A natureza do movimento das moléculas no estado sólido. Grande enciclopédia de petróleo e gás
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A natureza do movimento térmico das moléculas em líquidos é mais complexa do que em sólidos. De acordo com um modelo simplificado, os movimentos térmicos das moléculas líquidas representam oscilações irregulares em torno de certos centros. A energia cinética das vibrações de moléculas individuais em alguns momentos pode ser suficiente para superar as ligações intermoleculares. Então essas moléculas têm a oportunidade de saltar para o ambiente de outras moléculas, mudando assim o centro de oscilação. Assim, por algum tempo /, chamado de tempo de vida estabelecida, cada molécula está em um sistema ordenado com várias moléculas mais próximas. Tendo feito um salto, a molécula líquida se encontra entre novas moléculas, dispostas de maneira diferente. Portanto, apenas a ordem de curto alcance no arranjo das moléculas é observada em um líquido.
Dadas as condições da superfície da Terra, apenas algumas substâncias podem ser encontradas naturalmente nos três estados, como a água. A maioria das substâncias ocorre em um determinado estado. Moléculas individuais são bloqueadas e permanecem no lugar, incapazes de se mover. Embora os átomos e moléculas dos sólidos estejam em movimento, o movimento é limitado pela energia vibracional, e as moléculas individuais são fixadas no lugar e vibram lado a lado. À medida que a temperatura aumenta corpo sólido o número de vibrações aumenta, mas o sólido mantém sua forma e volume à medida que as moléculas ficam travadas no lugar e não interagem umas com as outras.
A natureza do movimento térmico das moléculas em um líquido difere significativamente do movimento térmico das moléculas do gás. Devido à aleatoriedade do movimento térmico, as velocidades e amplitudes das oscilações das moléculas vizinhas são diferentes e, de tempos em tempos, as moléculas vizinhas divergem tanto umas das outras que as moléculas individuais saltam uma distância da ordem de d, ficam presas em novas posições de equilíbrio e começam a oscilar em torno delas. Com o aumento da temperatura, a energia média do movimento térmico aumenta, e com ela a amplitude das oscilações e a frequência dos saltos das moléculas de uma posição de equilíbrio para outras vizinhas.
Para ver um exemplo disso, clique na animação a seguir, que mostra a estrutura molecular dos cristais de gelo. Embora as moléculas em líquidos possam se mover e colidir umas com as outras, elas permanecem relativamente próximas, como os sólidos. Normalmente em líquidos, as forças intermoleculares mantêm as moléculas juntas, que então se separam. À medida que a temperatura do líquido aumenta, o número de movimentos de moléculas individuais aumenta. Como resultado, os líquidos podem "circular" para tomar a forma de seu recipiente, mas não podem ser comprimidos facilmente porque as moléculas já estão muito próximas umas das outras.
A natureza do movimento térmico das moléculas depende da natureza da interação das moléculas e muda quando uma substância passa.
A transição vítrea é um processo rápido de mudança da natureza do movimento térmico das moléculas de polímero no estado amorfo, que ocorre em uma estreita faixa de temperatura, dependendo da taxa de deformação na qual é observada. Ocorre sem alterações no volume do polímero e sem efeito térmico, mas com alteração no coeficiente de expansão térmica e calor específico.
Portanto, os líquidos são forma indefinida, mas uma certa quantidade. No exemplo de animação a seguir, vemos que a água líquida é composta de moléculas que podem circular livremente, mas que permanecem próximas umas das outras. Assim, as moléculas de gás interagem pouco, às vezes colidindo. No estado gasoso, as moléculas se movem rapidamente e circulam livremente em qualquer direção, espalhando-se por longas distâncias. À medida que a temperatura aumenta, o número de movimentos de moléculas individuais aumenta.
Os gases se expandem para encher seus recipientes e têm baixa densidade. Como as moléculas individuais são amplamente separadas e podem circular livremente no estado gasoso, os gases são facilmente comprimidos e podem ser moldados indefinidamente. Os plasmas são formados sob condições de energia extremamente alta, tão grandes que as moléculas se separam e só existem átomos livres. Ainda mais surpreendente é que o plasma tem tanta energia que os elétrons externos são fortemente separados dos átomos individuais, formando um gás iônico altamente carregado e energético.
