Natura mișcării moleculelor în stare solidă. Marea enciclopedie a petrolului și gazelor
Pagina 1
Natura mișcării termice a moleculelor în lichide este mai complexă decât în solide. Conform unui model simplificat, mișcările termice ale moleculelor lichide reprezintă oscilații neregulate în jurul anumitor centri. Energia cinetică a vibrațiilor moleculelor individuale în unele momente poate fi suficientă pentru a depăși legăturile intermoleculare. Apoi, aceste molecule au ocazia de a sari în mediul altor molecule, schimbând astfel centrul de oscilație. Astfel, de ceva timp /, numit timpul vieții așezate, fiecare moleculă se află într-un sistem ordonat cu mai multe molecule cele mai apropiate. După ce a făcut un salt, molecula lichidă se găsește printre molecule noi, dispuse într-un mod diferit. Prin urmare, într-un lichid se observă doar ordinea pe distanță scurtă în aranjarea moleculelor.
Având în vedere condițiile de pe suprafața pământului, doar unele substanțe pot fi găsite în mod natural în toate cele trei stări, precum apa. Majoritatea substanțelor apar într-o anumită stare. Moleculele individuale sunt blocate și rămân pe loc, incapabile să se miște. Deși atomii și moleculele solidelor sunt în mișcare, mișcarea este limitată de energia vibrațională, iar moleculele individuale sunt fixate pe loc și vibrează una lângă alta. Pe măsură ce temperatura crește corp solid numărul de vibrații crește, dar solidul își păstrează forma și volumul pe măsură ce moleculele sunt blocate pe loc și nu interacționează între ele.
Natura mișcării termice a moleculelor dintr-un lichid diferă semnificativ de mișcarea termică a moleculelor de gaz. Datorită caracterului aleatoriu al mișcării termice, vitezele și amplitudinile oscilațiilor moleculelor învecinate sunt diferite și, din când în când, moleculele învecinate diverg una de cealaltă atât de mult încât moleculele individuale sar pe o distanță de ordinul lui d, se blochează în noi. pozițiile de echilibru și încep să oscileze în jurul lor. Odată cu creșterea temperaturii, energia medie a mișcării termice crește și, odată cu aceasta, amplitudinea oscilațiilor și frecvența salturilor moleculelor de la o poziție de echilibru la cele vecine.
Pentru a vedea un exemplu în acest sens, faceți clic pe următoarea animație, care arată structura moleculară a cristalelor de gheață. Deși moleculele din lichide se pot mișca și se pot ciocni unele cu altele, ele rămân relativ apropiate, ca și solidele. De obicei, în lichide, forțele intermoleculare țin moleculele împreună, care apoi se despart. Pe măsură ce temperatura lichidului crește, crește numărul de mișcări ale moleculelor individuale. Ca urmare, lichidele pot „circula” pentru a lua forma recipientului lor, dar nu pot fi comprimate cu ușurință deoarece moleculele sunt deja foarte apropiate.
Natura mișcării termice a moleculelor depinde de natura interacțiunii moleculelor și se modifică atunci când o substanță trece din.
Tranziția sticloasă este un proces rapid de modificare a naturii mișcării termice a moleculelor de polimer în stare amorfă, care are loc într-un interval de temperatură îngust, în funcție de rata de deformare la care este observată. Apare fără modificări ale volumului polimerului și fără efect termic, dar cu modificarea coeficientului de dilatare termică și căldură specifică.
Prin urmare, lichidele sunt formă nedefinită, dar o anumită sumă. În următorul exemplu de animație, vedem că apa lichidă este alcătuită din molecule care pot circula liber, dar rămân totuși aproape unele de altele. Astfel, moleculele de gaz interacționează puțin, uneori ciocnindu-se. În stare gazoasă, moleculele se mișcă rapid și circulă liber în orice direcție, răspândindu-se pe distanțe mari. Pe măsură ce temperatura crește, crește numărul de mișcări ale moleculelor individuale.
Gazele se extind pentru a-și umple recipientele și au o densitate scăzută. Deoarece moleculele individuale sunt larg separate și pot circula liber în stare gazoasă, gazele sunt ușor comprimate și pot fi modelate la infinit. Plasmele se formează în condiții de energie extrem de mare, atât de mari încât moleculele se separă și există doar atomi liberi. Și mai uimitor este că plasma are atât de multă energie încât electronii exteriori sunt puternic separați de atomii individuali, formând un gaz ionic foarte încărcat și energetic.
