고체 상태에서 분자 운동의 특성. 석유와 가스의 큰 백과사전

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액체에서 분자의 열 운동 특성은 고체에서보다 더 복잡합니다. 단순화된 모델에 따르면 액체 분자의 열 운동은 특정 중심에 대한 불규칙한 진동을 나타냅니다. 어떤 순간의 개별 분자 진동의 운동 에너지는 분자간 결합을 극복하기에 충분할 수 있습니다. 그런 다음 이러한 분자는 다른 분자의 환경으로 뛰어들 기회를 얻어 진동 중심을 변경합니다. 따라서 일정 시간 동안 / 정착된 삶의 시간이라고 하는 각 분자는 몇 개의 가장 가까운 분자가 있는 질서 정연한 시스템에 있습니다. 점프를 한 액체 분자는 다른 방식으로 배열된 새로운 분자 사이에서 자신을 찾습니다. 따라서 분자 배열의 단거리 질서만이 액체에서 관찰됩니다.

액체에서 분자의 열 운동 특성은 기체 분자의 열 운동과 크게 다릅니다. 열 운동의 무작위성으로 인해 이웃 분자의 진동 속도와 진폭이 다르며 때때로 이웃 분자가 서로 너무 많이 발산하여 개별 분자가 d 정도의 거리를 뛰어 넘어 새로운 상태에 갇히게됩니다. 평형 위치와 그 주위에서 진동하기 시작합니다. 온도가 증가함에 따라 열 운동의 평균 에너지가 증가하고 진동의 진폭과 한 평형 위치에서 인접한 평형 위치로의 분자 점프 빈도가 증가합니다.

분자의 열 운동의 특성은 분자의 상호 작용 특성에 따라 달라지며 물질이 통과할 때 변화합니다.

유리 전이는 관찰되는 변형 속도에 따라 좁은 온도 범위에서 발생하는 비정질 상태의 고분자 분자의 열 운동 특성을 빠르게 변화시키는 과정입니다. 폴리머의 부피 변화와 열 효과 없이 발생하지만 열팽창 계수와 비열의 변화와 함께 발생합니다.

PD 분자의 열 운동의 특성은 희박한 가스에서 입자의 자유 운동보다 결정 격자 및 액체 분자의 원자의 진동 운동에 더 가깝다는 사실에 있습니다.

독자 B: 앞서 당신은 분자의 열 운동 특성이 한 응집 상태에서 다른 응집 상태로 전환되는 동안 분자간 상호 작용과 변화에 달려 있다고 지적했습니다.

산란광의 연속 스펙트럼의 이러한 분할은 액체 분자의 열 운동 특성에 의해 결정됩니다.

빛의 분자 산란은 산란 매질에서 분자의 열 운동의 구조와 특성에 대한 매우 귀중한 정보를 제공합니다. 이 분야의 작업은 30년대에 광범위하게 전개되었습니다. 그들은 물질의 액체 상태 문제의 해결에 크게 기여했으며 계속 기여하고 있습니다. 여기에서 소련 과학자 L. I. Mandelstam, G. S. Landsberg, L. D. Landau, E. F. Gross, S. M. Rytov 및 그들의 학생들의 장점이 특히 좋습니다.

현재 수준의 액체 상태 이론은 구조의 복잡성과 분자의 열 운동 특성으로 인해 상당히 넓은 범위의 온도와 압력에서 실제 액체의 특성을 설명하는 데 사용할 수 없습니다. 최상의 시나리오 통계 이론상태 매개변수와 방사형 분포 함수에 대한 액체의 평형 특성의 질적 의존성을 설정할 수 있습니다.

따라서 용융 중 물체의 열용량의 작은 변화는 액체에서 분자의 열 운동 특성이 고체에서와 동일하다는 증거로 간주될 수 있습니다. 즉, 분자는 평형 위치를 중심으로 진동합니다.

물질의 액체 상태와 고체 상태 사이의 이러한 질적 차이는 분자 구조와 분자의 열 운동 특성의 차이 때문입니다. 가열되면 특정 조건에서 고체가 액체 상태로 전환되어 녹습니다. 온도가 떨어지면 액체가 응고됩니다.

Samoilov가 지적했듯이 전해질 용액에서 이온의 용매화 문제를 종합적으로 고려하려면 용매화 수와 용매화 에너지를 결정하는 데 국한될 수 없으며 이온이 도입될 때 발생하는 변화에 대한 조사가 필요합니다. 용매의 구조에서만, 그러나 용매 분자의 열 운동의 성질에서 . 용매의 위의 모든 변화는 주로 성직자와 용매 분자 간의 상호 작용과 같은 동일한 이유 때문입니다.

액체에서 분자는 서로 작은 거리에 있으며 분자간 상호 작용에 상당한 힘이 있습니다. 액체에서 분자의 열 운동 특성은 기체 분자의 운동과 크게 다릅니다. 액체 분자는 특정 평형 위치에 대해 진동합니다.

