ธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลในสถานะของแข็ง สารานุกรมขนาดใหญ่ของน้ำมันและก๊าซ
หน้า 1
ธรรมชาติของการเคลื่อนที่เชิงความร้อนของโมเลกุลในของเหลวนั้นซับซ้อนกว่าในของแข็ง ตามแบบจำลองอย่างง่าย การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลของเหลวแสดงถึงการสั่นที่ไม่สม่ำเสมอของจุดศูนย์กลางบางแห่ง พลังงานจลน์ของการสั่นสะเทือนของโมเลกุลแต่ละโมเลกุลในบางช่วงเวลาอาจเพียงพอที่จะเอาชนะพันธะระหว่างโมเลกุลได้ จากนั้นโมเลกุลเหล่านี้ก็มีโอกาสที่จะกระโดดเข้าสู่สิ่งแวดล้อมของโมเลกุลอื่น ซึ่งจะเปลี่ยนศูนย์กลางของการสั่น ดังนั้นในบางครั้ง / เรียกว่าเวลาของชีวิตที่ตกลงมา แต่ละโมเลกุลอยู่ในระบบที่เป็นระเบียบซึ่งมีโมเลกุลใกล้เคียงที่สุดหลายตัว เมื่อทำการกระโดด โมเลกุลของเหลวจะพบว่าตัวเองอยู่ท่ามกลางโมเลกุลใหม่ โดยจัดเรียงในลักษณะที่ต่างออกไป ดังนั้นจึงสังเกตได้เฉพาะลำดับระยะสั้นในการจัดเรียงโมเลกุลในของเหลว
จากสภาพพื้นผิวโลก มีเพียงสารบางชนิดเท่านั้นที่สามารถพบได้ตามธรรมชาติในทั้งสามสถานะ เช่น น้ำ สารส่วนใหญ่เกิดขึ้นในสภาวะหนึ่ง แต่ละโมเลกุลถูกปิดกั้นและคงอยู่กับที่ ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ แม้ว่าอะตอมและโมเลกุลของของแข็งจะเคลื่อนที่ แต่การเคลื่อนที่นั้นถูกจำกัดด้วยพลังงานสั่นสะเทือน และโมเลกุลแต่ละตัวจะจับจ้องไปที่ตำแหน่งและสั่นสะเทือนเคียงข้างกัน เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ร่างกายที่แข็งแรงจำนวนการสั่นสะเทือนเพิ่มขึ้น แต่ของแข็งยังคงรูปร่างและปริมาตรไว้เนื่องจากโมเลกุลถูกล็อคเข้าที่และไม่โต้ตอบกัน
ธรรมชาติของการเคลื่อนที่เชิงความร้อนของโมเลกุลในของเหลวนั้นแตกต่างอย่างมากจากการเคลื่อนที่เชิงความร้อนของโมเลกุลของแก๊ส เนื่องจากการสุ่มของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน ความเร็วและแอมพลิจูดของการสั่นของโมเลกุลข้างเคียงจึงแตกต่างกัน และในบางครั้ง โมเลกุลที่อยู่ใกล้เคียงจะแยกออกจากกันมากจนโมเลกุลแต่ละตัวกระโดดข้ามระยะห่างของลำดับ d ไปติดอยู่ที่ตำแหน่งใหม่ ตำแหน่งสมดุลและเริ่มสั่นรอบตัวพวกเขา เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น พลังงานเฉลี่ยของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนจะเพิ่มขึ้น และด้วยแอมพลิจูดของการสั่นและความถี่ของการกระโดดของโมเลกุลจากตำแหน่งสมดุลหนึ่งไปยังตำแหน่งที่อยู่ใกล้เคียง
หากต้องการดูตัวอย่าง ให้คลิกภาพเคลื่อนไหวต่อไปนี้ ซึ่งแสดงโครงสร้างโมเลกุลของผลึกน้ำแข็ง แม้ว่าโมเลกุลในของเหลวสามารถเคลื่อนที่และชนกันได้ แต่พวกมันยังคงอยู่ใกล้กันเหมือนของแข็ง โดยปกติในของเหลว แรงระหว่างโมเลกุลจะจับโมเลกุลไว้ด้วยกัน ซึ่งจะแตกออกจากกัน เมื่ออุณหภูมิของของเหลวเพิ่มขึ้น จำนวนการเคลื่อนที่ของแต่ละโมเลกุลจะเพิ่มขึ้น เป็นผลให้ของเหลวสามารถ "หมุนเวียน" เพื่อให้ได้รูปร่างของภาชนะ แต่ไม่สามารถบีบอัดได้ง่ายเนื่องจากโมเลกุลอยู่ใกล้กันมากแล้ว
ธรรมชาติของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลขึ้นอยู่กับธรรมชาติของปฏิกิริยาของโมเลกุลและการเปลี่ยนแปลงเมื่อสารผ่านไป
การเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วเป็นกระบวนการที่รวดเร็วในการเปลี่ยนธรรมชาติของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลพอลิเมอร์ในสถานะอสัณฐาน ซึ่งเกิดขึ้นในช่วงอุณหภูมิที่แคบ ขึ้นอยู่กับอัตราการเปลี่ยนรูปที่สังเกตพบ เกิดขึ้นโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงในปริมาตรของพอลิเมอร์และไม่มีผลกระทบจากความร้อน แต่ด้วยการเปลี่ยนแปลงในสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนและความร้อนจำเพาะ