Constă în faptul că natura mișcării termice a moleculelor PD este mai apropiată de mișcările vibraționale ale atomilor rețelelor cristaline și ale moleculelor lichide decât de mișcarea liberă a particulelor din gazele rarefiate.
Cititorul B: Mai devreme ați subliniat că natura mișcării termice a moleculelor depinde de interacțiunea intermoleculară și de modificări în timpul tranziției de la o stare de agregare la alta.
Deoarece atomii din plasmă există ca ioni încărcați, plasmele se comportă diferit față de gaze și formează a patra stare a materiei. Plasma poate fi percepută doar privind în sus; Condițiile de înaltă energie care există în stele, cum ar fi soarele, împing atomii individuali către o stare de plasmă.
După cum am văzut, o creștere a energiei are ca rezultat mai multă mișcare moleculară. În schimb, scăderea energiei are ca rezultat o mișcare moleculară mai mică. Ca rezultat, predicția moleculară teoria cinetică este că dacă energia materiei scade, vom ajunge într-un punct în care toată mișcarea moleculară se oprește. Temperatura la care se oprește mișcarea moleculară se numește zero absolut și se calculează ca -15 grade Celsius. Deși oamenii de știință au răcit materia până aproape de zero absolut, ei nu au reușit niciodată să atingă această temperatură.
O astfel de diviziune a spectrului continuu de lumină împrăștiată este dictată de însăși natura mișcării termice a moleculelor din lichide.
Difuzarea moleculară a luminii oferă informații foarte valoroase despre structura și natura mișcării termice a moleculelor din mediile de împrăștiere. Lucrările în acest domeniu s-au desfășurat pe un front larg în anii 30; au contribuit în mare măsură și continuă să contribuie la rezolvarea problemei stării lichide a materiei. Aici meritele oamenilor de știință sovietici L. I. Mandelstam, G. S. Landsberg, L. D. Landau, E. F. Gross, S. M. Rytov și studenții lor sunt deosebit de mari.
Dificultatea de a observa materia la temperatura zero absolut este că este nevoie de lumină pentru a „vedea” materia, iar lumina transferă energie materiei, ceea ce crește temperatura. În ciuda acestor provocări, oamenii de știință au observat recent o a cincea stare a materiei care există doar la temperaturi foarte apropiate de zero absolut.
În această stare ciudată, toți atomii condensaților ajung în aceeași stare mecanico-cuantică și pot curge fără frecare între ei. Au fost descrise sau observate și alte câteva stări mai puțin obișnuite ale materiei. Unele dintre aceste stări includ cristale lichide, condensate fermionice, superfluide, supersolide și materia ciudată bine numită.
Teoria stării lichide la nivelul său actual, datorită complexității structurii și naturii mișcării termice a moleculelor, nu poate fi folosită pentru a descrie proprietățile lichidelor reale într-un interval destul de larg de temperaturi și presiuni. Cel mai bun scenariu teorie statistică permite stabilirea doar a unei dependențe calitative a proprietăților de echilibru ale lichidelor de parametrii de stare și de funcția de distribuție radială.
Acest lucru se întâmplă la temperaturi foarte scăzute, aproape de zero absolut. A fost creat pentru prima dată la Universitatea din Colorado. Mulți oameni de știință consideră că este greșit. Natura condensului implică faptul că toate particulele care îl alcătuiesc sunt în aceeași stare cuantică, ceea ce este posibil numai dacă particulele respective sunt bosoni. Acum, principiul excluderii Pauli împiedică aceeași pereche de Fermioni să folosească aceeași stare cuantică în același timp. Prin urmare, condensatul fermionic nu ar trebui să existe.
Astfel, o mică modificare a capacității de căldură a unui corp în timpul topirii poate fi considerată ca o dovadă că natura mișcării termice a moleculelor din lichide este aceeași cu cea a solidelor, și anume, moleculele oscilează în jurul poziției de echilibru.
