В окружающем нас мире происходят различного рода физические явления, которые напрямую связанны с изменением температуры тел . Еще с детства мы знаем, что холодная вода при нагревании сначала становится едва теплой и лишь спустя определенное время горячей.
Такими словами как «холодный», «горячий», «теплый», мы определяем различную степень «нагретости» тел, или, если говорить языком физики на различную температуру тел. Температура теплой воды немного выше температуры прохладной воды. Если сравнивать температуру летнего и зимнего воздуха, то разница в температуре очевидна.
Температура тел измеряется с помощью термометра и выражается в градусах Цельсия (°C).
Как известно, диффузия при более высокой температуре происходит быстрее. Из этого следует, что скорость перемещения молекул и температура глубоко взаимосвязаны между собой. Если увеличить температуру, то скорость движения молекул увеличится, если уменьшить – понизится.
Таким образом, делаем вывод: температура тела напрямую зависит от скорости перемещения молекул.
Горячая вода состоит из абсолютно таких же молекул, как и холодная. Разница между ними состоит лишь в скорости передвижения молекул.
Явления, которые имеют отношение к нагреву или охлаждению тел, изменению температуры, получили название тепловые. К ним можно отнести нагревание или охлаждение воздуха, плавку метала, таяние снега.
Молекулы, либо атомы, которые являются основой всех тел, находятся в бесконечном хаотичном движении. Количество подобных молекул и атомов в окружающих нас телах огромно. В объеме равном 1 см³ воды, содержится приблизительно 3,34 · 10²² молекул. Любая молекула имеет очень сложную траекторию движения. К примеру, частицы газа, передвигающиеся с большими скоростями в различных направлениях, могут сталкиваться как друг c другом, так и со стенками сосуда. Таким образом, они меняют свою скорость и опять продолжают движение.
Рисунок №1 демонстрирует беспорядочное движение частиц краски, растворенных в воде.
Таким образом, делаем еще один вывод: хаотичное движение частиц, которые составляют тела, называют тепловым движением.
Хаотичность является важнейшей чертой теплового движения. Одним из самых главных доказательств движения молекул является диффузия и Броуновское движение. (Броуновское движение – движение мельчайших твердых частиц в жидкости под воздействием ударов молекул. Как показывает наблюдение, Броуновское движение не может прекратиться).
В жидкостях молекулы могут колебаться, вращаться и двигаться относительно других молекул. Если брать твердые тела, то в них молекулы и атомы колеблются около некоторых средних положениях.
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. Таким образом, если повысить температуру льда то он начинает таять, принимая при этом уже абсолютно другую форму – лед становится жидкостью. Если же наоборот, понижать температуру, к примеру, ртути, то она изменит свои свойства и из жидкости, превратится в твердое тело.
Т
емпература тела напрямую зависит от средней кинетической энергии молекул. Делаем очевидный вывод: чем выше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия его молекул. И, наоборот, при понижении температуры тела, средняя кинетическая энергия его молекул уменьшается.
Если у вас остались вопросы, или вы хотите узнать больше о тепловом движении и температуре, зарегистрируйтесь на нашем сайте и получите помощь репетитора.
Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь .
Первый урок – бесплатно!
сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
Если газ находится в равновесии, молекулы движутся совершенно беспорядочно, хаотически. Все направления движения равновероятны, ни одному из них не может быть отдано предпочтение перед другими. Скорости молекул могут быть самыми различными по величине. При каждом соударении с другими молекулами величина скорости данной молекулы должна, вообще говоря, изменяться, причем с равной вероятностью она может как возрасти, так и уменьшиться.