ดังนั้น ของเหลวคือ แบบไม่มีกำหนดแต่ได้จำนวนหนึ่ง ในตัวอย่างแอนิเมชั่นต่อไปนี้ เราจะเห็นว่าน้ำที่เป็นของเหลวประกอบด้วยโมเลกุลที่สามารถหมุนเวียนได้อย่างอิสระ แต่ยังคงอยู่ใกล้กัน ดังนั้นโมเลกุลของก๊าซจึงมีปฏิสัมพันธ์เพียงเล็กน้อยและบางครั้งก็ชนกัน ในสถานะก๊าซ โมเลกุลจะเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วและหมุนเวียนอย่างอิสระในทุกทิศทาง โดยกระจายไปในระยะทางไกล เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น จำนวนการเคลื่อนที่ของแต่ละโมเลกุลจะเพิ่มขึ้น
ก๊าซขยายตัวจนเต็มภาชนะและมีความหนาแน่นต่ำ เนื่องจากโมเลกุลแต่ละโมเลกุลถูกแยกออกจากกันอย่างกว้างขวางและสามารถหมุนเวียนได้อย่างอิสระในสถานะก๊าซ ก๊าซจึงถูกบีบอัดได้ง่ายและมีรูปร่างที่ไม่จำกัด พลาสมาเกิดขึ้นภายใต้สภาวะที่มีพลังงานสูงมาก ซึ่งมีขนาดใหญ่มากจนโมเลกุลแยกออกจากกันและมีอะตอมอิสระเท่านั้น ที่น่าทึ่งกว่านั้นคือพลาสม่ามีพลังงานมากจนอิเล็กตรอนภายนอกแยกออกจากอะตอมแต่ละอะตอมอย่างแรง ทำให้เกิดก๊าซไอออนที่มีประจุสูงและมีพลัง
มันอยู่ในความจริงที่ว่าธรรมชาติของการเคลื่อนที่เชิงความร้อนของโมเลกุล PD นั้นใกล้เคียงกับการเคลื่อนที่แบบสั่นของอะตอมของผลึกแลตทิซและโมเลกุลของเหลวมากกว่าการเคลื่อนที่อย่างอิสระของอนุภาคในก๊าซที่หายาก
ผู้อ่าน B: ก่อนหน้านี้คุณชี้ให้เห็นว่าธรรมชาติของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลและการเปลี่ยนแปลงระหว่างการเปลี่ยนสถานะการรวมตัวเป็นอีกสถานะหนึ่ง
เนื่องจากอะตอมในพลาสมามีอยู่ในรูปของไอออนที่มีประจุ พลาสมาจึงมีพฤติกรรมแตกต่างจากก๊าซและก่อให้เกิดสถานะที่สี่ของสสาร พลาสมาสามารถรับรู้ได้ง่าย ๆ โดยมองขึ้น; สภาวะพลังงานสูงที่มีอยู่ในดวงดาว เช่น ดวงอาทิตย์ ผลักอะตอมแต่ละอะตอมไปสู่สถานะพลาสมา
ดังที่เราได้เห็น การเพิ่มขึ้นของพลังงานส่งผลให้มีการเคลื่อนที่ของโมเลกุลมากขึ้น ในทางกลับกัน พลังงานที่ลดลงส่งผลให้โมเลกุลเคลื่อนที่น้อยลง เป็นผลให้การทำนายของโมเลกุล ทฤษฎีจลนศาสตร์คือถ้าพลังงานของสสารลดลง เราจะถึงจุดที่การเคลื่อนที่ของโมเลกุลทั้งหมดหยุดลง อุณหภูมิที่การเคลื่อนที่ของโมเลกุลหยุดเรียกว่าศูนย์สัมบูรณ์และคำนวณเป็น -15 องศาเซลเซียส แม้ว่านักวิทยาศาสตร์ได้ทำให้สสารเย็นตัวลงจนใกล้ศูนย์สัมบูรณ์แล้ว แต่พวกเขาไม่เคยไปถึงอุณหภูมินั้นได้เลย
การแบ่งสเปกตรัมต่อเนื่องของแสงที่กระจัดกระจายนั้นถูกกำหนดโดยธรรมชาติของการเคลื่อนที่เชิงความร้อนของโมเลกุลในของเหลว
การกระเจิงของแสงระดับโมเลกุลให้ข้อมูลที่มีค่ามากเกี่ยวกับโครงสร้างและธรรมชาติของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลในตัวกลางที่กระเจิง การทำงานในพื้นที่นี้แผ่ออกไปในแนวหน้ากว้าง ๆ ในยุค 30; พวกเขามีส่วนร่วมอย่างมากและยังคงมีส่วนร่วมในการแก้ปัญหาสถานะของเหลวของสสาร ข้อดีของนักวิทยาศาสตร์โซเวียต L. I. Mandelstam, G. S. Landsberg, L. D. Landau, E. F. Gross, S. M. Rytov และนักเรียนของพวกเขายอดเยี่ยมมาก
ความยากลำบากในการสังเกตสสารที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์คือการที่แสงจะ "เห็น" สสาร และแสงจะถ่ายเทพลังงานไปยังสสาร ซึ่งทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้น แม้จะมีความท้าทายเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์เพิ่งสังเกตเห็นสถานะที่ห้าของสสารซึ่งมีอยู่ที่อุณหภูมิใกล้เคียงกับศูนย์สัมบูรณ์เท่านั้น
ในสภาวะที่แปลกประหลาดนี้ อะตอมทั้งหมดของคอนเดนเสทจะมีสถานะทางกล-ควอนตัมเท่ากัน และสามารถไหลได้โดยไม่มีแรงเสียดทานซึ่งกันและกัน มีการอธิบายหรือสังเกตสภาวะอื่นๆ ที่พบได้น้อยกว่าอื่นๆ อีกหลายสถานะ สถานะเหล่านี้บางส่วนรวมถึงผลึกเหลว เฟอร์มิโอนิกคอนเดนเสท ซูเปอร์ฟลูอิด ซูเปอร์โซลิด และสารแปลก ๆ ที่มีชื่อเหมาะสม