열 운동은 기체, 고체 및 액체에서 분자, 원자 및 이온의 무질서한 운동입니다. 분자, 원자 및 이온의 열 운동 특성은 물질의 응집 상태에 따라 달라지며 분자간 상호 작용의 힘에 의해 결정됩니다.

장치 및 액세서리: 조사된 금속으로 만들어진 전선 도체, 측정 장치, 전기 측정 장치.

기체, 액체 및 고체 분자의 움직임

분자 운동 이론에 따르면, 그 창시자 중 한 명은 위대한 러시아 과학자 M.V. 로모노소프, 모든 물질은 연속적으로 움직이고 서로 상호 작용하는 분자인 작은 입자로 구성됩니다.

분자는 물질을 구성하는 가장 작은 입자입니다. 화학적 특성. 분자 다양한 물질다른 원자 구성을 가지고 있습니다.

기체, 액체 및 고체 분자의 운동 특성에는 공통점이 많고 중요한 차이점도 있습니다.

일반적인 특징분자 운동:

ㅏ) 평균 속도분자가 많을수록 물질의 온도가 높아집니다.

b) 주어진 물질의 다양한 분자의 속력은 특정 속력을 가진 분자의 수가 많을수록 이 속력이 주어진 물질의 분자의 가장 가능성 있는 운동 속도에 가까워지는 방식으로 분포되어 있습니다. 주어진 온도.

가스, 액체 및 고체 분자의 움직임 특성의 상당한 차이는 분자 간의 평균 거리의 차이와 관련된 분자의 힘 상호 작용의 차이로 설명됩니다.

기체에서 분자 사이의 평균 거리는 분자 자체의 크기보다 몇 배 더 큽니다. 결과적으로, 기체 분자 사이의 상호 작용력은 작고 분자는 기체가 위치한 전체 용기를 통해 거의 서로 독립적으로 이동하여 다른 분자 및 벽과의 충돌에서 속도의 방향과 크기를 변경합니다. 선박의. 기체 분자의 경로는 브라운 운동의 궤적과 유사한 파선입니다.

기체 분자의 평균 자유 경로, 즉 두 번의 연속 충돌 사이의 분자의 평균 경로 길이는 기체의 압력과 온도에 따라 달라집니다. ~에 평온압력, 자유 경로는 약 10-5cm이며, 기체 분자는 서로 또는 초당 약 1010번 용기의 벽과 충돌하여 이동 방향을 바꿉니다. 이것은 기체의 확산 속도가 기체 분자의 병진 운동 속도에 비해 작다는 사실을 설명합니다. 이는 정상적인 조건에서 주어진 기체의 음속보다 약 1.5배 빠르고 500m/s와 같습니다. .

액체에서 분자 사이의 거리는 기체보다 훨씬 작습니다. 각 분자와 이웃 분자의 상호 작용력은 충분히 커서 액체 분자가 평균 평형 위치를 중심으로 진동합니다. 동시에, 액체 분자의 평균 운동 에너지는 상호 작용 에너지에 필적하기 때문에 무작위 초과 운동 에너지를 가진 분자는 인접 입자의 상호 작용을 극복하고 진동 중심을 변경합니다. 매우 짧은 시간 간격(~10 -8초)으로 실질적으로 진동하는 액체 입자는 공간에서 점프합니다.

따라서 액체는 시간과 공간에 따라 변하는 근처 입자의 배열에 일정한 순서가 있는 많은 미시 영역으로 구성됩니다. 액체의 전체 부피에서 반복되지 않습니다. 이와 같은 구조를 가진다고 한다. 단거리 주문 .

고체에서 분자 사이의 거리는 훨씬 더 작아서 각 분자와 이웃 분자의 상호 작용력이 너무 커서 분자는 일정한 평형 위치인 노드 주위에서 작은 진동만 수행합니다. 결정체에서 노드의 특정 명확한 상호 배열이 구별됩니다. 크리스탈 격자. 결정 격자의 성질은 주어진 물질의 분자간 상호작용의 성질에 의해 결정된다.

이상은 이상적인 결정질 고체에 적용된다. 실제 결정에는 물질의 결정화 중에 발생하는 다양한 순서 위반이 있습니다.

결정과 함께 자연에는 액체와 마찬가지로 원자가 무작위로 위치한 노드 주위에서 진동하는 비정질 고체도 있습니다. 그러나 한 진동 중심에서 다른 진동 중심으로의 비정질 입자의 이동은 실질적으로 비정질 몸체가 고체일 정도로 긴 시간 간격으로 발생합니다.

열 전도성

열전도율은 온도 구배가 있을 때 발생하며 입자의 열 운동으로 인해 발생하는 열 전달입니다. 그림 1a는 직선 몸체를 보여줍니다.