Изменение скоростей молекул при столкновениях происходит случайным образом. Может случиться, что какая-то молекула в целом ряде последовательных соударений будет получать энергию от своих партнеров по столкновениям, в результате чего ее энергия значительно превзойдет среднее значение (е). Однако, даже если представить себе такой совершенно фантастический случай, при котором все молекулы газа остановятся, передав свою энергию одной единственной молекуле, то и тогда энергия этой молекулы, а следовательно, и ее скорость, будет конечна. Таким образом, скорость молекул газа вообще не может иметь значений, начиная с некоторого до
Учитывая, что процессы, которые привели бы к сосредоточению на одной молекуле заметной доли суммарной энергии всех молекул, маловероятны, можно утверждать, что слишком большие по сравнению со средним значением скорости могут реализоваться крайне редко. Точно так же практически исключено, что в результате соударений скорость молекулы станет равной точно нулю. Следовательно, очень малые и очень большие по сравнению со средним значением скорости маловероятны, причем вероятность данного значения v стремится к нулю как при v О, так и при . Из сказанного следует, что скорости молекул группируются в основном вблизи некоторого наиболее вероятного значения.
Хаотичность движения молекул можно сделать наглядной с помощью следующего приема. Окружим точку О сферой произвольного радиуса (рис. 94.1). Любая точка А на этой сфере определяет направление от О к А. Следовательно, направления, в которых движутся в некоторый момент времени молекулы газа, могут быть заданы точками на сфере. Равновероятность всех направлений приводит к тому, что точки, изображающие направления движения молекул, распределяются по сфере с постоянной плотностью, равной числу рассматриваемых молекул N, деленному на поверхность сферы Соударения приводят к изменению направлений движения молекул, в результате чего положения N точек на сфере непрерывно меняются. Однако вследствие хаотичности движения плотность точек в любом месте сферы остается все время постоянной.
Число возможных направлений в пространстве бесконечно велико. Реализуется же в каждый момент времени конечное число направлений, равное рассматриваемому количеству молекул. Поэтому постановка вопроса о числе молекул, имеющих заданное (изображаемое точкой на сфере) направление движения, лишена смысла. Действительно, поскольку число возможных направлений бесконечно велико, а число молекул конечно, вероятность того, что в строго определенном направлении летит хотя бы одна молекула, равна нулю. Правомерна постановка вопроса о том, какое количество молекул движется в направлениях, близких к данному (определяемому точкой А на сфере). Таким направлениям соответствуют все точки элемента поверхности сферы , взятого в окрестности точки А (см. рис. 94.1). Поскольку точки, изображающие направления движения молекул, распределены по сфере равномерно, в пределах окажется количество точек, равное
Индекс А при указывает на то, что имеются в виду молекулы, направления движения которых близки к направлению, определяемому точкой А.
Отношение есть телесный угол , опирающийся на площадку . Поэтому формулу (94.1) можно записать следующим образом:
Здесь - телесный угол, в пределах которого заключены направления движения рассматриваемых молекул. Напомним, что ; есть полный телесный угол (отвечающий всей поверхности сферы).
Направление отрезка ОА можно задать с помощью полярного угла 0 и азимутального угла (рис. 94.2). Следовательно, направления движения молекул газа можно охарактеризовать, задав для каждой молекулы значения углов Ф и отсчитываемых от некоторого фиксированного направления (в качестве такого направления можно взять, например, направление нормали к поверхности сосуда, в котором заключен газ) и проведенной через него плоскости
Окружим начало координат О сферой радиуса и найдем элемент сферы, соответствующий приращениям углов (рис. 94.3). Рассматриваемый элемент представляет собой прямоугольник со сторонами и . Таким образом,
Полученное выражение дает элемент поверхности в сферической системе координат.
Разделив выражение на найдем элемент телесного угла отвечающий интервалам углов от до и от
Тема: Силы межмолекулярного взаимодействия. Агрегатные
состояния вещества. Характер теплового движения молекул в твердых,
жидких и газообразных телах и его изменение с ростом температуры.
Тепловое расширение тел. Фазовые переходы. Теплота фазовых
переходов. Равновесие фаз.
Межмолекулярное взаимодействие имеет электрическую природу. Между ними
действуют силы притяжения и отталкивания, которые быстро убывают при увеличении
расстояния между молекулами.
Силы отталкивания действуют только на очень малых расстояниях.
