Katı halde moleküllerin hareketinin doğası. Petrol ve gazın büyük ansiklopedisi
Sayfa 1
Moleküllerin sıvılardaki termal hareketinin doğası, katılardan daha karmaşıktır. Basitleştirilmiş bir modele göre, sıvı moleküllerin termal hareketleri belirli merkezler etrafındaki düzensiz salınımları temsil eder. Bazı anlarda tek tek moleküllerin titreşimlerinin kinetik enerjisi, moleküller arası bağların üstesinden gelmek için yeterli olabilir. Daha sonra bu moleküller, diğer moleküllerin ortamına atlama ve böylece salınım merkezini değiştirme fırsatı elde eder. Böylece, yerleşik yaşam süresi olarak adlandırılan bir süre için, her molekül en yakın birkaç moleküle sahip düzenli bir sistem içindedir. Bir sıçrama yapan sıvı molekül, kendisini farklı bir şekilde düzenlenmiş yeni moleküller arasında bulur. Bu nedenle, bir sıvıda moleküllerin dizilişinde yalnızca kısa menzilli düzen gözlenir.
Dünya yüzeyindeki koşullar göz önüne alındığında, su gibi sadece bazı maddeler her üç durumda da doğal olarak bulunabilir. Çoğu madde belirli bir durumda meydana gelir. Bireysel moleküller bloke edilir ve hareket edemez, yerinde kalır. Katıların atomları ve molekülleri hareket halinde olmasına rağmen, hareket titreşim enerjisi ile sınırlıdır ve tek tek moleküller yerinde sabitlenir ve yan yana titreşir. Sıcaklık arttıkça sağlam vücut Titreşim sayısı artar, ancak katı, moleküller yerinde kilitlendiğinden ve birbirleriyle etkileşime girmediğinden şeklini ve hacmini korur.
Bir sıvıdaki moleküllerin termal hareketinin doğası, gaz moleküllerinin termal hareketinden önemli ölçüde farklıdır. Termal hareketin rastgeleliği nedeniyle, komşu moleküllerin salınımlarının hızları ve genlikleri farklıdır ve zaman zaman komşu moleküller birbirinden o kadar uzaklaşır ki, tek tek moleküller d mertebesinde bir mesafeyi atlar, yeni moleküllere takılıp kalırlar. denge pozisyonları ve etraflarında salınım yapmaya başlar. Artan sıcaklıkla, termal hareketin ortalama enerjisi artar ve bununla birlikte salınımların genliği ve moleküllerin bir denge konumundan komşu olanlara atlama sıklığı.
Bunun bir örneğini görmek için, buz kristallerinin moleküler yapısını gösteren aşağıdaki animasyona tıklayın. Sıvılardaki moleküller hareket edebilmelerine ve birbirleriyle çarpışabilmelerine rağmen, katılar gibi nispeten yakın kalırlar. Tipik olarak sıvılarda, moleküller arası kuvvetler molekülleri bir arada tutar ve daha sonra parçalanır. Sıvının sıcaklığı arttıkça, tek tek moleküllerin hareket sayısı artar. Sonuç olarak, sıvılar kaplarının şeklini almak için "dolaşabilir", ancak moleküller zaten birbirine çok yakın olduğu için kolayca sıkıştırılamazlar.
Moleküllerin termal hareketinin doğası, moleküllerin etkileşiminin doğasına bağlıdır ve bir madde geçtiğinde değişir.
Cam geçiş, gözlendiği deformasyon hızına bağlı olarak dar bir sıcaklık aralığında gerçekleşen amorf haldeki polimer moleküllerinin termal hareketinin doğasını değiştirmenin hızlı bir sürecidir. Polimerin hacminde değişiklik olmadan ve termal etki olmadan, ancak termal genleşme katsayısında ve özgül ısıda bir değişiklikle oluşur.
Bu nedenle sıvılar belirsiz biçim ama belli bir miktar. Aşağıdaki animasyon örneğinde, sıvı suyun serbestçe dolaşabilen ancak yine de birbirine yakın kalan moleküllerden oluştuğunu görüyoruz. Böylece gaz molekülleri çok az etkileşir, bazen çarpışır. Gaz halindeyken, moleküller hızlı hareket eder ve herhangi bir yönde serbestçe dolaşarak uzun mesafelere yayılır. Sıcaklık arttıkça, tek tek moleküllerin hareket sayısı artar.