베이스 1과 2가 축에 수직으로 위치한 석탄 모양 엑스.체온을 한 좌표의 함수라 하자 T = T(x), 여기서 dT/dx < 0 (температура убывает в положительном направлении оси 엑스). 그런 다음 선택한 축에 수직인 신체 섹션을 통해 열이 전달되며, 이는 푸리에 법칙(1820)에 의해 설명됩니다.

여기서 ∆ 큐- 단면이 있는 영역을 통해 전달되는 열의 양 에스시간 Δ 티, c- 물질의 특성에 따른 열전도 계수. (1)의 빼기 기호는 열 전달이 온도 감소 쪽으로 향함을 나타냅니다(온도 구배 반대 dT/dx). 몸체가 균질하고 프로세스가 일정하면 축을 따라 온도가 떨어집니다. 엑스선의: dT/dx=상수(그림 1b).

식 (1)을 사용하면 밀도를 찾을 수 있습니다. 열 흐름(단위 시간당 단위 면적을 통한 열 흐름):

그것은 후자에 따른다.

열전도 계수는 단위 온도 구배에서 단위 시간당 단위 표면적을 통해 전달되는 열의 양과 수치적으로 같습니다. .

가스 및 액체의 열전도율을 결정할 때 대류(매질의 더 뜨거운 부분을 위로 이동하고 더 차가운 부분을 낮추는 것)와 복사에 의한 열 전달(복사 열 전달)과 같은 다른 유형의 열 전달을 신중하게 배제해야 합니다.

물질의 열전도율은 상태에 따라 다릅니다. 표 I은 일부 물질의 열전도율 값을 보여줍니다.

표 1

액체의 경우(액체 금속을 제외하면) 열전도 계수는 평균적으로 고체의 열전도 계수보다 작고 기체의 열전도 계수보다 큽니다. 가스 및 금속의 열전도율은 온도가 증가함에 따라 증가하는 반면 액체는 일반적으로 감소합니다.

가스의 경우 분자 운동 이론을 통해 열전도 계수가 다음과 같다는 것을 확인할 수 있습니다.

분자의 평균 자유 경로는 어디에 있습니까?

평균 이동 속도, r - 밀도, 이력서 isochoric 비열 용량입니다.

기체, 액체 및 고체의 열전도율 메커니즘

가스 분자의 열 운동의 무작위성, 이들 사이의 지속적인 충돌은 입자의 일정한 혼합과 속도 및 에너지의 변화로 이어집니다. 에 가스 열전도율은 어떤 외부 요인에 의해 온도차가 있을 때 발생합니다. 부피의 다른 위치에 있는 기체 분자는 평균 운동 에너지가 다릅니다. 따라서 분자의 무질서한 열 운동 동안, 지시된 에너지 전달 . 가스의 가열된 부분에서 더 차가운 부분으로 떨어진 분자는 주변 입자에 과도한 에너지를 방출합니다. 반대로 천천히 움직이는 분자는 차가운 부분에서 뜨거운 부분으로 이동하여 고속 분자와의 충돌로 인해 에너지를 증가시킵니다.

열 전도성 액체에 기체에서와 같이 온도 구배가 있을 때 발생합니다. 그러나 기체에서 병진 운동을 하는 입자의 충돌 중에 에너지가 전달되면 액체에서는 진동하는 입자의 충돌 중에 에너지가 전달됩니다. 더 높은 에너지를 가진 입자는 더 큰 진폭으로 진동하고, 다른 입자와 충돌할 때, 마치 그들을 흔들면서 그들에게 에너지를 전달합니다. 이러한 에너지 전달 메커니즘은 기체에서 작동하는 메커니즘과 마찬가지로 빠른 전송을 보장하지 않으므로 액체의 열전도율은 기체의 열전도율을 몇 배 초과하지만 매우 낮습니다. 열전도 계수가 고체 금속에 가까운 액체 금속은 예외입니다. 이것은 액체 금속에서 열이 한 입자에서 다른 입자로의 진동 전달과 함께 전달될 뿐만 아니라 이동성 전기 하전 입자(금속에는 존재하지만 다른 입자에는 없는 전자)의 도움으로 전달된다는 사실에 의해 설명됩니다. 액체.

만약에 입체 다양한 부분 사이에 온도 차이가 있으며, 기체와 액체에서 발생하는 것처럼 열은 더 가열된 부분에서 덜 가열된 부분으로 전달됩니다.

액체 및 기체와 달리 대류는 고체에서 발생할 수 없습니다. 열에 의한 물질 덩어리의 운동. 따라서 고체에서의 열전달은 열전도에 의해서만 수행됩니다.

