Qattiq holatda molekulalar harakatining tabiati. Neft va gaz katta ensiklopediya

1-sahifa


Suyuqlikdagi molekulalarning issiqlik harakati tabiati qattiq jismlarga qaraganda ancha murakkab. Soddalashtirilgan modelga ko'ra, suyuqlik molekulalarining issiqlik harakatlari ma'lum markazlar bo'yicha tartibsiz tebranishlarni ifodalaydi. Ayrim molekulalarning tebranishlarining kinetik energiyasi ba'zi momentlarda molekulalararo bog'lanishlarni yengish uchun etarli bo'lishi mumkin. Keyin bu molekulalar boshqa molekulalar muhitiga sakrash imkoniyatini qo'lga kiritadi va shu bilan tebranish markazini o'zgartiradi. Shunday qilib, bir muncha vaqt /, turg'un hayot vaqti deb ataladi, har bir molekula bir nechta eng yaqin molekulalar bilan tartiblangan tizimda bo'ladi. Suyuqlik molekulasi sakrab o'tib, o'zini boshqa tarzda joylashtirilgan yangi molekulalar orasida topadi. Shuning uchun suyuqlikda molekulalarning joylashishida faqat qisqa masofali tartib kuzatiladi.

Yer yuzasidagi sharoitlarni hisobga olsak, tabiiy ravishda har uch holatda ham, masalan, suvda faqat ba'zi moddalarni topish mumkin. Ko'pgina moddalar ma'lum bir holatda bo'ladi. Alohida molekulalar bloklanadi va o'rnida qoladi, harakat qila olmaydi. Qattiq jismlarning atomlari va molekulalari harakatda bo‘lsa-da, harakat tebranish energiyasi bilan chegaralanadi va alohida molekulalar o‘z o‘rnida mustahkamlanib, yonma-yon tebranadi. Harorat oshishi bilan qattiq tana tebranishlar soni ortadi, lekin molekulalar o'z o'rnida qulflangan va bir-biri bilan o'zaro ta'sir qilmagani uchun qattiq o'z shakli va hajmini saqlab qoladi.

Suyuqlikdagi molekulalarning issiqlik harakatining tabiati gaz molekulalarining issiqlik harakatidan sezilarli darajada farq qiladi. Issiqlik harakatining tasodifiyligi tufayli qo'shni molekulalarning tebranish tezligi va amplitudalari har xil bo'lib, vaqti-vaqti bilan qo'shni molekulalar bir-biridan shunchalik uzoqlashadiki, alohida molekulalar d tartibidagi masofaga sakrab o'tib, yangi joyga yopishib qoladi. muvozanat pozitsiyalari va ular atrofida tebranishni boshlaydi. Haroratning oshishi bilan issiqlik harakatining o'rtacha energiyasi ortadi va u bilan tebranishlar amplitudasi va molekulalarning bir muvozanat holatidan qo'shnilariga sakrash chastotasi ortadi.

Buning misolini ko'rish uchun muz kristallarining molekulyar tuzilishini ko'rsatadigan quyidagi animatsiyani bosing. Suyuqlikdagi molekulalar harakatlanishi va bir-biri bilan to'qnashishi mumkin bo'lsa-da, ular qattiq moddalar kabi nisbatan yaqin bo'lib qoladilar. Odatda suyuqliklarda molekulalararo kuchlar molekulalarni birga ushlab turadi, keyinchalik ular parchalanadi. Suyuqlikning harorati oshishi bilan alohida molekulalarning harakatlari soni ortadi. Natijada, suyuqliklar o'z idishining shaklini olish uchun "aylanishlari" mumkin, lekin osonlikcha siqib bo'lmaydi, chunki molekulalar allaqachon bir-biriga juda yaqin.

Molekulalarning issiqlik harakatining tabiati molekulalarning o'zaro ta'siri va moddadan o'tganda o'zgarishiga bog'liq.

Shisha o'tish - amorf holatdagi polimer molekulalarining issiqlik harakati tabiatini o'zgartirishning tez jarayoni bo'lib, u kuzatiladigan deformatsiya tezligiga qarab tor harorat oralig'ida sodir bo'ladi. Polimer hajmining o'zgarishisiz va issiqlik effektisiz, lekin termal kengayish koeffitsienti va solishtirma issiqlik o'zgarishi bilan sodir bo'ladi.

Shuning uchun suyuqliklar noaniq shakl, lekin ma'lum miqdor. Quyidagi animatsiya misolida biz suyuq suvning erkin aylana oladigan, lekin shunga qaramay bir-biriga yaqin bo'lib qoladigan molekulalardan iborat ekanligini ko'ramiz. Shunday qilib, gaz molekulalari ozgina o'zaro ta'sir qiladi, ba'zan to'qnashadi. Gaz holatida molekulalar tez harakat qiladi va har qanday yo'nalishda erkin aylanadi, uzoq masofalarga tarqaladi. Haroratning oshishi bilan alohida molekulalarning harakatlari soni ortadi.

