Charakter ruchu cząsteczek w stanie stałym. Wielka encyklopedia ropy i gazu

Strona 1


Charakter ruchu termicznego cząsteczek w cieczach jest bardziej złożony niż w ciałach stałych. Zgodnie z uproszczonym modelem, ruchy termiczne cząsteczek cieczy reprezentują nieregularne oscylacje wokół pewnych centrów. Energia kinetyczna drgań poszczególnych cząsteczek w pewnych momentach może wystarczyć do pokonania wiązań międzycząsteczkowych. Wtedy te cząsteczki mają możliwość wskoczenia w środowisko innych cząsteczek, zmieniając w ten sposób środek oscylacji. Tak więc przez pewien czas, zwany czasem ustalonego życia, każda cząsteczka znajduje się w uporządkowanym układzie z kilkoma najbliższymi cząsteczkami. Po wykonaniu skoku cząsteczka cieczy znajduje się wśród nowych cząsteczek, ułożonych w inny sposób. W związku z tym w cieczy obserwuje się tylko krótkozasięgowy porządek w ułożeniu cząsteczek.

Biorąc pod uwagę warunki na powierzchni Ziemi, tylko niektóre substancje można znaleźć naturalnie we wszystkich trzech stanach, na przykład woda. Większość substancji występuje w określonym stanie. Poszczególne cząsteczki są zablokowane i pozostają na miejscu, niezdolne do ruchu. Chociaż atomy i molekuły ciał stałych są w ruchu, ruch jest ograniczony energią wibracji, a poszczególne molekuły są unieruchomione i wibrują obok siebie. Wraz ze wzrostem temperatury ciało stałe liczba drgań wzrasta, ale ciało stałe zachowuje swój kształt i objętość, ponieważ cząsteczki są zablokowane w miejscu i nie oddziałują ze sobą.

Charakter ruchu termicznego cząsteczek w cieczy różni się znacznie od ruchu termicznego cząsteczek gazu. Ze względu na losowość ruchu termicznego prędkości i amplitudy oscylacji sąsiednich cząsteczek są różne, a od czasu do czasu sąsiednie cząsteczki odbiegają od siebie tak bardzo, że poszczególne cząsteczki przeskakują odległość rzędu d, utkną w nowych pozycji równowagi i zaczynają oscylować wokół nich. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta średnia energia ruchu termicznego, a wraz z nią amplituda oscylacji i częstotliwość skoków cząsteczek z jednej pozycji równowagi do sąsiednich.

Aby zobaczyć przykład, kliknij poniższą animację, która pokazuje strukturę molekularną kryształków lodu. Chociaż cząsteczki w cieczach mogą się poruszać i zderzać ze sobą, pozostają stosunkowo blisko siebie, podobnie jak ciała stałe. Zazwyczaj w cieczach siły międzycząsteczkowe utrzymują cząsteczki razem, które następnie się rozpadają. Wraz ze wzrostem temperatury cieczy wzrasta liczba ruchów poszczególnych cząsteczek. W rezultacie ciecze mogą „krążyć”, przybierając kształt pojemnika, ale nie można ich łatwo skompresować, ponieważ cząsteczki są już bardzo blisko siebie.

Charakter ruchu termicznego cząsteczek zależy od charakteru interakcji cząsteczek i zmienia się, gdy substancja przechodzi.

Zeszklenie to szybki proces zmiany charakteru ruchu termicznego cząsteczek polimeru w stanie amorficznym, który zachodzi w wąskim zakresie temperatur, zależnym od szybkości deformacji, przy której jest obserwowany. Następuje bez zmian objętości polimeru i bez efektu termicznego, ale ze zmianą współczynnika rozszerzalności cieplnej i ciepła właściwego.

Dlatego płyny są forma nieokreślona, ale w pewnej ilości. W poniższym przykładzie animacji widzimy, że woda w stanie ciekłym składa się z cząsteczek, które mogą swobodnie krążyć, ale mimo to pozostają blisko siebie. W ten sposób cząsteczki gazu oddziałują mało, czasami zderzają się. W stanie gazowym cząsteczki poruszają się szybko i swobodnie krążą w dowolnym kierunku, rozprzestrzeniając się na duże odległości. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta liczba ruchów poszczególnych cząsteczek.

