Cietā stāvoklī esošo molekulu kustības raksturs. Lielā naftas un gāzes enciklopēdija
1. lapa
Molekulu termiskās kustības raksturs šķidrumos ir sarežģītāks nekā cietās vielās. Saskaņā ar vienkāršotu modeli šķidruma molekulu termiskās kustības atspoguļo neregulāras svārstības ap noteiktiem centriem. Atsevišķu molekulu vibrāciju kinētiskā enerģija dažos brīžos var būt pietiekama, lai pārvarētu starpmolekulāras saites. Tad šīs molekulas iegūst iespēju ielēkt citu molekulu vidē, tādējādi mainot svārstību centru. Tādējādi kādu laiku /, ko sauc par pastāvīgās dzīves laiku, katra molekula atrodas sakārtotā sistēmā ar vairākām tuvākajām molekulām. Pēc lēciena šķidruma molekula nonāk starp jaunām molekulām, kas ir sakārtotas savādāk. Tāpēc šķidrumā tiek novērota tikai neliela diapazona kārtība molekulu izkārtojumā.
Ņemot vērā apstākļus uz zemes virsmas, visos trīs stāvokļos dabiski var atrast tikai dažas vielas, piemēram, ūdeni. Lielākā daļa vielu rodas noteiktā stāvoklī. Atsevišķas molekulas tiek bloķētas un paliek savās vietās, nespējot kustēties. Lai gan cietvielu atomi un molekulas atrodas kustībā, kustību ierobežo vibrāciju enerģija, un atsevišķās molekulas ir fiksētas savā vietā un vibrē blakus. Palielinoties temperatūrai ciets ķermenis vibrāciju skaits palielinās, bet cietā viela saglabā savu formu un tilpumu, jo molekulas tiek nofiksētas vietā un savstarpēji nesadarbojas.
Molekulu termiskās kustības raksturs šķidrumā būtiski atšķiras no gāzes molekulu termiskās kustības. Termiskās kustības nejaušības dēļ blakus esošo molekulu svārstību ātrumi un amplitūdas ir atšķirīgi, un ik pa laikam blakus esošās molekulas viena no otras atšķiras tik ļoti, ka atsevišķas molekulas lec pāri attālumam, kas ir d, iestrēgst jaunā. līdzsvara pozīcijas un sāk ap tām svārstīties. Paaugstinoties temperatūrai, palielinās termiskās kustības vidējā enerģija un līdz ar to arī svārstību amplitūda un molekulu lēcienu biežums no viena līdzsvara stāvokļa uz blakus esošajiem.
Lai redzētu piemēru, noklikšķiniet uz šīs animācijas, kas parāda ledus kristālu molekulāro struktūru. Lai gan šķidrumos esošās molekulas var pārvietoties un sadurties viena ar otru, tās paliek salīdzinoši tuvu, tāpat kā cietas vielas. Parasti šķidrumos starpmolekulārie spēki satur kopā molekulas, kuras pēc tam sadalās. Palielinoties šķidruma temperatūrai, palielinās atsevišķu molekulu kustību skaits. Rezultātā šķidrumi var "cirkulēt", lai iegūtu sava trauka formu, bet tos nevar viegli saspiest, jo molekulas jau atrodas ļoti tuvu viena otrai.
Molekulu termiskās kustības raksturs ir atkarīgs no molekulu mijiedarbības rakstura un mainās, kad viela pāriet no.
Stiklošanās ir ātrs process, kurā mainās polimēru molekulu termiskās kustības raksturs amorfā stāvoklī, kas notiek šaurā temperatūras diapazonā atkarībā no deformācijas ātruma, kādā tā tiek novērota. Rodas bez polimēra tilpuma izmaiņām un bez termiskā efekta, bet mainoties termiskās izplešanās koeficientam un īpatnējam siltumam.
Tāpēc šķidrumi ir nenoteikta forma, bet noteiktu summu. Nākamajā animācijas piemērā redzams, ka šķidrais ūdens sastāv no molekulām, kas var brīvi cirkulēt, bet tomēr atrodas tuvu viena otrai. Tādējādi gāzes molekulas mijiedarbojas maz, dažreiz saduras. Gāzveida stāvoklī molekulas ātri pārvietojas un brīvi cirkulē jebkurā virzienā, izplatoties lielos attālumos. Paaugstinoties temperatūrai, palielinās atsevišķu molekulu kustību skaits.