Практически поведение вещества и его агрегатное состояние определяется тем, что является доминирующим: силы притяжения или хаотическое тепловое движение.
В твердых телах доминируют силы взаимодействия, поэтому они сохраняет свою форму. Силы взаимодействия зависят от формы и структуры молекул, поэтому нет единого закона для их расчета.
Однако, если представить, что молекулы имеют шаровую форму – общий характер зависимости сил взаимодействия от расстояния между молекулами –r представлен на рисунке 1-а. На рисунке 1-б представлена зависимость потенциальной энергии взаимодействия молекул от расстояния между ними. При некотором расстоянии r0 (оно различно для разных веществ) Fпритяж.= Fотталк. Потенциальная энергия минимальна, при rr0 преобладают силы отталкивания, а при rr0 – наоборот.
На рисунке 1-в продемонстрирован переход кинетической энергии молекул в потенциальную при их тепловом движении (например колебаниях). Во всех рисунках начало координат совмещено с центром одной из молекул. Приближаясь к другой молекуле ее кинетическая энергия переходит в потенциальную и достигает максимального значения при расстояниях r=d. d называется эффективным диаметром молекул (минимальное расстояние, на которое сближаются центры двух молекул.
Понятно, что эффективный диаметр зависит, в том числе, от температуры, так как при большей температуре молекулы могут сблизится сильнее.
При низких температурах, когда кинетическая энергия молекул мала, они притягиваются вплотную и установятся в определенном порядке – твердое агрегатное состояние.
Тепловое движение в твердых телах является в основном колебательным. При высоких температурах интенсивное тепловое движение мешает сближению молекул – газообразное состояние, движение молекул поступательное и вращательное.. В газах менее 1% объема приходится на объем самих молекул. При промежуточных значениях температур молекулы будут непрерывно перемещаться в пространстве, обмениваясь местами, однако расстояние между ними не намного превышает d – жидкость. Характер движения молекул в жидкости носит колебательный и поступательный характер (в тот момент, когда они перескакивают в новое положение равновесия).
Тепловое движение молекул объясняет явление теплового расширения тел. При нагревании амплитуда колебательного движения молекул увеличивается, что приводит к увеличению размеров тел.
Линейное расширение твердого тела описывается формулой:
l l 0 (1 t), где - коэффициент линейного расширения 10-5 К-1. Объемное расширение тел описывается аналогичной формулой: V V0 (1 t), - коэффициент объемного расширения, причем =3.
Вещество может находится в твердом, жидком, газообразном состояниях. Эти состояния называют агрегатными состояниями вещества. Вещество может переходить из одного состояния в другое. Характерной особенностью превращения вещества является возможность существования стабильных неоднородных систем, когда вещество может находится сразу в нескольких агрегатных состояниях.
При описании таких систем пользуются более широким понятием фазы вещества. Например, углерод в твердом агрегатном состоянии может находится в двух различных фазах – алмаз и графит. Фазой называется совокупность всех частей системы, которая в отсутствии внешнего воздействия является физически однородной. Если несколько фаз вещества при данной температуре и давлении существуют, соприкасаясь друг с другом, и при этом масса одной фазы не увеличивается за счет уменьшения другой, то говорят о фазовом равновесии.
Переход вещества из одной фазы в другую называют фазовым переходом. При фазовом переходе происходит скачкообразное (происходящее в узком интервале температур) качественное изменение свойств вещества. Эти переходы сопровождаются скачкообразным изменением энергии, плотности и других параметров. Бывают фазовые переходы первого и второго рода. К фазовым переходам первого рода относят плавление, отвердевание (кристаллизацию), испарение, конденсацию и сублимацию (испарения с поверхности твердого тела). Фазовые переходы этого рода всегда связаны с выделением или поглощением теплоты, называемой скрытой теплотой фазового перехода.
При фазовых переходах второго рода отсутствует скачкообразное изменение энергии и плотности. Теплота фазового перехода тоже равна 0. Превращения при таких переходах происходят сразу во всем объеме в результате изменения кристаллической решетки при определенной температуре, которая называется точкой Кюри.
