておくと、粘土が沈む、つまりバケツの底に沈むことに気付くでしょう。これは、水に比べて大きいためです。 したがって、バケツから水を簡単に取り除くことができます。
気体、液体、固体の分子の動きの性質には、多くの共通点があり、大きな違いもあります。
共通機能分子運動:
a) 平均速度分子が多いほど、物質の温度が高くなります。
b）特定の物質のさまざまな分子の速度は、特定の速度を持つ分子の数が多いほど、この速度が特定の物質の分子の最も可能性の高い移動速度に近づくように分布します所定の温度。
混合物から水を除去し、液体を分離することができます。 自然界に存在するもののほとんどは何らかの混合物であると言えます。 大気、岩石、植物の葉、さらには髪の毛も混合物の例であり、各混合物は異なる物理的特性を持っています. さらに、混合物の各成分には、独自の物理的および化学的特性があります。 つまり、成分の混合は、基本的な化学構造の変化を意味するものではありません。 コンポーネントの主な構造を変更する場合、 化学反応混ぜるだけではなく。 したがって、物質の 3 つの状態は、固体、液体、気体です。
気体、液体、固体の分子の動きの性質の大きな違いは、分子間の平均距離の違いに関連する分子間の力の相互作用の違いによって説明されます。
気体では、分子間の平均距離は、分子自体のサイズよりも何倍も大きくなります。 その結果、ガス分子間の相互作用力は小さく、分子はガスが存在する容器全体をほぼ独立して移動し、他の分子や壁との衝突で速度の方向と大きさを変化させます。船の。 気体分子の経路は、ブラウン運動の軌跡に似た破線です。
ソリッド ボディのように動作します。 物質のさまざまな状態を分類しようとするとき、通常、3 つの状態があると言われます。 固体の状態そして固体状態。 これらの異なる状態の違いは、物質を構成する原子の配置と、それを構成する分子の混合に関係しています。
これらの分子は非常に離れているため、気体が軽いことを理解しています。気体を計量することは、まず分子間の空隙を計量することであり、気体はそれらが持つすべての空間を占有します。分子は非常に多いため、重力に敏感ではありません。
ガス分子の平均自由行程、つまり 連続する 2 つの衝突間の分子の平均経路長は、ガスの圧力と温度に依存します。 で 常温および圧力、自由行程は約 10 -5 cm. ガス分子は互いに、または容器の壁と毎秒約 1010 回衝突し、それらの移動の方向を変えます。 これは、ガスの拡散速度がガス分子の並進運動の速度と比較して小さいという事実を説明しています。通常の条件下では、特定のガスの音速の約 1.5 倍であり、500 m/s に相当します。 .
液体では、分子間の距離は気体よりもはるかに小さくなります。 各分子とその隣接分子との相互作用の力は十分に大きく、その結果、液体の分子はいくつかの平均平衡位置の周りで振動します。 同時に、液体分子の平均運動エネルギーはそれらの相互作用エネルギーに匹敵するため、運動エネルギーがランダムに過剰な分子は、隣接する粒子の相互作用を克服し、振動の中心を変更します。 非常に短い時間間隔 (~10 -8 秒) で実際に振動している液体の粒子が空間をジャンプします。
したがって、液体は多くの微視的な領域で構成されており、近くの粒子の配置に何らかの秩序があり、時間と空間によって変化します。 液体の全量で繰り返されません。 このような構造になっていると言われています。 短距離秩序 .