Gāzes izplešas, piepildot tvertnes, un tām ir zems blīvums. Tā kā atsevišķās molekulas ir plaši atdalītas un var brīvi cirkulēt gāzveida stāvoklī, gāzes ir viegli saspiežamas un tām var būt neierobežota forma. Plazmas veidojas ārkārtīgi augstas enerģijas apstākļos, tik lielas, ka molekulas atdalās un pastāv tikai brīvie atomi. Vēl pārsteidzošāk ir tas, ka plazmā ir tik daudz enerģijas, ka ārējie elektroni ir stipri atdalīti no atsevišķiem atomiem, veidojot ļoti lādētu un enerģisku jonu gāzi.
Tas ir saistīts ar faktu, ka PD molekulu termiskās kustības raksturs ir tuvāks kristāla režģu atomu un šķidrumu molekulu vibrācijas kustībām, nevis daļiņu brīvai kustībai retinātās gāzēs.
Lasītājs B: Iepriekš jūs norādījāt, ka molekulu termiskās kustības raksturs ir atkarīgs no starpmolekulārās mijiedarbības un izmaiņām, pārejot no viena agregācijas stāvokļa uz citu.
Tā kā atomi plazmās pastāv kā uzlādēti joni, plazmas uzvedas atšķirīgi no gāzēm un veido vielas ceturto stāvokli. Plazmu var uztvert, vienkārši skatoties uz augšu; Augstas enerģijas apstākļi, kas pastāv zvaigznēs, piemēram, saulē, virza atsevišķus atomus uz plazmas stāvokli.
Kā mēs redzējām, enerģijas pieaugums izraisa lielāku molekulāro kustību. Un otrādi, samazinoties enerģijai, samazinās molekulu kustība. Tā rezultātā molekulārās prognozes kinētiskā teorija Ja matērijas enerģija samazināsies, mēs sasniegsim punktu, kur visa molekulārā kustība apstājas. Temperatūru, kurā molekulārā kustība apstājas, sauc par absolūto nulli un aprēķina kā -15 grādus pēc Celsija. Lai gan zinātnieki ir atdzesējuši vielu līdz gandrīz absolūtai nullei, viņi nekad nav spējuši sasniegt šo temperatūru.
Šādu izkliedētās gaismas nepārtrauktā spektra sadalījumu nosaka pats molekulu termiskās kustības raksturs šķidrumos.
Gaismas molekulārā izkliede sniedz ļoti vērtīgu informāciju par molekulu termiskās kustības struktūru un raksturu izkliedējošā vidē. Darbs šajā jomā izvērtās plašā frontē 30. gados; tie lielā mērā ir devuši un turpina veicināt vielas šķidrā stāvokļa problēmas risināšanu. Šeit īpaši lieli ir padomju zinātnieku L. I. Mandelštama, G. S. Landsberga, L. D. Landau, E. F. Grosa, S. M. Rytova un viņu audzēkņu nopelni.
Grūtības novērot matēriju absolūtā nulles temperatūrā ir tādas, ka ir nepieciešama gaisma, lai "redzētu" matēriju, un gaisma nodod enerģiju matērijai, kas paaugstina temperatūru. Neskatoties uz šiem izaicinājumiem, zinātnieki nesen ir novērojuši piekto vielas stāvokli, kas pastāv tikai temperatūrā, kas ir ļoti tuvu absolūtajai nullei.
Šajā dīvainajā stāvoklī visi kondensātu atomi sasniedz to pašu mehāniski kvantu stāvokli un var plūst bez jebkādas berzes viens ar otru. Ir aprakstīti vai novēroti arī vairāki citi mazāk izplatīti vielas stāvokļi. Daži no šiem stāvokļiem ietver šķidros kristālus, fermioniskos kondensātus, superšķidrumus, supercietās vielas un trāpīgi nosaukto dīvaino vielu.
Šķidrā stāvokļa teoriju tās pašreizējā līmenī molekulu termiskās kustības struktūras un rakstura sarežģītības dēļ nevar izmantot, lai aprakstītu reālu šķidrumu īpašības diezgan plašā temperatūru un spiediena diapazonā. Labākais scenārijs statistikas teorijaļauj noteikt tikai kvalitatīvu šķidrumu līdzsvara īpašību atkarību no stāvokļa parametriem un radiālās sadalījuma funkcijas.
