Что значит взаимодействие молекул

Взаимодействие молекул

Молекулы взаимно притягиваются, в этом невозможно сомневаться. Если бы в какое-то мгновение молекулы перестали притягиваться друг к другу, все жидкие и твердые тела распались бы на молекулы.

Молекулы взаимно отталкиваются, и это несомненно, так как иначе жидкости и твердые тела сжимались бы с необыкновенной легкостью.

Между молекулами действуют силы, во многом похожие на силы между атомами, о которых говорилось выше. Кривая потенциальной энергии, которую мы только что рисовали для атомов, правильно передает основные черты взаимодействия молекул. Однако между этими взаимодействиями имеются и существенные различия.

Подобные результаты получаются и для других атомов. Атомы чужих молекул устанавливаются дальше один от другого, чем атомы одной молекулы. Поэтому молекулы легче оторвать одну от другой, чем атомы от молекулы, причем различия в энергиях много больше разницы в расстояниях. Если энергия, необходимая для разрыва связи между атомами кислорода, образующими молекулу, составляет около 100 ккал/моль, то энергия на растаскивание молекул кислорода меньше 2 ккал/моль.

Значит, на кривой потенциальной энергии молекул «яма» лежит дальше от вертикальной оси и, кроме того, «яма» гораздо менее глубока.

Однако этим не исчерпывается различие взаимодействия атомов, образующих молекулу, и взаимодействия молекул.

Химики показали, что атомы сцепляются в молекулу с вполне определенным числом других атомов. Если два атома водорода образовали молекулу, то третий атом уже не присоединится к ним для этой цели. Атом кислорода в воде соединен с двумя атомами водорода и присоединить к ним еще один невозможно.

Ничего подобного мы не находим в межмолекулярном взаимодействии. Притянув к себе одного соседа, молекула ни в какой степени не теряет своей «притягательной силы». Подход соседей будет происходить до тех пор, пока хватит места.

Что значит «хватит места»? Разве молекулы – это что-то вроде яблок или яиц? Конечно, в некотором смысле такое сравнение оправдано: молекулы – физические тела, обладающие определенными «размерами» и «формой». Равновесное расстояние между молекулами и есть не что иное, как «размеры» молекул.

Читайте также

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ АТОМАМИ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ АТОМАМИ По свежему следу предыдущего очерка воспользуемся моделью БНЛ для разговора о реальном взаимодействии между атомами, образующими кристалл.Нам уже известно, что взаимодействие, т. е. конкуренция сил притяжения и отталкивания между атомами,

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ И ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЕ ДЕФЕКТОВ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ И ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЕ ДЕФЕКТОВ До сих пор в очерках этой главы шла речь о «заселении» кристалла дефектами. В заключение главы поглядим на кристалл с иной точки зрения. Пусть он — не вместилище дефектов, а плацдарм их взаимодействия. Из общих соображений

34. Взаимодействие

34. Взаимодействие Механика учит, что одностороннего притяжения – и вообще одностороннего действия – быть не может: всякое действие есть взаимодействие. Значит, если наэлектризованная палочка притягивает разные предметы, то она и сама притягивается к ним. Чтобы

Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие Стандартная модель гласит, что протоны, нейтроны и другие тяжелые частицы вовсе не являются элементарными, а состоят из других, еще более малых частиц — кварков. В свою очередь, кварки различают по трем «цветам» и шести «ароматам» (эти термины не

Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие По Стандартной модели, сила слабого взаимодействия обуславливает свойства таких лептонов, как электрон, мюон, тау-мезон и соответствующие им нейтрино. Подобно другим силам, лептоны взаимодействуют, обмениваясь квантами, которые называются W- и

Электромагнитное взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие В Стандартную модель входит максвелловская теория взаимодействия с другими частицами. Эта часть Стандартной модели, объясняющая взаимодействие электронов и света и именуемая квантовой электродинамикой (КЭД), подтверждена

Взаимодействие водяных волн

Взаимодействие водяных волн Создадим на воде два источника одинаковых по частоте и амплитуде воли. Для этого на знакомом нам приборе заменим стерженек В горизонтальным коромыслом, а на концах коромысла прикрепим два вертикальных стерженька. Каждый стерженек, колеблясь,

9. Упаковка молекул

9. Упаковка молекул Характерная особенность описанных выше кристаллов – это отсутствие молекулы в кристалле. Кристалл построен из атомов или ионов, и выделить молекулу в кристалле нельзя. Действительно, вернёмся, например к рисунку 24, а, изображающему строение кристалла

5. Распределение Максвелла (распределение газовых молекул по скоростям) и Больцмана

5. Распределение Максвелла (распределение газовых молекул по скоростям) и Больцмана Распределение Максвелла – в равновесном состоянии параметры газа (давление, объем и температура) остаются неизменными, однако микросостояния – взаимное расположение молекул, их

31. Разновидность пассивного переноса молекул и ионов через биологические мембраны

31. Разновидность пассивного переноса молекул и ионов через биологические мембраны Простая диффузия через липидный слой в живой клетке обеспечивает прохождение кислорода и углекислого газа. Ряд лекарственных веществ и ядов также проникает через липидный слой. Однако

1. Сильное взаимодействие:

1. Сильное взаимодействие: 1. Сильное взаимодействие: частицы, появляющиеся в соответствии с законами квантования ряда полей, называются кварками. Сегодня известно шесть кварков (и связанных с ними антикварков), входящих в три семейства [или поколения], как показано на

2. Электрослабое взаимодействие:

2. Электрослабое взаимодействие: 2. Электрослабое взаимодействие: частицы, появляющиеся в соответствии с законами квантования ряда полей, называются лептонами. Существует шесть лептонов (и связанных с ними антилептонов), входящих в три семейства, как показано на рис. 2.4.

Скорости молекул

Скорости молекул Теория указывает, что при одной температуре средние кинетические энергии молекул mvср2/2 одинаковы. При нашем определении температуры эта средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул газа пропорциональна абсолютной температуре. В виде

Электрическое взаимодействие

Электрическое взаимодействие Механика учит, что одностороннего притяжения – и вообще одностороннего действия – быть не может: всякое действие есть взаимодействие. Если наэлектризованная палочка притягивает разные предметы, то она и сама должна притягиваться к ним.

ГЛАВА 4. Взаимодействие между материей, электричеством и светом

ГЛАВА 4. Взаимодействие между материей, электричеством и светом Теоретические отголоски открытий Фарадея достигли ученых следующих поколений, таких как Максвелл и Эйнштейн. Они приняли эстафету из рук сандеманианца, чтобы сформулировать теории, с большей точностью

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ МАГНЕТИЗМОМ И СВЕТОМ: ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ МАГНЕТИЗМОМ И СВЕТОМ: ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ Хотя казалось, что свет и магнетизм не имеют ничего общего, на самом деле они взаимосвязаны. Всякий раз, когда мы до чего-нибудь дотрагиваемся, атомы наших пальцев вступают во взаимодействие с атомами этого

Источник

Взаимодействие молекул в физике с примерами

Взаимодействие молекул:

Оглядитесь вокруг, и вы увидите множество физических тел. Это и ваш сосед, с которым вы сидите за партой, и сама парта. Это и стул, на котором вы сидите, и ручка, которой вы пишете, и т. п. Все эти тела, как вы уже знаете, состоят из разделенных промежутками частичек, которые постоянно двигаются. Тогда почему частички, из которых состоят физические тела, не разлетаются во все стороны? Более того, тела не только не рассыпаются на отдельные моле кулы — наоборот, чтобы их растянуть, сломать, разорвать, нужно приложить усилие. Попробуем разобраться, почему так.