Gazlar kaplarını doldurmak için genişler ve düşük yoğunluğa sahiptir. Tek tek moleküller geniş ölçüde ayrıldığından ve gaz halinde serbestçe dolaşabildiğinden, gazlar kolayca sıkıştırılır ve süresiz olarak şekillendirilebilir. Plazmalar, son derece yüksek enerji koşulları altında oluşur, o kadar büyüktür ki, moleküller ayrılır ve yalnızca serbest atomlar bulunur. Daha da şaşırtıcı olan, plazmanın o kadar fazla enerjiye sahip olmasıdır ki, dış elektronlar tek tek atomlardan güçlü bir şekilde ayrılarak yüksek oranda yüklü ve enerjik bir iyon gazı oluşturur.
PD moleküllerinin termal hareketinin doğasının, kristal kafeslerin atomlarının ve sıvı moleküllerin titreşim hareketlerine, az miktarda gazlardaki parçacıkların serbest hareketinden daha yakın olduğu gerçeğinde yatmaktadır.
Okuyucu B: Daha önce, moleküllerin termal hareketinin doğasının, moleküller arası etkileşime ve bir kümelenme durumundan diğerine geçiş sırasındaki değişikliklere bağlı olduğuna işaret etmiştiniz.
Plazmalarda atomlar yüklü iyonlar halinde bulunduğundan, plazmalar gazlardan farklı davranır ve maddenin dördüncü halini oluşturur. Plazma basitçe yukarıya bakarak algılanabilir; Güneş gibi yıldızlarda bulunan yüksek enerji koşulları, tek tek atomları plazma durumuna doğru iter.
Gördüğümüz gibi, enerjideki bir artış daha fazla moleküler hareketle sonuçlanır. Tersine, azalan enerji daha az moleküler hareketle sonuçlanır. Sonuç olarak, moleküler tahmin Kinetik teori maddenin enerjisi azalırsa, tüm moleküler hareketin durduğu bir noktaya ulaşacağımızdır. Moleküler hareketin durduğu sıcaklığa mutlak sıfır denir ve -15 santigrat derece olarak hesaplanır. Bilim adamları maddeyi mutlak sıfıra yakın bir dereceye kadar soğutmalarına rağmen, o sıcaklığa asla ulaşamadılar.
Saçılan ışığın sürekli spektrumunun böyle bir bölünmesi, sıvılardaki moleküllerin termal hareketinin doğası tarafından belirlenir.
Işığın moleküler saçılımı, saçılma ortamında moleküllerin termal hareketinin yapısı ve doğası hakkında çok değerli bilgiler sağlar. 30'lu yıllarda geniş bir cephede ortaya çıkan bu alandaki çalışmalar; maddenin sıvı hali sorununun çözümüne büyük ölçüde katkıda bulundular ve katkıda bulunmaya devam ediyorlar. Burada Sovyet bilim adamları L. I. Mandelstam, G. S. Landsberg, L. D. Landau, E. F. Gross, S. M. Rytov ve öğrencilerinin esası özellikle harika.
Mutlak sıfır sıcaklığında maddeyi gözlemlemenin zorluğu, maddeyi "görmek" için ışığın alması ve ışığın maddeye enerji aktarması ve bu da sıcaklığı yükseltmesidir. Bu zorluklara rağmen, bilim adamları yakın zamanda maddenin yalnızca mutlak sıfıra çok yakın sıcaklıklarda var olan beşinci bir durumunu gözlemlediler.
Bu garip durumda, kondensatların tüm atomları aynı mekanik-kuantum durumuna ulaşır ve birbirleriyle herhangi bir sürtünme olmaksızın akabilirler. Daha az yaygın olan birkaç başka madde durumu da tanımlanmış veya gözlemlenmiştir. Bu durumlardan bazıları sıvı kristalleri, fermiyonik kondensatları, süperakışkanları, süper katıları ve uygun şekilde adlandırılan garip maddeyi içerir.