Tas notiek ļoti zemā temperatūrā, kas ir tuvu absolūtai nullei. Pirmo reizi tas tika izveidots Kolorādo universitātē. Daudzi zinātnieki to uzskata par nepareizu. Kondensāta būtība nozīmē, ka visas daļiņas, kas to veido, atrodas vienā kvantu stāvoklī, kas ir iespējams tikai tad, ja minētās daļiņas ir bozoni. Tagad Pauli izslēgšanas princips neļauj vienam un tam pašam Fermionu pārim vienlaikus izmantot vienu un to pašu kvantu stāvokli. Tāpēc fermioniskajam kondensātam nevajadzētu pastāvēt.
Tādējādi nelielas ķermeņa siltumietilpības izmaiņas kušanas laikā var uzskatīt par pierādījumu tam, ka molekulu termiskās kustības raksturs šķidrumos ir tāds pats kā cietās vielās, proti, molekulas svārstās ap līdzsvara stāvokli.
Šīs kvalitatīvās atšķirības starp vielas šķidro un cieto stāvokli ir saistītas ar atšķirību to molekulārajā struktūrā un molekulu termiskās kustības raksturā. Sildot, ciets ķermenis noteiktos apstākļos pāriet šķidrā stāvoklī - tas kūst. Šķidrums sacietē, kad temperatūra pazeminās.
Žans panāca fermionu atomu pāru kondensāciju. Atomu pāra spinu summa ar vienādu griešanos vienmēr būs vesels skaitlis. Ja identisku fermionu atomu pāris veido molekulu, tai būs vesels skaitļa spins. Tāpēc šī molekula ir bozons, kas var kondensēties.
Lai gan ir taisnība, ka Kūpera pāri var pielīdzināt bozonam, tas nenozīmē, ka Kūpera pāru veidošanās automātiski nozīmē kondensāta klātbūtni. Lai iegūtu Kūpera pāru kondensātu, visi ir jāsagrupē vienā kvantu stāvoklī.
Kā norāda Samoilovs, lai visaptveroši izskatītu jautājumu par jonu šķīdināšanu elektrolītu šķīdumos, nevar aprobežoties tikai ar solvatācijas skaitļu un šķīdināšanas enerģijas noteikšanu, bet ir arī jāizpēta izmaiņas, kas rodas, ievadot jonus, nevis tikai šķīdinātāja struktūrā, bet šķīdinātāja molekulu termiskās kustības būtībā . Visas iepriekš minētās izmaiņas šķīdinātājā galvenokārt ir saistītas ar vienu un to pašu iemeslu - mijiedarbību starp priesteriem un šķīdinātāja molekulām.
Fermioniskais kondensāts uzvedas kā vilnis, nevis kā daļiņa, jo tas saglabājas stabils ļoti maz laika. Fermiona gāzes molekulas ir fermioni, nevis bozoni, jo, lai gan ir apvienoti tikai fermioni, tās pabeigs griešanos līdz veselam skaitlim un tajā brīdī stabilizējas.
Pauli izslēgšanas princips nosaka, ka divi fermioni nevar vienlaikus ieņemt vienu un to pašu kvantu stāvokli. Tas laika gaitā mainījās, jo elektroni stabilizēja vilni, piešķirot tam stabilu formu. Džins, Markuss Greiners un Sindija Regāla spēra soli tālāk un, pateicoties daļiņu ultrasasalšanai, atrada jaunu vielas stāvokli, sesto, fermionisko gāzi. Pēc šo fiziķu domām, kvantu ledu veido bozoni, daļiņu klase, kas pēc būtības ir grupveida, un to statistikas likumi dod priekšroku vairākām viena un tā paša kvantu stāvokļa populācijām.
Šķidrumā molekulas atrodas nelielos attālumos viena no otras, un starp tām pastāv ievērojami starpmolekulāras mijiedarbības spēki. Molekulu termiskās kustības raksturs šķidrumā būtiski atšķiras no molekulu kustības gāzē. Šķidruma molekulas svārstās ap noteiktām līdzsvara pozīcijām.