201519

Причина того, что все тела вокруг нас не распадаются на отдельные молекулы, очевидна: молекулы притягиваются друг к другу. Каждая молекула притягивается к соседним молекулам, а те, в свою очередь,— к ней. Именно благодаря межмолекулярному притяжению твердые тела сохраняют свою форму, жидкость собирается в капли (рис. 2.19), скотч прилипает к бумаге, чернила оставляют след на листе, прижатые друг к другу срезами свинцовые цилиндры крепко схватываются (рис. 2.20).

В науке установлено, что притяжение между молекулами действует всегда. Почему же тогда разбитая чашка не становится целой после того, как ее обломки прижмут друг к другу? С какой бы силой мы ни прижимали друг к другу части сломанного карандаша, они также не соединятся в целый карандаш.

Дело в том, что притяжение между молекулами становится заметным только на очень малых расстояниях (таких, которые можно сравнить с размерами самих частичек). Прижимая обломки чашки или части сломанного карандаша, мы приближаем на такие расстояния только очень малое количество молекул. Расстояние же между большинством из них остается таким, что молекулы практически не взаимодействуют. Теперь становится понятным, почему для того, чтобы свинцовые цилиндры слиплись, необходимо предварительно отшлифовать срезы, а кусочки мягкого воска или пластилина легко слипнутся и без всякого шлифования.
201523

201524

Два сухих листа невозможно сблизить настолько, чтобы они соединились. Однако если смочить листы водой, то они слипнутся, так как молекулы воды приблизятся к молекулам бумаги настолько, что межмолекулярное притяжение уже будет удерживать листы друг возле друга (рис. 2.21).

Межмолекулярное притяжение также является причиной смачивания или несмачивания тела определенными жидкостями (рис. 2.22).

Межмолекулярное отталкивание:

Выше мы доказали, что между молекулами существует притяжение. Учитывая это, возникает целый ряд вопросов. Почему же молекулы газов, в беспорядке двигаясь и постоянно сталкиваясь между собой, не слипаются
201543

Рис. 2.22. Капелька воды растекается по поверхности чистого стекла (смачивает ее), поскольку притяжение между молекулами жидкости больше, чем между молекулами жидкости и стекла (о). Притяжение между молекулами воды больше, чем между молекулами воды и жира, которым покрыты перья водоплавающих птиц поэтому вода не смачивает их (вспомните выражение «как с гуся вода») (б) в один большой ком? Почему, если сжать, например, губку, она через некоторое время восстановит свою форму?

Дело в том, что молекулы не только притягиваются друг к другу, но и отталкиваются. Если расстояние между ними станет очень малым (немного меньше размера молекулы), то межмолекулярное отталкивание становится более сильным, чем притяжение. Попробуйте сжать, например, монетку. Вы не сможете заметно уменьшить ее размеры, так как молекулы монетки будут отталкиваться друг от друга. Так же вы не сможете заметно уменьшить объем жидкости даже с помощью мощного пресса.

Именно межмолекулярное притяжение и отталкивание удерживает молекулы жидкостей и твердых веществ на более или менее определенных расстояниях, которые приблизительно равны размерам самих молекул. В случае уменьшения расстояния молекулы начинают отталкиваться друг от друга, а в случае увеличения — притягиваться, поэтому как для сближения, так и для отдаления молекул необходимо приложить усилие.

Молекулы взаимодействуют между собой: они одновременно притягиваются и отталкиваются. Межмолекулярное взаимодействие проявляется на расстояниях, которые можно сравнить с размерами самих молекул.

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник

Что значит взаимодействие молекул

Силы взаимодействия молекул

Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Заряд ядра равен суммарному заряду всех электронов, поэтому в целом атом электрически нейтрален.
Молекула, состоящая из одного или нескольких атомов, тоже электрически нейтральна.

Рассмотрим взаимодействие между молекулами на примере двух неподвижных молекул.

Между телами в природе могут существовать гравитационные и электромагнитные силы.
Так как массы молекул крайне малы, ничтожно малые силы гравитационного взаимодействия между молекулами можно не рассматривать.

На очень больших расстояниях электромагнитного взаимодействия между молекулами тоже нет.

Но, при уменьшении расстояния между молекулами молекулы начинают ориентироваться так, что их обращенные друг к другу стороны будут иметь разные по знаку заряды (в целом молекулы остаются нейтральными), и между молекулами возникают силы притяжения.

При еще большем уменьшении расстояния между молекулами возникают силы отталкивания, как результат взаимодействия отрицательно заряженных электронных оболочек атомов молекул.

В итоге на молекулу действует сумма сил притяжения и отталкивания. На больших расстояниях преобладает сила притяжения (на расстоянии 2-3 диаметров молекулы притяжение максимально), на малых расстояниях сила отталкивания.

Существует такое расстояние между молекулами, на котором силы притяжения становятся равными силам отталкивания. Такое положение молекул называется положением устойчивого равновесия.

Находящиеся на расстоянии друг от друга и связанные электромагнитными силами молекулы обладают потенциальной энергией.
В положении устойчивого равновесия потенциальная энергия молекул минимальна.

В веществе каждая молекула взаимодействует одновременно со многими соседними молекулами, что также влияет на величину минимальной потенциальной энергии молекул.

Кроме того, все молекулы вещества находятся в непрерывном движении, т.е. обладают кинетической энергией.

Таким образом, структура вещества и его свойства (твердых, жидких и газообразных тел) определяются соотношением между минимальной потенциальной энергией взаимодействия молекул и запасом кинетической энергии теплового движения молекул.

Строение и свойства твердых, жидких и газообразных тел

Строение тел объясняется взаимодействием частиц тела и характером их теплового движения.

Твердое тело

Твердые тела имеют постоянную форму и объем, практически несжимаемы.
Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул больше кинетической энергии молекул.
Сильное взаимодействие частиц.

Тепловое движение молекул в твердом теле выражается только лишь колебаниями частиц (атомов, молекул) около положения устойчивого равновесия.

q1

Из-за больших сил притяжения молекулы практически не могут менять свое положение в веществе, этим и объясняется неизменность объема и формы твердых тел.

Жидкость

Жидкости имеют определенный объем, но не имеют своей формы, они принимают форму сосуда, в которой находятся.
Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул сравнима с кинетической энергией молекул.
Слабое взаимодействие частиц.
Тепловое движение молекул в жидкости выражено колебаниями около положения устойчивого равновесия внутри объема, предоставленного молекуле ее соседями

Молекулы не могут свободно перемещаться по всему объему вещества, но возможны переходы молекул на соседние места. Этим объясняется текучесть жидкости, способность менять свою форму.

Читайте также:  Чем убрать царапины на входной двери

q2

В жидкостях молекулы достаточно прочно связаны друг с другом силами притяжения, что объясняет неизменность объема жидкости.

В жидкости расстояние между молекулами равно приблизительно диаметру молекулы. При уменьшении расстояния между молекулами (сжимании жидкости) резко увеличиваются силы отталкивания, поэтому жидкости несжимаемы.