Moleküllerin termal hareketinin yapısı ve doğasının karmaşıklığı nedeniyle, mevcut seviyesindeki sıvı hal teorisi, oldukça geniş bir sıcaklık ve basınç aralığında gerçek sıvıların özelliklerini tanımlamak için kullanılamaz. En iyi durum senaryosu istatistiksel teori sıvıların denge özelliklerinin durum parametrelerine ve radyal dağılım fonksiyonuna yalnızca niteliksel bir bağımlılığının kurulmasına izin verir.
Bu, mutlak sıfıra yakın çok düşük sıcaklıklarda meydana gelir. İlk olarak Colorado Üniversitesi'nde oluşturuldu. Birçok bilim adamı bunu yanlış buluyor. Yoğuşmanın doğası, onu oluşturan tüm parçacıkların aynı kuantum durumunda olduğunu ima eder, bu ancak söz konusu parçacıklar bozon ise mümkündür. Şimdi Pauli dışlama ilkesi, aynı Fermiyon çiftinin aynı kuantum durumunu aynı anda kullanmasını engeller. Bu nedenle, fermiyonik kondensat mevcut olmamalıdır.
Bu nedenle, erime sırasında bir cismin ısı kapasitesindeki küçük bir değişiklik, sıvılardaki moleküllerin termal hareketinin doğasının katılardakiyle aynı olduğunun, yani moleküllerin denge konumu etrafında salındığının kanıtı olarak kabul edilebilir.
Bir maddenin sıvı ve katı halleri arasındaki bu niteliksel farklılıklar, moleküler yapılarındaki ve moleküllerin termal hareketinin doğasındaki farklılıktan kaynaklanır. Isıtıldığında, belirli koşullar altında katı bir cisim sıvı hale geçer - erir. Sıcaklık düştüğünde sıvı katılaşır.
Jean, fermiyonik atom çiftlerinin yoğunlaşmasını başardı. Aynı spinli bir çift atomun spinlerinin toplamı her zaman tam sayı olacaktır. Bir çift özdeş fermiyonik atom bir molekül oluşturursa, bir tamsayı dönüşüne sahip olacaktır. Dolayısıyla bu molekül yoğunlaşabilen bir bozondur.
Bir Cooper çiftinin bir bozona asimile edilebileceği doğru olsa da, bu, Cooper çiftlerinin oluşumunun otomatik olarak bir kondensat varlığını ima ettiği anlamına gelmez. Cooper çiftlerinin yoğuşmasını elde etmek için hepsinin aynı kuantum durumunda gruplandırılması gerekir.
Samoilov'un işaret ettiği gibi, elektrolit çözeltilerinde iyonların çözünmesi konusunun kapsamlı bir değerlendirmesi için, çözünme sayılarının ve çözünme enerjisinin belirlenmesi ile sınırlandırılamaz, ancak iyonlar dahil edildiğinde meydana gelen değişiklikleri araştırmak gerekir. sadece çözücünün yapısında, ancak çözücü moleküllerinin termal hareketinin doğasında. Çözücüdeki yukarıdaki tüm değişiklikler esas olarak bir ve aynı nedenden kaynaklanmaktadır - çözücünün rahipleri ve molekülleri arasındaki etkileşim.
Fermiyonik kondensat, çok kısa bir süre sabit kaldığı için parçacık gibi değil dalga gibi davranır. Fermiyon gaz molekülleri bozon değil, fermiyonlardır, çünkü sadece fermiyonlar bir araya gelse de, dönüşü bir tamsayıya tamamlayacak ve bu noktada kararlı hale gelecektir.
Pauli dışlama ilkesi, iki fermiyonun aynı anda aynı kuantum durumunu işgal edemeyeceğini belirtir. Elektronlar dalgayı stabilize ettikçe bu durum zamanla değişti ve ona sabit bir şekil verdi. Jin, Markus Greiner ve Cindy Regal bunu bir adım daha ileri götürdüler ve parçacıkların aşırı dondurulması sayesinde maddenin yeni bir halini, altıncı, fermiyonik gazı buldular. Bu fizikçilere göre, kuantum buz, doğada toplu halde bulunan bir parçacık sınıfı olan bozonlardan oluşur ve bunların istatistiksel yasaları aynı kuantum durumundaki çoklu popülasyonları destekleme eğilimindedir.
Bir sıvıda, moleküller birbirinden küçük mesafelerde bulunur ve aralarında önemli moleküller arası etkileşim kuvvetleri vardır. Bir sıvıdaki moleküllerin termal hareketinin doğası, bir gazdaki moleküllerin hareketinden önemli ölçüde farklıdır. Sıvı moleküller belirli denge konumları etrafında salınır.