Aceste diferențe calitative între stările lichide și solide ale unei substanțe se datorează diferenței de structura lor moleculară și de natura mișcării termice a moleculelor. Când este încălzit, un corp solid în anumite condiții trece în stare lichidă - se topește. Lichidul se solidifică atunci când temperatura scade.
Jean a realizat condensarea perechilor de atomi fermionici. Suma spinurilor unei perechi de atomi cu același spin va fi întotdeauna întreagă. Dacă o pereche de atomi fermionici identici formează o moleculă, aceasta va avea un spin întreg. Prin urmare, această moleculă este un boson care se poate condensa.
Deși este adevărat că o pereche Cooper poate fi asimilată unui boson, aceasta nu înseamnă că formarea perechilor Cooper implică automat prezența unui condensat. Pentru a obține un condensat de perechi Cooper, este necesar ca toate să fie grupate în aceeași stare cuantică.
După cum subliniază Samoilov, pentru o analiză cuprinzătoare a problemei solvației ionilor în soluții de electroliți, nu se poate limita la determinarea numerelor de solvație și a energiei de solvație, dar este, de asemenea, necesar să se investigheze modificările care apar atunci când sunt introduși ionii, nu. numai în structura solventului, ci în natura mișcării termice a moleculelor de solvent. Toate modificările de mai sus în solvent se datorează în principal unuia și aceluiași motiv - interacțiunea dintre preoți și moleculele solventului.
Condensul fermionic se comportă ca o undă și nu ca o particulă, deoarece rămâne stabil pentru foarte puțin timp. Moleculele de gaz fermion sunt fermioni, nu bozoni, deoarece, deși numai fermionii sunt combinați, ei vor completa spin la un număr întreg și se vor stabiliza în acel punct.
Principiul excluderii Pauli afirmă că doi fermioni nu pot ocupa aceeași stare cuantică în același timp. Acest lucru s-a schimbat în timp pe măsură ce electronii au stabilizat unda, dându-i o formă stabilă. Jin, Markus Greiner și Cindy Regal au făcut un pas mai departe și, datorită ultraînghețului particulelor, au găsit o nouă stare a materiei, a șasea, gazul fermionic. Potrivit acestor fizicieni, gheața cuantică este alcătuită din bozoni, o clasă de particule care sunt de natură gregară, iar legile lor statistice tind să favorizeze mai multe populații din aceeași stare cuantică.
Într-un lichid, moleculele sunt situate la distanțe mici unele de altele și există forțe semnificative de interacțiune intermoleculară între ele. Natura mișcării termice a moleculelor dintr-un lichid diferă semnificativ de mișcarea moleculelor dintr-un gaz. Moleculele lichide oscilează în jurul anumitor poziții de echilibru.
Cu toate acestea, un gaz fermion este format în întregime din fermioni. Ei, spre deosebire de bosoni, sunt nesociabili și, prin definiție, niciunul dintre ei nu poate ocupa niciodată aceeași stare de mișcare. O pereche de fermioni identici nu poate ocupa aceeași stare cuantică. La temperaturi mari comportamentul acestor particule elementare este aproape imperceptibil. Cu toate acestea, atunci când se răcesc, ei tind să caute stări de energie mai scăzută și în acest moment se intensifică natura antagonistă a bosonilor și fermionilor.
Dar cum se comportă fermionii ultraînghețați? Pentru a rezolva puzzle-ul, fizicienii de la Boulder au folosit lasere pentru a captura un nor mic de 1.000 de atomi de potasiu. Limitându-și mișcarea naturală, ei au răcit atomii până la milionimi peste zero absolut. Datorită naturii lor arcane, fermionii acestor atomi ar trebui să se respingă unul pe altul, dar nu a fost cazul. Aplicând un câmp magnetic atomilor suprarăciți, aceștia s-au întâlnit pentru scurt timp în perechi și au creat un condensat remarcabil. Potrivit părinților noului stat, această constatare ar putea duce la o gamă largă de aplicații practice.
Mișcarea termică este mișcarea haotică a moleculelor, atomilor și ionilor din gaze, solide și lichide. Natura mișcării termice a moleculelor, atomilor și ionilor depinde de starea agregată a substanței și este determinată de forțele interacțiunii intermoleculare.
Dispozitive si accesorii: conductor de sarma din metal investigat, aparat de masura, instrumente electrice de masura.