고체의 열전달 메커니즘은 고체의 열 운동 특성을 따릅니다. 고체는 진동하는 원자들의 집합체입니다. 하지만 이러한 변동

서로 독립적입니다.진동은 한 원자에서 다른 원자로 (음속으로) 전달될 수 있습니다. 이 경우 진동 에너지를 전달하는 파동이 형성됩니다. 이러한 진동의 전파는 열의 전달입니다.

정량적으로 고체에서의 열전달은 식 (1)로 표현된다. 열전도 계수 c의 값은 상호 작용하지 않는 입자로 구성된 단순한 시스템인 기체에 대해 수행되는 것과 같은 방식으로 계산할 수 없습니다.

고체의 열전도율에 대한 대략적인 계산은 양자 개념을 사용하여 수행할 수 있습니다.

양자론음속으로 고체에서 전파되는 특정 준 입자를 진동과 비교할 수 있습니다. 포논. 각 입자는 플랑크 상수에 진동 주파수 n을 곱한 것과 같은 에너지를 특징으로 합니다. 따라서 진동 양자의 에너지 - 포논은 다음과 같습니다. 시간 N.

포논의 개념을 사용하면 고체의 열 운동이 정확히 그들에 의해 발생하므로 절대 영도에서는 포논이 없으며 온도가 증가함에 따라 포논의 수가 증가하지만 선형은 아니지만 더 복잡한 법칙(저온에서 비례적으로 온도 큐브).

이제 우리는 고체를 포논 기체를 포함하는 용기로 간주할 수 있습니다. 기체는 매우 높은 온도에서 이상 기체로 간주될 수 있습니다. 일반 가스의 경우와 마찬가지로 포논 가스의 열 전달은 포논과 격자 원자의 충돌에 의해 수행되며, 이에 대한 모든 인수 이상 기체여기에서도 사실입니다. 따라서 고체의 열전도율은 정확히 같은 공식으로 나타낼 수 있습니다.

여기서 r은 몸체의 밀도이고, 이력서는 비열 용량이고, 와 함께는 신체의 음속, l은 포논의 평균 자유 경로입니다.

금속에서는 격자 진동 외에도 하전 입자, 전자도 열 전달에 참여하며, 이는 동시에 금속의 전류 운반체입니다. 고온에서 전자 열전도율의 일부가 훨씬 더 큽니다. 격자 . 이것은 포논이 유일한 열 운반체인 비금속에 비해 금속의 높은 열전도율을 설명합니다. 금속의 열전도 계수는 다음 공식으로 계산할 수 있습니다.

여기서 전자의 평균 자유 경로는 열 운동의 평균 속도입니다.

초전도체에서, 전류가 저항을 만나지 않는 전자 열전도율은 실질적으로 없습니다. 저항 없이 전하를 운반하는 전자는 열 전달에 참여하지 않으며 초전도체의 열전도율은 순전히 격자입니다.

Wiedemann-Franz 법칙

금속은 높은 전기 전도성과 높은 열 전도성을 모두 가지고 있습니다. 이것은 금속에서 전류와 열의 운반체가 동일한 입자라는 사실에 의해 설명됩니다. 자유 전자는 금속에 혼합될 때 전하뿐만 아니라 고유한 혼돈(열) 운동 에너지를 운반합니다. 그들, 즉 열전달을 수행하십시오.

1853년 Wiedemann과 Franz는 실험적으로 다음과 같은 법칙을 확립했습니다. 열전도율씨 전기 전도도에에스 동일한 온도에서 금속의 경우 동일하고 열역학적 온도에 비례하여 증가합니다.

어디 케이그리고 이자형상수(볼츠만 상수 및 전자 전하)입니다.

전자를 단원자 기체로 간주하면 열전도 계수에 대해 기체 운동론의 표현을 사용할 수 있습니다.

어디 n×m= r은 기체의 밀도입니다.

비열단원자 가스는 와 같습니다. 이 값을 χ 식에 대입하면 다음을 얻습니다.

금속의 고전 이론에 따르면, 그들의 전기 전도도는

그런 다음 관계

를 교체한 후 관계식 (5)에 도달합니다. Wiedemann-Franz 법칙 .

값 대체 케이= 1.38 10 -23 J/K 및 이자형= 1.60 10 -19 C를 식 (5)에 대입하면 다음을 찾습니다.

이 공식을 사용하여 모든 금속의 값을 계산하면 티\u003d 300K, 그러면 6.7 10 -6 J Ω / s K를 얻습니다. 대부분의 금속에 대한 Wiedemann-Franz 법칙은 100–400K의 온도에서 경험에 해당하지만 저온에서는 법칙을 크게 위반합니다. 저온에서 계산된 데이터와 실험 데이터 사이의 불일치는 특히 은, 구리 및 금에서 크게 나타납니다. Wiedemann-Franz 법칙을 전혀 따르지 않는 금속(베릴륨, 망간)이 있습니다.