Tomēr fermiona gāze sastāv tikai no fermioniem. Tie, atšķirībā no bozoniem, nav sabiedriski un, pēc definīcijas, neviens no tiem nekad nevar ieņemt tādu pašu kustības stāvokli. Identisku fermionu pāris nevar ieņemt vienu un to pašu kvantu stāvokli. Plkst augsta temperatūrašo elementārdaļiņu uzvedība ir gandrīz nemanāma. Tomēr, kad tie atdziest, tie mēdz meklēt zemākas enerģijas stāvokļus, un tieši šajā brīdī pastiprinās bozonu un fermionu antagonistiskais raksturs.
Bet kā uzvedas ultrasaldēti fermioni? Lai atrisinātu mīklu, Bouldera fiziķi izmantoja lāzerus, lai notvertu nelielu mākoni ar 1000 kālija atomiem. Ierobežojot to dabisko kustību, tie atdzesēja atomus līdz miljondaļām virs absolūtās nulles. Šo atomu fermioniem to arkāniskā rakstura dēļ vajadzētu atgrūst vienam otru, taču tas tā nebija. Pieliekot magnētisko lauku pārdzesētajiem atomiem, viņi īsi satikās pa pāriem un izveidoja ievērojamu kondensātu. Pēc jaunās valsts vecāku domām, šis atklājums varētu radīt plašu praktisko pielietojumu.
Termiskā kustība ir haotiska molekulu, atomu un jonu kustība gāzēs, cietās vielās un šķidrumos. Molekulu, atomu un jonu termiskās kustības raksturs ir atkarīgs no vielas agregātstāvokļa, un to nosaka starpmolekulārās mijiedarbības spēki.
Ierīces un piederumi: stieples vads no pētāmā metāla, mērierīce, elektriskie mērinstrumenti.
Piemēram, fermioniskā gāze piedāvā jaunu pētījumu virzienu supravadītspējai, parādībai, kurā elektrība plūst bez pretestības. Var būt vairāki stāvokļi, kurus var saukt par vielas septīto stāvokli. Šie stāvokļi rodas tikai ekstremālos apstākļos kosmosā vai notiek tikai Lielā sprādziena teorijas laikā.
Ļoti simetriskā matērijā. Vāji simetriskā matērijā. Gluona kvarku plazmā. Tās ir procedūras, kas paredzētas maisījuma sastāvdaļu atdalīšanai neatkarīgi no tā, vai tās ir cietas, šķidras vai gāzes maisījums. Galvenās maisījumu atdalīšanas metodes ir dekantēšana, filtrēšana, centrifugēšana, frakcionēta šķīdināšana utt. ir arī citas metodes, piemēram, flotācija, sijāšana, izkliedēšana, ventilācija, magnētiskā atdalīšana, kristalizācija, frakcionēta sašķidrināšana, frakcionēta iztvaicēšana, hromatogrāfija un šķīdinātāja ekstrakcija.
Gāzu, šķidrumu un cietvielu molekulu kustība
Saskaņā ar molekulāri kinētisko teoriju, kuras viens no dibinātājiem ir lielais krievu zinātnieks M.V. Lomonosovs, Visas vielas sastāv no sīkām daļiņām – molekulām, kas atrodas nepārtrauktā kustībā un mijiedarbojas viena ar otru.
Molekula ir mazākā vielas daļiņa, kurai ir sava ķīmiskās īpašības. molekulas dažādas vielas ir atšķirīgs atomu sastāvs.
Zinot, ka sistēma ir maisījums, var izmantot vienu vai vairākas maisījumu atdalīšanas metodes, lai izolētu divas vai vairākas maisījuma sastāvdaļas. Maisījuma atdalīšanas metodes sauc par tūlītēju analīzi, nemainot vielu īpašības. Un katram maisījuma veidam ir vairāki Dažādi ceļi atdalīšana. Tālāk ir norādīti visizplatītākie maisījuma atdalīšanas veidi.
Metode, ko izmanto neviendabīgu cieta-šķidruma un šķidruma-šķidruma maisījumu atdalīšanai. Piemēri: duļķains ūdens, ūdens un eļļa. Ja mēs kādu laiku atstāsim duļķainā ūdens spaini mierā, pamanīsim, ka māls nosēdīsies, tas ir, nonāks spainī, tas ir tāpēc, ka tas ir lielāks nekā ūdens. Tādējādi ūdeni no spaiņa var viegli noņemt.