ทฤษฎีสถานะของเหลวในระดับปัจจุบัน เนื่องจากความซับซ้อนของโครงสร้างและธรรมชาติของการเคลื่อนที่เชิงความร้อนของโมเลกุล ไม่สามารถใช้อธิบายคุณสมบัติของของเหลวจริงในช่วงอุณหภูมิและความดันที่ค่อนข้างกว้างได้ สถานการณ์กรณีที่ดีที่สุด ทฤษฎีทางสถิติอนุญาตให้สร้างเฉพาะการพึ่งพาเชิงคุณภาพของคุณสมบัติสมดุลของของเหลวในพารามิเตอร์สถานะและฟังก์ชันการกระจายในแนวรัศมี
สิ่งนี้เกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำมากใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์ มันถูกสร้างขึ้นครั้งแรกที่มหาวิทยาลัยโคโลราโด นักวิทยาศาสตร์หลายคนคิดว่ามันผิด ธรรมชาติของคอนเดนเสทบอกเป็นนัยว่าอนุภาคทั้งหมดที่ประกอบขึ้นเป็นสถานะควอนตัมเดียวกัน ซึ่งเป็นไปได้ก็ต่อเมื่ออนุภาคดังกล่าวเป็นโบซอน ตอนนี้หลักการยกเว้นของ Pauli ป้องกันไม่ให้ Fermions คู่เดียวกันใช้สถานะควอนตัมเดียวกันในเวลาเดียวกัน ดังนั้นจึงไม่ควรมีคอนเดนเสทเฟอร์มิโอนิก
ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในความจุความร้อนของร่างกายในระหว่างการหลอมเหลวถือได้ว่าเป็นหลักฐานว่าธรรมชาติของการเคลื่อนที่เชิงความร้อนของโมเลกุลในของเหลวนั้นเหมือนกับในของแข็ง กล่าวคือ โมเลกุลจะแกว่งไปมารอบตำแหน่งสมดุล
ความแตกต่างเชิงคุณภาพเหล่านี้ระหว่างสถานะของเหลวและของแข็งของสารเกิดจากความแตกต่างในโครงสร้างโมเลกุลของพวกมันและในธรรมชาติของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุล เมื่อถูกความร้อน วัตถุที่เป็นของแข็งภายใต้สภาวะบางอย่างจะผ่านเข้าสู่สถานะของเหลว ซึ่งจะละลาย ของเหลวจะแข็งตัวเมื่ออุณหภูมิลดลง
ฌองบรรลุการควบแน่นของอะตอมเฟอร์มิโอนิกคู่หนึ่ง ผลรวมของการหมุนของอะตอมคู่หนึ่งที่มีสปินเท่ากันจะเป็นจำนวนเต็มเสมอ ถ้าอะตอมของเฟอร์มิโอนิกที่เหมือนกันก่อตัวเป็นโมเลกุล มันจะมีการหมุนเป็นจำนวนเต็ม ดังนั้นโมเลกุลนี้เป็นโบซอนที่สามารถควบแน่นได้
แม้ว่าจะเป็นความจริงที่คูเปอร์คูเปอร์สามารถหลอมรวมกับโบซอนได้ แต่ก็ไม่ได้หมายความว่าการก่อตัวของคูเปอร์คูเปอร์จะบ่งบอกถึงการมีอยู่ของคอนเดนเสทโดยอัตโนมัติ เพื่อให้ได้คอนเดนเสทของคูเปอร์คูเปอร์ จำเป็นต้องจัดกลุ่มทั้งหมดให้อยู่ในสถานะควอนตัมเดียวกัน
ดังที่ Samoilov ชี้ให้เห็น สำหรับการพิจารณาอย่างครอบคลุมเกี่ยวกับปัญหาการละลายของไอออนในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ เราไม่สามารถจำกัดแค่การกำหนดจำนวนการละลายและพลังงานการละลายได้ แต่ยังจำเป็นต้องตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเมื่อไอออนถูกนำเข้ามาใช้ด้วย ไม่ใช่ เฉพาะในโครงสร้างของตัวทำละลาย แต่ในธรรมชาติของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลตัวทำละลาย . การเปลี่ยนแปลงทั้งหมดข้างต้นในตัวทำละลายส่วนใหญ่เกิดจากสาเหตุเดียวกัน นั่นคือ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างนักบวชกับโมเลกุลของตัวทำละลาย
คอนเดนเสทของเฟอร์มิโอนิกมีลักษณะเหมือนคลื่นและไม่เหมือนอนุภาค เนื่องจากคอนเดนเสทจะคงตัวเป็นเวลาเพียงเล็กน้อย โมเลกุลของก๊าซเฟอร์เมียนเป็นเฟอร์มิออน ไม่ใช่โบซอน เนื่องจากถึงแม้เฟอร์มิออนจะรวมกันเท่านั้น แต่พวกมันจะหมุนเป็นจำนวนเต็มและทำให้เสถียร ณ จุดนั้น
หลักการกีดกันของ Pauli ระบุว่า fermion สองตัวไม่สามารถครอบครองสถานะควอนตัมเดียวกันได้ในเวลาเดียวกัน สิ่งนี้เปลี่ยนไปตามกาลเวลาเมื่ออิเล็กตรอนทำให้คลื่นเสถียรและทำให้คลื่นมีรูปร่างคงที่ Jin, Markus Greiner และ Cindy Regal ก้าวไปอีกขั้นหนึ่ง และต้องขอบคุณการเยือกแข็งของอนุภาค จึงพบสถานะใหม่ของสสาร ก๊าซเฟอร์มิโอนิกที่หก ตามที่นักฟิสิกส์เหล่านี้กล่าว น้ำแข็งควอนตัมประกอบด้วยโบซอน ซึ่งเป็นกลุ่มของอนุภาคที่มีลักษณะอยู่เป็นกลุ่มเดียวกัน และกฎทางสถิติของพวกมันมีแนวโน้มที่จะสนับสนุนประชากรหลายกลุ่มที่มีสถานะควอนตัมเดียวกัน