Gazy rozszerzają się, wypełniając pojemniki i mają niską gęstość. Ponieważ poszczególne cząsteczki są szeroko oddzielone i mogą swobodnie krążyć w stanie gazowym, gazy łatwo ulegają kompresji i mogą być kształtowane w nieskończoność. Plazmy powstają w warunkach ekstremalnie wysokich energii, tak dużych, że cząsteczki rozdzielają się i istnieją tylko wolne atomy. Jeszcze bardziej zdumiewające jest to, że plazma ma tak dużo energii, że zewnętrzne elektrony są silnie oddzielone od poszczególnych atomów, tworząc wysoce naładowany i energetyczny gaz jonowy.

Polega ona na tym, że charakter ruchu termicznego cząsteczek wnz jest bliższy ruchom wibracyjnym atomów sieci krystalicznych i cząsteczek cieczy niż ruchom swobodnym cząsteczek w rozrzedzonych gazach.

Czytelnik B: Wcześniej zwróciłeś uwagę, że charakter ruchu termicznego cząsteczek zależy od interakcji międzycząsteczkowych i zmienia się podczas przechodzenia z jednego stanu skupienia do drugiego.

Ponieważ atomy w plazmie istnieją jako naładowane jony, plazma zachowuje się inaczej niż gazy i tworzy czwarty stan materii. Plazmę można zobaczyć po prostu patrząc w górę; Warunki wysokiej energii występujące w gwiazdach, takich jak Słońce, popychają poszczególne atomy do stanu plazmy.

Jak widzieliśmy, wzrost energii powoduje większy ruch molekularny. I odwrotnie, zmniejszenie energii powoduje mniejszy ruch molekularny. W rezultacie przewidywanie molekularne teoria kinetyczna jest to, że jeśli energia materii zmniejszy się, osiągniemy punkt, w którym zatrzyma się cały ruch molekularny. Temperatura, w której zatrzymuje się ruch molekularny, nazywana jest zerem bezwzględnym i obliczana jako -15 stopni Celsjusza. Chociaż naukowcy schłodzili materię do niemal zera absolutnego, nigdy nie byli w stanie osiągnąć tej temperatury.

Taki podział ciągłego widma światła rozproszonego podyktowany jest samą naturą ruchu termicznego cząsteczek w cieczach.

Molekularne rozpraszanie światła dostarcza bardzo cennych informacji na temat struktury i charakteru ruchu termicznego cząsteczek w ośrodkach rozpraszających. Praca w tym obszarze rozwinęła się na szerokim froncie w latach 30.; w dużej mierze przyczynili się i nadal przyczyniają do rozwiązania problemu ciekłego stanu materii. Tutaj szczególnie wielkie są zasługi radzieckich naukowców L. I. Mandelstama, G. S. Landsberga, L. D. Landaua, E. F. Grossa, SM Rytowa i ich uczniów.

Trudność w obserwowaniu materii w temperaturze zera absolutnego polega na tym, że światło potrzebuje światła, aby „zobaczyć” materię, a światło przekazuje energię materii, która podnosi temperaturę. Pomimo tych wyzwań naukowcy zaobserwowali ostatnio piąty stan materii, który występuje tylko w temperaturach bardzo bliskich zeru absolutnego.

W tym dziwnym stanie wszystkie atomy kondensatu osiągają ten sam stan mechaniczno-kwantowy i mogą płynąć bez tarcia między sobą. Opisano lub zaobserwowano również kilka innych, mniej powszechnych stanów skupienia materii. Niektóre z tych stanów obejmują ciekłe kryształy, kondensaty fermionowe, superciecze, superstałe i trafnie nazwaną dziwną substancję.