Bununla birlikte, bir fermiyon gazı tamamen fermiyonlardan oluşur. Bozonlardan farklı olarak, sosyal değildirler ve tanım gereği, hiçbiri aynı hareket durumunu işgal edemez. Bir çift özdeş fermiyon aynı kuantum durumunu işgal edemez. saat yüksek sıcaklıklar bu temel parçacıkların davranışı neredeyse algılanamaz. Bununla birlikte, soğuduklarında, daha düşük enerji durumları aramaya meyillidirler ve bu noktada bozonların ve fermiyonların antagonistik doğası yoğunlaşır.
Fakat ultrafrozen fermiyonlar nasıl davranır? Bulmacayı çözmek için Boulder fizikçileri, 1000 potasyum atomundan oluşan küçük bir bulutu yakalamak için lazerler kullandılar. Doğal hareketlerini sınırlayarak atomları mutlak sıfırın milyonda birine kadar soğutdular. Gizemli yapıları nedeniyle, bu atomların fermiyonları birbirini itmelidir, ancak durum böyle değildi. Aşırı soğutulmuş atomlara bir manyetik alan uygulayarak, kısaca çiftler halinde bir araya geldiler ve dikkate değer bir kondensat oluşturdular. Yeni devletin ebeveynlerine göre, bu bulgu çok çeşitli pratik uygulamalara yol açabilir.
Termal hareket, gazlarda, katılarda ve sıvılarda moleküllerin, atomların ve iyonların kaotik hareketidir. Moleküllerin, atomların ve iyonların termal hareketinin doğası, maddenin toplu durumuna bağlıdır ve moleküller arası etkileşim kuvvetleri tarafından belirlenir.
Cihazlar ve aksesuarlar: İncelenen metalden yapılmış tel iletken, ölçüm cihazı, elektrik ölçüm cihazları.
Örneğin, fermiyonik gaz, elektriğin dirençsiz aktığı fenomen olan süperiletkenlik konusunda yeni bir araştırma hattı sunuyor. Maddenin yedinci hali olarak adlandırılabilecek birkaç durum olabilir. Bu durumlar, yalnızca uzayda aşırı koşullar altında meydana gelir veya yalnızca Büyük Patlama teorisi patlamalar sırasında meydana gelir.
Oldukça simetrik bir maddede. Zayıf simetrik maddede. Gluon kuarkların plazmasında. Bunlar, katı, sıvı veya bir karışımın bileşenlerini ayırmaya yarayan prosedürlerdir. gaz karışımı. Karışımları ayırmanın ana yöntemleri, dekantasyon, filtrasyon, santrifüjleme, fraksiyonel çözünme vb. yüzdürme, eleme, kaldırma, havalandırma, manyetik ayırma, kristalleştirme, fraksiyonel sıvılaştırma, fraksiyonel buharlaştırma, kromatografi ve solvent ekstraksiyonu gibi başka yöntemler de vardır.
Gazların, sıvıların ve katıların moleküllerinin hareketi
Moleküler kinetik teoriye göre, kurucularından biri büyük Rus bilim adamı M.V. Lomonosov, Tüm maddeler, sürekli hareket halinde olan ve birbirleriyle etkileşime giren küçük parçacıklardan oluşur.
Molekül, bir maddenin kendine ait en küçük parçacığıdır. kimyasal özellikler. moleküller çeşitli maddeler farklı atomik bileşime sahiptir.
Sistemin bir karışım olduğunu bilerek, karışımın iki veya daha fazla bileşenini izole etmek için bir veya daha fazla karışım ayırma yöntemi kullanılabilir. Bir karışımı ayırma yöntemlerine, maddelerin doğasını değiştirmeden anında analiz denir. Ve her bir karışım türü için birkaç tane vardır. Farklı yollar ayrılma. Aşağıda bir karışımı ayırmanın en yaygın yolları verilmiştir.
Heterojen katı-sıvı ve sıvı-sıvı karışımlarını ayırmak için kullanılan bir yöntem. Örnekler: bulanık su, su ve yağ. Bulanık su kovasını bir süre kendi haline bırakırsak kilin çökeceğini yani kovanın dibine gideceğini fark edeceğiz, bunun nedeni suya göre daha büyük olmasıdır. Böylece su kovadan kolayca çıkarılabilir.