De exemplu, gazul fermionic oferă o nouă linie de cercetare în supraconductivitate, fenomenul în care electricitatea curge fără rezistență. Pot exista mai multe stări care pot fi numite a șaptea stare a materiei. Aceste stări apar doar în condiții extreme în spațiu sau apar doar în timpul teoriei exploziilor Big Bang.
În materie foarte simetrică. În materie slab simetrică. În plasma quarcilor gluon. Acestea sunt proceduri care servesc la separarea componentelor unui amestec, fie ele solide, lichide sau amestec de gaze. Principalele metode de separare a amestecurilor sunt decantarea, filtrarea, centrifugarea, dizolvarea fracționată etc. există și alte metode precum flotarea, screeningul, levigația, ventilația, separarea magnetică, cristalizarea, lichefierea fracționată, evaporarea fracționată, cromatografia și extracția cu solvent.
Mișcarea moleculelor de gaze, lichide și solide
Potrivit teoriei cinetice moleculare, unul dintre fondatorii căreia este marele om de știință rus M.V. Lomonosov, Toate substanțele sunt formate din particule minuscule - molecule care sunt în mișcare continuă și interacționează între ele.
O moleculă este cea mai mică particulă dintr-o substanță care are propria sa proprietăți chimice. molecule diverse substanțe au compoziție atomică diferită.
Știind că sistemul este un amestec, una sau mai multe metode de separare a amestecurilor pot fi utilizate pentru a izola două sau mai multe componente ale amestecului. Metodele de separare a amestecului se numesc analize imediate fără modificarea naturii substanțelor. Și pentru fiecare tip de amestec, există mai multe căi diferite separare. Mai jos sunt cele mai comune modalități de a separa un amestec.
O metodă utilizată pentru separarea amestecurilor eterogene solid-lichid și lichid-lichid. Exemple: apă tulbure, apă și ulei. Dacă lăsăm o vreme găleata cu apă tulbure în pace, vom observa că lutul se va așeza, adică se va duce la fundul găleții, asta datorită faptului că este mai mare în comparație cu apa. Astfel, apa poate fi îndepărtată cu ușurință din găleată.
În natura mișcării moleculelor de gaze, lichide și solide, există multe în comun, există și diferențe semnificative.
Aspecte comune mișcare moleculară:
A) viteza medie cu cât sunt mai multe molecule, cu atât temperatura substanței este mai mare;
b) vitezele diferitelor molecule ale unei substanțe date sunt distribuite în așa fel încât numărul de molecule cu o anumită viteză este cu atât mai mare, cu atât această viteză este mai aproape de viteza cea mai probabilă de mișcare a moleculelor unei anumite substanțe la o temperatură dată.
Apa poate fi îndepărtată și lichidele pot fi separate din amestec. Se poate spune că majoritatea lucrurilor care sunt prezente în natură sunt un fel de amestec. Aerul atmosferic, rocile, frunzele plantelor și chiar părul sunt exemple de amestecuri, fiecare amestec având proprietăți fizice diferite. În plus, fiecare componentă a amestecului are proprietăți fizice și chimice unice. Adică faptul că amestecul de componente nu înseamnă o modificare a structurilor lor chimice de bază. La modificarea structurii principale a unei componente, reactie chimica mai degrabă decât doar amestecarea. Astfel, cele trei stări ale materiei sunt solidă, lichidă și gazoasă.
O diferență semnificativă în natura mișcării moleculelor de gaze, lichide și solide se explică prin diferența de interacțiune a forței a moleculelor lor, asociată cu diferența de distanțe medii dintre molecule.
În gaze, distanțele medii dintre molecule sunt de multe ori mai mari decât dimensiunea moleculelor în sine. Ca urmare, forțele de interacțiune dintre moleculele de gaz sunt mici și moleculele se deplasează în întregul vas în care se află gazul, aproape independent unul de celălalt, schimbând direcția și magnitudinea vitezei în ciocniri cu alte molecule și cu pereții. a vasului. Calea unei molecule de gaz este o linie întreruptă similară cu traiectoria mișcării browniene.
Se comportă ca un corp solid. Când se încearcă clasificarea diferitelor stări ale materiei, se spune de obicei că există trei stări: starea gazoasă, stare solidă si in stare solida. Diferența dintre aceste stări diferite are de-a face cu aranjarea atomilor care alcătuiesc materia și cu amestecul moleculelor care o alcătuiesc.