Teoria stanu ciekłego na obecnym poziomie, ze względu na złożoność budowy i charakter ruchu termicznego cząsteczek, nie może być wykorzystana do opisu właściwości cieczy rzeczywistych w dość szerokim zakresie temperatur i ciśnień. Najlepszy scenariusz teoria statystyczna pozwala ustalić jedynie jakościową zależność właściwości równowagowych cieczy od parametrów stanu i funkcji rozkładu radialnego.

Dzieje się tak w bardzo niskich temperaturach bliskich zeru absolutnego. Po raz pierwszy powstał na Uniwersytecie Kolorado. Wielu naukowców uważa to za błędne. Z natury kondensatu wynika, że ​​wszystkie tworzące go cząstki są w tym samym stanie kwantowym, co jest możliwe tylko wtedy, gdy są to bozony. Teraz zasada wykluczenia Pauliego uniemożliwia tej samej parze fermionów jednoczesne używanie tego samego stanu kwantowego. Dlatego kondensat fermionowy nie powinien istnieć.

Tak więc niewielką zmianę pojemności cieplnej ciała podczas topienia można uznać za dowód, że charakter ruchu termicznego molekuł w cieczach jest taki sam jak w ciałach stałych, a mianowicie molekuły oscylują wokół położenia równowagi.

Te jakościowe różnice między stanem ciekłym i stałym substancji wynikają z różnicy w ich strukturze molekularnej oraz w charakterze ruchu termicznego cząsteczek. Po podgrzaniu ciało stałe w określonych warunkach przechodzi w stan ciekły - topi się. Ciecz krzepnie, gdy temperatura spada.

Jean dokonał kondensacji par atomów fermionowych. Suma spinów pary atomów o tym samym spinie zawsze będzie liczbą całkowitą. Jeśli para identycznych atomów fermionowych utworzy cząsteczkę, będzie miała spin całkowity. Dlatego ta cząsteczka jest bozonem, który może się skondensować.

Chociaż prawdą jest, że parę Coopera można przyrównać do bozonu, nie oznacza to, że tworzenie par Coopera automatycznie implikuje obecność kondensatu. Aby uzyskać kondensację par Coopera, konieczne jest, aby wszystkie były zgrupowane w tym samym stanie kwantowym.

Jak zaznacza Samoiłow, dla kompleksowego rozważenia zagadnienia solwatacji jonów w roztworach elektrolitów nie można ograniczyć się do określenia liczby solwatacji i energii solwatacji, ale konieczne jest również zbadanie zmian, jakie zachodzą przy wprowadzaniu jonów, a nie tylko w strukturze rozpuszczalnika, ale w naturze ruchu termicznego cząsteczek rozpuszczalnika . Wszystkie powyższe zmiany w rozpuszczalniku wynikają głównie z jednego i tego samego powodu - interakcji między kapłanami a cząsteczkami rozpuszczalnika.

Kondensat fermionowy zachowuje się jak fala, a nie jak cząstka, ponieważ pozostaje stabilny przez bardzo krótki czas. Cząsteczki gazu fermionowego są fermionami, a nie bozonami, ponieważ chociaż tylko fermiony są połączone, wirują do wartości całkowitej i ustabilizują się w tym punkcie.

Zasada wykluczania Pauliego mówi, że dwa fermiony nie mogą jednocześnie zajmować tego samego stanu kwantowego. Zmieniło się to z czasem, gdy elektrony ustabilizowały falę, nadając jej stabilny kształt. Jin, Markus Greiner i Cindy Regal poszli o krok dalej i dzięki ultramrożeniu cząstek odkryli nowy stan materii, szósty, gaz fermionowy. Według tych fizyków lód kwantowy składa się z bozonów, klasy cząstek o charakterze stadnym, a ich prawa statystyczne mają tendencję do faworyzowania wielu populacji o tym samym stanie kwantowym.

W cieczy cząsteczki znajdują się w niewielkich odległościach od siebie i występują między nimi znaczne siły oddziaływania międzycząsteczkowego. Charakter ruchu termicznego cząsteczek w cieczy różni się znacznie od ruchu cząsteczek w gazie. Cząsteczki cieczy oscylują wokół pewnych pozycji równowagi.