Gazların, sıvıların ve katıların moleküllerinin hareketinin doğasında çok ortak nokta vardır, ayrıca önemli farklılıklar da vardır.
Ortak özellikler moleküler hareket:
a) ortalama sürat ne kadar fazla molekül olursa, maddenin sıcaklığı o kadar yüksek olur;
b) belirli bir maddenin çeşitli moleküllerinin hızları, belirli bir hıza sahip moleküllerin sayısı o kadar büyük olacak şekilde dağılır, bu hız belirli bir maddenin moleküllerinin en olası hareket hızına ne kadar yakınsa belirli bir sıcaklık.
Su çıkarılabilir ve sıvılar karışımdan ayrılabilir. Doğada bulunan şeylerin çoğunun bir çeşit karışım olduğu söylenebilir. Atmosferik hava, kayalar, bitki yaprakları ve hatta saç karışımlara örnektir, her karışımın farklı fiziksel özellikleri vardır. Ek olarak, karışımın her bir bileşeni benzersiz fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptir. Yani bileşenlerin karışımının temel kimyasal yapılarında bir değişiklik anlamına gelmemesi. Bir bileşenin ana yapısını değiştirirken, Kimyasal reaksiyon sadece karıştırmak yerine. Böylece maddenin üç hali katı, sıvı ve gazdır.
Gazların, sıvıların ve katıların moleküllerinin hareketinin doğasındaki önemli bir fark, molekülleri arasındaki ortalama mesafelerdeki farkla bağlantılı olarak moleküllerinin kuvvet etkileşimindeki farkla açıklanır.
Gazlarda, moleküller arasındaki ortalama mesafeler, moleküllerin kendi boyutlarından birçok kez daha büyüktür. Sonuç olarak, gaz molekülleri arasındaki etkileşim kuvvetleri küçüktür ve moleküller, gazın bulunduğu tüm kap boyunca, neredeyse birbirinden bağımsız olarak hareket eder, diğer moleküllerle ve duvarlarla çarpışmalarda hızın yönünü ve büyüklüğünü değiştirir. geminin. Bir gaz molekülünün yolu, Brown hareketinin yörüngesine benzer kesikli bir çizgidir.
Sağlam bir vücut gibi davranır. Maddenin çeşitli hallerini sınıflandırmaya çalışırken, genellikle üç hal olduğu söylenir: gaz hali, katı hal ve katı hal. Bu farklı durumlar arasındaki fark, maddeyi oluşturan atomların düzenlenişi ve onu oluşturan moleküllerin karışımı ile ilgilidir.
Bu moleküller birbirinden çok uzakta olduğu için gazların hafif olduğunu anlıyoruz: Bir gazı tartmak her şeyden önce moleküller arasındaki boşluğu tartmaktır ve gazlar sahip oldukları tüm alanı kaplar: moleküller o kadar çoktur ki yerçekimine duyarlı değildirler. .
Gaz moleküllerinin ortalama serbest yolu, yani. iki ardışık çarpışma arasındaki moleküllerin ortalama yol uzunluğu gazın basıncına ve sıcaklığına bağlıdır. saat normal sıcaklık ve basınç, serbest yol yaklaşık 10 -5 cm'dir Gaz molekülleri birbirleriyle veya kabın duvarlarıyla saniyede yaklaşık 1010 kez çarpışır ve hareketlerinin yönünü değiştirir. Bu, gazların difüzyon hızının, normal koşullar altında belirli bir gazdaki ses hızından yaklaşık 1,5 kat daha fazla olan ve 500 m/s'ye eşit olan gaz moleküllerinin translasyon hareketi hızına kıyasla küçük olduğu gerçeğini açıklar. .
Sıvılarda, moleküller arasındaki mesafeler gazlardan çok daha küçüktür. Her molekülün komşularıyla etkileşim kuvvetleri yeterince büyüktür, bunun sonucunda sıvı molekülleri bazı ortalama denge konumları etrafında salınır. Aynı zamanda, sıvı moleküllerin ortalama kinetik enerjisi, etkileşim enerjileriyle karşılaştırılabilir olduğundan, rastgele fazla kinetik enerjiye sahip moleküller, komşu parçacıkların etkileşiminin üstesinden gelir ve salınım merkezini değiştirir. Çok kısa zaman aralıklarında (~10 -8 s) bir sıvının pratik olarak salınan parçacıkları uzayda zıplar.