ในของเหลว โมเลกุลจะอยู่ห่างจากกันและกันเพียงเล็กน้อย และมีแรงกระทำระหว่างโมเลกุลที่สำคัญระหว่างกัน ธรรมชาติของการเคลื่อนที่เชิงความร้อนของโมเลกุลในของเหลวนั้นแตกต่างอย่างมากจากการเคลื่อนที่ของโมเลกุลในก๊าซ โมเลกุลของเหลวแกว่งไปมาในตำแหน่งสมดุลบางอย่าง
อย่างไรก็ตาม ก๊าซเฟอร์เมียนประกอบด้วยเฟอร์มิออนทั้งหมด พวกมันไม่เหมือนกับโบซอนซึ่งไม่สามารถเข้าสังคมได้และตามคำจำกัดความแล้วไม่มีใครสามารถอยู่ในสถานะการเคลื่อนไหวแบบเดียวกันได้ เฟอร์มิออนที่เหมือนกันคู่หนึ่งไม่สามารถครอบครองสถานะควอนตัมเดียวกันได้ ที่ อุณหภูมิสูงพฤติกรรมของอนุภาคมูลฐานเหล่านี้แทบจะมองไม่เห็น อย่างไรก็ตาม เมื่อมันเย็นลง พวกเขามักจะแสวงหาสถานะพลังงานที่ต่ำกว่า และ ณ จุดนี้ ธรรมชาติที่เป็นปฏิปักษ์ของโบซอนและเฟอร์มิออนจะรุนแรงขึ้น
แต่ fermions ultrafrozen ทำงานอย่างไร? ในการไขปริศนา นักฟิสิกส์โบลเดอร์ใช้เลเซอร์จับกลุ่มเมฆขนาดเล็กที่มีโพแทสเซียม 1,000 อะตอม ด้วยการจำกัดการเคลื่อนไหวตามธรรมชาติ พวกมันทำให้อะตอมเย็นลงเหลือหนึ่งในล้านเหนือศูนย์สัมบูรณ์ เนื่องจากลักษณะที่ลี้ลับของมัน fermions ของอะตอมเหล่านี้ควรขับไล่ซึ่งกันและกัน แต่นี่ไม่ใช่กรณี โดยการใช้สนามแม่เหล็กกับอะตอมที่เย็นยิ่งยวด พวกเขาพบกันเป็นคู่สั้นๆ และสร้างคอนเดนเสทที่โดดเด่น ตามที่ผู้ปกครองของรัฐใหม่การค้นพบนี้อาจนำไปสู่การใช้งานจริงที่หลากหลาย
การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนคือการเคลื่อนที่ของโมเลกุล อะตอม และไอออนในก๊าซ ของแข็ง และของเหลวอย่างไม่เป็นระเบียบ ธรรมชาติของการเคลื่อนที่เชิงความร้อนของโมเลกุล อะตอม และไอออนขึ้นอยู่กับสถานะรวมของสารและถูกกำหนดโดยแรงของปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุล
อุปกรณ์และอุปกรณ์เสริม: ตัวนำลวดที่ทำจากโลหะที่ตรวจสอบแล้ว อุปกรณ์วัด เครื่องมือวัดทางไฟฟ้า
ตัวอย่างเช่น ก๊าซเฟอร์มิโอนิกนำเสนองานวิจัยแนวใหม่เกี่ยวกับความเป็นตัวนำยิ่งยวด ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่กระแสไฟฟ้าไหลโดยไม่มีความต้านทาน อาจมีหลายสถานะที่สามารถเรียกได้ว่าเป็นสถานะที่เจ็ดของสสาร สภาวะเหล่านี้เกิดขึ้นภายใต้สภาวะที่รุนแรงในอวกาศเท่านั้น หรือเกิดขึ้นเฉพาะระหว่างทฤษฎีการระเบิดของบิกแบงเท่านั้น
ในเรื่องสมมาตรสูง ในเรื่องสมมาตรอย่างอ่อน ในพลาสมาของกลูออนควาร์ก เหล่านี้เป็นขั้นตอนที่ใช้แยกส่วนประกอบของของผสม ไม่ว่าจะเป็นของแข็ง ของเหลว หรือ ส่วนผสมของแก๊ส. วิธีการหลักในการแยกสารผสม ได้แก่ การแยกส่วน การกรอง การหมุนเหวี่ยง การละลายแบบเศษส่วน เป็นต้น นอกจากนี้ยังมีวิธีการอื่นๆ เช่น การลอยตัว การคัดกรอง การลอยตัว การระบายอากาศ การแยกด้วยแม่เหล็ก การตกผลึก การทำให้เป็นของเหลวแบบเศษส่วน การระเหยแบบเศษส่วน โครมาโตกราฟี และการสกัดด้วยตัวทำละลาย
การเคลื่อนที่ของโมเลกุลของก๊าซ ของเหลว และของแข็ง
ตามทฤษฎีจลนพลศาสตร์ระดับโมเลกุล หนึ่งในผู้ก่อตั้งคือ M.V. นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียผู้ยิ่งใหญ่ โลโมโนซอฟ สารทั้งหมดประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็ก - โมเลกุลที่เคลื่อนที่ต่อเนื่องและมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน
โมเลกุลเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดของสารที่มีของตัวเอง คุณสมบัติทางเคมี. โมเลกุล สารต่างๆมีองค์ประกอบอะตอมที่แตกต่างกัน