Jednak gaz fermionowy składa się wyłącznie z fermionów. W przeciwieństwie do bozonów są nietowarzyskie iz definicji żaden z nich nie może nigdy znajdować się w tym samym stanie ruchu. Para identycznych fermionów nie może zajmować tego samego stanu kwantowego. Na wysokie temperatury zachowanie tych cząstek elementarnych jest prawie niezauważalne. Jednak gdy ostygną, mają tendencję do poszukiwania niższych stanów energetycznych i właśnie w tym momencie nasila się antagonistyczna natura bozonów i fermionów.

Ale jak zachowują się ultramrożone fermiony? Aby rozwiązać zagadkę, fizycy Boulder wykorzystali lasery do uchwycenia małej chmury 1000 atomów potasu. Ograniczając ich naturalny ruch, schładzali atomy do milionowych części powyżej zera absolutnego. Ze względu na swoją tajemną naturę fermiony tych atomów powinny się odpychać, ale tak nie było. Poprzez przyłożenie pola magnetycznego do przechłodzonych atomów, spotkały się one krótko parami i stworzyły niezwykły kondensat. Według rodziców nowego państwa odkrycie to może prowadzić do wielu praktycznych zastosowań.

Ruch termiczny to chaotyczny ruch cząsteczek, atomów i jonów w gazach, ciałach stałych i cieczach. Charakter ruchu termicznego cząsteczek, atomów i jonów zależy od stanu skupienia substancji i jest determinowany przez siły oddziaływania międzycząsteczkowego.

Przyrządy i akcesoria: przewodnik druciany z badanego metalu, przyrząd pomiarowy, elektryczne przyrządy pomiarowe.

Na przykład gaz fermionowy otwiera nowy kierunek badań nadprzewodnictwem, zjawiskiem, w którym prąd płynie bez oporu. Może istnieć kilka stanów, które można nazwać siódmym stanem materii. Stany te występują tylko w ekstremalnych warunkach w kosmosie lub pojawiają się tylko w teorii eksplozji Wielkiego Wybuchu.

W wysoce symetrycznej materii. W słabo symetrycznej materii. W plazmie kwarków gluonowych. Są to procedury, które służą do oddzielenia składników mieszaniny, zarówno stałych, płynnych, jak i mieszanka gazowa. Główne metody rozdzielania mieszanin to dekantacja, filtracja, wirowanie, rozpuszczanie frakcyjne itp. istnieją również inne metody, takie jak flotacja, przesiewanie, leligacja, wentylacja, separacja magnetyczna, krystalizacja, upłynnianie frakcyjne, odparowywanie frakcyjne, chromatografia i ekstrakcja rozpuszczalnikiem.

Ruch cząsteczek gazów, cieczy i ciał stałych

Zgodnie z teorią kinetyki molekularnej, której jednym z założycieli jest wielki rosyjski naukowiec M.V. Łomonosow, Wszystkie substancje składają się z maleńkich cząsteczek - cząsteczek, które są w ciągłym ruchu i oddziałują ze sobą.

Cząsteczka to najmniejsza cząsteczka substancji, która ma swoją własną właściwości chemiczne. Cząsteczki różne substancje mają różny skład atomowy.

Wiedząc, że układ jest mieszaniną, można zastosować jedną lub więcej metod rozdzielania mieszanin do wyizolowania dwóch lub więcej składników mieszaniny. Metody rozdzielania mieszaniny nazywane są natychmiastową analizą bez zmiany charakteru substancji. A dla każdego rodzaju mieszanki jest ich kilka różne sposoby separacja. Poniżej znajdują się najczęstsze sposoby oddzielenia miksu.

Metoda stosowana do rozdzielania niejednorodnych mieszanin ciało stałe-ciecz i ciecz-ciecz. Przykłady: mętna woda, woda i olej. Jeśli zostawimy na chwilę wiadro z mętną wodą, to zauważymy, że glina opadnie, czyli opadnie na dno wiadra, jest to spowodowane tym, że jest większe w porównaniu z wodą. Dzięki temu wodę można łatwo usunąć z wiadra.