Bu nedenle, bir sıvı, zaman ve uzay ile değişen, yakındaki parçacıkların düzeninde bir düzenin olduğu birçok mikroskobik bölgeden oluşur, yani. sıvının tüm hacminde tekrarlanmaz. Böyle bir yapıya sahip olduğu söylenir. kısa menzilli sipariş .
Katılarda, moleküller arasındaki mesafeler daha da küçüktür, bunun sonucunda her molekülün komşularıyla etkileşim kuvvetleri o kadar büyüktür ki, molekül belirli bir sabit denge konumu - bir düğüm - etrafında sadece küçük salınımlar gerçekleştirir. Kristal bir gövdede, belirli bir kesin karşılıklı düğüm düzeni ayırt edilir, buna denir. kristal kafes. Kristal kafesin doğası, belirli bir maddenin moleküller arası etkileşimlerinin doğası tarafından belirlenir.
Yukarıdakiler ideal bir kristal katı için geçerlidir. Gerçek kristallerde, bir maddenin kristalleşmesi sırasında meydana gelen çeşitli düzen ihlalleri vardır.
Kristallerin yanı sıra, doğada sıvılara benzer şekilde atomların rastgele yerleştirilmiş düğümler etrafında titreştiği amorf katılar da vardır. Bununla birlikte, amorf bir cismin parçacıklarının bir salınım merkezinden diğerine hareketi o kadar uzun zaman aralıklarında gerçekleşir ki, pratik olarak amorf cisimler katı cisimlerdir.
Termal iletkenlik
Termal iletkenlik, bir sıcaklık gradyanı varlığında meydana gelen ve parçacıkların termal hareketinden kaynaklanan ısı transferidir. Şekil 1a düz bir gövdeyi göstermektedir
eksene dik yerleştirilmiş taban 1 ve 2 ile kömür şeklinde x. Vücut sıcaklığının bir koordinatın fonksiyonu olmasına izin verin T = T(x), burada dT/dx < 0 (температура убывает в положительном направлении оси X). Daha sonra, vücudun seçilen eksene dik olan herhangi bir bölümü boyunca, Fourier yasası (1820) tarafından tanımlanan ısı aktarılır.
nerede ∆ Q- enine kesitli alandan aktarılan ısı miktarı S zamanında Δ t, c- maddenin özelliklerine bağlı olarak ısıl iletkenlik katsayısı. (1)'deki eksi işareti, ısı transferinin sıcaklık düşüşüne doğru (sıcaklık gradyanının tersi) yönlendirildiğini gösterir. dT/dx). Cisim homojense ve süreç sabitse, eksen boyunca sıcaklık düşer. X doğrusal: dT/dx=sabit(Şekil 1b).
İfade (1) yoğunluğu bulmanızı sağlar ısı akışı(birim zamanda birim alandan ısı akışı):
Sonuncusundan şu sonucu çıkar:
Termal iletkenlik katsayısı, birim sıcaklık gradyanında birim zamanda birim yüzey alanından aktarılan ısı miktarına sayısal olarak eşittir. .
Gazların ve sıvıların ısıl iletkenliğini belirlerken, diğer ısı transferi türlerini - konveksiyon (ortamın daha sıcak kısımlarını yukarı doğru hareket ettirmek ve daha soğuk olanları düşürmek) ve radyasyonla ısı transferini (radyan ısı transferi) dikkatlice hariç tutmak gerekir.
Bir maddenin termal iletkenliği, durumuna bağlıdır. Tablo I, bazı maddelerin ısıl iletkenlik değerlerini göstermektedir.
Tablo I
Sıvılar için (sıvı metalleri hariç tutarsak), termal iletkenlik katsayısı ortalama olarak katılardan daha düşük ve gazlardan daha büyüktür. Gazların ve metallerin termal iletkenliği artan sıcaklıkla artarken, sıvılar kural olarak azalır.