Está no fato de que a natureza do movimento térmico das moléculas de DP está mais próxima dos movimentos vibracionais dos átomos de redes cristalinas e moléculas líquidas do que do movimento livre de partículas em gases rarefeitos.
Leitor B: Anteriormente, você apontou que a natureza do movimento térmico das moléculas depende da interação intermolecular e das mudanças durante a transição de um estado de agregação para outro.
Como os átomos nos plasmas existem como íons carregados, os plasmas se comportam de maneira diferente dos gases e formam o quarto estado da matéria. O plasma pode ser percebido simplesmente olhando para cima; As condições de alta energia que existem nas estrelas, como o sol, empurram os átomos individuais para um estado de plasma.
Como vimos, um aumento na energia resulta em mais movimento molecular. Por outro lado, a diminuição da energia resulta em menos movimento molecular. Como resultado, a previsão do molecular teoria cinéticaé que se a energia da matéria diminuir, chegaremos a um ponto em que todo o movimento molecular para. A temperatura na qual o movimento molecular para é chamada de zero absoluto e é calculada como -15 graus Celsius. Embora os cientistas tenham resfriado a matéria até quase o zero absoluto, eles nunca foram capazes de atingir essa temperatura.
Tal divisão do espectro contínuo da luz espalhada é ditada pela própria natureza do movimento térmico das moléculas nos líquidos.
A dispersão molecular da luz fornece informações muito valiosas sobre a estrutura e a natureza do movimento térmico das moléculas no meio de dispersão. O trabalho nessa área se desenrolou em ampla frente na década de 30; em grande parte contribuíram e continuam a contribuir para a solução do problema do estado líquido da matéria. Aqui os méritos dos cientistas soviéticos L. I. Mandelstam, G. S. Landsberg, L. D. Landau, E. F. Gross, S. M. Rytov e seus alunos são especialmente grandes.
A dificuldade em observar a matéria na temperatura zero absoluto é que é preciso luz para "ver" a matéria, e a luz transfere energia para a matéria, o que aumenta a temperatura. Apesar desses desafios, os cientistas observaram recentemente um quinto estado da matéria que só existe em temperaturas muito próximas do zero absoluto.
Nesse estado estranho, todos os átomos dos condensados atingem o mesmo estado mecânico-quântico e podem fluir sem atrito entre si. Vários outros estados menos comuns da matéria também foram descritos ou observados. Alguns desses estados incluem cristais líquidos, condensados fermiônicos, superfluidos, supersólidos e a substância estranha apropriadamente chamada.
A teoria do estado líquido em seu nível atual, devido à complexidade da estrutura e natureza do movimento térmico das moléculas, não pode ser usada para descrever as propriedades de líquidos reais em uma faixa bastante ampla de temperaturas e pressões. Melhor cenário possível teoria estatística permite estabelecer apenas uma dependência qualitativa das propriedades de equilíbrio dos líquidos sobre os parâmetros de estado e a função de distribuição radial.
Isso ocorre em temperaturas muito baixas próximas ao zero absoluto. Foi criado pela primeira vez na Universidade do Colorado. Muitos cientistas consideram isso errado. A natureza do condensado implica que todas as partículas que o compõem estejam no mesmo estado quântico, o que só é possível se essas partículas forem bósons. Agora, o princípio de exclusão de Pauli impede que o mesmo par de férmions use o mesmo estado quântico ao mesmo tempo. Portanto, o condensado fermiônico não deveria existir.
Assim, uma pequena mudança na capacidade calorífica de um corpo durante a fusão pode ser considerada como evidência de que a natureza do movimento térmico das moléculas nos líquidos é a mesma que nos sólidos, ou seja, as moléculas oscilam em torno da posição de equilíbrio.