W naturze ruchu cząsteczek gazów, cieczy i ciał stałych jest wiele wspólnego, są też znaczące różnice.

Wspólne cechy ruch molekularny:

a) Średnia prędkość im więcej cząsteczek, tym wyższa temperatura substancji;

b) prędkości różnych molekuł danej substancji są rozłożone w taki sposób, że liczba molekuł o określonej prędkości jest tym większa, im prędkość ta jest bliższa najbardziej prawdopodobnej prędkości ruchu molekuł danej substancji przy w danej temperaturze.

Można usunąć wodę i oddzielić płyny z mieszaniny. Można powiedzieć, że większość rzeczy występujących w przyrodzie to jakaś mieszanka. Powietrze atmosferyczne, skały, liście roślin, a nawet włosy to przykłady mieszanek, każda z nich ma inne właściwości fizyczne. Dodatkowo każdy składnik mieszanki posiada unikalne właściwości fizyczne i chemiczne. Oznacza to, że mieszanina składników nie oznacza zmiany ich podstawowych struktur chemicznych. Zmieniając główną strukturę komponentu, Reakcja chemiczna a nie tylko mieszanie. Tak więc trzy stany materii są stałe, płynne i gazowe.

Znacząca różnica w naturze ruchu cząsteczek gazów, cieczy i ciał stałych tłumaczy się różnicą oddziaływania sił ich cząsteczek, związaną z różnicą średnich odległości między cząsteczkami.

W gazach średnie odległości między cząsteczkami są wielokrotnie większe niż rozmiar samych cząsteczek. W efekcie siły oddziaływania między cząsteczkami gazu są niewielkie i cząsteczki poruszają się po całym naczyniu, w którym znajduje się gaz, niemal niezależnie od siebie, zmieniając kierunek i wielkość prędkości w zderzeniach z innymi cząsteczkami oraz ze ścianami statku. Ścieżka cząsteczki gazu jest linią przerywaną, podobną do trajektorii ruchu Browna.

Zachowuje się jak ciało stałe. Próbując sklasyfikować różne stany materii, zwykle mówi się, że istnieją trzy stany: stan gazowy, stan stały i półprzewodnikowy. Różnica między tymi różnymi stanami ma związek z rozmieszczeniem atomów tworzących materię i mieszaniem się tworzących ją cząsteczek.

Ponieważ te cząsteczki są bardzo od siebie oddalone, rozumiemy, że gazy są lekkie: ważenie gazu to przede wszystkim ważenie przestrzeni między cząsteczkami i że gazy zajmują całą przestrzeń, jaką mają: cząsteczki są tak liczne, że nie są wrażliwe na grawitację.

Średnia swobodna droga cząsteczek gazu, tj. średnia długość drogi cząsteczek między dwoma kolejnymi zderzeniami zależy od ciśnienia i temperatury gazu. Na normalna temperatura i ciśnienie, swobodna droga wynosi około 10 -5 cm Cząsteczki gazu zderzają się ze sobą lub ze ściankami naczynia około 1010 razy na sekundę, zmieniając kierunek ich ruchu. Tłumaczy to fakt, że szybkość dyfuzji gazów jest niewielka w porównaniu z szybkością ruchu translacyjnego cząsteczek gazu, która w normalnych warunkach jest około 1,5 raza większa niż prędkość dźwięku w danym gazie i wynosi 500 m/s .

W cieczach odległości między cząsteczkami są znacznie mniejsze niż w gazach. Siły oddziaływania każdej cząsteczki z jej sąsiadami są wystarczająco duże, w wyniku czego cząsteczki cieczy oscylują wokół pewnych średnich pozycji równowagi. Jednocześnie, ponieważ średnia energia kinetyczna cząsteczek cieczy jest porównywalna z energią ich oddziaływania, cząsteczki z przypadkowym nadmiarem energii kinetycznej przezwyciężają oddziaływanie sąsiednich cząsteczek i zmieniają środek oscylacji. Praktycznie oscylujące cząstki cieczy w bardzo krótkich odstępach czasu (~10 -8 s) przeskakują w przestrzeni.