По своему строению и характеру теплового движения жидкости занимают промежуточное положение между твердыми телами и газами.
Хотя разница между жидкостью и газом значительно больше, чем между жидкостью и твердым телом. Например, при плавлении или кристаллизации объем тела изменяется во много раз меньше, чем при испарении или конденсации.

Газы не имеют постоянного объема и занимают весь объем сосуда, в котором они находятся.
Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул меньше кинетической энергии молекул.
Частицы вещества практически не взаимодействуют.
Газы характеризуются полной беспорядочностью расположения и движения молекул.

q3

Расстояние между молекулами газа во много раз больше размеров молекул. Малые силы притяжения не могут удержать молекулы друг около друга, поэтому газы могут неограниченно расширяться.
Газы легко сжимаются под действием внешнего давления, т.к. расстояния между молекулами велики, а силы взаимодействия пренебрежимо малы.
Давление газа на стенки сосуда создается ударами движущихся молекул газа.

Источник

Урок 4. Взаимодействие молекул

В уроке 4 «Взаимодействие молекул» из курса «Химия для чайников» выясним что из себя представляет межмолекулярное взаимодействие; рассмотрим влияние сил Ван-дер-Ваальса на температуры плавления и кипения; определим роль электроотрицательности в образовании ковалентной полярной и водородной связи. Но нельзя обсуждать взаимодействие молекул, не зная их строения, поэтому не пройдите мимо прошлого урока «Схема образования молекул».

img 59ed9ba32d4d5

Межмолекулярное взаимодействие

Между молекулами в веществе всегда присутствует некоторое притяжение друг к другу, которое называется межмолекулярным взаимодействием. Притяжение молекул друг к другу не такое сильное, как взаимодействие между атомами в молекуле, и недостаточно для образования химических связей, но достаточно для того, чтобы сделать их слегка «клейкими» друг к другу.

Силы Ван-дер-Ваальса

Силы взаимодействия молекул, вызываемые мгновенными флюктуациями распределения электронов в атомах, называются силами Ван-дер-Ваальса. Заумно прозвучало? Далее все встанет на свои места. Силы Ван-дер-Ваальса являются одним из видов межмолекулярного взаимодействия, но можно считать эти силы взаимодействия молекул основными. Просто запомните, что именно благодаря силам Ван-дер-Ваальса в природе существуют три агрегатных состояния вещества.

103

Температура плавления и кипения

1457985534 1

14

Ковалентная полярная химическая связь

«Силу» атома определяет его электроотрицательность: чем больше электроотрицательность химического элемента, тем сильнее он притягивает к себе электроны.

Постарайтесь запомнить самые электроотрицательные химические элементы в порядке возрастания их электроотрицательности: I, Br, N, Cl, O, F. За помощью вы всегда можете обратиться к таблице электроотрицательности, которая расположена ниже.

39

Образование водородной связи

Очевидно, что молекулы воды образованы ковалентной полярной химической связью, поскольку электроотрицательность кислорода больше, чем у водорода. Поэтому атом кислорода в молекуле воды несет в себе небольшой отрицательный заряд, а атомы водорода — небольшие положительные заряды.

1457985588 2

Надеюсь урок 4 «Взаимодействие молекул» был познавательным и понятным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

Источник

Молекулярная физика

img 5a6b7fadd9dce e1516994488998

Молекулярная физика – раздел физики, в котором свойства вещества изучаются на основе его молекулярного (микроскопического) строения.

Молекулярно-кинетической теорией (МКТ) называется теория, объясняющая строение и свойства тел движением и взаимодействием частиц, из которых состоят тела.

В основе МКТ лежат следующие основные положения:

Макроскопическое тело – тело, состоящее из очень большого числа частиц.

Макроскопические параметры – величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета их молекулярного строения.

Микроскопические параметры – величины, являющиеся характеристиками частицы (молекулы) вещества.

Тепловое (термодинамическое) равновесие – состояние тела или системы тел, при котором его термодинамические параметры (​ \( p, V, m \) ​ и др.) остаются неизменными сколь угодно долго.

Модели строения газов, жидкостей и твердых тел

Все вещества могут существовать в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. Четвертым агрегатным состоянием вещества считают плазму. Агрегатное состояние зависит от физических условий, в которых находится вещество. Существование у вещества нескольких агрегатных состояний обусловлено различиями в тепловом движении его молекул (атомов) и в их взаимодействии при разных условиях. Переходы между агрегатными состояниями сопровождаются скачкообразным изменением ряда физических свойств (плотности, теплопроводности и др.). Рассмотрим особенности строения газов, жидкостей и твердых тел.

В газах силы притяжения между молекулами очень малы. Частицы газа находятся на больших расстояниях друг от друга: расстояния между частицами гораздо больше размеров самих частиц. Частицы газа движутся беспорядочно. Кинетическая энергия молекул газа гораздо больше потенциальной энергии их взаимодействия. Порядок в расположении частиц отсутствует. Это объясняет следующие свойства газа: газы занимают весь объем сосуда, не имеют формы, легко сжимаемы.

Молекулы жидкости сильно взаимодействуют друг с другом и расположены очень близко друг к другу. Однако такое расположение частиц не является строго упорядоченным по всему объему. Говорят, что в жидкостях наблюдается ближний порядок – упорядоченное относительное расположение соседних частиц жидкости. Потенциальная энергия взаимодействия молекул жидкости сравнима с их кинетической энергией. Молекулы жидкости совершают хаотические колебания около положений равновесия. Эти колебания происходят внутри свободного объема, предоставляемого молекулам ее соседями. Через некоторое время положение равновесия смещается, и частица жидкости совершает скачок. Свойства жидкостей одинаковы по всем направлениям. Основные свойства жидкостей: жидкости имеют определенный объем, но не сохраняют форму, текучи и мало сжимаемы.

В твердых телах силы взаимного притяжения частиц очень велики. Частицы твердых тел не могут уйти со своих мест на большое расстояние. Потенциальная энергия взаимодействия молекул твердого тела больше их кинетической энергии. Движение частиц представляет собой колебания относительно их положений равновесия – узлов кристаллической решетки.

Твердые тела делятся на кристаллические и аморфные. Кристаллические твердые тела имеют упорядоченное, периодически повторяющееся в пространстве расположение частиц – кристаллическую решетку. Одиночные кристаллы, имеющие форму правильных многогранников, называются монокристаллами. Для таких тел характерна анизотропия – зависимость физических свойств от направления. Большинство твердых тел представляют собой сросшиеся монокристаллы – поликристаллы. Поликристаллы изотропны – их физические свойства одинаковы по всем направлениям. В кристаллических твердых телах имеется дальний порядок в расположении частиц: упорядоченное расположение частиц повторяется по всему объему кристалла. В аморфных телах атомы колеблются около хаотически расположенных точек. Свойства аморфных тел: они изотропны, не имеют постоянной температуры плавления, обладают текучестью. Примерами аморфных тел являются смола, янтарь, стекло. Свойства твердых тел: они сохраняют форму и объем, мало сжимаемы, имеют определенную температуру плавления.

Тепловое движение атомов и молекул вещества

Молекулы (атомы) вещества всегда находятся в постоянном беспорядочном движении независимо от того, имеем ли мы дело с твердым, жидким или газообразным состоянием вещества. Это движение обусловливает собой наличие в любом веществе внутренней кинетической энергии, связанной с температурой вещества.

Тепловое движение – это беспорядочное хаотическое движение частиц, из которых состоит вещество.