Deoarece aceste molecule sunt foarte îndepărtate, înțelegem că gazele sunt ușoare: cântărirea unui gaz înseamnă în primul rând cântărirea golului dintre molecule și că gazele ocupă tot spațiul pe care îl au: moleculele sunt atât de numeroase încât nu sunt sensibile la gravitație. .
Calea liberă medie a moleculelor de gaz, adică lungimea medie a traseului moleculelor între două ciocniri succesive depinde de presiunea și temperatura gazului. La temperatura normalași presiune, calea liberă este de aproximativ 10 -5 cm.Moleculele de gaz se ciocnesc între ele sau cu pereții vasului de aproximativ 1010 ori pe secundă, schimbând direcția mișcării lor. Aceasta explică faptul că viteza de difuzie a gazelor este mică în comparație cu viteza de mișcare de translație a moleculelor de gaz, care în condiții normale este de aproximativ 1,5 ori mai mare decât viteza sunetului într-un anumit gaz și este egală cu 500 m/s. .
În lichide, distanțele dintre molecule sunt mult mai mici decât în gaze. Forțele de interacțiune ale fiecărei molecule cu vecinii ei sunt suficient de mari, drept urmare moleculele lichidului oscilează în jurul unor poziții medii de echilibru. În același timp, deoarece energia cinetică medie a moleculelor lichide este comparabilă cu energia lor de interacțiune, moleculele cu un exces aleator de energie cinetică depășesc interacțiunea particulelor învecinate și schimbă centrul de oscilație. Particulele practic oscilante ale unui lichid la intervale de timp foarte scurte (~10 -8 s) sar în spațiu.
Astfel, un lichid constă din multe regiuni microscopice în care există o anumită ordine în aranjarea particulelor din apropiere, care se modifică cu timpul și spațiul, adică. nu se repetă în întregul volum al lichidului. Se spune că o astfel de structură are comanda pe raza scurta .
La solide, distanțele dintre molecule sunt și mai mici, drept urmare forțele de interacțiune ale fiecărei molecule cu vecinii ei sunt atât de mari încât molecula efectuează doar mici oscilații în jurul unei anumite poziții constante de echilibru - un nod. Într-un corp cristalin, se distinge un anumit aranjament reciproc definit de noduri, care se numește rețea cristalină. Natura rețelei cristaline este determinată de natura interacțiunilor intermoleculare ale unei substanțe date.
Cele de mai sus se aplică unui solid cristalin ideal. În cristalele reale, există diverse încălcări ale ordinii care apar în timpul cristalizării unei substanțe.
Alături de cristale, există și solide amorfe în natură, în care, la fel ca lichidele, atomii vibrează în jurul nodurilor localizate aleatoriu. Cu toate acestea, mișcarea particulelor unui corp amorf de la un centru de oscilație la altul are loc la intervale de timp atât de lungi încât corpurile practic amorfe sunt corpuri solide.
Conductivitate termică
Conductivitatea termică este transferul de căldură care are loc în prezența unui gradient de temperatură și se datorează mișcării termice a particulelor. Figura 1a prezintă un corp drept
în formă de cărbune cu bazele 1 și 2 situate normal pe ax X. Fie temperatura corpului o funcție a unei coordonate T = T(x), în care dT/dx < 0 (температура убывает в положительном направлении оси X). Apoi, prin orice secțiune a corpului normală cu axa aleasă, căldura este transferată, ceea ce este descris de legea Fourier (1820)
unde ∆ Q- cantitatea de căldură transferată prin zona cu secțiune transversală Sîn timp Δ t, c- coeficient de conductivitate termică, în funcție de proprietățile substanței. Semnul minus din (1) indică faptul că transferul de căldură este îndreptat către scăderea temperaturii (opus gradientului de temperatură dT/dx). Dacă corpul este omogen și procesul este constant, atunci temperatura scade de-a lungul axei X liniar: dT/dx=const(Fig. 1b).