Рассмотрим переход первого рода. При нагревании тела, как отмечалось, происходит тепловое расширение тела и как следствие уменьшения потенциальной энергии взаимодействия частиц. Возникает ситуация, когда при некоторой температуре соотношения между потенциальной и кинетической энергиями не могут обеспечить равновесии старого фазового состояния и вещество переходит в новую фазу.
Плавление – переход из кристаллического состояния в жидкое. Q=m, удельная теплота плавления, показывает какое количество теплоты необходимо, чтобы перевести 1 кг твердого вещества в жидкое при температуре плавления, измеряется в Дж/кг. При кристаллизации выделяющееся количество теплоты рассчитывают по этой же формуле. Плавлении и кристаллизация происходят при определенной для данного вещества температуре, называемой температурой плавления.
Испарение. Молекулы в жидкости связаны силами притяжения, однако некоторые, самые быстрые молекулы могут покидать объем жидкости. При этом средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается и жидкость охлаждается. Для поддержания испарения необходимо подводить тепло: Q=rm, r – удельная теплота парообразования, которая показывает какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы перевести в газообразное состояния 1 кг жидкости при постоянной температуре.
Единица: Дж/кг. При конденсации теплота выделяется.
Теплота сгорания топлива рассчитывается по формуле: Q=qm.
В условиях механического и теплового равновесия состояния неоднородных систем определяются заданием давления и температуры, так как эти параметры одинаковы для каждой из частей системы. Опыт показывает, что при равновесии двух фаз давление и температура связаны между собой зависимостью, представляющей собой кривую фазового равновесия.
Точки, лежащие на кривой, описывают неоднородную систему, в которой существуют две фазы. Точки, лежащие внутри областей, описывают однородные состояния вещества.
Если кривые всех фазовых равновесий одного вещества построить на плоскости, то они разобьют ее на отдельные области, а сами сойдутся в одной точке, которая называется тройная точка. Эта точка описывает состояние вещества, в котором могут сосуществовать все три фазы. На рисунке 2 построены диаграммы состояния воды.
Атомы и молекулы, из которых состоят различные вещества, находятся в состоянии непрерывного теплового движения.
Первой особенностью теплового движения является его хаотичность; ни одно направление движения молекул не выделяется среди других направлений. Поясним это: если проследить за движением одной молекулы, то с течением времени вследствие столкновений с другими молекулами величина скорости и направление движения этой молекулы изменяются совершенно беспорядочно; далее, если в какой-нибудь момент времени зафиксировать скорости движения всех молекул, то по направлению эти скорости оказываются равномерно разбросанными в пространстве, а по величине - имеют самые разнообразные значения.
Второй особенностью теплового движения является существование обмена энергией между молекулами, а также между различными видами движения; энергия поступательного движения молекул может переходить в энергию их вращательного или колебательного движения и обратно.
Обмен энергией между молекулами, а также между различными видами их теплового движения происходит благодаря взаимодействию молекул (столкновениям между ними). На больших расстояниях силы взаимодействия между молекулами очень малы и ими можно пренебрегать; на малых расстояниях эти силы оказывают заметное действие. В газах молекулы большую часть времени пребывают на сравнительно больших расстояниях друг от друга; лишь в течение весьма малых промежутков времени, оказавшись достаточно близко друг к другу, они взаимодействуют между собой, изменяя скорости своих движений и обмениваясь энергиями. Такие кратковременные взаимодействия молекул называются столкновениями. Различают два вида столкновений между молекулами:
1) столкновения, или удары, первого рода, в результате которых изменяются только скорости и кинетические энергии соударяющихся частиц; состав или структура самих молекул не испытывают никаких изменений;
2) столкновения, или удары, второго рода, в результате которых происходят изменения внутри молекул, например изменяется их состав или относительное расположение атомов внутри этих молекул. При этих столкновениях часть кинетической энергии молекул затрачивается на совершение работы против сил, действующих внутри молекул. В некоторых случаях, наоборот, может выделиться некоторое количество энергии за счет уменьшения внутренней потенциальной энергии молекул.