Тепловым движением объясняется, например, давление газа на стенки сосуда, теплопроводность, т. е. перенос тепла от более нагретого к менее нагретому телу.

Хаотичность является важнейшей чертой теплового движения. Нельзя точно определить координаты молекулы и ее скорость (импульс), поэтому используют усредненные или вероятностные значения координат и импульса. При механическом движении координаты и импульс объекта определяются строго из законов динамики Ньютона и кинематических уравнений.

Температура тела зависит от средней кинетической энергии молекул. Скорость теплового движения частиц увеличивается с ростом температуры. Эксперименты показывают, что при любой температуре в веществе есть молекулы, двигающиеся довольно медленно, и молекулы, скорость которых высока. Если количество молекул вещества, имеющих высокую скорость, увеличивается, т. е. увеличивается средняя скорость молекул, то это значит, что температура вещества также увеличивается.

Важно!
В тепловом движении молекул и атомов участвуют абсолютно все молекулы тела, именно поэтому с изменением теплового движения меняется и состояние самого тела, его различные свойства.

Броуновское движение

Броуновским движением называют тепловое движение взвешенных в жидкости или газе частиц. Это движение в 1827 г. впервые наблюдал английский ботаник Р. Броун, рассматривая в микроскоп взвешенные в воде споры плауна. Интенсивность броуновского движения не зависит от времени, но возрастает с ростом температуры среды, с уменьшением вязкости и размеров частиц.

Причиной броуновского движения частицы являются беспорядочные нескомпенсированные удары молекул жидкости (газа) о взвешенную частицу. Молекулы среды движутся хаотически, и взвешенная частица в любой момент времени подвергается неуравновешенным воздействиям, сила которых непрерывно изменяется по величине и направлению. Если бы частица была большой, то молекулы равномерно толкали бы ее со всех сторон, и она оставалась бы на месте. Но небольшая частица имеет маленькую поверхность, и удары молекул не уравновешивают друг друга. Равнодействующая сил не равна нулю, и в течение времени меняется по величине и направлению. Так как молекулы среды движутся беспорядочно, число ударов о броуновскую частицу быстро изменяется, и скорость ее меняется по величине и направлению. В результате частица перемещается по сложной траектории.

Теория броуновского движения была создана в 1905 г. А. Эйнштейном и М. Смолуховским. Эйнштейн доказал, что при движении броуновской частицы средний квадрат смещения молекулы пропорционален времени ее движения.

В 1908 г. Ж. Перрен изучал движение нерастворимых в жидкости частиц в горизонтальной кювете в воде и их распределение в поле силы тяжести в узкой вертикальной кювете. Выявленные закономерности полностью подтвердили теорию Эйнштейна. На основе экспериментов Перрена удалось найти с достаточной точностью число Авогадро.

Броуновское движение в метрологии является основной причиной, по которой точность чувствительных измерительных приборов ограничена, потому что тепловое движение атомов деталей приборов и окружающей среды вызывает дрожание стрелок измерительных приборов.

Диффузия

Диффузия – явление взаимного проникновения молекул соприкасающихся веществ в межмолекулярные промежутки друг друга. Так как молекулы вещества хаотически движутся, то они проникают в межмолекулярные промежутки соприкасающегося с ним тела и распределяются между ними. Диффузия приводит к выравниванию концентраций соприкасающихся веществ.

Это явление наблюдается в газах, жидкостях и твердых телах. Скорость диффузии наибольшая в газах, а самая маленькая в твердых телах. Скорость диффузии увеличивается при повышении температуры. Диффузия играет существенную роль в природе.

Диффузия газов обеспечивает однородность атмосферы вблизи поверхности Земли. Диффузия способствует нормальному питанию растений, животных.

Экспериментальные доказательства атомистической теории. Взаимодействие частиц вещества

Атомистическая гипотеза была выдвинута Демокритом около 2500 лет назад. Такие ученые как Декарт, Ломоносов, Ньютон считали, что материя состоит из мельчайших неделимых частиц. Однако в их работах не было приведено доказательства их существования. Количественное обоснование теории было дано в работах Дальтона, Гей-Люссака, Авогадро.

МКТ подтверждена многочисленными опытами и наблюдениями.

Первое положение МКТ — все тела состоят из частиц (атомов, молекул, ионов и др.), разделенных промежутками.

Его подтверждают явления испарения жидкостей и твердых тел, делимости веществ, диффузии, броуновского движения, растворения веществ, окрашивания воды крупинкой краски, сжимаемости веществ. Экспериментальным подтверждением существования отдельных, разделенных промежутками частиц могут служить проницаемость, сжимаемость, растворимость веществ.

Косвенными доказательствами являются фотографии молекул и групп атомов, полученные с помощью электронного микроскопа, измерения масс и размеров молекул – например, образование пленки олеиновой кислоты на поверхности воды. Полагая, что эта пленка имеет толщину в одну молекулу, получаем диаметр молекулы ​ \( d \) ​.

img 5a6b237aa7a4b

где ​ \( V \) ​ – объем капли олеиновой кислоты, ​ \( S \) ​ – площадь пленки на поверхности воды.

Существование молекул доказывает закон кратных соотношений (закон Дальтона): при образовании из двух элементов различных веществ массы одного из элементов в разных соединениях находятся в кратных отношениях. Например:

img 5a6b2398aed77

Существование промежутков доказывает тот факт, что при смешивании различных жидкостей объем смеси меньше суммы объемов отдельных жидкостей; диффузия; деформация.

Массы атомов и молекул определяют по формуле:

img 5a6b23bc1d296

где ​ \( M \) ​ – молярная масса, ​ \( N_A \) ​ – постоянная Авогадро.

Постоянная Авогадро – число атомов, молекул (структурных элементов) в одном моле любого вещества:

img 5a6b23e8047ac

Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде массой 0,012 кг. Моль – основная единица Международной системы (СИ).

Важно!
В одном моле любого вещества содержится одинаковое число частиц – 6·10 23 частиц.

Так как массы молекул очень малы, удобно использовать в расчетах не абсолютные значения масс, а относительные. По международному соглашению массы всех атомов и молекул сравнивают с \( \frac<1> <12>\) массы атома углерода (углеродная шкала атомных масс).

Относительной молекулярной (или атомной) массой вещества ​ \( M_r \) ​ называют отношение массы молекулы (или атома) ​ \( m_0 \) ​ данного вещества к ​ \( \frac<1> <12>\) ​ массы атома углерода ​ \( m_ <0C>\) ​:

img 5a6b248cbe7d2

Относительные атомные массы всех химических элементов точно определены. Складывая относительные атомные массы, можно вычислить относительную молекулярную массу.

Чем больше атомов и молекул содержится в макроскопическом теле, тем больше вещества содержится в нем. Число молекул в макроскопических телах огромно, поэтому удобно указывать не абсолютное число атомов или молекул, а относительное. Принято сравнивать число молекул или атомов в данном теле с числом атомов, содержащихся в углероде массой 12 г.

Относительное число атомов или молекул в теле характеризует особая физическая величина: количество вещества.

Обозначение – ​ \( \nu \) ​, единица измерения в СИ – моль.

Читайте также:  Что делать маме которая выгорела

Количеством вещества \( \nu \) называют отношение числа молекул ​ \( N \) ​ в данном теле к числу атомов в 0,012 кг углерода:

img 5a6b25ec2fccd

Молярной массой вещества ​ \( M \) ​ называют массу вещества, взятого в количестве 1 моля:

img 5a6b2619aade0

Важно!
В СИ единица измерения молярной массы – кг/моль.