เมื่อรู้ว่าระบบเป็นส่วนผสม สามารถใช้วิธีการแยกสารผสมตั้งแต่หนึ่งวิธีขึ้นไปเพื่อแยกส่วนประกอบสองอย่างหรือมากกว่าของของผสมออกได้ วิธีการแยกของผสมเรียกว่าการวิเคราะห์ทันทีโดยไม่เปลี่ยนแปลงลักษณะของสาร และสำหรับส่วนผสมแต่ละชนิดก็มีหลายชนิด วิธีทางที่แตกต่างการแยกทาง ด้านล่างนี้คือวิธีทั่วไปในการแยกส่วนผสม
วิธีการที่ใช้ในการแยกของผสมระหว่างของแข็ง-ของเหลวและของเหลว-ของเหลวต่างกัน ตัวอย่าง: น้ำขุ่น น้ำและน้ำมัน ถ้าเราทิ้งถังน้ำขุ่นไว้สักพักหนึ่ง เราจะสังเกตว่าดินเหนียวจะตกลงมา นั่นคือ มันจะไปที่ด้านล่างของถัง เนื่องจากมีขนาดใหญ่กว่าเมื่อเทียบกับน้ำ จึงสามารถเอาน้ำออกจากถังได้ง่าย
ในธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของก๊าซ ของเหลว และของแข็ง มีสิ่งที่คล้ายกันมาก มีความแตกต่างที่สำคัญเช่นกัน
คุณสมบัติทั่วไปการเคลื่อนที่ของโมเลกุล:
ก) ความเร็วเฉลี่ยยิ่งมีโมเลกุลมาก อุณหภูมิของสารก็จะยิ่งสูงขึ้น
b) ความเร็วของโมเลกุลต่าง ๆ ของสารที่กำหนดจะถูกกระจายในลักษณะที่จำนวนโมเลกุลที่มีความเร็วเฉพาะนั้นมากกว่า ยิ่งความเร็วนี้เข้าใกล้ความเร็วที่น่าจะเป็นที่สุดของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของสารที่กำหนดที่ อุณหภูมิที่กำหนด
สามารถเอาน้ำออกและแยกของเหลวออกจากส่วนผสมได้ อาจกล่าวได้ว่าสิ่งของส่วนใหญ่ที่มีอยู่ในธรรมชาตินั้นเป็นส่วนผสมบางอย่าง อากาศในบรรยากาศ หิน ใบพืช และแม้กระทั่งผมเป็นตัวอย่างของสารผสม แต่ละส่วนผสมมีคุณสมบัติทางกายภาพที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ ส่วนประกอบแต่ละส่วนของส่วนผสมยังมีคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่เป็นเอกลักษณ์ นั่นคือความจริงที่ว่าส่วนผสมของส่วนประกอบไม่ได้หมายถึงการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างทางเคมีขั้นพื้นฐาน เมื่อเปลี่ยนโครงสร้างหลักของส่วนประกอบ ปฏิกิริยาเคมีมากกว่าแค่การผสม ดังนั้น สสารทั้งสามสถานะจึงเป็นของแข็ง ของเหลว และก๊าซ
ความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของก๊าซ ของเหลว และของแข็งนั้นอธิบายได้จากความแตกต่างของแรงปฏิกิริยาของโมเลกุล ซึ่งสัมพันธ์กับความแตกต่างในระยะทางเฉลี่ยระหว่างโมเลกุล
ในก๊าซ ระยะห่างเฉลี่ยระหว่างโมเลกุลจะมากกว่าขนาดของโมเลกุลเองหลายเท่า เป็นผลให้แรงปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลของแก๊สมีขนาดเล็กและโมเลกุลเคลื่อนที่ไปทั่วทั้งถังซึ่งมีแก๊สตั้งอยู่เกือบจะเป็นอิสระจากกันโดยเปลี่ยนทิศทางและขนาดของความเร็วในการชนกับโมเลกุลอื่นและกับผนัง ของเรือ เส้นทางของโมเลกุลก๊าซเป็นเส้นหักคล้ายกับวิถีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน
มีลักษณะร่างกายที่แข็งแรง เมื่อพยายามจำแนกสถานะต่าง ๆ ของสสาร มักจะกล่าวว่ามีสามสถานะ: สถานะก๊าซ สถานะของแข็งและสถานะของแข็ง ความแตกต่างระหว่างสถานะต่าง ๆ เหล่านี้เกี่ยวข้องกับการจัดเรียงของอะตอมที่ประกอบเป็นสสารและการผสมของโมเลกุลที่ประกอบกัน
เนื่องจากโมเลกุลเหล่านี้อยู่ห่างกันมาก เราจึงเข้าใจดีว่าก๊าซนั้นเบา: ก่อนอื่นการชั่งน้ำหนักแก๊สถือเป็นการชั่งน้ำหนักโมฆะระหว่างโมเลกุล และก๊าซนั้นกินพื้นที่ทั้งหมดที่มี: โมเลกุลมีจำนวนมากจนไม่ไวต่อแรงโน้มถ่วง .
เส้นทางอิสระเฉลี่ยของโมเลกุลแก๊ส เช่น ความยาวเส้นทางเฉลี่ยของโมเลกุลระหว่างการชนกันสองครั้งขึ้นอยู่กับความดันและอุณหภูมิของก๊าซ ที่ อุณหภูมิปกติและความดันเส้นทางว่างประมาณ 10 -5 ซม. โมเลกุลของแก๊สชนกันหรือกับผนังของเรือประมาณ 1,010 ครั้งต่อวินาทีทำให้ทิศทางการเคลื่อนที่ของพวกมันเปลี่ยนไป สิ่งนี้อธิบายความจริงที่ว่าอัตราการแพร่ของก๊าซมีน้อยเมื่อเทียบกับอัตราการเคลื่อนที่เชิงแปลของโมเลกุลก๊าซ ซึ่งภายใต้สภาวะปกติจะมากกว่าความเร็วของเสียงในก๊าซที่กำหนดประมาณ 1.5 เท่า และมีค่าเท่ากับ 500 เมตร/วินาที .