Gāzu, šķidrumu un cietvielu molekulu kustības būtībā ir daudz kopīga, ir arī būtiskas atšķirības.
Kopīgas iezīmes molekulārā kustība:
a) Vidējais ātrums jo vairāk molekulu, jo augstāka ir vielas temperatūra;
b) dotās vielas dažādu molekulu ātrumi ir sadalīti tā, ka molekulu skaits ar noteiktu ātrumu ir lielāks, jo šis ātrums ir tuvāks visticamākajam dotās vielas molekulu kustības ātrumam noteikta temperatūra.
Ūdeni var noņemt un šķidrumus var atdalīt no maisījuma. Var teikt, ka lielākā daļa dabā sastopamo lietu ir kaut kādi maisījumi. Atmosfēras gaiss, akmeņi, augu lapas un pat mati ir maisījumu piemēri, katram maisījumam ir dažādas fizikālās īpašības. Turklāt katrai maisījuma sastāvdaļai ir unikālas fizikālās un ķīmiskās īpašības. Tas ir, tas, ka sastāvdaļu sajaukums nenozīmē izmaiņas to ķīmiskajās pamatstruktūrās. Mainot komponenta galveno struktūru, ķīmiskā reakcija nevis vienkārši jaukt. Tādējādi trīs vielas stāvokļi ir ciets, šķidrs un gāzveida.
Būtiska atšķirība gāzu, šķidrumu un cietvielu molekulu kustības būtībā ir izskaidrojama ar to molekulu spēku mijiedarbības atšķirību, kas saistīta ar vidējo attālumu starp molekulām.
Gāzēs vidējie attālumi starp molekulām ir daudzkārt lielāki par pašu molekulu izmēru. Tā rezultātā mijiedarbības spēki starp gāzes molekulām ir mazi, un molekulas pārvietojas pa visu trauku, kurā atrodas gāze, gandrīz neatkarīgi viena no otras, mainot ātruma virzienu un lielumu sadursmēs ar citām molekulām un ar sienām. no kuģa. Gāzes molekulas ceļš ir lauzta līnija, kas ir līdzīga Brauna kustības trajektorijai.
Tas uzvedas kā ciets ķermenis. Mēģinot klasificēt dažādus matērijas stāvokļus, parasti tiek teikts, ka ir trīs stāvokļi: gāzveida stāvoklis, cietā stāvoklī un cietā stāvoklī. Atšķirība starp šiem dažādajiem stāvokļiem ir saistīta ar vielu veidojošo atomu izvietojumu un to veidojošo molekulu sajaukšanos.
Tā kā šīs molekulas atrodas ļoti tālu viena no otras, mēs saprotam, ka gāzes ir vieglas: gāzes svēršana vispirms nozīmē tukšuma nosvēršanu starp molekulām un ka gāzes aizņem visu tām esošo vietu: molekulu ir tik daudz, ka tās nav jutīgas pret gravitāciju. .
Gāzes molekulu vidējais brīvais ceļš, t.i. vidējais molekulu ceļa garums starp divām secīgām sadursmēm ir atkarīgs no gāzes spiediena un temperatūras. Plkst normāla temperatūra un spiedienu, brīvais ceļš ir apmēram 10 -5 cm.Gāzes molekulas saduras savā starpā vai ar trauka sienām aptuveni 1010 reizes sekundē, mainot kustības virzienu. Tas izskaidro faktu, ka gāzu difūzijas ātrums ir mazs, salīdzinot ar gāzes molekulu translācijas kustības ātrumu, kas normālos apstākļos ir aptuveni 1,5 reizes lielāks par skaņas ātrumu konkrētajā gāzē un ir vienāds ar 500 m/s .
Šķidrumos attālumi starp molekulām ir daudz mazāki nekā gāzēs. Katras molekulas mijiedarbības spēki ar kaimiņiem ir pietiekami lieli, kā rezultātā šķidruma molekulas svārstās ap kādām vidējām līdzsvara pozīcijām. Tajā pašā laikā, tā kā šķidruma molekulu vidējā kinētiskā enerģija ir salīdzināma ar to mijiedarbības enerģiju, molekulas ar nejaušu kinētiskās enerģijas pārpalikumu pārvar blakus esošo daļiņu mijiedarbību un maina svārstību centru. Praktiski svārstīgas šķidruma daļiņas ļoti īsos laika intervālos (~10 -8 s) lec telpā.