Zatem ciecz składa się z wielu mikroskopijnych obszarów, w których istnieje pewien porządek w ułożeniu pobliskich cząstek, który zmienia się w czasie i przestrzeni, tj. nie powtarza się w całej objętości płynu. Mówi się, że taka struktura ma zamówienie bliskiego zasięgu .

W ciałach stałych odległości między cząsteczkami są jeszcze mniejsze, w wyniku czego siły oddziaływania każdej cząsteczki z sąsiednimi są tak duże, że cząsteczka wykonuje tylko małe oscylacje wokół pewnej stałej pozycji równowagi - węzła. W ciele krystalicznym wyróżnia się pewien określony wzajemny układ węzłów, który nazywa się sieci krystalicznej. Charakter sieci krystalicznej jest zdeterminowany charakterem oddziaływań międzycząsteczkowych danej substancji.

Powyższe dotyczy idealnego krystalicznego ciała stałego. W prawdziwych kryształach dochodzi do różnych naruszeń porządku, które występują podczas krystalizacji substancji.

Oprócz kryształów w przyrodzie występują także ciała amorficzne, w których podobnie jak ciecze, wokół losowo rozmieszczonych węzłów drgają atomy. Jednak ruch cząstek ciała amorficznego z jednego ośrodka oscylacji do drugiego zachodzi w tak długich odstępach czasu, że praktycznie ciała amorficzne są ciałami stałymi.

Przewodność cieplna

Przewodność cieplna to przenoszenie ciepła, które zachodzi w obecności gradientu temperatury i jest spowodowane ruchem termicznym cząstek. Rysunek 1a pokazuje proste ciało

w kształcie węgla z podstawami 1 i 2, leżącymi prostopadle do osi x. Niech temperatura ciała będzie funkcją jednej współrzędnej T = T(x), w którym dT/dx < 0 (температура убывает в положительном направлении оси X). Następnie przez dowolny odcinek ciała prostopadły do ​​wybranej osi przekazywane jest ciepło, co opisuje prawo Fouriera (1820)

gdzie Q- ilość ciepła przekazywanego przez obszar o przekroju S z czasem Δ t, c- współczynnik przewodności cieplnej, zależny od właściwości substancji. Znak minus (1) wskazuje, że przenoszenie ciepła jest skierowane w stronę spadku temperatury (przeciwnie do gradientu temperatury dT/dx). Jeśli ciało jest jednorodne, a proces jest stabilny, to temperatura spada wzdłuż osi X liniowy: dT/dx=const(rys. 1b).

Wyrażenie (1) pozwala znaleźć gęstość Przepływ ciepła(przepływ ciepła przez jednostkę powierzchni na jednostkę czasu):

Z tego ostatniego wynika, że

Współczynnik przewodzenia ciepła jest liczbowo równy ilości ciepła przekazywanego przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu przy jednostkowym gradiencie temperatury. .

Przy określaniu przewodności cieplnej gazów i cieczy należy starannie wykluczyć inne rodzaje wymiany ciepła - konwekcję (przenoszenie cieplejszych części medium w górę i obniżanie zimniejszych) oraz przenoszenie ciepła przez promieniowanie (przenoszenie ciepła przez promieniowanie).

Przewodność cieplna substancji zależy od jej stanu. Tabela I pokazuje wartości przewodności cieplnej niektórych substancji.

Tabela I

W przypadku cieczy (jeśli wykluczymy ciekłe metale) współczynnik przewodzenia ciepła jest średnio mniejszy niż ciał stałych i większy niż gazów. Przewodność cieplna gazów i metali wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, podczas gdy ciecze z reguły maleją.

W przypadku gazów teoria kinetyki molekularnej pozwala ustalić, że współczynnik przewodzenia ciepła jest równy

gdzie jest średnia droga wolna cząsteczek,

Średnia prędkość ich ruchu, r - gęstość, c V jest izochoryczną pojemnością cieplną właściwą.