Второе положение МКТ — движение частиц.

Это положение доказывают диффузия, броуновское движение, существование давления газа на стенки сосуда.

В 1860 году Максвелл пришел к выводу о том, что молекулы газа движутся с различными скоростями. Он вывел закон распределения молекул газа по скоростям. Значительное число молекул движется со скоростью, названной наиболее вероятной. Она зависит от температуры – чем выше температура, тем больше эта скорость. Число молекул, движущихся со скоростями больше или меньше наиболее вероятной скорости, мало. Эта скорость по теоретическим расчетам составляет несколько сотен метров в секунду при нуле градусов Цельсия.

img 5a6b26523b34f

На графике по оси абсцисс отложены значения модуля скорости частиц, по оси ординат – относительное число молекул, скорости которых лежат в интервале от ​ \( v \) ​ до ​ \( v+\Delta v \) ​ (это отношение обозначено ​ \( F \) ​).

Экспериментально скорость движения молекул была определена в опыте Штерна в 1920 году.

Экспериментальная установка представляла собой два цилиндра разных радиусов, обладающих общей осью вращения, которые приводились во вращение с большой скоростью. На оси внутреннего цилиндра располагалась платиновая проволока, покрытая серебром. При пропускании по ней тока проволока нагревалась, и атомы серебра испарялись с нее. На внутреннем цилиндре была сделана прорезь. Установка помещалась в вакуум.

img 5a6b2695dc2e5

Если цилиндры были неподвижны, то атомы серебра осаждались на внешнем цилиндре напротив щели. При вращении цилиндров полоска смещалась относительно прорези и была неоднородна по толщине. Это доказывало, что скорость атомов серебра разная и что число частиц, движущихся с различными скоростями, неодинаково. Толщина слоя определяется числом частиц, движущихся с определенной скоростью.

Третье положение МКТ — частицы вещества взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания.

Эти силы зависят от расстояния: с увеличением расстояния преобладают силы притяжения, при уменьшении – силы отталкивания. Взаимодействие частиц доказывает деформация, существование различных агрегатных состояний вещества, сохранение формы и объема твердого тела, смачивание и капиллярность (существование сил поверхностного натяжения жидкости), опыт с двумя свинцовыми цилиндрами, которые, будучи притерты друг к другу свежими срезами, выдерживают значительную нагрузку.

При растяжении тела увеличиваются расстояния между частицами и возникают силы притяжения, а при сжатии расстояние между частицами становится меньше и начинают действовать силы отталкивания. В обоих случаях возникает сила упругости, стремящаяся вернуть тело в исходное состояние.

img 5a6b2713becbb

Зависимость силы взаимодействия между молекулами от расстояния показана на рисунке. ​ \( F \) ​ – проекция силы взаимодействия, которая отрицательна в случае притяжения и положительна при отталкивании частиц, ​ \( r \) ​ – расстояние между частицами. При сближении сила взаимодействия сначала растет по модулю, затем убывает (область притяжения частиц). При переходе через ​ \( r = r_0 \) ​ сила взаимодействия изменяет знак и очень быстро увеличивается по модулю при уменьшении расстояния (область отталкивания частиц). Расстояние ​ \( r_0 \) ​ соответствует устойчивому равновесию двух частиц. При отклонении от него в любую сторону возникает сила, возвращающая молекулы в состояние равновесия. Этому расстоянию соответствует минимальная потенциальная энергия.

Модель идеального газа

В молекулярно-кинетической теории используется идеализированная модель – идеальный газ.

Идеальный газ – газ, молекулы которого не взаимодействуют между собой.

Эта модель удовлетворяет следующим условиям:

По своим свойствам близки к идеальному газу разреженные газы (при малом давлении и не слишком низких температурах).

Связь между давлением и средней кинетической энергией теплового движения молекул идеального газа

Большое число молекул газа и хаотичность их движения приводит к тому, что все направления их движения встречаются одинаково часто. Соударения между частицами приводят к непрерывному изменению их скоростей. Поэтому для описания движения одной частицы можно использовать законы Ньютона, а для описания движения большого числа частиц эти законы использовать нельзя. Для описания поведения большого числа частиц используют теорию вероятностей, с помощью которой находят средние значения физических величин – среднее значение скорости частицы ​ \( v \) ​, среднее значение кинетической энергии частицы ​ \( E \) ​.

Основное уравнение МКТ устанавливает связь между макропараметром – давлением и микропараметрами, характеризующими частицу. Давление идеального газа пропорционально произведению массы молекулы на концентрацию молекул и средний квадрат их скорости:

img 5a6b27b5de9af

где ​ \( m_0 \) ​ – масса частицы, ​ \( n \) ​ – концентрация частиц, ​ \( \overline \) ​ – среднее значение квадрата скорости.

Среднее значение квадрата скорости находится по формуле:

img 5a6b2ab77fb93

где \( \overline,\,\overline,\,\overline \) – средние значения квадрата проекции скорости на оси ОХ, ОУ и ОZ соответственно.

Среднее значение квадрата проекции скорости на оси ОХ вычисляется по формуле:

img 5a6b2fe9e1eb6

Аналогично вычисляются средние значения квадрата проекции скорости на оси ОУ и ОZ.

Так как все направления движения из-за хаотичности движения молекул равновероятны, то:

img 5a6b3007786d7

Множитель ​ \( \frac<1> <3>\) ​ появляется вследствие существования трех проекций у любого вектора скорости.

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы:

img 5a6b309dbf7f6

Давление идеального газа пропорционально концентрации молекул и средней кинетической энергии их поступательного движения.

Абсолютная температура

Термодинамическое (тепловое) равновесие – состояние тела или системы тел, при котором все макроскопические параметры (давление, объем, температура, масса) остаются неизменными сколь угодно долго.

Температура – термодинамический параметр, который одинаков во всех частях термодинамической системы.

Температура – скалярная физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия системы и являющаяся мерой кинетической энергии поступательного движения молекул (атомов) тела.

Основой измерения температуры является зависимость какого-либо свойства тела (например объема или электрического сопротивления) от температуры. На практике чаще всего встречаются термометры, в которых используется зависимость объема жидкости (спирт, ртуть) от температуры. Для измерения температуры необходимо привести тело в тепловой контакт с термометром. Показания термометра следует отсчитывать только после наступления теплового равновесия с термометром. Масса термометра должна быть намного меньше массы тела, температуру которого измеряют.

На практике распространена температурная шкала Цельсия. Она строится по двум опорным (реперным) точкам: температуре таяния льда и температуре кипения воды, которым приписаны температуры ​ \( t_ <пл.>\) ​ = 0 °С и \( t_ <к.в.>\) = 100 °С. Недостаток этой шкалы, как и остальных температурных шкал, – произвольный выбор опорных точек и их зависимость от внешних условий.

От этого недостатка свободна абсолютная шкала температур. Принцип создания этой шкалы заключается в следующем. Кинетическая энергия молекул может быть больше или равна нулю. Температура, при которой прекращается хаотическое поступательное движение молекул, называется абсолютным нулем. Этому значению соответствует температура –273,15 °С.