ในของเหลว ระยะห่างระหว่างโมเลกุลจะน้อยกว่าในก๊าซมาก แรงของปฏิสัมพันธ์ของแต่ละโมเลกุลกับเพื่อนบ้านมีขนาดใหญ่เพียงพอ อันเป็นผลมาจากการที่โมเลกุลของของเหลวสั่นรอบตำแหน่งสมดุลเฉลี่ยบางตำแหน่ง ในเวลาเดียวกัน เนื่องจากพลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลของเหลวเปรียบได้กับพลังงานอันตรกิริยาของพวกมัน โมเลกุลที่มีพลังงานจลน์แบบสุ่มเกินจะเอาชนะปฏิกิริยาของอนุภาคข้างเคียงและเปลี่ยนจุดศูนย์กลางของการสั่น อนุภาคของของเหลวที่สั่นเกือบจะในช่วงเวลาสั้นๆ (~10 -8 วินาที) จะกระโดดไปในอวกาศ
ดังนั้น ของเหลวจึงประกอบด้วยพื้นที่ขนาดเล็กมากซึ่งมีลำดับการจัดเรียงอนุภาคใกล้เคียง ซึ่งเปลี่ยนแปลงตามเวลาและพื้นที่ กล่าวคือ ไม่ทำซ้ำในปริมาตรทั้งหมดของของเหลว โครงสร้างดังกล่าวมี คำสั่งระยะสั้น .
ในของแข็ง ระยะห่างระหว่างโมเลกุลจะยิ่งเล็กลง อันเป็นผลมาจากแรงปฏิสัมพันธ์ของแต่ละโมเลกุลกับเพื่อนบ้านนั้นยิ่งใหญ่มาก โมเลกุลทำการแกว่งเพียงเล็กน้อยรอบ ๆ ตำแหน่งสมดุลคงที่ - โหนด ในร่างกายที่เป็นผลึกมีการจัดเรียงโหนดร่วมกันที่แน่นอนซึ่งเรียกว่า ตาข่ายคริสตัล ธรรมชาติของผลึกขัดแตะถูกกำหนดโดยธรรมชาติของปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลของสารที่กำหนด
สิ่งที่กล่าวมานี้ใช้กับของแข็งที่เป็นผลึกในอุดมคติ ในผลึกของจริง มีการละเมิดลำดับต่างๆ ที่เกิดขึ้นระหว่างการตกผลึกของสาร
นอกจากคริสตัลแล้ว ยังมีของแข็งอสัณฐานในธรรมชาติ ซึ่งคล้ายกับของเหลว อะตอมจะสั่นสะเทือนรอบๆ โหนดที่อยู่แบบสุ่ม อย่างไรก็ตาม การเคลื่อนที่ของอนุภาคของวัตถุอสัณฐานจากจุดศูนย์กลางการแกว่งหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งเกิดขึ้นในช่วงเวลาที่ยาวนานจนวัตถุรูปร่างไม่เป็นรูปเป็นร่างเป็นวัตถุแข็ง
การนำความร้อน
การนำความร้อนคือการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นต่อหน้าการไล่ระดับอุณหภูมิและเกิดจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาค รูปที่ 1a แสดงลำตัวตรง
มีลักษณะเป็นถ่านหิน มีฐาน 1 และ 2 ตั้งฉากตั้งฉากกับแกน xให้อุณหภูมิร่างกายเป็นฟังก์ชันหนึ่งพิกัด ท = ท(x), โดยที่ dT/dx < 0 (температура убывает в положительном направлении оси X). จากนั้นผ่านส่วนใดๆ ของร่างกายตามปกติไปยังแกนที่เลือก ความร้อนจะถูกถ่ายเท ซึ่งอธิบายโดยกฎฟูริเยร์ (1820)
ที่ไหน ∆ Q- ปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทผ่านพื้นที่ที่มีหน้าตัด สในเวลา Δ t, ค- สัมประสิทธิ์การนำความร้อนขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสาร เครื่องหมายลบ (1) แสดงว่าการถ่ายเทความร้อนมุ่งไปที่อุณหภูมิที่ลดลง (ตรงข้ามกับการไล่ระดับอุณหภูมิ dT/dx). หากร่างกายเป็นเนื้อเดียวกันและกระบวนการคงที่ อุณหภูมิจะลดลงตามแกน Xเชิงเส้น: dT/dx=const(รูปที่ 1b).
นิพจน์ (1) ช่วยให้คุณค้นหาความหนาแน่น การไหลของความร้อน(ความร้อนไหลผ่านหน่วยพื้นที่ต่อหน่วยเวลา):
ต่อจากนี้ไปว่า
ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนเป็นตัวเลขเท่ากับปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทผ่านพื้นที่ผิวของหน่วยต่อหน่วยเวลาที่การไล่ระดับอุณหภูมิของหน่วย .