Gazlar o'z idishlarini to'ldirish uchun kengayadi va past zichlikka ega. Ayrim molekulalar keng miqyosda ajratilganligi va gaz holatida erkin aylana oladiganligi sababli, gazlar osongina siqiladi va cheksiz shaklga ega bo'lishi mumkin. Plazmalar juda katta energiya sharoitida hosil bo'ladi, shuning uchun molekulalar ajralib turadi va faqat erkin atomlar mavjud. Bundan ham hayratlanarlisi shundaki, plazma shunchalik energiyaga egaki, tashqi elektronlar alohida atomlardan kuchli ajralib, yuqori zaryadlangan va energetik ion gazini hosil qiladi.

Bu PD molekulalarining issiqlik harakatining tabiati siyrak gazlardagi zarrachalarning erkin harakatiga qaraganda kristall panjaralar atomlari va suyuqlik molekulalarining tebranish harakatlariga yaqinroq ekanligidadir.

O'quvchi B: Siz avvalroq molekulalarning issiqlik harakatining tabiati molekulalararo o'zaro ta'sirga va bir agregatsiya holatidan ikkinchisiga o'tish paytidagi o'zgarishlarga bog'liqligini ta'kidlagan edingiz.

Plazmadagi atomlar zaryadlangan ionlar sifatida mavjud bo'lganligi sababli, plazma gazlardan farq qiladi va moddaning to'rtinchi holatini hosil qiladi. Plazmani shunchaki yuqoriga qarab idrok etish mumkin; Quyosh kabi yulduzlarda mavjud bo'lgan yuqori energiya sharoitlari alohida atomlarni plazma holatiga suradi.

Ko'rib turganimizdek, energiyaning ko'payishi molekulyar harakatga olib keladi. Aksincha, energiyaning kamayishi kamroq molekulyar harakatga olib keladi. Natijada, molekulyarning bashorati kinetik nazariya shundan iboratki, agar moddaning energiyasi kamaysa, biz barcha molekulyar harakat to'xtaydigan nuqtaga erishamiz. Molekulyar harakat to'xtaydigan harorat mutlaq nol deb ataladi va -15 daraja Selsiy deb hisoblanadi. Olimlar materiyani mutlaq nolga yaqin darajada sovutgan bo'lsalar ham, ular hech qachon bu haroratga erisha olishmagan.

Tarqalgan yorug'likning uzluksiz spektrining bunday bo'linishi suyuqliklardagi molekulalarning issiqlik harakatining o'ziga xos xususiyati bilan belgilanadi.

Yorug'likning molekulyar tarqalishi molekulalarning tarqaladigan muhitdagi issiqlik harakatining tuzilishi va tabiati haqida juda qimmatli ma'lumotlarni beradi. Bu sohadagi ishlar 30-yillarda keng jabhada boshlandi; ular materiyaning suyuq holati masalasini hal qilishga katta hissa qo'shgan va hozir ham qo'shmoqda. Bu yerda sovet olimlari L. I. Mandelstam, G. S. Landsberg, L. D. Landau, E. F. Gross, S. M. Ritov va ularning shogirdlarining xizmatlari ayniqsa katta.

Mutlaq nol haroratda materiyani kuzatishning qiyinligi shundaki, materiyani "ko'rish" uchun yorug'lik kerak, yorug'lik esa energiyani moddaga o'tkazadi, bu esa haroratni oshiradi. Ushbu qiyinchiliklarga qaramay, olimlar yaqinda materiyaning faqat mutlaq nolga juda yaqin haroratlarda mavjud bo'lgan beshinchi holatini kuzatdilar.

Bunday g'alati holatda kondensatlarning barcha atomlari bir xil mexanik-kvant holatga etib boradi va bir-biri bilan hech qanday ishqalanishsiz oqishi mumkin. Materiyaning yana bir qancha kamroq tarqalgan holatlari ham tasvirlangan yoki kuzatilgan. Ushbu holatlarning ba'zilari suyuq kristallar, fermionik kondensatlar, o'ta suyuqliklar, super qattiq moddalar va to'g'ri nomlangan g'alati moddalarni o'z ichiga oladi.

Molekulalarning issiqlik harakati tuzilishi va tabiatining murakkabligi tufayli hozirgi darajadagi suyuqlik holati nazariyasi harorat va bosimning juda keng diapazonida haqiqiy suyuqliklarning xususiyatlarini tavsiflash uchun ishlatilmaydi. Eng yaxshi holat stsenariysi statistik nazariya suyuqliklarning muvozanat xususiyatlarining holat parametrlariga va radial taqsimot funktsiyasiga faqat sifat jihatidan bog'liqligini o'rnatishga imkon beradi.