Essas diferenças qualitativas entre os estados líquido e sólido de uma substância se devem à diferença em sua estrutura molecular e na natureza do movimento térmico das moléculas. Quando aquecido, um corpo sólido sob certas condições passa para o estado líquido - derrete. O líquido solidifica quando a temperatura cai.
Jean conseguiu a condensação de pares de átomos fermiônicos. A soma dos spins de um par de átomos com o mesmo spin será sempre um número inteiro. Se um par de átomos fermiônicos idênticos formar uma molécula, ela terá um spin inteiro. Portanto, esta molécula é um bóson que pode condensar.
Embora seja verdade que um par de Cooper possa ser assimilado a um bóson, isso não significa que a formação de pares de Cooper implique automaticamente a presença de um condensado. Para obter um condensado de pares de Cooper, é necessário que todos sejam agrupados no mesmo estado quântico.
Como aponta Samoilov, para uma consideração abrangente da questão da solvatação de íons em soluções eletrolíticas, não se pode limitar a determinar os números de solvatação e a energia de solvatação, mas também é necessário investigar as mudanças que ocorrem quando os íons são introduzidos, não apenas na estrutura do solvente, mas na natureza do movimento térmico das moléculas do solvente. Todas as mudanças acima no solvente são principalmente devido a uma única e mesma razão - a interação entre os sacerdotes e as moléculas do solvente.
O condensado fermiônico se comporta como uma onda e não como uma partícula, pois permanece estável por muito pouco tempo. As moléculas de gás férmion são férmions, não bósons, uma vez que, embora apenas férmions sejam combinados, eles completarão o spin para um número inteiro e se estabilizarão nesse ponto.
O princípio de exclusão de Pauli afirma que dois férmions não podem ocupar o mesmo estado quântico ao mesmo tempo. Isso mudou ao longo do tempo à medida que os elétrons estabilizaram a onda, dando-lhe uma forma estável. Jin, Markus Greiner e Cindy Regal deram um passo adiante e, graças ao ultracongelamento das partículas, encontraram um novo estado da matéria, o sexto, o gás fermiônico. Segundo esses físicos, o gelo quântico é composto de bósons, uma classe de partículas de natureza gregária, e suas leis estatísticas tendem a favorecer várias populações do mesmo estado quântico.
Em um líquido, as moléculas estão localizadas a pequenas distâncias umas das outras e existem forças significativas de interação intermolecular entre elas. A natureza do movimento térmico das moléculas em um líquido difere significativamente do movimento das moléculas em um gás. Moléculas líquidas oscilam em torno de certas posições de equilíbrio.
No entanto, um gás férmion é composto inteiramente de férmions. Eles, ao contrário dos bósons, são insociáveis e, por definição, nenhum deles pode ocupar o mesmo estado de movimento. Um par de férmions idênticos não pode ocupar o mesmo estado quântico. No temperaturas altas o comportamento dessas partículas elementares é quase imperceptível. No entanto, quando esfriam, tendem a buscar estados de energia mais baixos, e é nesse ponto que se intensifica a natureza antagônica dos bósons e férmions.
Mas como os férmions ultracongelados se comportam? Para resolver o quebra-cabeça, os físicos de Boulder usaram lasers para capturar uma pequena nuvem de 1.000 átomos de potássio. Ao limitar seu movimento natural, eles resfriaram os átomos até milionésimos acima do zero absoluto. Devido à sua natureza arcana, os férmions desses átomos deveriam se repelir, mas não era o caso. Ao aplicar um campo magnético aos átomos super-resfriados, eles se encontraram brevemente em pares e criaram um notável condensado. Segundo os pais do novo estado, essa descoberta pode levar a uma ampla gama de aplicações práticas.
O movimento térmico é o movimento caótico de moléculas, átomos e íons em gases, sólidos e líquidos. A natureza do movimento térmico de moléculas, átomos e íons depende do estado agregado da substância e é determinada pelas forças de interação intermolecular.
Dispositivos e acessórios: condutor de fio feito do metal investigado, dispositivo de medição, instrumentos elétricos de medição.