Tādējādi šķidrums sastāv no daudziem mikroskopiskiem apgabaliem, kuros tuvumā esošo daļiņu izkārtojumā ir zināma kārtība, kas mainās līdzi laikam un telpai, t.i. neatkārtojas visā šķidruma tilpumā. Tiek uzskatīts, ka šāda struktūra ir īstermiņa pasūtījums .
Cietās vielās attālumi starp molekulām ir vēl mazāki, kā rezultātā katras molekulas mijiedarbības spēki ar tās kaimiņiem ir tik lieli, ka molekula veic tikai nelielas svārstības ap noteiktu nemainīgu līdzsvara stāvokli - mezglu. Kristāliskā ķermenī izšķir noteiktu noteiktu savstarpēju mezglu izvietojumu, ko sauc kristāla režģis. Kristālrežģa raksturu nosaka dotās vielas starpmolekulārās mijiedarbības raksturs.
Iepriekš minētais attiecas uz ideālu kristālisku cietu vielu. Īstos kristālos ir dažādi kārtības pārkāpumi, kas rodas vielas kristalizācijas laikā.
Kopā ar kristāliem dabā ir arī amorfas cietas vielas, kurās, līdzīgi kā šķidrumos, ap nejauši izvietotiem mezgliem vibrē atomi. Taču amorfa ķermeņa daļiņu kustība no viena svārstību centra uz otru notiek tik lielos laika intervālos, ka praktiski amorfie ķermeņi ir cieti ķermeņi.
Siltumvadītspēja
Siltumvadītspēja ir siltuma pārnese, kas notiek temperatūras gradienta klātbūtnē un ir saistīta ar daļiņu termisko kustību. 1.a attēlā parādīts taisns korpuss
ogles formas ar 1. un 2. pamatni, kas atrodas taisni pret asi x.Ļaujiet ķermeņa temperatūrai būt vienas koordinātas funkcijai T = T(x), kurā dT/dx < 0 (температура убывает в положительном направлении оси X). Tad caur jebkuru ķermeņa daļu, kas ir taisna pret izvēlēto asi, tiek pārnests siltums, ko apraksta Furjē likums (1820).
kur ∆ J- siltuma daudzums, kas pārnests caur zonu ar šķērsgriezumu S laikā Δ t, c- siltumvadītspējas koeficients, atkarībā no vielas īpašībām. Mīnusa zīme (1) norāda, ka siltuma pārnese ir vērsta uz temperatūras pazemināšanos (pretēji temperatūras gradientam dT/dx). Ja ķermenis ir viendabīgs un process ir vienmērīgs, tad temperatūras kritums pa asi X lineārs: dT/dx=konst(1.b att.).
Izteiksme (1) ļauj atrast blīvumu siltuma plūsma(siltuma plūsma caur laukuma vienību laika vienībā):
No pēdējā izriet, ka
Siltumvadītspējas koeficients ir skaitliski vienāds ar siltuma daudzumu, kas tiek nodots caur virsmas laukuma vienību laika vienībā ar vienības temperatūras gradientu. .
Nosakot gāzu un šķidrumu siltumvadītspēju, rūpīgi jāizslēdz citi siltuma pārneses veidi - konvekcija (karstākās vides daļu pārvietošana uz augšu un aukstākās nolaišana) un siltuma pārnese ar starojumu (starojuma siltuma pārnese).
Vielas siltumvadītspēja ir atkarīga no tās stāvokļa. I tabulā parādītas dažu vielu siltumvadītspējas vērtības.
I tabula
Šķidrumiem (ja neskaitām šķidros metālus) siltumvadītspējas koeficients vidēji ir mazāks nekā cietām vielām un lielāks nekā gāzēm. Gāzu un metālu siltumvadītspēja palielinās, palielinoties temperatūrai, bet šķidrumu, kā likums, samazinās.