Bu mutlaq nolga yaqin juda past haroratlarda sodir bo'ladi. U birinchi marta Kolorado universitetida yaratilgan. Ko'pgina olimlar buni noto'g'ri deb hisoblashadi. Kondensatning tabiati shuni anglatadiki, uni tashkil etuvchi barcha zarralar bir xil kvant holatida bo'ladi, bu faqat aytilgan zarralar bozon bo'lsa mumkin. Endi Pauli istisno printsipi bir xil fermionlar juftligini bir vaqtning o'zida bir xil kvant holatidan foydalanishga to'sqinlik qiladi. Shuning uchun fermionik kondensat mavjud bo'lmasligi kerak.

Shunday qilib, erish jarayonida jismning issiqlik sig'imining ozgina o'zgarishini suyuqlikdagi molekulalarning issiqlik harakati tabiati qattiq jismlardagi kabi, ya'ni molekulalarning muvozanat holati atrofida tebranishiga dalil sifatida qaralishi mumkin.

Moddaning suyuq va qattiq hollari orasidagi bunday sifat farqlari ularning molekulyar tuzilishi va molekulalarning issiqlik harakati tabiatidagi farq bilan bog‘liq. Qattiq jism qizdirilganda ma'lum sharoitlarda suyuq holatga o'tadi - u eriydi. Harorat tushganda suyuqlik qattiqlashadi.

Jan fermionik atomlar juftlarining kondensatsiyasiga erishdi. Spinlari bir xil bo'lgan juft atomlarning spinlari yig'indisi har doim butun son bo'ladi. Agar bir juft bir xil fermionik atomlar molekula hosil qilsa, u butun spinga ega bo'ladi. Shuning uchun bu molekula kondensatsiyalanishi mumkin bo'lgan bozondir.

Kuper juftini bozonga assimilyatsiya qilish mumkinligi haqiqat bo'lsa-da, bu Kuper juftlarining hosil bo'lishi avtomatik ravishda kondensat mavjudligini anglatmaydi. Kuper juftlarining kondensatini olish uchun barchasini bir xil kvant holatiga guruhlash kerak.

Samoylov ta'kidlaganidek, elektrolitlar eritmalarida ionlarni yechish masalasini har tomonlama ko'rib chiqish uchun faqat solvatlanish sonlari va solvatlanish energiyasini aniqlash bilan cheklanib bo'lmaydi, balki ionlar kiritilganda sodir bo'ladigan o'zgarishlarni ham tekshirish kerak. faqat erituvchining tuzilishida, lekin erituvchi molekulalarining issiqlik harakati tabiatida. Erituvchidagi barcha yuqoridagi o'zgarishlar, asosan, bitta va bir xil sababga bog'liq - ruhoniylar va erituvchi molekulalari o'rtasidagi o'zaro ta'sir.

Fermionik kondensat o'zini zarracha emas, balki to'lqin kabi tutadi, chunki u juda oz vaqt barqaror turadi. Fermion gaz molekulalari bozonlar emas, fermionlardir, chunki faqat fermionlar birlashgan bo'lsa ham, ular spinni butun songa to'ldiradi va shu nuqtada barqarorlashadi.

Pauli istisno printsipi shuni ko'rsatadiki, ikkita fermion bir vaqtning o'zida bir xil kvant holatini egallamaydi. Bu vaqt o'tishi bilan o'zgardi, chunki elektronlar to'lqinni barqarorlashtirib, unga barqaror shaklni berdi. Jin, Markus Greiner va Sindi Regal uni bir qadam oldinga olib borishdi va zarrachalarning ultramuzlashi tufayli materiyaning yangi holatini, oltinchi, fermion gazini topdilar. Ushbu fiziklarning fikriga ko'ra, kvant muzi bozonlardan tashkil topgan bo'lib, tabiatda gregarativ bo'lgan zarralar sinfi va ularning statistik qonunlari bir xil kvant holatidagi bir nechta populyatsiyani qo'llab-quvvatlaydi.

Suyuqlikda molekulalar bir-biridan kichik masofada joylashgan va ular o'rtasida molekulalararo o'zaro ta'sirning muhim kuchlari mavjud. Suyuqlikdagi molekulalarning issiqlik harakatining tabiati gazdagi molekulalarning harakatidan sezilarli darajada farq qiladi. Suyuqlik molekulalari muayyan muvozanat pozitsiyalarida tebranadi.