เมื่อพิจารณาค่าการนำความร้อนของก๊าซและของเหลว จำเป็นต้องแยกการถ่ายเทความร้อนประเภทอื่นอย่างระมัดระวัง - การพาความร้อน (เคลื่อนส่วนที่ร้อนกว่าของตัวกลางขึ้นและลดส่วนที่เย็นกว่า) และการถ่ายเทความร้อนโดยการแผ่รังสี (การถ่ายเทความร้อนจากรังสี)
ค่าการนำความร้อนของสารขึ้นอยู่กับสถานะของสาร ตารางที่ 1 แสดงค่าการนำความร้อนของสารบางชนิด
ตารางที่ 1
สำหรับของเหลว (หากเราไม่รวมโลหะเหลว) ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนจะน้อยกว่าค่าเฉลี่ยของของแข็ง และมากกว่าค่าของก๊าซ ค่าการนำความร้อนของก๊าซและโลหะจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ในขณะที่ของเหลวตามกฎจะลดลง
สำหรับก๊าซ ทฤษฎีจลนพลศาสตร์ของโมเลกุลทำให้สามารถระบุได้ว่าค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนเท่ากับ
เส้นทางโมเลกุลอิสระเฉลี่ยอยู่ที่ไหน
ความเร็วเฉลี่ยของการเคลื่อนที่ r - ความหนาแน่น ประวัติย่อคือความจุความร้อนจำเพาะไอโซโคริก
กลไกการนำความร้อนของก๊าซ ของเหลว และของแข็ง
ความสุ่มของการเคลื่อนที่เชิงความร้อนของโมเลกุลก๊าซ การชนกันอย่างต่อเนื่องระหว่างโมเลกุลเหล่านี้นำไปสู่การผสมของอนุภาคอย่างต่อเนื่อง และการเปลี่ยนแปลงความเร็วและพลังงานของพวกมัน ที่ แก๊ส การนำความร้อนเกิดขึ้นเมื่อมีความแตกต่างของอุณหภูมิที่เกิดจากสาเหตุภายนอกบางประการ โมเลกุลของแก๊สในตำแหน่งต่าง ๆ ของปริมาตรมีพลังงานจลน์เฉลี่ยต่างกัน ดังนั้น ในระหว่างการเคลื่อนที่เชิงความร้อนที่วุ่นวายของโมเลกุล การถ่ายโอนพลังงานโดยตรง . โมเลกุลที่ตกจากส่วนที่ร้อนของแก๊สไปเป็นส่วนที่เย็นกว่าจะปล่อยพลังงานส่วนเกินไปยังอนุภาคที่อยู่รอบข้าง ในทางกลับกัน โมเลกุลที่เคลื่อนที่อย่างช้าๆ จากส่วนที่เย็นไปยังส่วนที่ร้อนกว่า จะเพิ่มพลังงานเนื่องจากการชนกับโมเลกุลด้วยความเร็วสูง
การนำความร้อน ในของเหลว เช่นเดียวกับในก๊าซ จะเกิดขึ้นต่อหน้าการไล่ระดับอุณหภูมิ อย่างไรก็ตาม หากในก๊าซพลังงานถูกถ่ายโอนระหว่างการชนกันของอนุภาคที่ทำการเคลื่อนที่แบบแปลน พลังงานของเหลวจะถูกถ่ายโอนระหว่างการชนกันของอนุภาคที่สั่น อนุภาคที่มีพลังงานสูงกว่าจะสั่นด้วยแอมพลิจูดที่ใหญ่กว่า และเมื่อชนกับอนุภาคอื่น ให้เขย่าเหมือนที่เคยเป็น เพื่อส่งพลังงานไปยังอนุภาคเหล่านั้น กลไกการถ่ายเทพลังงานดังกล่าว เช่นเดียวกับกลไกที่ทำงานในก๊าซ ไม่รับประกันการถ่ายโอนอย่างรวดเร็ว ดังนั้นค่าการนำความร้อนของของเหลวจึงต่ำมาก แม้ว่าจะเกินค่าการนำความร้อนของก๊าซหลายครั้ง ข้อยกเว้นคือโลหะเหลวซึ่งมีค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนใกล้เคียงกับโลหะแข็ง สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าในโลหะเหลว ความร้อนไม่เพียงถูกถ่ายเทไปพร้อมกับการถ่ายโอนแรงสั่นสะเทือนจากอนุภาคหนึ่งไปยังอีกอนุภาคหนึ่งเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความช่วยเหลือของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ - อิเล็กตรอนที่มีอยู่ในโลหะ แต่ไม่มีอยู่ในโลหะอื่น ของเหลว
ถ้าใน ร่างกายที่แข็งแรง มีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างส่วนต่างๆ ของมัน เช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นในก๊าซและของเหลว ความร้อนจะถูกถ่ายเทจากส่วนที่ให้ความร้อนมากกว่าไปยังส่วนที่ให้ความร้อนน้อยกว่า
ต่างจากของเหลวและก๊าซ การพาความร้อนไม่สามารถเกิดขึ้นในวัตถุที่เป็นของแข็งได้ กล่าวคือ การเคลื่อนที่ของมวลสารด้วยความร้อน ดังนั้นการถ่ายเทความร้อนในของแข็งจะดำเนินการโดยการนำความร้อนเท่านั้น
กลไกการถ่ายเทความร้อนในของแข็งเป็นไปตามธรรมชาติของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนในตัวมัน ร่างกายที่เป็นของแข็งคือกลุ่มของอะตอมที่สั่นสะเทือน แต่ ความผันผวนเหล่านี้
เป็นอิสระจากกันการสั่นสะเทือนสามารถส่ง (ด้วยความเร็วของเสียง) จากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่ง ในกรณีนี้จะเกิดคลื่นซึ่งถ่ายเทพลังงานของการสั่นสะเทือน การแพร่กระจายของการแกว่งดังกล่าวเป็นการถ่ายเทความร้อน
ในเชิงปริมาณ การถ่ายเทความร้อนในตัวของแข็งอธิบายโดยการแสดงออก (1) ค่าของสัมประสิทธิ์การนำความร้อน c ไม่สามารถคำนวณได้ในลักษณะเดียวกับที่ทำกับก๊าซ ซึ่งเป็นระบบที่ง่ายกว่าซึ่งประกอบด้วยอนุภาคที่ไม่มีปฏิสัมพันธ์
การคำนวณค่าการนำความร้อนโดยประมาณของของแข็งสามารถทำได้โดยใช้แนวคิดควอนตัม
ทฤษฎีควอนตัมทำให้เราสามารถเปรียบเทียบอนุภาคควอซิพิเคิลบางตัวที่แพร่กระจายในของแข็งด้วยความเร็วเสียงด้วยการสั่น - โฟตอน แต่ละอนุภาคมีลักษณะเฉพาะด้วยพลังงานเท่ากับค่าคงที่ของพลังค์คูณด้วยความถี่การสั่น n พลังงานของควอนตัมของการสั่นสะเทือน - โฟนอนจึงเท่ากับ ชม.น.