Gazlar için moleküler kinetik teori, termal iletkenlik katsayısının şuna eşit olduğunu belirlemeyi mümkün kılar.
moleküllerin ortalama serbest yolu nerede,
Hareketlerinin ortalama hızı, r - yoğunluk, Özgeçmiş izokorik özgül ısı kapasitesidir.
Gazların, sıvıların ve katıların termal iletkenlik mekanizması
Gaz moleküllerinin termal hareketinin rastgeleliği, aralarındaki sürekli çarpışmalar, parçacıkların sürekli karışmasına ve hızlarında ve enerjilerinde bir değişikliğe yol açar. AT gaz ısıl iletkenlik, bazı dış nedenlerden kaynaklanan bir sıcaklık farkı olduğunda gerçekleşir. Gaz moleküllerinin hacminin farklı yerlerinde farklı ortalama kinetik enerjileri vardır. Bu nedenle, moleküllerin kaotik termal hareketi sırasında, yönlendirilmiş enerji transferi . Gazın ısınan kısımlarından daha soğuk kısımlara düşen moleküller, enerjilerinin fazlasını çevredeki parçacıklara verirler. Aksine, yavaş hareket eden moleküller, soğuk kısımlardan daha sıcak kısımlara geçerek, moleküllerle yüksek hızda çarpışmalar nedeniyle enerjilerini arttırırlar.
Termal iletkenlik sıvılarda gazlarda olduğu gibi, bir sıcaklık gradyanı varlığında meydana gelir. Bununla birlikte, gazlarda öteleme hareketi yapan parçacıkların çarpışması sırasında enerji aktarılıyorsa, sıvılarda salınan parçacıkların çarpışması sırasında enerji aktarılır. Daha yüksek enerjili parçacıklar, daha büyük bir genlikle salınır ve diğer parçacıklarla çarpışırken, onları olduğu gibi sallar, onlara enerji aktarır. Böyle bir enerji aktarım mekanizması, tıpkı gazlarda çalışan mekanizma gibi, hızlı aktarımını sağlamaz ve bu nedenle, gazların ısıl iletkenliğini birkaç kez aşmasına rağmen, sıvıların ısıl iletkenliği çok düşüktür. Bunun istisnası, termal iletkenlik katsayıları katı metallerinkine yakın olan sıvı metallerdir. Bu, sıvı metallerde, ısının yalnızca titreşimlerin bir parçacıktan diğerine aktarılmasıyla birlikte değil, aynı zamanda elektrik yüklü hareketli parçacıkların - metallerde bulunan, ancak diğerlerinde bulunmayan elektronların yardımıyla da aktarıldığı gerçeğiyle açıklanmaktadır. sıvılar.
eğer sağlam vücut çeşitli kısımları arasında bir sıcaklık farkı vardır, o zaman gazlarda ve sıvılarda olduğu gibi, ısı daha fazla ısıtılan kısımdan daha az ısıtılan kısma aktarılır.
Sıvılardan ve gazlardan farklı olarak, katı bir cisimde konveksiyon gerçekleşemez, yani. bir madde kütlesinin ısı ile hareketi. Bu nedenle, bir katıda ısı transferi sadece ısıl iletim ile gerçekleştirilir.
Bir katıdaki ısı transfer mekanizması, içindeki termal hareketlerin doğasından kaynaklanır. Katı bir cisim, titreşen atomlar topluluğudur. Fakat bu dalgalanmalar
birbirinden bağımsız. Titreşimler (ses hızında) bir atomdan diğerine iletilebilir. Bu durumda, titreşimlerin enerjisini aktaran bir dalga oluşur. Salınımların bu şekilde yayılması ısı transferidir.
Nicel olarak, katı bir cisimdeki ısı transferi (1) numaralı ifade ile tanımlanır. Isı iletkenlik katsayısı c'nin değeri, bir gaz için olduğu gibi hesaplanamaz - etkileşmeyen parçacıklardan oluşan daha basit bir sistem.
Bir katının termal iletkenliğinin yaklaşık bir hesaplaması, kuantum kavramları kullanılarak gerçekleştirilebilir.
Kuantum teorisi bir katı içinde ses hızında yayılan belirli yarı parçacıkları titreşimlerle karşılaştırmamıza izin verir - fononlar. Her parçacık, salınım frekansı n ile çarpılan Planck sabitine eşit bir enerji ile karakterize edilir. Bir kuantum titreşimin enerjisi - bu nedenle bir fonon eşittir h n.