Biroq, fermion gazi butunlay fermionlardan iborat. Ular, bozonlardan farqli o'laroq, muloqotga kirishmaydi va ta'rifiga ko'ra, ularning hech biri bir xil harakat holatini egallamaydi. Bir juft fermionlar bir xil kvant holatini egallamaydi. Da yuqori haroratlar bu elementar zarralarning xatti-harakati deyarli sezilmaydi. Biroq, ular sovib ketganda, ular pastroq energiya holatlarini izlashga moyil bo'ladilar va aynan shu vaqtda bozonlar va fermionlarning antagonistik tabiati kuchayadi.

Ammo ultra muzlatilgan fermionlar o'zini qanday tutadi? Jumboqni hal qilish uchun Boulder fiziklari 1000 kaliy atomidan iborat kichik bulutni olish uchun lazerlardan foydalanganlar. Tabiiy harakatlarini cheklab, ular atomlarni mutlaq noldan milliondan bir qismigacha sovutdilar. Yashirin tabiati tufayli bu atomlarning fermionlari bir-birini itarishi kerak edi, ammo bunday emas edi. O'ta sovutilgan atomlarga magnit maydonni qo'llash orqali ular qisqacha juft bo'lib uchrashishdi va ajoyib kondensat hosil qildilar. Yangi shtatning ota-onalariga ko'ra, bu topilma keng ko'lamli amaliy dasturlarga olib kelishi mumkin.

Issiqlik harakati - gazlar, qattiq va suyuqliklardagi molekulalar, atomlar va ionlarning xaotik harakati. Molekulalar, atomlar va ionlarning issiqlik harakatining tabiati moddaning agregat holatiga bog'liq va molekulalararo o'zaro ta'sir kuchlari bilan belgilanadi.

Qurilmalar va aksessuarlar: tekshirilayotgan metalldan yasalgan sim o'tkazgich, o'lchash moslamasi, elektr o'lchash asboblari.

Misol uchun, fermion gazi o'ta o'tkazuvchanlik, elektr tokining qarshiliksiz oqishi fenomeni bo'yicha yangi tadqiqot yo'nalishini taklif qiladi. Materiyaning ettinchi holati deb atash mumkin bo'lgan bir nechta holatlar bo'lishi mumkin. Bu holatlar faqat kosmosdagi ekstremal sharoitlarda yoki faqat Katta portlash nazariyasi paytida yuzaga keladi.

Yuqori nosimmetrik moddada. Kuchsiz simmetrik moddada. Glyuon kvarklarining plazmasida. Bu qattiq, suyuq yoki aralashmaning tarkibiy qismlarini ajratish uchun xizmat qiluvchi protseduralar gaz aralashmasi. Aralashmalarni ajratishning asosiy usullari dekantatsiya, filtrlash, sentrifugalash, fraksiyonel eritish va boshqalar. flotatsiya, skrining, levigatsiya, ventilyatsiya, magnit ajratish, kristallanish, fraksiyonel suyuqlik, fraksiyonel bug'lanish, xromatografiya va erituvchi ekstraktsiya kabi boshqa usullar ham mavjud.

Gazlar, suyuqliklar va qattiq moddalar molekulalarining harakati

Molekulyar kinetik nazariyaga ko'ra, uning asoschilaridan biri buyuk rus olimi M.V. Lomonosov, Barcha moddalar mayda zarrachalardan - uzluksiz harakatda bo'lgan va bir-biri bilan o'zaro ta'sir qiluvchi molekulalardan iborat.

Molekula - moddaning o'ziga xos bo'lgan eng kichik zarrasi kimyoviy xossalari. molekulalar turli moddalar turli atom tarkibiga ega.

Tizimning aralashma ekanligini bilib, aralashmaning ikki yoki undan ortiq tarkibiy qismlarini ajratish uchun aralashmalarni ajratishning bir yoki bir nechta usullaridan foydalanish mumkin. Aralashmani ajratish usullari moddalarning tabiatini o'zgartirmasdan darhol tahlil qilish deb ataladi. Va aralashmaning har bir turi uchun bir nechtasi bor turli yo'llar bilan ajratish. Quyida aralashmani ajratishning eng keng tarqalgan usullari keltirilgan.

Geterogen qattiq-suyuq va suyuq-suyuq aralashmalarni ajratish uchun ishlatiladigan usul. Misollar: bulutli suv, suv va moy. Agar biz loyli suv chelakini bir muddat tinch qo'ysak, loyning cho'kib ketishini, ya'ni chelakning tubiga tushishini sezamiz, bu suvga nisbatan kattaroq bo'lganligi bilan bog'liq. Shunday qilib, suv chelakdan osongina olib tashlanishi mumkin.