固体では、分子間の距離はさらに短く、その結果、各分子とその隣の分子との相互作用の力が非常に大きくなり、 分子は、特定の一定の平衡位置（ノード）の周りで小さな振動のみを実行します。 結晶体では、ノードの特定の明確な相互配置が区別されます。 結晶格子。 結晶格子の性質は、特定の物質の分子間相互作用の性質によって決まります。
前述のことは、理想的な結晶性固体に適用されます。 実際の結晶では、物質の結晶化中に発生する秩序のさまざまな違反があります。
結晶に加えて、自然界にはアモルファス固体もあり、液体と同様に、原子がランダムに配置された節の周りで振動しています。 しかしながら、振動の１つの中心から別の中心への非晶質体の粒子の移動は、実質的に非晶質体が固体体であるような長い時間間隔で起こる。
熱伝導率
熱伝導率は、温度勾配の存在下で発生する熱の移動であり、粒子の熱運動によるものです。 図 1a は直線体を示しています
軸に垂直に配置されたベース 1 と 2 を持つ石炭の形をした バツ。体温を 1 つの座標の関数とする T = T(x)、ここで dT/dx < 0 (температура убывает в положительном направлении оси バツ）。 次に、選択した軸に垂直な体の任意のセクションを介して、熱が伝達されます。これは、フーリエの法則 (1820 年) で説明されています。
どこで ∆ Q- 断面のある領域を通過する熱量 S時間Δ t、 c- 物質の特性に応じた熱伝導率。 (1) のマイナス記号は、熱伝達が温度低下に向かっていることを示します (温度勾配とは逆) dT/dx）。 物体が均質でプロセスが安定している場合、温度は軸に沿って低下します。 バツ線形： dT/dx=定数（図1b）。
式（1）を使用すると、密度を見つけることができます 熱流(単位時間あたりの単位面積を通る熱流):
後者から、
熱伝導係数は、単位温度勾配で単位時間あたり単位表面積を通して伝達される熱量に数値的に等しくなります。 .
気体と液体の熱伝導率を決定するときは、他のタイプの熱伝達 - 対流 (媒体の高温部分を上に動かし、低温部分を下げる) と放射による熱伝達 (放射熱伝達) を慎重に除外する必要があります。
物質の熱伝導率は、その状態によって異なります。 表Iは、いくつかの物質の熱伝導率の値を示しています。
表Ⅰ
液体の場合 (液体金属を除外した場合)、熱伝導率は平均して固体の熱伝導率よりも小さく、気体の熱伝導率よりも大きくなります。 ガスと金属の熱伝導率は温度の上昇とともに増加しますが、液体は通常減少します。
ガスの場合、分子動力学理論により、熱伝導係数が次のようになることが確立されます。
は分子の平均自由行程で、
それらの移動の平均速度、r - 密度、 履歴書等容比熱容量です。
気体、液体、固体の熱伝導のメカニズム
ガス分子の熱運動のランダム性、それらの間の継続的な衝突は、粒子の絶え間ない混合とそれらの速度とエネルギーの変化につながります。 で ガス 熱伝導率は、何らかの外的要因によって引き起こされる温度差がある場合に発生します。 その体積の異なる場所にあるガス分子は、異なる平均運動エネルギーを持っています。 したがって、分子のカオス熱運動中、 指向性エネルギー移動 . ガスの加熱された部分からより冷たい部分に落ちた分子は、過剰なエネルギーを周囲の粒子に放出します。 逆に、ゆっくりと移動する分子は、冷たい部分から熱い部分に移動すると、高速の分子との衝突によりエネルギーが増加します。
熱伝導率 液体中 ガスの場合と同様に、温度勾配の存在下で発生します。 ただし、気体では、並進運動を行う粒子の衝突中にエネルギーが伝達される場合、液体では、振動する粒子の衝突中にエネルギーが伝達されます。 より高いエネルギーを持つ粒子は、より大きな振幅で振動し、他の粒子と衝突すると、いわばそれらを揺さぶり、それらにエネルギーを伝達します。 このようなエネルギー伝達のメカニズムは、気体で動作するメカニズムと同様に、その迅速な伝達を保証しないため、液体の熱伝導率は非常に低くなりますが、気体の熱伝導率を数倍上回ります。 例外は液体金属で、その熱伝導係数は固体金属の熱伝導係数に近いです。 これは、液体金属では、ある粒子から別の粒子への振動の伝達とともに熱が伝達されるだけでなく、可動性の荷電粒子（金属には存在するが他の液体には存在しない電子）の助けを借りて伝達されるという事実によって説明されます。 .