หากเราใช้แนวคิดของโฟนอน เราสามารถพูดได้ว่าการเคลื่อนที่เชิงความร้อนในของแข็งเกิดจากพวกมันอย่างแม่นยำ ดังนั้นที่ศูนย์สัมบูรณ์จะไม่มีฟอนอน และเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นจำนวนก็เพิ่มขึ้น แต่ไม่ใช่เชิงเส้น แต่ตาม a กฎที่ซับซ้อนมากขึ้น (ที่อุณหภูมิต่ำลูกบาศก์อุณหภูมิตามสัดส่วน)
ตอนนี้เราสามารถพิจารณาร่างที่เป็นของแข็งเป็นภาชนะที่มีก๊าซโฟนอนน ก๊าซที่อุณหภูมิสูงมากถือได้ว่าเป็นก๊าซในอุดมคติ เช่นเดียวกับในกรณีของก๊าซธรรมดา การถ่ายเทความร้อนในก๊าซโฟนอนนั้นเกิดจากการชนกันของโฟตอนกับอะตอมขัดแตะ และข้อโต้แย้งทั้งหมดสำหรับ ก๊าซในอุดมคติเป็นจริงที่นี่ด้วย ดังนั้นค่าการนำความร้อนของของแข็งสามารถแสดงได้ด้วยสูตรเดียวกันทุกประการ
โดยที่ r คือความหนาแน่นของร่างกาย ประวัติย่อคือความจุความร้อนจำเพาะ กับคือความเร็วของเสียงในร่างกาย l คือเส้นทางอิสระเฉลี่ยของ phonons
ในโลหะนอกเหนือจากการสั่นสะเทือนของตาข่ายอนุภาคที่มีประจุอิเล็กตรอนยังมีส่วนร่วมในการถ่ายเทความร้อนซึ่งในขณะเดียวกันก็เป็นพาหะของกระแสไฟฟ้าในโลหะ ที่อุณหภูมิสูง อิเล็กทรอนิกส์ ส่วนหนึ่งของการนำความร้อนมีขนาดใหญ่กว่ามาก ตาข่าย . สิ่งนี้อธิบายถึงการนำความร้อนสูงของโลหะเมื่อเทียบกับอโลหะ ซึ่งโฟนอนเป็นเพียงตัวพาความร้อน ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของโลหะสามารถคำนวณได้จากสูตร:
โดยที่เส้นทางอิสระเฉลี่ยของอิเล็กตรอนคือความเร็วเฉลี่ยของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน
ในตัวนำยิ่งยวดซึ่งกระแสไฟฟ้าไม่พบความต้านทาน ในทางปฏิบัติแล้วไม่มีการนำความร้อนแบบอิเล็กทรอนิกส์: อิเล็กตรอนที่มีประจุโดยไม่มีความต้านทานจะไม่มีส่วนร่วมในการถ่ายเทความร้อน และการนำความร้อนในตัวนำยิ่งยวดเป็นโครงตาข่ายล้วนๆ
กฎหมาย Wiedemann-Franz
โลหะมีทั้งค่าการนำไฟฟ้าสูงและค่าการนำความร้อนสูง สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าพาหะของกระแสและความร้อนในโลหะเป็นอนุภาคเดียวกัน - อิเล็กตรอนอิสระ ซึ่งเมื่อผสมในโลหะแล้ว ไม่เพียงแต่จะมีประจุไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังรวมถึงพลังงานของการเคลื่อนที่ (ความร้อน) ที่วุ่นวายซึ่งมีอยู่ใน พวกเขา กล่าวคือ ดำเนินการถ่ายเทความร้อน
ในปี ค.ศ. 1853 Wiedemann และ Franz ได้ทดลองสร้างกฎหมายตามที่ อัตราส่วนการนำความร้อนค สู่การนำไฟฟ้าส สำหรับโลหะที่อุณหภูมิเท่ากันจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของอุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์:
ที่ไหน kและ อีเป็นค่าคงที่ (ค่าคงที่ของ Boltzmann และประจุอิเล็กตรอน)
เมื่อพิจารณาว่าอิเล็กตรอนเป็นก๊าซโมโนโทมิก สำหรับค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อน เราสามารถใช้การแสดงออกของทฤษฎีจลนศาสตร์ของก๊าซได้
ที่ไหน n×m= r คือความหนาแน่นของก๊าซ
ความร้อนจำเพาะก๊าซโมโนโทมิกเท่ากับ แทนค่านี้เป็นนิพจน์สำหรับ χ เราได้รับ
ตามทฤษฎีคลาสสิกของโลหะ ค่าการนำไฟฟ้าของพวกมัน
แล้วความสัมพันธ์
หลังจากเปลี่ยน เรามาถึงความสัมพันธ์ (5) ซึ่งแสดง กฎหมาย Wiedemann-Franz .
แทนค่า k= 1.38 10 -23 J/K และ อี= 1.60 10 -19 C เป็นสูตร (5) เราพบว่า
ถ้าใช้สูตรนี้คำนวณค่าของโลหะทั้งหมดที่ ตู่\u003d 300 K จากนั้นเราจะได้ 6.7 10 -6 J Ω / s K กฎหมาย Wiedemann-Franz สำหรับโลหะส่วนใหญ่สอดคล้องกับประสบการณ์ที่อุณหภูมิ 100–400 K แต่ที่อุณหภูมิต่ำกฎหมายจะถูกละเมิดอย่างมีนัยสำคัญ ความคลาดเคลื่อนระหว่างข้อมูลที่คำนวณและทดลองที่อุณหภูมิต่ำเหมาะอย่างยิ่งสำหรับเงิน ทองแดง และทองคำ มีโลหะ (เบริลเลียม, แมงกานีส) ที่ไม่เป็นไปตามกฎหมายของ Wiedemann-Franz เลย