Gazlar, suyuqliklar va qattiq jismlar molekulalarining harakati tabiatida umumiylik juda ko'p, shuningdek, sezilarli farqlar mavjud.

Umumiy xususiyatlar molekulyar harakat:

a) o'rtacha tezlik molekulalar qancha ko'p bo'lsa, moddaning harorati shunchalik yuqori bo'ladi;

b) ma'lum bir moddaning turli molekulalarining tezligi shunday taqsimlanganki, ma'lum bir tezlikka ega bo'lgan molekulalar soni qancha ko'p bo'lsa, bu tezlik ma'lum bir modda molekulalarining harakat tezligiga qanchalik yaqin bo'lsa. berilgan harorat.

Suvni olib tashlash va suyuqliklarni aralashmadan ajratish mumkin. Aytish mumkinki, tabiatda mavjud bo'lgan narsalarning aksariyati qandaydir aralashmalardir. Atmosfera havosi, toshlar, o'simlik barglari va hatto sochlari aralashmalarga misol bo'ladi, har bir aralashma turli xil jismoniy xususiyatlarga ega. Bundan tashqari, aralashmaning har bir komponenti o'ziga xos fizik va kimyoviy xususiyatlarga ega. Ya'ni, tarkibiy qismlarning aralashmasi ularning asosiy kimyoviy tuzilmalarining o'zgarishini anglatmaydi. Komponentning asosiy tuzilishini o'zgartirganda, kimyoviy reaksiya shunchaki aralashtirishdan ko'ra. Shunday qilib, moddaning uchta holati qattiq, suyuq va gazsimon.

Gazlar, suyuqliklar va qattiq jismlar molekulalari harakatining tabiatidagi sezilarli farq molekulalar orasidagi o'rtacha masofalar farqi bilan bog'liq bo'lgan ularning molekulalarining o'zaro kuch ta'siridagi farq bilan izohlanadi.

Gazlarda molekulalar orasidagi o'rtacha masofa molekulalarning o'lchamidan bir necha baravar katta. Natijada, gaz molekulalari orasidagi o'zaro ta'sir kuchlari kichikdir va molekulalar gaz joylashgan butun idish bo'ylab deyarli bir-biridan mustaqil ravishda harakatlanadi, boshqa molekulalar va devorlar bilan to'qnashuvda tezlikning yo'nalishi va kattaligini o'zgartiradi. kemaning. Gaz molekulasining yo'li Broun harakatining traektoriyasiga o'xshash siniq chiziqdir.

U o'zini qattiq jism kabi tutadi. Moddaning turli holatlarini tasniflashga urinayotganda, odatda, uchta holat borligi aytiladi: gaz holati, qattiq holat va qattiq holat. Bu turli holatlar orasidagi farq materiyani tashkil etuvchi atomlarning joylashishi va uni tashkil etuvchi molekulalarning aralashishi bilan bog‘liq.

Ushbu molekulalar bir-biridan juda uzoqda joylashganligi sababli, biz gazlarning engil ekanligini tushunamiz: gazni tortish - bu birinchi navbatda molekulalar orasidagi bo'shliqni tortish va gazlar ulardagi barcha bo'shliqni egallaydi: molekulalar shunchalik ko'pki, ular tortishish kuchiga sezgir emas.

Gaz molekulalarining o'rtacha erkin yo'li, ya'ni. Ikki ketma-ket to'qnashuvlar orasidagi molekulalarning o'rtacha yo'l uzunligi gazning bosimi va haroratiga bog'liq. Da normal harorat va bosim, erkin yo'l taxminan 10 -5 sm.Gaz molekulalari bir-biri bilan yoki idish devorlari bilan sekundiga taxminan 1010 marta to'qnashadi, ularning harakat yo'nalishini o'zgartiradi. Bu gazlarning diffuziya tezligi gaz molekulalarining translatsion harakati tezligiga nisbatan kichik ekanligini tushuntiradi, bu normal sharoitda ma'lum bir gazdagi tovush tezligidan taxminan 1,5 baravar yuqori va 500 m / s ga teng. .

Suyuqliklarda molekulalar orasidagi masofa gazlarga qaraganda ancha kichikdir. Har bir molekulaning qo'shnilari bilan o'zaro ta'sir kuchlari etarlicha katta, buning natijasida suyuqlik molekulalari qandaydir o'rtacha muvozanat pozitsiyalari atrofida tebranadi. Shu bilan birga, suyuqlik molekulalarining o'rtacha kinetik energiyasi ularning o'zaro ta'sir energiyasi bilan solishtirish mumkin bo'lganligi sababli, kinetik energiyasi tasodifiy ortiqcha bo'lgan molekulalar qo'shni zarrachalarning o'zaro ta'sirini engib, tebranish markazini o'zgartiradi. Suyuqlikning amalda tebranuvchi zarralari kosmosda juda qisqa vaqt oralig'ida (~10 -8 s) sakrab chiqadi.