Шкала температур, на которой температура отсчитывается от абсолютного нуля, а деления равны градусам шкалы Цельсия, называется абсолютной температурной шкалой, или шкалой Кельвина. На такой шкале не существует отрицательных температур.

Обозначение – ​ \( T \) ​, единица измерения в СИ – кельвин (К).

Кельвин является одной из основных единиц Международной системы единиц. Перевод температуры ​ \( t \) ​ из градусов Цельсия в температуру \( T \) в кельвинах:

img 5a6b315e49cdf

Перевод температуры \( T \) из кельвинов в температуру ​ \( t \) ​ в градусах Цельсия:

img 5a6b318044cc0

Важно!
При решении задач нужно помнить, что температура всегда переводится в кельвины. Один градус по шкале Цельсия и один кельвин равны. Поэтому любое значение абсолютной температуры будет на 273 градуса выше соответствующей температуры в градусах Цельсия. Но изменение абсолютной температуры равно изменению температуры в градусах Цельсия: ​ \( \Delta T=\Delta t \) ​.

Связь температуры газа со средней кинетической энергией его частиц

Температура – характеристика внутреннего состояния макроскопической системы – состояния теплового равновесия.

Важно!
Температура – термодинамический параметр, одинаковый во всех частях термодинамической системы, находящейся в тепловом равновесии. Температуры тел, находящихся в тепловом контакте, выравниваются.

Опытным путем было установлено, что при тепловом равновесии отношение давления к концентрации для всех газов одинаково. То есть отношение

img 5a6b31d34639f

обладает свойствами температуры. Но здесь возникает неудобство, связанное с тем, что единица измерения ​ \( \Theta \) ​ – джоуль, а температуру традиционно измеряют в градусах. Поэтому отношение давления к концентрации считают пропорциональным абсолютной температуре:

img 5a6b321d65434

Коэффициент пропорциональности называется постоянной Больцмана. Эта постоянная связывает температуру в энергетических единицах (джоулях) с температурой в кельвинах:

img 5a6b32394de9b

Числовое значение постоянной Больцмана ​ \( k=1.38\cdot10^ <-23>\) ​ Дж/К. Тогда основное уравнение МКТ можно записать так:

img 5a6b32a94c387

Из этого уравнения следует, что давление газа пропорционально концентрации молекул и абсолютной температуре. Используя запись этого уравнения, через среднюю кинетическую энергию частицы ​ \( E \) ​ можно получить соотношение между средней кинетической энергией и температурой:

img 5a6b32d03571d

Абсолютная температура является величиной, прямо пропорциональной средней кинетической энергии теплового движения частиц.

Для скорости частицы можно записать формулу:

img 5a6b32e51c140

где ​ \( m_0 \) ​ – масса частицы, ​ \( M \) ​ – молярная масса, ​ \( R \) ​ – универсальная газовая постоянная.

img 5a6b331e00370

Уравнение p=nkT

Основное уравнение МКТ, используя понятие абсолютной температуры, можно записать так:

img 5a6b333b00e06

Из этой формулы следует, что при одинаковых давлениях и температурах концентрация молекул у всех газов одинакова. В равных объемах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое число частиц (закон Авогадро).

Уравнение Менделеева – Клапейрона

Уравнение, устанавливающее связь между макропараметрами газа массой ​ \( m \) ​, давлением ​ \( p \) ​, объемом ​ \( V \) ​ и температурой ​ \( T \) ​, называется уравнением состояния идеального газа.

Клапейрон установил, что при постоянной массе газа отношение произведения давления газа на объем к его абсолютной температуре остается постоянным:

img 5a6b337defcfe

img 5a6b33975ee47

Эту величину обозначают ​ \( R \) ​ и называют универсальной газовой постоянной:

img 5a6b33bbbe178

Тогда уравнение Клапейрона для 1 моль идеального газа запишется так:

img 5a6b33d7ab7ec

Для количества вещества, равного любому числу моль:

img 5a6b33ed46120

В такой форме уравнение состояния идеального газа впервые было записано Д. И. Менделеевым. Эту формулу называют уравнением Менделеева – Клапейрона.

Изопроцессы: изотермический, изохорный, изобарный, адиабатный процессы

Изопроцесс — это процесс, протекающий при постоянной массе газа и постоянном значении одного из параметров состояния системы.

Изотермический процесс — термодинамический процесс, проходящий при постоянной температуре и неизменной массе газа.

Изотермический процесс подчиняется закону Бойля – Мариотта: для данной массы газа при неизменной температуре произведение числовых значений давления и объема постоянно:

img 5a6b3b212c2ae

Важно!
Процесс можно считать изотермическим, если он протекает медленно. Например, подъем воздушного пузырька со дна пруда к поверхности.

На графике изотермический процесс изображается кривой, которую называют изотерма.

img 5a6b3b512e66d

Разным температурам соответствуют разные изотермы. При одинаковых объемах газ с более высокой температурой производит большее давление. Значит, чем выше температура, тем выше расположена изотерма в осях ​ \( (p,V) \) ​.

В координатных осях ​ \( p(T) \) ​ и ​ \( V(T) \) ​ график изотермического процесса выглядит так:

img 5a6b3bd0f17b0

img 5a6b3bf837564

Изобарный процесс — термодинамический процесс, проходящий при неизменной массе газа и постоянном давлении.

Изобарный процесс подчиняется закону Гей-Люссака: при неизменном давлении объем данной массы газа прямо пропорционален его абсолютной температуре:

img 5a6b3c3dc886f

На графике зависимости объема от температуры этот процесс изображается прямой, которую называют изобара. Изобара всегда выходит из начала координат в осях ​ \( (V, T) \) ​.

img 5a6b3c6732e6a

Так как абсолютный нуль недостижим, то из начала координат изобару проводят пунктиром.

img 5a6b3c857b608

Разным давлениям соответствуют разные изобары. При одинаковой температуре чем меньше объем газа, тем большее давление он производит. Это значит, что, чем выше давление, тем ниже расположена изобара в осях ​ \( (V, T) \) ​.

В координатных осях ​ \( p(T) \) ​ и ​ \( p(V) \) ​ график изобарного процесса выглядит так:

img 5a6b3cd19392f

Важно!
Процесс можно считать изобарным, если не меняется внешнее давление.

Изохорный процесс – это термодинамический процесс, проходящий при неизменной массе газа и постоянном объеме.

Изохорный процесс подчиняется закону Шарля: при неизменном объеме давление данной массы газа прямо пропорционально его абсолютной температуре:

img 5a6b3cf9be63d

На графике зависимости давления от температуры этот процесс изображается прямой, которую называют изохора. Изохора всегда выходит из начала координат в осях ​ \( (p, T) \) ​. Так как абсолютный нуль недостижим, то из начала координат изохору проводят пунктиром.

img 5a6b736ce0440

Разным объемам соответствуют разные изохоры. При одинаковой температуре чем меньше объем газа, тем большее давление он производит. Поэтому при одинаковой температуре чем больше объем, тем ниже расположена изохора (в осях ​ \( p,V \) ​).

img 5a6b73ed77f0a

В координатных осях ​ \( V(T) \) ​ и ​ \( p(V) \) ​ график изобарного процесса выглядит так:

img 5a6b742f33e68

Важно!
Процесс можно считать изохорным, если он происходит в закрытом сосуде.

Адиабатный процесс – термодинамический процесс, проходящий без теплообмена с окружающей средой.