Mechanizm przewodnictwa cieplnego gazów, cieczy i ciał stałych

Losowość ruchu termicznego cząsteczek gazu, ciągłe zderzenia między nimi prowadzą do ciągłego mieszania cząsteczek i zmiany ich prędkości i energii. W gaz przewodność cieplna ma miejsce, gdy występuje w nim różnica temperatur spowodowana pewnymi przyczynami zewnętrznymi. Cząsteczki gazu w różnych miejscach jego objętości mają różne średnie energie kinetyczne. Dlatego podczas chaotycznego ruchu termicznego cząsteczek, ukierunkowany transfer energii . Cząsteczki, które spadły z rozgrzanych części gazu do zimniejszych, oddają nadmiar swojej energii otaczającym cząsteczkom. Wręcz przeciwnie, wolno poruszające się cząsteczki, przechodząc od zimnych do cieplejszych części, zwiększają swoją energię w wyniku zderzeń z cząsteczkami o dużych prędkościach.

Przewodność cieplna w płynach podobnie jak w gazach, występuje w obecności gradientu temperatury. Jeśli jednak w gazach energia jest przekazywana podczas zderzeń cząstek wykonujących ruchy postępowe, to w cieczach energia jest przekazywana podczas zderzeń oscylujących cząstek. Cząstki o wyższej energii oscylują z większą amplitudą i zderzając się z innymi cząsteczkami wydają się nimi wstrząsać, przenosząc na nie energię. Taki mechanizm przekazywania energii, podobnie jak mechanizm działający w gazach, nie zapewnia jej szybkiego transferu i dlatego przewodność cieplna cieczy jest bardzo niska, chociaż kilkukrotnie przewyższa przewodność cieplną gazów. Wyjątkiem są metale ciekłe, których współczynniki przewodnictwa cieplnego są zbliżone do współczynników metali stałych. Wyjaśnia to fakt, że w ciekłych metalach ciepło jest przenoszone nie tylko wraz z przenoszeniem drgań z jednej cząstki na drugą, ale także za pomocą ruchomych naładowanych elektrycznie cząstek - elektronów obecnych w metalach, ale nieobecnych w innych cieczach .

Jeśli w ciało stałe pomiędzy poszczególnymi jego częściami występuje różnica temperatur, wtedy, podobnie jak w przypadku gazów i cieczy, ciepło jest przenoszone z części bardziej nagrzanej do mniej nagrzanej.

W przeciwieństwie do cieczy i gazów konwekcja nie może zachodzić w ciele stałym, tj. ruch masy materii z ciepłem. Dlatego wymiana ciepła w ciele stałym odbywa się tylko przez przewodnictwo cieplne.

Mechanizm wymiany ciepła w ciele stałym wynika z charakteru ruchów termicznych w nim. Ciało stałe to zbiór wibrujących atomów. Ale te wahania

niezależne od siebie. Wibracje mogą być przenoszone (z prędkością dźwięku) z jednego atomu na drugi. W tym przypadku powstaje fala, która przekazuje energię drgań. Taka propagacja oscylacji to przenoszenie ciepła.

Ilościowo wymianę ciepła w ciele stałym opisuje wyrażenie (1). Wartość współczynnika przewodzenia ciepła c nie może być obliczona w taki sam sposób, jak robi się to dla gazu - prostszego układu składającego się z nieoddziałujących cząstek.

Przybliżone obliczenie przewodności cieplnej ciała stałego można wykonać za pomocą pojęć kwantowych.

Teoria kwantowa pozwala na porównanie pewnych quasicząstek rozchodzących się w ciele stałym z prędkością dźwięku z drganiami - fonony. Każda cząstka charakteryzuje się energią równą stałej Plancka pomnożonej przez częstotliwość drgań n. Energia kwantu drgań - fononu jest zatem równa h n.