Fonon kavramını kullanırsak, bir katıdaki termal hareketlerin tam olarak onlardan kaynaklandığını söyleyebiliriz, böylece mutlak sıfırda fonon yoktur ve artan sıcaklıkla sayıları artar, ancak doğrusal olarak değil, bir daha karmaşık yasa (düşük sıcaklıklarda, orantılı olarak sıcaklık küpü).
Artık katı bir cismi, çok yüksek sıcaklıklarda ideal gaz olarak kabul edilebilecek bir gaz olan fonon gazı içeren bir kap olarak düşünebiliriz. Sıradan bir gaz durumunda olduğu gibi, bir fonon gazındaki ısı transferi, fononların kafes atomlarıyla çarpışması ile gerçekleştirilir ve tüm argümanlar Ideal gaz burada da doğrudur. Bu nedenle, bir katının ısıl iletkenliği tam olarak aynı formülle ifade edilebilir.
r cismin yoğunluğu nerede, Özgeçmişözgül ısı kapasitesi, İle birlikte sesin vücuttaki hızı, l fononların ortalama serbest yoludur.
Metallerde, kafes titreşimlerine ek olarak, yüklü parçacıklar, elektronlar, aynı zamanda metaldeki elektrik akımının taşıyıcıları olan ısı transferine de katılırlar. yüksek sıcaklıklarda elektronik termal iletkenliğin bir kısmı çok daha büyüktür kafes . Bu, fononların tek ısı taşıyıcı olduğu metal olmayanlara kıyasla metallerin yüksek termal iletkenliğini açıklar. Metallerin termal iletkenlik katsayısı aşağıdaki formülle hesaplanabilir:
elektronların ortalama serbest yolu nerede, termal hareketlerinin ortalama hızıdır.
süper iletkenlerde elektrik akımının dirençle karşılaşmadığı durumlarda, pratik olarak elektronik termal iletkenlik yoktur: dirençsiz yük taşıyan elektronlar ısı transferine katılmazlar ve süper iletkenlerdeki termal iletkenlik tamamen kafestir.
Wiedemann-Franz yasası
Metaller hem yüksek elektriksel iletkenliğe hem de yüksek termal iletkenliğe sahiptir. Bu, metallerdeki akım ve ısı taşıyıcılarının aynı parçacıklar olduğu gerçeğiyle açıklanır - metalle karıştırıldığında sadece bir elektrik yükü değil, aynı zamanda kaotik (termal) hareketin enerjisini de taşıyan serbest elektronlar. onları, yani ısı transferi gerçekleştirin.
1853'te Wiedemann ve Franz deneysel olarak bir yasa oluşturdular. termal iletkenlik oranı c elektriksel iletkenliğe s aynı sıcaklıktaki metaller için aynıdır ve termodinamik sıcaklıkla orantılı olarak artar:
nerede k ve e sabitlerdir (Boltzmann sabiti ve elektron yükü).
Elektronları monatomik bir gaz olarak düşünürsek, termal iletkenlik katsayısı için gazların kinetik teorisinin ifadesi kullanılabilir.
nerede n×m= r gazın yoğunluğudur.
Özısı tek atomlu gaz eşittir. Bu değeri χ ifadesinin yerine koyarsak şunu elde ederiz:
Klasik metal teorisine göre, elektriksel iletkenlikleri
sonra ilişki
değiştirdikten sonra, ifade eden (5) bağıntısına ulaşırız. Wiedemann-Franz yasası .
Değerlerin değiştirilmesi k= 1.38 10 -23 J/K ve e= 1.60 10 -19 C formülüne (5) girersek, buluruz
Bu formülü kullanarak, tüm metaller için değeri hesaplarsanız, T\u003d 300 K, sonra 6.7 10 -6 J Ω / s K elde ederiz. Çoğu metal için Wiedemann-Franz yasası, 100-400 K sıcaklıklardaki deneyime karşılık gelir, ancak düşük sıcaklıklarda yasa önemli ölçüde ihlal edilir. Düşük sıcaklıklarda hesaplanan ve deneysel veriler arasındaki tutarsızlıklar özellikle gümüş, bakır ve altın için mükemmeldir. Wiedemann-Franz yasasına hiç uymayan metaller (berilyum, manganez) vardır.