Shunday qilib, suyuqlik ko'plab mikroskopik hududlardan iborat bo'lib, ularda vaqt va makon bilan o'zgarib turadigan yaqin zarrachalarning joylashuvida qandaydir tartib mavjud, ya'ni. suyuqlikning butun hajmida takrorlanmaydi. Bunday tuzilishga ega ekanligi aytiladi qisqa muddatli buyurtma .

Qattiq jismlarda molekulalar orasidagi masofa bundan ham kichikroq bo'lib, buning natijasida har bir molekulaning qo'shnilari bilan o'zaro ta'sir kuchlari shunchalik katta bo'ladi. molekula ma'lum bir doimiy muvozanat holati - tugun atrofida faqat kichik tebranishlarni amalga oshiradi. Kristalli tanada tugunlarning ma'lum bir o'zaro joylashishi ajralib turadi, bu deyiladi. kristall panjara. Kristal panjaraning tabiati ma'lum bir moddaning molekulalararo o'zaro ta'sirining tabiati bilan belgilanadi.

Yuqorida aytilganlar ideal kristalli qattiq jismga taalluqlidir. Haqiqiy kristallarda moddaning kristallanish jarayonida yuzaga keladigan tartibning turli xil buzilishlari mavjud.

Tabiatda kristallar bilan bir qatorda amorf qattiq jismlar ham mavjud bo'lib, ularda suyuqliklar kabi atomlar tasodifiy joylashgan tugunlar atrofida tebranadi. Lekin amorf jism zarrachalarining bir tebranish markazidan ikkinchisiga siljishi shunday uzoq vaqt oralig'ida sodir bo'ladiki, amalda amorf jismlar qattiq jismlardir.

Issiqlik o'tkazuvchanligi

Issiqlik o'tkazuvchanligi - bu harorat gradienti mavjudligida yuzaga keladigan va zarrachalarning issiqlik harakati tufayli yuzaga keladigan issiqlik uzatish. Shakl 1a to'g'ri tanani ko'rsatadi

o'qiga normal joylashgan 1 va 2 asosli ko'mir shaklida x. Tana harorati bitta koordinataning funktsiyasi bo'lsin T = T(x), unda dT/dx < 0 (температура убывает в положительном направлении оси X). Keyin tanlangan o'qga normal bo'lgan tananing istalgan qismi orqali issiqlik o'tkaziladi, bu Furye qonuni (1820) bilan tavsiflanadi.

qaerda ∆ Q- kesma bilan maydon orqali o'tkaziladigan issiqlik miqdori S vaqtida D t, c- issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsienti, moddaning xususiyatlariga bog'liq. Minus belgisi (1) issiqlik uzatish haroratning pasayishiga (harorat gradientiga qarama-qarshi) yo'naltirilganligini ko'rsatadi. dT/dx). Agar tana bir hil bo'lsa va jarayon barqaror bo'lsa, u holda o'q bo'ylab harorat pasayadi X chiziqli: dT/dx=const(1b-rasm).

Ifoda (1) zichlikni topish imkonini beradi issiqlik oqimi(vaqt birligida birlik maydoni bo'ylab issiqlik oqimi):

Bu ikkinchisidan kelib chiqadi

Issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsienti son jihatdan birlik sirt maydoni orqali birlik harorat gradientida vaqt birligida o'tkaziladigan issiqlik miqdoriga teng. .

Gazlar va suyuqliklarning issiqlik o'tkazuvchanligini aniqlashda issiqlik uzatishning boshqa turlarini - konvektsiyani (muhitning issiq qismlarini yuqoriga ko'chirish va sovuqroqlarini tushirish) va radiatsiya orqali issiqlik uzatishni (radiatsion issiqlik uzatish) ehtiyotkorlik bilan istisno qilish kerak.

Moddaning issiqlik o'tkazuvchanligi uning holatiga bog'liq. I-jadvalda ba'zi moddalarning issiqlik o'tkazuvchanligi qiymatlari ko'rsatilgan.

I-jadval

Suyuqliklar uchun (agar suyuq metallar bundan mustasno bo'lsa), issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsienti o'rtacha qattiq moddalarnikidan kichikroq va gazlardan kattaroqdir. Gazlar va metallarning issiqlik o'tkazuvchanligi harorat oshishi bilan ortadi, suyuqliklar esa, qoida tariqasida, pasayadi.

Gazlar uchun molekulyar kinetik nazariya issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsienti teng ekanligini aniqlashga imkon beradi.

molekulalarning o'rtacha erkin yo'li qayerda,

Ularning harakatining o'rtacha tezligi, r - zichligi, Rezyume izoxorik solishtirma issiqlik sig'imi.