Expresia (1) vă permite să găsiți densitatea flux de caldura(flux de căldură prin unitate de suprafață pe unitatea de timp):
Din acesta din urmă rezultă că
Coeficientul de conductivitate termică este numeric egal cu cantitatea de căldură transferată printr-o unitate de suprafață pe unitate de timp la un gradient de temperatură unitar. .
La determinarea conductivității termice a gazelor și lichidelor, este necesar să se excludă cu atenție alte tipuri de transfer de căldură - convecție (deplasarea părților mai fierbinți ale mediului în sus și coborârea celor mai reci) și transferul de căldură prin radiație (transfer radiant de căldură).
Conductivitatea termică a unei substanțe depinde de starea acesteia. Tabelul I prezintă valorile conductivității termice a unor substanțe.
Tabelul I
Pentru lichide (dacă excludem metalele lichide), coeficientul de conductivitate termică este în medie mai mic decât cel al solidelor și mai mare decât cel al gazelor. Conductivitatea termică a gazelor și metalelor crește odată cu creșterea temperaturii, în timp ce lichidele, de regulă, scad.
Pentru gaze, teoria cinetică moleculară face posibilă stabilirea că coeficientul de conductivitate termică este egal cu
unde este calea liberă medie a moleculelor,
Viteza medie a mișcării lor, r - densitatea, CV este capacitatea termică specifică izocoră.
Mecanismul conductivității termice a gazelor, lichidelor și solidelor
Aleatoria mișcării termice a moleculelor de gaz, ciocnirile continue dintre ele duc la amestecarea constantă a particulelor și o schimbare a vitezelor și energiilor acestora. LA gaz conductivitatea termică are loc atunci când există o diferență de temperatură în ea cauzată de unele cauze externe. Moleculele de gaz în diferite locuri ale volumului său au energii cinetice medii diferite. Prin urmare, în timpul mișcării termice haotice a moleculelor, transfer dirijat de energie . Moleculele care au căzut din părțile încălzite ale gazului în părți mai reci eliberează un exces de energie către particulele din jur. Dimpotrivă, moleculele care se mișcă încet, ajungând din părți reci în părți mai fierbinți, își măresc energia din cauza ciocnirilor cu moleculele cu viteze mari.
Conductivitate termică în lichide ca și în cazul gazelor, apare în prezența unui gradient de temperatură. Totuși, dacă în gaze energia este transferată în timpul ciocnirilor de particule care fac mișcări de translație, atunci în lichide energia este transferată în timpul ciocnirilor de particule oscilante. Particulele cu o energie mai mare oscilează cu o amplitudine mai mare și, atunci când se ciocnesc cu alte particule, le scutură, parcă, transferându-le energie. Un astfel de mecanism de transfer de energie, la fel ca mecanismul care funcționează în gaze, nu asigură transferul rapid al acestuia și, prin urmare, conductivitatea termică a lichidelor este foarte scăzută, deși depășește de câteva ori conductivitatea termică a gazelor. Excepție fac metalele lichide, ai căror coeficienți de conductivitate termică sunt apropiați de cei ai metalelor solide. Acest lucru se explică prin faptul că în metalele lichide, căldura este transferată nu numai odată cu transferul vibrațiilor de la o particulă la alta, ci și cu ajutorul particulelor mobile încărcate electric - electroni care sunt prezenți în metale, dar absenți în alte particule. lichide.
Dacă în corp solid există o diferență de temperatură între diferitele sale părți, apoi, așa cum se întâmplă în gaze și lichide, căldura este transferată de la o parte mai încălzită la una mai puțin încălzită.
Spre deosebire de lichide și gaze, convecția nu poate avea loc într-un corp solid, de exemplu. mișcarea unei mase de materie cu căldură. Prin urmare, transferul de căldură într-un solid se realizează numai prin conducție termică.
Mecanismul transferului de căldură într-un solid decurge din natura mișcărilor termice din acesta. Un corp solid este o colecție de atomi care vibrează. Dar aceste fluctuatii
independente unele de altele. Vibrațiile pot fi transmise (cu viteza sunetului) de la un atom la altul. În acest caz, se formează o undă, care transferă energia vibrațiilor. O astfel de propagare a oscilațiilor este transferul de căldură.
Cantitativ, transferul de căldură într-un corp solid este descris prin expresia (1). Valoarea coeficientului de conductivitate termică c nu poate fi calculată în același mod cum se face pentru un gaz - un sistem mai simplu format din particule care nu interacționează.