Jeśli posługujemy się pojęciem fononów, to możemy powiedzieć, że ruchy termiczne w bryle są powodowane właśnie przez nie, tak że w zera absolutnego nie ma fononów, a wraz ze wzrostem temperatury ich liczba wzrasta, ale nie liniowo, ale zgodnie z bardziej złożone prawo (w niskich temperaturach proporcjonalnie temperatura kostki).

Możemy teraz uznać ciało stałe za naczynie zawierające gaz fononowy, który w bardzo wysokich temperaturach może być uważany za gaz doskonały. Podobnie jak w przypadku zwykłego gazu, wymiana ciepła w gazie fononowym odbywa się przez zderzenia fononów z atomami sieci i wszelkie rozumowanie gaz doskonały tutaj też są prawdziwe. Dlatego przewodność cieplną ciała stałego można wyrazić dokładnie tym samym wzorem

gdzie r jest gęstością ciała, c V jest jego właściwa pojemność cieplna, Z to prędkość dźwięku w ciele, l to średnia droga swobodna fononów.

W metalach oprócz drgań sieci w przenoszeniu ciepła uczestniczą również naładowane cząstki, elektrony, które jednocześnie są nośnikami prądu elektrycznego w metalu. W wysokich temperaturach elektroniczny część przewodności cieplnej jest znacznie większa krata . Wyjaśnia to wysoką przewodność cieplną metali w porównaniu z niemetalami, w których fonony są jedynymi nośnikami ciepła. Współczynnik przewodności cieplnej metali można obliczyć za pomocą wzoru:

gdzie jest średnią drogą swobodną elektronów, jest średnią prędkością ich ruchu termicznego.

W nadprzewodnikach, w którym prąd elektryczny nie napotyka oporu, praktycznie nie ma elektronicznego przewodnictwa cieplnego: elektrony przenoszące ładunek bez oporu nie uczestniczą w przenoszeniu ciepła, a przewodnictwo cieplne w nadprzewodnikach jest czysto sieciowe.

Prawo Wiedemanna-Franza

Metale mają zarówno wysoką przewodność elektryczną, jak i wysoką przewodność cieplną. Wyjaśnia to fakt, że nośnikami prądu i ciepła w metalach są te same cząstki - wolne elektrony, które po zmieszaniu z metalem przenoszą nie tylko ładunek elektryczny, ale także energię chaotycznego (termicznego) ruchu właściwą je, tj. przeprowadzić wymianę ciepła.

W 1853 r. Wiedemann i Franz eksperymentalnie ustanowili prawo, zgodnie z którym współczynnik przewodności cieplnej c do przewodności elektrycznej s dla metali w tej samej temperaturze jest taka sama i wzrasta proporcjonalnie do temperatury termodynamicznej:

gdzie k oraz mi są stałymi (stała Boltzmanna i ładunek elektronu).

Rozważając elektrony jako gaz jednoatomowy, dla współczynnika przewodnictwa cieplnego można użyć wyrażenia kinetycznej teorii gazów

gdzie n×m= r jest gęstością gazu.

Ciepło właściwe gaz jednoatomowy jest równy . Podstawiając tę ​​wartość do wyrażenia na χ otrzymujemy

Zgodnie z klasyczną teorią metali, ich przewodnictwo elektryczne

Wtedy relacja

Po zastąpieniu otrzymujemy zależność (5), która wyraża Prawo Wiedemanna-Franza .

Podstawianie wartości k= 1,38 10 -23 J/K i mi= 1,60 10 -19 C we wzorze (5), znajdujemy

Jeśli korzystając z tego wzoru, oblicz wartość dla wszystkich metali w T\u003d 300 K, wtedy otrzymujemy 6,7 10 -6 J Ω / s K. Prawo Wiedemanna-Franza dla większości metali odpowiada doświadczeniu w temperaturach 100–400 K, ale w niskich temperaturach prawo to jest znacznie naruszane. Rozbieżności między danymi obliczonymi a eksperymentalnymi w niskich temperaturach są szczególnie duże w przypadku srebra, miedzi i złota. Istnieją metale (beryl, mangan), które w ogóle nie przestrzegają prawa Wiedemanna-Franza.