Gazlar, suyuqliklar va qattiq jismlarning issiqlik o'tkazuvchanligi mexanizmi

Gaz molekulalarining issiqlik harakatining tasodifiyligi, ular orasidagi uzluksiz to'qnashuvlar zarrachalarning doimiy aralashishiga va ularning tezligi va energiyasining o'zgarishiga olib keladi. DA gaz issiqlik o'tkazuvchanligi ba'zi tashqi sabablar tufayli harorat farqi mavjud bo'lganda sodir bo'ladi. Uning hajmining turli joylarida joylashgan gaz molekulalari har xil o'rtacha kinetik energiyaga ega. Shuning uchun molekulalarning xaotik issiqlik harakati paytida, yo'naltirilgan energiya uzatish . Gazning qizigan qismlaridan sovuqroq qismlarga tushgan molekulalar o'z energiyasining ortiqcha qismini atrofdagi zarrachalarga beradi. Aksincha, sekin harakatlanuvchi molekulalar, sovuq qismlardan issiqroq qismlarga o'tib, yuqori tezlikdagi molekulalar bilan to'qnashuvi tufayli o'z energiyasini oshiradi.

Issiqlik o'tkazuvchanligi suyuqliklarda gazlarda bo'lgani kabi, harorat gradienti ishtirokida sodir bo'ladi. Biroq, agar gazlarda energiya translyatsion harakatni amalga oshiruvchi zarrachalarning to'qnashuvi paytida uzatilsa, suyuqliklarda energiya tebranuvchi zarrachalarning to'qnashuvi paytida uzatiladi. Yuqori energiyaga ega bo'lgan zarralar kattaroq amplituda bilan tebranadi va boshqa zarralar bilan to'qnashganda ularni silkitadi, go'yo ularga energiya o'tkazadi. Energiyani uzatishning bunday mexanizmi, xuddi gazlarda ishlaydigan mexanizm kabi, uning tez o'tkazilishini ta'minlamaydi va shuning uchun suyuqliklarning issiqlik o'tkazuvchanligi gazlarning issiqlik o'tkazuvchanligidan bir necha marta oshib ketgan bo'lsa-da, juda past bo'ladi. Istisno - bu issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsientlari qattiq metallarnikiga yaqin bo'lgan suyuq metallardir. Bu suyuq metallarda issiqlik nafaqat tebranishlarning bir zarrachadan ikkinchisiga o'tishi bilan, balki harakatlanuvchi elektr zaryadlangan zarralar - metallarda mavjud bo'lgan, ammo boshqa suyuqliklarda bo'lmagan elektronlar yordamida ham o'tkazilishi bilan izohlanadi. .

Agarda qattiq tana uning turli qismlari o'rtasida harorat farqi mavjud bo'lsa, u holda gazlar va suyuqliklarda bo'lgani kabi, issiqlik ko'proq qizdirilgan qismdan kamroq isitiladigan qismga o'tadi.

Suyuqlik va gazlardan farqli o'laroq, konvektsiya qattiq jismda sodir bo'lolmaydi, ya'ni. materiya massasining issiqlik bilan harakati. Shuning uchun qattiq jismda issiqlik uzatish faqat issiqlik o'tkazuvchanligi bilan amalga oshiriladi.

Qattiq jismda issiqlik uzatish mexanizmi undagi termal harakatlarning tabiatidan kelib chiqadi. Qattiq jism tebranuvchi atomlar yig'indisidir. Lekin bu tebranishlar

bir-biridan mustaqil. Tebranishlar (tovush tezligida) bir atomdan ikkinchisiga uzatilishi mumkin. Bunday holda, tebranishlar energiyasini uzatuvchi to'lqin hosil bo'ladi. Tebranishlarning bunday tarqalishi issiqlikni uzatishdir.

Qattiq jismdagi issiqlik almashinuvi miqdoriy jihatdan (1) ifoda bilan tavsiflanadi. Issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsienti c qiymatini gaz uchun qilinganidek hisoblash mumkin emas - o'zaro ta'sir qilmaydigan zarralardan iborat oddiyroq tizim.

Qattiq jismning issiqlik o'tkazuvchanligini taxminiy hisoblash kvant tasvirlari yordamida amalga oshirilishi mumkin.

Kvant nazariyasi qattiq jismda tovush tezligida tarqaladigan ba'zi kvazizarralarni tebranishlar bilan solishtirish imkonini beradi - fononlar. Har bir zarracha tebranish chastotasi n bilan ko'paytirilgan Plank doimiysiga teng energiya bilan tavsiflanadi. Tebranishlar kvantining energiyasi - fonon, shuning uchun tengdir h n.