Un calcul aproximativ al conductivității termice a unui solid poate fi efectuat folosind concepte cuantice.
Teoria cuantica ne permite să comparăm anumite cvasiparticule care se propagă într-un solid la viteza sunetului cu vibrațiile - fononi. Fiecare particulă este caracterizată de o energie egală cu constanta lui Planck înmulțită cu frecvența de oscilație n. Energia unui cuantum de vibrații - un fonon, prin urmare, este egală cu h n.
Dacă folosim conceptul de fononi, atunci putem spune că mișcările termice dintr-un solid sunt cauzate tocmai de acestea, astfel încât la zero absolut nu există fononi, iar odată cu creșterea temperaturii numărul lor crește, dar nu liniar, ci conform unei lege mai complexă (la temperaturi scăzute, proporțional cub de temperatură).
Putem considera acum un corp solid ca un vas care contine un gaz de fononi, un gaz care la temperaturi foarte ridicate poate fi considerat un gaz ideal. Ca și în cazul unui gaz obișnuit, transferul de căldură într-un gaz fonon se realizează prin ciocniri ale fononilor cu atomii rețelei și toate argumentele pentru gaz ideal sunt adevărate și aici. Prin urmare, conductivitatea termică a unui solid poate fi exprimată prin exact aceeași formulă
unde r este densitatea corpului, CV este capacitatea sa de căldură specifică, Cu este viteza sunetului în corp, l este calea liberă medie a fononilor.
În metale, pe lângă vibrațiile rețelei, particulele încărcate, electronii participă și la transferul de căldură, care în același timp sunt purtători de curent electric în metal. La temperaturi ridicate electronic o parte din conductibilitatea termică este mult mai mare zăbrele . Aceasta explică conductivitatea termică ridicată a metalelor în comparație cu nemetale, în care fononii sunt singurii purtători de căldură. Coeficientul de conductivitate termică a metalelor poate fi calculat prin formula:
unde este calea liberă medie a electronilor, este viteza medie a mișcării lor termice.
În supraconductori, în care curentul electric nu întâmpină rezistență, practic nu există conductivitate termică electronică: electronii care transportă sarcină fără rezistență nu participă la transferul de căldură, iar conductivitatea termică în supraconductori este pur rețea.
Legea Wiedemann-Franz
Metalele au atât conductivitate electrică ridicată, cât și conductivitate termică ridicată. Acest lucru se explică prin faptul că purtătorii de curent și căldură din metale sunt aceleași particule - electroni liberi, care, atunci când sunt amestecați în metal, poartă nu numai o sarcină electrică, ci și energia mișcării haotice (termice) inerente în metal. ei, adică efectuează transferul de căldură.
În 1853, Wiedemann și Franz au stabilit experimental o lege conform căreia raportul de conductivitate termică c la conductivitatea electrică s pentru metale la aceeași temperatură este aceeași și crește proporțional cu temperatura termodinamică:
Unde kși e sunt constante (constanta Boltzmann si sarcina electronilor).
Considerând electronii ca un gaz monoatomic, pentru coeficientul de conductivitate termică se poate folosi expresia teoriei cinetice a gazelor.
Unde n×m= r este densitatea gazului.
Căldura specifică gazul monoatomic este egal cu . Înlocuind această valoare în expresia pentru χ , obținem
Conform teoriei clasice a metalelor, conductivitatea lor electrică
Apoi relația
După înlocuirea , ajungem la relația (5), care exprimă Legea Wiedemann-Franz .
Înlocuirea valorilor k= 1,38 10 -23 J/K și e= 1,60 10 -19 C în formula (5), găsim
Dacă, folosind această formulă, calculați valoarea pentru toate metalele la T\u003d 300 K, atunci obținem 6,7 10 -6 J Ω / s K. Legea Wiedemann-Franz pentru majoritatea metalelor corespunde experienței la temperaturi de 100–400 K, dar la temperaturi scăzute legea este încălcată semnificativ. Discrepanțele dintre datele calculate și cele experimentale la temperaturi scăzute sunt deosebit de mari pentru argint, cupru și aur. Există metale (beriliu, mangan) care nu respectă deloc legea Wiedemann-Franz.