Por exemplo, o gás fermiônico oferece uma nova linha de pesquisa em supercondutividade, o fenômeno em que a eletricidade flui sem resistência. Pode haver vários estados que podem ser chamados de sétimo estado da matéria. Esses estados ocorrem apenas sob condições extremas no espaço, ou apenas ocorrem durante a teoria das explosões do Big Bang.
Em matéria altamente simétrica. Em matéria fracamente simétrica. No plasma de quarks glúons. São procedimentos que servem para separar os componentes de uma mistura, sejam eles sólidos, líquidos ou mistura de gás. Os principais métodos de separação de misturas são decantação, filtração, centrifugação, dissolução fracionada, etc. existem também outros métodos como flotação, peneiramento, levigação, ventilação, separação magnética, cristalização, liquefação fracionada, evaporação fracionada, cromatografia e extração por solvente.
O movimento de moléculas de gases, líquidos e sólidos
De acordo com a teoria da cinética molecular, um dos fundadores é o grande cientista russo M.V. Lomonossov, Todas as substâncias são compostas de minúsculas partículas - moléculas que estão em movimento contínuo e interagindo umas com as outras.
Uma molécula é a menor partícula de uma substância que tem sua própria propriedades quimicas. moléculas várias substâncias possuem composição atômica diferente.
Sabendo que o sistema é uma mistura, um ou mais métodos de separação de misturas podem ser usados para isolar dois ou mais componentes da mistura. Os métodos para separar uma mistura são chamados de análise imediata sem alterar a natureza das substâncias. E para cada tipo de mistura, existem vários jeitos diferentes separação. Abaixo estão as maneiras mais comuns de separar uma mistura.
Um método usado para separar misturas heterogêneas sólido-líquido e líquido-líquido. Exemplos: água turva, água e óleo. Se deixarmos o balde de água turva sozinho por um tempo, notamos que a argila vai assentar, ou seja, vai para o fundo do balde, isso se deve por ser maior em relação à água. Assim, a água pode ser facilmente removida do balde.
Na natureza do movimento das moléculas de gases, líquidos e sólidos, há muito em comum, também existem diferenças significativas.
Características comuns movimento molecular:
a) velocidade média quanto mais moléculas, maior a temperatura da substância;
b) as velocidades de várias moléculas de uma dada substância são distribuídas de tal forma que o número de moléculas com uma determinada velocidade é tanto maior quanto mais próxima esta velocidade estiver da velocidade de movimento mais provável das moléculas de uma dada substância a uma dada temperatura.
A água pode ser removida e os líquidos podem ser separados da mistura. Pode-se dizer que a maioria das coisas que estão presentes na natureza são algum tipo de mistura. Ar atmosférico, rochas, folhas de plantas e até cabelos são exemplos de misturas, cada mistura possui propriedades físicas diferentes. Além disso, cada componente da mistura possui propriedades físicas e químicas únicas. Ou seja, o fato de a mistura de componentes não significar uma mudança em suas estruturas químicas básicas. Ao alterar a estrutura principal de um componente, reação química ao invés de apenas misturar. Assim, os três estados da matéria são sólido, líquido e gasoso.
Uma diferença significativa na natureza do movimento das moléculas de gases, líquidos e sólidos é explicada pela diferença na força de interação de suas moléculas, associada à diferença nas distâncias médias entre as moléculas.
Nos gases, as distâncias médias entre as moléculas são muitas vezes maiores do que o tamanho das próprias moléculas. Como resultado, as forças de interação entre as moléculas do gás são pequenas e as moléculas se movem por todo o vaso em que o gás está localizado, quase independentemente umas das outras, mudando a direção e a magnitude da velocidade em colisões com outras moléculas e com as paredes. da embarcação. O caminho de uma molécula de gás é uma linha quebrada semelhante à trajetória do movimento browniano.