Адиабатный процесс возможен при хорошей теплоизоляции системы. К адиабатным можно отнести быстро протекающие процессы сжатия или расширения газа. При быстром сжатии газа затрачивается работа, приводящая к увеличению внутренней энергии и повышению температуры. Тело, температура которого повышена, должно некоторое количество теплоты передать окружающей среде, но процесс теплопередачи требует некоторого времени, поэтому при быстром сжатии (или расширении) теплота не успевает распространиться из данного объема (​ \( Q \) ​ = 0), и процесс можно рассматривать как адиабатный.

Читайте также:  Чем помыть голову чтобы волосы не выпадали

img 5a6b745319a5d

Зависимость давления от объема газа при адиабатном процессе на графике изображается кривой, называемой адиабата. При адиабатном сжатии давление газа с уменьшением объема растет быстрее из-за повышения температуры. Различие в изображении адиабаты и изотермы дает рисунок, на котором адиабата обозначена цифрой 2, а изотерма – цифрой 1.

img 5a6b74caaf3dd

Примером адиабатного процесса в природе является образование облаков.

При решении задач на «Уравнение Менделеева – Клапейрона» и газовые законы выделяют следующие группы задач:

Алгоритм решения задач первой группы:

Алгоритм решения задач второй группы:

Алгоритм решения задач третьей группы:

Насыщенные и ненасыщенные пары

При испарении жидкости в закрытом сосуде через некоторое время количество жидкости перестает уменьшаться, хотя молекулы продолжают переходить в пар. В этом случае наряду с процессом парообразования происходит процесс превращения пара в жидкость – конденсация. Это означает, что жидкость и ее пар находятся в состоянии динамического равновесия, когда число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость из пара. В состоянии динамического равновесия скорости процессов испарения и конденсации одинаковы. С этого момента количество жидкости и ее пара не меняется. Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.

При повышении температуры давление насыщенного пара и его плотность возрастают, а плотность жидкости уменьшается из-за теплового расширения. Температура, при которой исчезают физические различия между жидкостью и ее паром, называется критической ​ \( T_ <кр.>\) ​. При температуре, равной критической температуре \( T_ <кр.>\) для данного вещества, плотности пара и жидкости становятся одинаковыми. При \( T \geq T_ <кр.>\) исчезают физические различия между жидкостью и ее насыщенным паром.

Свойства насыщенного пара

Давление насыщенного пара данной жидкости при постоянной температуре – постоянная величина, и она не зависит от объема пространства над испаряющейся жидкостью. Значит, при постоянной температуре плотность насыщенного пара постоянна.

Число молекул, вылетающих с единицы площади поверхности жидкости за одну секунду, зависит от температуры жидкости. Число молекул, возвращающихся из пара в жидкость, зависит от концентрации молекул пара и от средней скорости их теплового движения, которая определяется температурой пара. Отсюда следует, что для данного вещества концентрация молекул пара при равновесии жидкости и ее пара определяется их температурой. Установление динамического равновесия между процессами испарения и конденсации при повышении температуры происходит при более высоких концентрациях молекул пара.

Так как давление газа (пара) определяется его концентрацией и температурой, то можно сделать вывод: давление насыщенного пара \( p_ <нас.>\) данного вещества зависит только от его температуры и не зависит от объема.

Если изотермически сжимать ненасыщенный пар ​ \( (T ​, то его давление будет возрастать, пока не станет равным давлению насыщенного пара. При дальнейшем уменьшении объема на дне сосуда образуется жидкость и устанавливается динамическое равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром. С уменьшением объема все большая часть пара конденсируется, а его давление остается неизменным. Когда весь пар превращается в жидкость, давление резко возрастает при дальнейшем уменьшении объема вследствие малой сжимаемости жидкости.

Давление насыщенного пара не зависит от объема при данной температуре. Если объем изменяется, то конденсация будет преобладать над испарением или наоборот, пока не установится динамическое равновесие.

Давление ​ \( p_ <нас.>\) ​ насыщенного пара очень быстро возрастает с ростом температуры ​ \( T \) ​. Зависимость \( p_<нас.>(T) \) нельзя получить из законов идеального газа. Давление газа при постоянной концентрации молекул растет прямо пропорционально температуре. В насыщенном паре при повышении температуры возрастает не только средняя кинетическая энергия движения молекул, но и их концентрация. Поэтому давление насыщенного пара при повышении температуры возрастает быстрее, чем давление идеального газа при постоянной концентрации молекул.

img 5a6b7c6046db1

На рисунке показана зависимость давления насыщенного пара от температуры. На участке АВ (в сосуде пар и жидкость) давление увеличивается за счет роста температуры и, соответственно, скорости частиц. На участке ВС (в сосуде пар и жидкость) давление увеличивается как за счет роста температуры, так и за счет увеличения концентрации молекул пара. Участок СD (в сосуде только пар) соответствует состоянию, когда давление растет за счет увеличения скоростей молекул пара.

Зависимость между массой, объемом, давлением и температурой для насыщенного пара не такая, как для идеального газа, так как если пар в каком-либо процессе остается насыщенным, то его масса меняется. При изотермическом сжатии насыщенный пар частично конденсируется, так что его давление остается постоянным. При изохорном охлаждении насыщенный пар частично конденсируется, его давление уменьшается и становится равным давлению насыщенного пара при более низкой температуре.

Ненасыщенный пар можно теоретически описывать с помощью уравнения состояния идеального газа при обычных для реальных газов ограничениях: давление пара должно быть не слишком велико (практически ​ \( p \) ​ ≤ (10 6 –10 7 ) Па), а его температура выше некоторого определенного для каждого вещества значения. К насыщенному пару также можно приближенно применять законы идеального газа.

Влажность воздуха

Влажность воздуха – физическая величина, характеризующая содержание водяного пара в воздухе. Различают абсолютную и относительную влажность.

Относительной влажностью называют отношение абсолютной влажности к тому количеству водяного пара, которое необходимо для насыщения 1 м 3 воздуха при данной температуре.

Обозначение – ​ \( \varphi \) ​, единица измерения – %.

Относительная влажность показывает, насколько водяной пар, содержащийся в воздухе, близок к насыщению. Формула для вычисления относительной влажности:

img 5a6b7cc597c16

где ​ \( p_ <пар>\) ​ –парциальное давление водяного пара воздуха при данной температуре, \( p_ <нас>\) – давление насыщенного пара при той же температуре.

От относительной влажности зависит интенсивность испарения и потеря влаги живыми организмами. Комфортной для человека является влажность 40–60%.

Точкой росы называется температура, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным.

Для измерения влажности используют:

Психрометр состоит из двух термометров – сухого, который показывает температуру воздуха, и влажного, резервуар которого обмотан влажной тканью. По психрометрической таблице выбирают строку, соответствующую показаниям сухого термометра, и столбец, соответствующий значению разности температур сухого и влажного термометров. На пересечении строки и столбца – значение относительной влажности воздуха.

img 5a6b7d206506e

Гигрометр дает определение влажности по точке росы. Определив точку росы и зная температуру воздуха, по таблице зависимости давления насыщенного водяного пара от температуры вычисляют абсолютную влажность воздуха.

Изменение агрегатных состояний вещества: испарение и конденсация, кипение жидкости

Любое вещество при определенных условиях может находиться в различных агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. Переход из одного состояния в другое называется фазовым переходом.

Парообразование – это процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное.