入っている場合 ソリッドボディ さまざまな部分の間に温度差があり、気体や液体で起こるのと同じように、熱はより加熱された部分からより加熱されていない部分に移動します。
液体や気体とは異なり、対流は固体では発生しません。 熱による物質の塊の動き。 したがって、固体内の熱伝達は熱伝導のみで行われます。
固体内の熱伝達のメカニズムは、固体内の熱運動の性質に従います。 固体は振動する原子の集まりです。 しかし これらの変動
互いに独立しています。振動は、ある原子から別の原子に (音速で) 伝達されます。 この場合、波が形成され、振動のエネルギーが伝達されます。 このような振動の伝播が熱の伝達です。
定量的には、固体内の熱伝達は式 (1) で表されます。 熱伝導係数 c の値は、気体の場合と同じ方法で計算することはできません。これは、相互作用しない粒子からなるより単純なシステムです。
固体の熱伝導率のおおよその計算は、量子の概念を使用して実行できます。
量子論音速で固体中を伝播する特定の準粒子を振動と比較することができます - フォノン。 各粒子は、振動周波数 n を掛けたプランク定数に等しいエネルギーによって特徴付けられます。 したがって、振動の量子 - フォノンのエネルギーは次のようになります。 時間 n.
フォノンの概念を使用すると、固体内の熱運動は正確にフォノンによって引き起こされるため、絶対零度ではフォノンは存在せず、温度が上昇するとフォノンの数は増加しますが、線形ではなく、より複雑な法則 (低温では、温度立方体に比例)。
固体は、フォノンのガスを含む容器と見なすことができます。このガスは、非常に高温では理想的なガスと見なすことができます。 通常の気体の場合と同様に、フォノン ガス内の熱伝達はフォノンと格子原子の衝突によって行われ、すべての引数は 理想気体ここでも真実です。 したがって、固体の熱伝導率はまったく同じ式で表すことができます。
ここで、r は体の密度、 履歴書はその比熱容量、 とは体内の音速、l はフォノンの平均自由行程です。
金属では、格子振動に加えて、荷電粒子、電子も熱伝達に関与し、同時に金属内の電流のキャリアでもあります。 高温時 電子 熱伝導率の一部がはるかに大きい 格子 . これは、フォノンが唯一の熱媒体である非金属と比較して、金属の熱伝導率が高いことを説明しています。 金属の熱伝導率は、次の式で計算できます。
ここで、 は電子の平均自由行程、 は熱運動の平均速度です。
超伝導体では、電流が抵抗に遭遇しない場合、実質的に電子熱伝導率はありません。抵抗なしで電荷を運ぶ電子は熱伝達に関与せず、超伝導体の熱伝導率は純粋に格子です。
ヴィーデマン・フランツの法則
金属は高い電気伝導率と高い熱伝導率を兼ね備えています。 これは、金属内の電流と熱のキャリアが同じ粒子であるという事実によって説明されます-自由電子は、金属に混合されると、電荷だけでなく、固有のカオス（熱）運動のエネルギーも運びますそれら、すなわち 熱伝達を行います。
1853 年、ヴィーデマンとフランツは実験的に法則を確立しました。 熱伝導率 c 電気伝導度へ s 同じ温度の金属の場合は同じで、熱力学的温度に比例して増加します。
どこ kと eは定数 (ボルツマン定数と電子電荷) です。
電子を単原子ガスと考えると、熱伝導率の係数については、ガスの動力学理論の式を使用できます。
どこ n×m= r はガスの密度です。
比熱単原子気体は に等しい。 この値を χ の式に代入すると、次のようになります。
金属の古典的な理論によると、それらの電気伝導率は
次に、関係
を置き換えた後、式 (5) に到達します。 ヴィーデマン・フランツの法則 .
値の代入 k= 1.38 10 -23 J/K および e= 1.60 10 -19 C を式 (5) に代入すると、
この式を使用して、すべての金属の値を計算すると、 T\u003d 300 K の場合、6.7 10 -6 J Ω / s K が得られます。 ほとんどの金属の Wiedemann-Franz の法則は、100 ～ 400 K の温度での経験に対応しますが、低温ではこの法則は著しく破られます。 低温での計算データと実験データの不一致は、特に銀、銅、および金で大きくなります。 Wiedemann-Franz の法則にまったく従わない金属 (ベリリウム、マンガン) があります。