Ele se comporta como um corpo sólido. Ao tentar classificar os vários estados da matéria, costuma-se dizer que existem três estados: o estado gasoso, Estado sólido e estado sólido. A diferença entre esses diferentes estados tem a ver com o arranjo dos átomos que compõem a matéria e a mistura das moléculas que a compõem.
Como essas moléculas estão muito distantes, entendemos que os gases são leves: pesar um gás é antes de tudo pesar o vazio entre as moléculas e que os gases ocupam todo o espaço que possuem: as moléculas são tão numerosas que não são sensíveis à gravidade .
O caminho livre médio das moléculas de gás, ou seja, o comprimento médio do caminho das moléculas entre duas colisões sucessivas depende da pressão e da temperatura do gás. No temperatura normal e pressão, o caminho livre é de cerca de 10 -5 cm.As moléculas de gás colidem umas com as outras ou com as paredes do recipiente cerca de 1010 vezes por segundo, mudando a direção de seu movimento. Isso explica o fato de a taxa de difusão dos gases ser pequena em comparação com a taxa de movimento translacional das moléculas de gás, que em condições normais é aproximadamente 1,5 vezes maior que a velocidade do som em um determinado gás e é igual a 500 m/s .
Nos líquidos, as distâncias entre as moléculas são muito menores do que nos gases. As forças de interação de cada molécula com suas vizinhas são suficientemente grandes, fazendo com que as moléculas do líquido oscilam em torno de algumas posições médias de equilíbrio. Ao mesmo tempo, uma vez que a energia cinética média das moléculas líquidas é comparável à sua energia de interação, as moléculas com um excesso aleatório de energia cinética superam a interação das partículas vizinhas e mudam o centro de oscilação. Partículas praticamente oscilantes de um líquido em intervalos de tempo muito curtos (~10 -8 s) saltam no espaço.
Assim, um líquido consiste em muitas regiões microscópicas nas quais há alguma ordem no arranjo de partículas próximas, que muda com o tempo e o espaço, ou seja, não repetido em todo o volume do líquido. Diz-se que tal estrutura tem ordem de curto alcance .
Nos sólidos, as distâncias entre as moléculas são ainda menores, pelo que as forças de interação de cada molécula com as suas vizinhas são tão grandes que a molécula realiza apenas pequenas oscilações em torno de uma certa posição de equilíbrio constante - um nó. Em um corpo cristalino, distingue-se um certo arranjo mútuo definido de nós, que é chamado de estrutura de cristal. A natureza da rede cristalina é determinada pela natureza das interações intermoleculares de uma dada substância.
O precedente se aplica a um sólido cristalino ideal. Em cristais reais, existem várias violações da ordem que ocorrem durante a cristalização de uma substância.
Junto com os cristais, também existem sólidos amorfos na natureza, nos quais, semelhante aos líquidos, os átomos vibram em torno de nós localizados aleatoriamente. No entanto, o movimento de partículas de um corpo amorfo de um centro de oscilação para outro ocorre em intervalos de tempo tão longos que corpos praticamente amorfos são corpos sólidos.
Condutividade térmica
A condutividade térmica é a transferência de calor que ocorre na presença de um gradiente de temperatura e é devido ao movimento térmico das partículas. A Figura 1a mostra um corpo reto
em forma de carvão com bases 1 e 2 localizadas perpendicularmente ao eixo x. Seja a temperatura do corpo uma função de uma coordenada T = T(x), em que dT/dx < 0 (температура убывает в положительном направлении оси X). Então, através de qualquer seção do corpo normal ao eixo escolhido, o calor é transferido, o que é descrito pela lei de Fourier (1820)
onde ∆ Q- a quantidade de calor transferida através da área com uma seção transversal S no tempo Δ t, c- coeficiente de condutividade térmica, dependendo das propriedades da substância. O sinal de menos em (1) indica que a transferência de calor é direcionada para a diminuição da temperatura (oposta ao gradiente de temperatura dT/dx). Se o corpo é homogêneo e o processo é estável, então a temperatura cai ao longo do eixo X linear: dT/dx=const(Fig. 1b).