Agar biz fononlar tushunchasidan foydalansak, qattiq jismdagi issiqlik harakati aynan ular tomonidan sodir bo'ladi, shuning uchun mutlaq nolda fononlar bo'lmaydi va harorat ortishi bilan ularning soni ko'payadi, lekin chiziqli emas, balki ko'ra. yanada murakkab qonun (past haroratlarda, proportsional harorat kubi).

Endi biz qattiq jismni fonon gazini o'z ichiga olgan idish sifatida ko'rib chiqishimiz mumkin, bu gazni juda yuqori haroratlarda ideal gaz deb hisoblash mumkin. Oddiy gazda bo'lgani kabi, fononli gazda ham issiqlik almashinuvi fononlarning panjara atomlari bilan to'qnashuvi va barcha sabablarga ko'ra amalga oshiriladi. ideal gaz bu erda ham haqiqat. Shuning uchun qattiq jismning issiqlik o'tkazuvchanligini aynan bir xil formula bilan ifodalash mumkin

bu erda r - tananing zichligi, Rezyume uning o'ziga xos issiqlik sig'imi, Bilan- tanadagi tovush tezligi, l - fononlarning o'rtacha erkin yo'li.

Metalllarda, panjara tebranishlaridan tashqari, zaryadlangan zarralar, elektronlar ham issiqlik uzatishda ishtirok etadilar, ular bir vaqtning o'zida metallda elektr tokining tashuvchisi hisoblanadi. Yuqori haroratlarda elektron issiqlik o'tkazuvchanligining bir qismi ancha katta panjara . Bu fononlar yagona issiqlik tashuvchisi bo'lgan nometalllarga nisbatan metallarning yuqori issiqlik o'tkazuvchanligini tushuntiradi. Metalllarning issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsientini quyidagi formula bo'yicha hisoblash mumkin:

elektronlarning o'rtacha erkin yo'li qayerda, ularning issiqlik harakatining o'rtacha tezligi.

Supero'tkazuvchilarda, bunda elektr toki qarshilikka duch kelmaydi, elektron issiqlik o'tkazuvchanligi deyarli yo'q: zaryadni qarshiliksiz olib yuradigan elektronlar issiqlik uzatishda ishtirok etmaydi va o'ta o'tkazgichlarda issiqlik o'tkazuvchanligi faqat panjaradir.

Wiedemann-Franz qonuni

Metalllar ham yuqori elektr o'tkazuvchanligiga, ham yuqori issiqlik o'tkazuvchanligiga ega. Bu metallardagi oqim va issiqlik tashuvchilari bir xil zarralar - erkin elektronlar ekanligi bilan izohlanadi, ular metallga aralashtirilganda nafaqat elektr zaryadini, balki unga xos bo'lgan xaotik (issiqlik) harakat energiyasini ham olib yuradi. ular, ya'ni. issiqlik uzatishni amalga oshirish.

1853 yilda Wiedemann va Franz eksperimental ravishda qonunni o'rnatdilar, unga ko'ra issiqlik o'tkazuvchanlik nisbati c elektr o'tkazuvchanligiga s metallar uchun bir xil haroratda bir xil va termodinamik haroratga mutanosib ravishda ortadi:

qayerda k va e konstantalar (Boltzman doimiysi va elektron zaryadi).

Elektronlarni bir atomli gaz sifatida hisobga olgan holda, issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsienti uchun gazlarning kinetik nazariyasi ifodasidan foydalanish mumkin.

qayerda n×m= r - gazning zichligi.

Maxsus issiqlik bir atomli gaz ga teng. Ushbu qiymatni ch ifodasiga almashtirib, biz olamiz

Metalllarning klassik nazariyasiga ko'ra, ularning elektr o'tkazuvchanligi

Keyin munosabat

ni almashtirgandan so'ng, biz ifodalovchi (5) munosabatga kelamiz Wiedemann-Franz qonuni .

Qiymatlarni almashtirish k= 1,38 10 -23 J/K va e= 1,60 10 -19 C formulaga (5), topamiz

Agar ushbu formuladan foydalanib, barcha metallar uchun qiymatni hisoblang T\u003d 300 K, keyin biz 6,7 10 -6 J Ō / s K ni olamiz. Ko'pgina metallar uchun Wiedemann-Franz qonuni 100-400 K haroratda tajribaga mos keladi, ammo past haroratlarda qonun sezilarli darajada buziladi. Past haroratlarda hisoblangan va eksperimental ma'lumotlar o'rtasidagi tafovut ayniqsa kumush, mis va oltin uchun juda yaxshi. Videman-Frans qonuniga umuman bo'ysunmaydigan metallar (berilliy, marganets) mavjud.