Gāzēm molekulārā kinētiskā teorija ļauj noteikt, ka siltumvadītspējas koeficients ir vienāds ar
kur ir molekulu vidējais brīvais ceļš,
Vidējais to kustības ātrums, r - blīvums, c V ir izohoriskā īpatnējā siltumietilpība.
Gāzu, šķidrumu un cietvielu siltumvadītspējas mehānisms
Gāzes molekulu termiskās kustības nejaušība, nepārtrauktas sadursmes starp tām izraisa pastāvīgu daļiņu sajaukšanos un to ātruma un enerģijas izmaiņas. AT gāze siltumvadītspēja notiek, ja tajā ir temperatūras starpība, ko izraisa daži ārēji cēloņi. Gāzes molekulām dažādās tilpuma vietās ir atšķirīga vidējā kinētiskā enerģija. Tāpēc molekulu haotiskās termiskās kustības laikā virzīta enerģijas pārnešana . Molekulas, kas no uzkarsētām gāzes daļām nokritušas vēsākās daļās, lieko enerģiju atdod apkārtējām daļiņām. Gluži pretēji, lēni kustīgas molekulas, nokļūstot no aukstām daļām uz karstākām daļām, palielina savu enerģiju sadursmē ar molekulām ar lielu ātrumu.
Siltumvadītspēja šķidrumos tāpat kā gāzēs, rodas temperatūras gradienta klātbūtnē. Taču, ja gāzēs enerģija tiek pārnesta daļiņu sadursmes laikā, veicot translācijas kustības, tad šķidrumos enerģija tiek pārnesta oscilējošu daļiņu sadursmes laikā. Daļiņas ar lielāku enerģiju svārstās ar lielāku amplitūdu un, saduroties ar citām daļiņām, tās it kā satricina, nododot tām enerģiju. Šāds enerģijas pārneses mehānisms, tāpat kā mehānisms, kas darbojas gāzēs, nenodrošina tās ātru pārnesi un tāpēc šķidrumu siltumvadītspēja ir ļoti zema, lai gan vairākas reizes pārsniedz gāzu siltumvadītspēju. Izņēmums ir šķidrie metāli, kuru siltumvadītspējas koeficienti ir tuvu cieto metālu siltumvadītspējas koeficientiem. Tas izskaidrojams ar to, ka šķidros metālos siltums tiek pārnests ne tikai līdz ar vibrāciju pārnešanu no vienas daļiņas uz otru, bet arī ar kustīgu elektriski lādētu daļiņu palīdzību - elektroniem, kas ir metālos, bet nav citos. šķidrumi.
Ja iekšā ciets ķermenis starp dažādām tā daļām ir temperatūras starpība, tad, tāpat kā tas notiek gāzēs un šķidrumos, siltums tiek pārnests no vairāk uzkarsētas uz mazāk apsildāmu daļu.
Atšķirībā no šķidrumiem un gāzēm, konvekcija nevar notikt cietā ķermenī, t.i. vielas masas kustība ar siltumu. Tāpēc siltuma pārnesi cietā vielā veic tikai siltuma vadīšana.
Siltuma pārneses mehānisms cietā vielā izriet no termisko kustību rakstura tajā. Ciets ķermenis ir atomu kopums, kas vibrē. Bet šīs svārstības
neatkarīgi viens no otra. Vibrācijas var pārnest (ar skaņas ātrumu) no viena atoma uz otru. Šajā gadījumā veidojas vilnis, kas pārnes vibrāciju enerģiju. Šāda svārstību izplatīšanās ir siltuma pārnese.
Kvantitatīvi siltuma pārnesi cietā ķermenī apraksta ar izteiksmi (1). Siltumvadītspējas koeficienta c vērtību nevar aprēķināt tāpat kā to dara gāzei - vienkāršākai sistēmai, kas sastāv no daļiņām, kas mijiedarbojas.
Cietas vielas siltumvadītspējas aptuvenu aprēķinu var veikt, izmantojot kvantu koncepcijas.
Kvantu teorijaļauj salīdzināt noteiktas kvazidaļiņas, kas izplatās cietā vielā ar skaņas ātrumu ar vibrācijām - fononi. Katru daļiņu raksturo enerģija, kas vienāda ar Planka konstanti, kas reizināta ar svārstību frekvenci n. Vibrāciju kvanta enerģija - fonons, tātad, ir vienāda ar h n.