A expressão (1) permite encontrar a densidade fluxo de calor(fluxo de calor através da unidade de área por unidade de tempo):
Segue-se deste último que
O coeficiente de condutividade térmica é numericamente igual à quantidade de calor transferida através de uma unidade de área de superfície por unidade de tempo em um gradiente de temperatura unitário. .
Ao determinar a condutividade térmica de gases e líquidos, é necessário excluir cuidadosamente outros tipos de transferência de calor - convecção (mover as partes mais quentes do meio para cima e abaixar as mais frias) e transferência de calor por radiação (transferência de calor radiante).
A condutividade térmica de uma substância depende do seu estado. A Tabela I mostra os valores da condutividade térmica de algumas substâncias.
Tabela I
Para líquidos (se excluirmos metais líquidos), o coeficiente de condutividade térmica é, em média, menor que o de sólidos e maior que o de gases. A condutividade térmica de gases e metais aumenta com o aumento da temperatura, enquanto os líquidos, como regra, diminuem.
Para gases, a teoria da cinética molecular permite estabelecer que o coeficiente de condutividade térmica é igual a
onde é o caminho livre médio das moléculas,
Velocidade média de seu movimento, r - densidade, cvé o calor específico isocórico.
Mecanismo de condutividade térmica de gases, líquidos e sólidos
A aleatoriedade do movimento térmico das moléculas de gás, colisões contínuas entre elas levam à mistura constante de partículas e a uma mudança em suas velocidades e energias. NO gás A condutividade térmica ocorre quando há uma diferença de temperatura nele causada por algumas causas externas. Moléculas de gás em diferentes locais de seu volume têm diferentes energias cinéticas médias. Portanto, durante o movimento térmico caótico das moléculas, transferência de energia direcionada . As moléculas que caíram das partes aquecidas do gás para as partes mais frias liberam um excesso de energia para as partículas circundantes. Ao contrário, moléculas em movimento lento, passando de partes frias para partes mais quentes, aumentam sua energia devido a colisões com moléculas de alta velocidade.
Condutividade térmica em líquidos como nos gases, ocorre na presença de um gradiente de temperatura. No entanto, se nos gases a energia é transferida durante as colisões das partículas que fazem movimentos de translação, então nos líquidos a energia é transferida durante as colisões das partículas oscilantes. Partículas de maior energia oscilam com maior amplitude e, ao colidir com outras partículas, as sacodem, por assim dizer, transferindo energia para elas. Tal mecanismo de transferência de energia, assim como o mecanismo que opera em gases, não garante sua rápida transferência e, portanto, a condutividade térmica dos líquidos é muito baixa, embora exceda em várias vezes a condutividade térmica dos gases. A exceção são os metais líquidos, cujos coeficientes de condutividade térmica são próximos aos dos metais sólidos. Isso se explica pelo fato de que, nos metais líquidos, o calor é transferido não apenas com a transferência de vibrações de uma partícula para outra, mas também com a ajuda de partículas eletricamente carregadas móveis - elétrons presentes nos metais, mas ausentes em outros líquidos.
Se em corpo sólido há uma diferença de temperatura entre suas várias partes, então, assim como acontece em gases e líquidos, o calor é transferido de uma parte mais aquecida para outra menos aquecida.
Ao contrário de líquidos e gases, a convecção não pode ocorrer em um corpo sólido, ou seja, o movimento de uma massa de matéria com calor. Portanto, a transferência de calor em um sólido é realizada apenas por condução térmica.
O mecanismo de transferência de calor em um sólido decorre da natureza dos movimentos térmicos nele. Um corpo sólido é uma coleção de átomos que vibram. Mas essas flutuações
independentes uns dos outros. As vibrações podem ser transmitidas (na velocidade do som) de um átomo para outro. Neste caso, forma-se uma onda, que transfere a energia das vibrações. Tal propagação de oscilações é a transferência de calor.
Quantitativamente, a transferência de calor em um corpo sólido é descrita pela expressão (1). O valor do coeficiente de condutividade térmica c não pode ser calculado da mesma forma que é feito para um gás - um sistema mais simples que consiste em partículas que não interagem.