Испарением называется парообразование, происходящее с поверхности жидкости при любой температуре.

Молекулы, вылетевшие из жидкости при парообразовании, называются паром данной жидкости. Поверхность жидкости покидают молекулы с наибольшей скоростью (соответственно и кинетической энергией), поэтому в результате испарения температура жидкости уменьшается. Скорость испарения зависит от рода жидкости, температуры, площади поверхности жидкости и отвода вылетевших молекул.

Конденсация – это процесс, обратный процессу испарения. При конденсации молекулы пара возвращаются в жидкость.

Кипением называется процесс интенсивного парообразования, происходящий по всему объему жидкости.

В жидкости всегда имеются мельчайшие пузырьки пара. Пар внутри пузырька является насыщенным. При повышении температуры жидкости давление пара в пузырьке возрастает и его объем увеличивается. Под действием архимедовой силы пузырек всплывает на поверхность. Если давление насыщенного пара внутри пузырька равно внешнему давлению, то жидкость кипит.

Важно!
Кипение жидкости начинается при такой температуре, при которой давление ее насыщенных паров становится равным внешнему давлению.

Температурой кипения называется температура жидкости, при которой давление ее насыщенного пара равно внешнему давлению.

Температура кипения повышается с ростом внешнего давления и понижается при его уменьшении. При нормальном атмосферном давлении вода кипит при температуре 100 °С. Это значит, что при такой температуре давление насыщенных паров воды равно 1 атм или 10 5 Па. При подъеме в горы атмосферное давление уменьшается, и поэтому температура кипения воды понижается (приблизительно на 1 °С на каждые 300 м высоты). На высоте 7 км давление составляет примерно 0,4 атм и температура кипения понижается до 70 °С.

Важно!
В герметически закрытом сосуде жидкость кипеть не может, т. к. при каждом значении температуры устанавливается равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром.

В процессе кипения температура жидкости остается постоянной (если не изменяется внешнее давление). На графике можно увидеть, что участок 1–2 — это нагревание жидкости, участок 2–3 — кипение. Подводимое к жидкости тепло расходуется на парообразование.

img 5a6b7d8c198fd

Количество теплоты, необходимое для превращения жидкости, нагретой до температуры кипения, в пар, вычисляется по формуле:

img 5a6b7da196675

где ​ \( L \) ​ – удельная теплота парообразования вещества, ​ \( m \) ​ – масса вещества.

Удельная теплота парообразования вещества – это физическая величина, равная количеству теплоты, необходимому для превращения 1 кг жидкости при постоянной температуре в пар.

Единица измерения удельной теплоты парообразования в СИ – Дж/кг.

При конденсации пара выделяется такое же количество теплоты:

img 5a6b7dd5518ec

Изменение агрегатных состояний вещества: плавление и кристаллизация

Плавление – процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое.

Чтобы происходило плавление твердого тела, к нему необходимо подводить тепло. Плавление твердого тела происходит при определенной температуре, называемой температурой плавления. Температура плавления зависит от внешнего давления.

При плавлении амплитуда колебаний частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки, увеличивается и становится сравнимой с расстоянием между частицами. Притяжение частиц вещества становится слабее. В результате в процессе плавления происходит разрушение кристаллической решетки. В процессе плавления твердое тело существует одновременно в твердом и жидком состояниях. При плавлении температура тела не меняется и равна температуре плавления.

Для того чтобы расплавить вещество, к нему необходимо подводить тепло. Количество теплоты, необходимое для плавления, вычисляется по формуле:

img 5a6b7e00e09d5

где ​ \( \lambda \) ​ – удельная теплота плавления вещества, ​ \( m \) ​ – масса вещества.

Удельная теплота плавления вещества – это физическая величина, равная количеству теплоты, необходимому для превращения 1 кг кристаллического вещества при температуре плавления в жидкость той же температуры.

Единица измерения в СИ – Дж/кг.

Кристаллизация (отвердевание) – переход вещества из жидкого состояния в твердое.

Кристаллизация происходит при постоянной температуре, равной температуре плавления. Кристаллизация начинается вблизи центров кристаллизации – примесей, пылинок. Около них начинается упорядочение структуры в расположении частиц и образование кристаллической решетки. Кристаллизация сопровождается выделением тепла:

img 5a6b7e33d842d

Изменение энергии в фазовых переходах

Все вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях (фазах): газообразном, жидком и твердом. Возможен переход вещества из одного агрегатного состояния (фазы) в другое. Такие переходы называют фазовыми переходами.

Фазовый переход – это переход вещества из одной фазы в другую при изменении внешних условий (температуры, давления), сопровождающийся скачкообразным изменением его физических свойств.

Выделяют следующие фазовые переходы: плавление и кристаллизация, парообразование и конденсация.

Важно!
Переход вещества из одной фазы в другую при постоянном давлении происходит при строго определенной температуре. Внутренняя энергия при фазовых переходах изменяется.

Для плавления требуется сообщить телу некоторое количество теплоты. При нагревании вещества до температуры плавления подводимая энергия идет на увеличение скорости движения частиц. Это значит, что при нагревании до температуры плавления растут температура вещества и его внутренняя энергия. Подводимая к телу энергия в процессе плавления идет на работу по преодолению сил межмолекулярного притяжения. Это связано с увеличением средних расстояний между частицами вещества при переходе из твердого состояния в жидкое. Скорость движения частиц при этом не изменяется, поэтому остается постоянной и температура вещества.

Внутренняя энергия увеличивается за счет увеличения потенциальной энергии взаимодействия частиц, а кинетическая энергия частиц не меняется. Вещество в жидком состоянии обладает большей внутренней энергией, чем в твердом.

График зависимости температуры кристаллического тела от полученного количества теплоты выглядит следующим образом.

img 5a6b7e95a900d

На этом графике участок АВ соответствует нагреванию кристаллического тела, участок ВС – плавлению, участок CD – нагреванию жидкости.

При понижении температуры вещества до температуры плавления происходит кристаллизация – переход вещества из жидкой фазы в твердую фазу. При кристаллизации выделяется количество теплоты, равное поглощаемому при плавлении. В процессе кристаллизации температура остается постоянной. Происходит восстановление межмолекулярных связей и кристаллической решетки.

Внутренняя энергия при кристаллизации уменьшается. Если тело отдает количество теплоты, то участок графика DC соответствует охлаждению жидкости, участок СВ – кристаллизации, участок ВА – охлаждению кристаллического тела.

Для осуществления процесса кипения к жидкости нужно подводить тепло. При нагревании до температуры кипения растет температура жидкости и ее внутренняя энергия за счет увеличения скорости молекул жидкости.

При кипении температура жидкости не изменяется, а внутренняя энергия растет за счет увеличения потенциальной энергии взаимодействия частиц (расстояния между частицами увеличиваются). Кинетическая энергия частиц остается постоянной. При конденсации внутренняя энергия молекул пара уменьшается, так как потенциальная энергия уменьшается (кинетическая энергия частиц не меняется).

График зависимости температуры жидкости от полученного или отданного количества теплоты выглядит следующим образом.

img 5a6b7f2e02b79

На графике участок CD соответствует нагреванию жидкости, участок DE – кипению, участок EF – нагреванию пара.

Если тело отдает количество теплоты, то участок FE соответствует охлаждению пара, участок ED – конденсации, участок DC – охлаждению жидкости.

Источник

Adblock
detector