Ja mēs izmantojam fononu jēdzienu, tad varam teikt, ka termiskās kustības cietā vielā izraisa tieši tās, tā ka pie absolūtās nulles nav fononu, un, palielinoties temperatūrai, to skaits palielinās, bet ne lineāri, bet saskaņā ar a. sarežģītāks likums (zemā temperatūrā, proporcionāli temperatūras kubs).
Tagad mēs varam uzskatīt cietu ķermeni par trauku, kas satur fononu gāzi, gāzi, kuru ļoti augstā temperatūrā var uzskatīt par ideālu gāzi. Tāpat kā parastas gāzes gadījumā, siltuma pārnesi fonona gāzē veic fononu sadursmes ar režģa atomiem, un visi argumenti ideāla gāze arī šeit ir taisnība. Tāpēc cietas vielas siltumvadītspēju var izteikt tieši ar tādu pašu formulu
kur r ir ķermeņa blīvums, c V ir tā īpatnējā siltuma jauda, Ar ir skaņas ātrums ķermenī, l ir fononu vidējais brīvais ceļš.
Metālos papildus režģa vibrācijām siltuma pārnesē piedalās arī lādētas daļiņas, elektroni, kas vienlaikus ir arī elektriskās strāvas nesēji metālā. Augstās temperatūrās elektroniski daļa no siltumvadītspējas ir daudz lielāka režģis . Tas izskaidro metālu augsto siltumvadītspēju salīdzinājumā ar nemetāliem, kuros vienīgie siltumnesēji ir fononi. Metālu siltumvadītspējas koeficientu var aprēķināt pēc formulas:
kur ir elektronu vidējais brīvais ceļš, ir to termiskās kustības vidējais ātrums.
Supravadītājos, kurā elektriskā strāva nesaskaras ar pretestību, praktiski nav elektroniskās siltumvadītspējas: elektroni, kas nes lādiņu bez pretestības, nepiedalās siltuma pārnesē, un supravadītājos siltumvadītspēja ir tikai režģis.
Vīdemaņa-Franca likums
Metāliem ir gan augsta elektrovadītspēja, gan augsta siltumvadītspēja. Tas izskaidrojams ar to, ka metālos strāvas un siltuma nesēji ir vienas un tās pašas daļiņas – brīvie elektroni, kuri, sajaucoties metālā, nes ne tikai elektrisko lādiņu, bet arī tam raksturīgo haotiskās (termiskās) kustības enerģiju. viņiem, t.i. veikt siltuma pārnesi.
1853. gadā Vīdemans un Francs eksperimentāli izveidoja likumu, saskaņā ar kuru siltumvadītspējas koeficients c uz elektrovadītspēju s metāliem vienā un tajā pašā temperatūrā ir vienāda un palielinās proporcionāli termodinamiskajai temperatūrai:
kur k un e ir konstantes (Bolcmaņa konstante un elektronu lādiņš).
Uzskatot elektronus par monatomisku gāzi, siltumvadītspējas koeficientam var izmantot gāzu kinētiskās teorijas izteiksmi.
kur n×m= r ir gāzes blīvums.
Īpašs karstums monatomiskā gāze ir vienāda ar . Aizvietojot šo vērtību izteiksmē χ , mēs iegūstam
Saskaņā ar klasisko metālu teoriju, to elektrovadītspēja
Tad attiecības
Pēc aizstāšanas mēs nonākam pie attiecības (5), kas izsaka Vīdemaņa-Franca likums .
Vērtību aizstāšana k= 1,38 10 -23 J/K un e= 1,60 10 -19 C formulā (5), mēs atrodam
Ja, izmantojot šo formulu, aprēķina vērtību visiem metāliem pie T\u003d 300 K, tad mēs iegūstam 6,7 10 -6 J Ω / s K. Vīdemana-Franca likums lielākajai daļai metālu atbilst pieredzei 100–400 K temperatūrā, bet zemā temperatūrā likums tiek būtiski pārkāpts. Neatbilstības starp aprēķinātajiem un eksperimentālajiem datiem zemā temperatūrā ir īpaši lielas attiecībā uz sudrabu, varu un zeltu. Ir metāli (berilijs, mangāns), kas vispār nepakļaujas Vīdemaņa-Franca likumam.