Um cálculo aproximado da condutividade térmica de um sólido pode ser realizado usando conceitos quânticos.
Teoria quântica nos permite comparar certas quasipartículas se propagando em um sólido na velocidade do som com vibrações - fônons. Cada partícula é caracterizada por uma energia igual à constante de Planck multiplicada pela frequência de oscilação n. A energia de um quantum de vibrações - um fônon, portanto, é igual a h n.
Se usarmos o conceito de fônons, podemos dizer que os movimentos térmicos em um sólido são causados precisamente por eles, de modo que no zero absoluto não há fônons e, com o aumento da temperatura, seu número aumenta, mas não linearmente, mas de acordo com um lei mais complexa (em baixas temperaturas, cubo de temperatura proporcionalmente).
Podemos agora considerar um corpo sólido como um recipiente contendo um gás de fônons, um gás que em temperaturas muito altas pode ser considerado um gás ideal. Como no caso de um gás comum, a transferência de calor em um gás de fônon é realizada por colisões de fônons com átomos de rede, e todos os argumentos para gás ideal são verdadeiras aqui também. Portanto, a condutividade térmica de um sólido pode ser expressa exatamente pela mesma fórmula
onde r é a densidade do corpo, cvé sua capacidade calorífica específica, Comé a velocidade do som no corpo, l é o caminho livre médio dos fônons.
Nos metais, além das vibrações da rede, partículas carregadas, elétrons, também participam da transferência de calor, que ao mesmo tempo são portadores de corrente elétrica no metal. Em altas temperaturas eletrônico parte da condutividade térmica é muito maior treliça . Isso explica a alta condutividade térmica dos metais em comparação com os não metais, nos quais os fônons são os únicos portadores de calor. O coeficiente de condutividade térmica dos metais pode ser calculado pela fórmula:
onde é o caminho livre médio dos elétrons, é a velocidade média de seu movimento térmico.
Em supercondutores, em que a corrente elétrica não encontra resistência, praticamente não há condutividade térmica eletrônica: elétrons que carregam carga sem resistência não participam da transferência de calor e a condutividade térmica em supercondutores é puramente treliçada.
Lei Wiedemann-Franz
Os metais têm alta condutividade elétrica e alta condutividade térmica. Isso é explicado pelo fato de que os portadores de corrente e calor nos metais são as mesmas partículas - elétrons livres, que, quando misturados no metal, carregam não apenas uma carga elétrica, mas também a energia do movimento caótico (térmico) inerente ao eles, ou seja realizar a transferência de calor.
Em 1853, Wiedemann e Franz estabeleceram experimentalmente uma lei segundo a qual razão de condutividade térmica c para condutividade elétrica s para metais na mesma temperatura é a mesma e aumenta proporcionalmente à temperatura termodinâmica:
Onde k e e são constantes (constante de Boltzmann e carga do elétron).
Considerando os elétrons como um gás monoatômico, para o coeficiente de condutividade térmica pode-se usar a expressão da teoria cinética dos gases
Onde n×m= r é a densidade do gás.
Calor específico gás monoatômico é igual a . Substituindo este valor na expressão para χ , obtemos
De acordo com a teoria clássica dos metais, sua condutividade elétrica
Então a relação
Após substituir , chegamos à relação (5), que expressa Lei Wiedemann-Franz .
Substituindo os valores k= 1,38 10 -23 J/K e e= 1,60 10 -19 C na fórmula (5), encontramos
Se, usando esta fórmula, calcular o valor para todos os metais em T\u003d 300 K, então obtemos 6,7 10 -6 J Ω / s K. A lei de Wiedemann-Franz para a maioria dos metais corresponde à experiência em temperaturas de 100-400 K, mas em baixas temperaturas a lei é significativamente violada. As discrepâncias entre os dados calculados e experimentais em baixas temperaturas são especialmente grandes para prata, cobre e ouro. Existem metais (berílio, manganês) que não obedecem à lei de Wiedemann-Franz.