В дальнейшем мы будем иметь в виду только столкновения первого рода, происходящие между молекулами газов. Обмен энергиями при тепловых движениях в твердых и жидких телах является более сложным процессом и рассматривается в специальных разделах физики. Столкновения второго рода используются для объяснения электропроводности газов и жидкостей, а также теплового излучения тел.
Для описания каждого вида теплового движения молекул (поступательного, вращательного или колебательного) необходимо задать ряд величин. Например, для поступательного движения молекулы необходимо знать величину и направление ее скорости. Для этой цели достаточно указать три величины: значение скорости и два угла и между направлением скорости и координатными плоскостями или же три проекции скорости на координатные оси: (рис. 11.1, а). Заметим, что эти три величины независимы: при данном углы и могут иметь любые значения и, наоборот, при заданном, например, угле значения и могут быть любыми. Точно так же задание определенного значения не накладывает никаких ограничений на значения наоборот. Таким образом, для описания поступательного движения молекулы в пространстве необходимо задать три независимые друг от друга величины: и или Энергия, поступательного движения молекулы будет состоять из трех независимых компонент:
Для описания вращательного движения молекулы вокруг своей оси необходимо указать величину и направление угловой скорости вращения , т. е. опять-таки три независимые друг от друга величины: и в или (рис. II. 1, б). Энергия вращательного движения молекулы также будет состоять из трех независимых компонент:
где моменты инерции молекулы относительно трех взаимно перпендикулярных координатных осей. У одноатомной молекулы все эти моменты инерции очень малы, поэтому энергией ее вращательного движения пренебрегают. У двухатомной молекулы (рис. II.1, в) пренебрегают энергией вращательного движения относительно оси, проходящей через центры атомов, поэтому, например,
Для описания колебательного движения атомов в молекуле необходимо сначала разделить это движение на простые колебания, происходящие вдоль определенных направлений. Сложное колебание удобно разложить на простые прямолинейные колебания, происходящие по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Эти колебания независимы друг от друга, т. е. частоте и амплитуде колебаний в одном из этих направлений могут соответствовать любая частота и амплитуда колебаний в других направлениях. Если каждое из этих прямолинейных колебаний гармоническое, то его можно описать при помощи формулы
Таким образом, для описания отдельного прямолинейного колебания атомов необходимо задать две величины: частоту колебания со и амплитуду колебания Эти две величины также независимы друг от друга: при данной частоте амплитуда колебания не связывается никакими условиями, и наоборот. Следовательно, для описания сложного колебательного движения молекулы вокруг точки (т. е. своего положения равновесия) необходимо задать шесть независимых друг от друга величин: три частоты и амплитуды колебании по трем взаимно перпендикулярным направлениям.
Независимые друг от друга величины, определяющие состояние данной физической системы, называются степенями свободы этой системы. При изучении теплового движения в телах (для расчета энергии этого движения) определяют число степеней свободы каждой молекулы этого тела. При этом подсчитываются только те степени свободы, между которыми происходит обмен энергиями. Молекула одноатомного газа обладает тремя степенями свободы поступательного движения; двухатомная молекула имеет три степени свободы поступательного и две степени свободы вращательного движения (третья степень свободы, соответствующая вращению вокруг оси, проходящей через центры атомов, не учитывается). Молекулы, содержащие три
атома и больше, обладают тремя поступательными и тремя вращательными степенями свободы. Если в обмене энергиями участвует и колебательное движение, то на каждое независимое прямолинейное колебание добавляют две степени свободы.
Рассматривая раздельно поступательное, вращательное и колебательное движения молекул, можно найти среднюю энергию, которая приходится на каждую степень свободы этих видов движения. Рассмотрим сначала поступательное движение молекул: допустим, молекула обладает кинетической энергией масса молекулы). Сумма есть энергия поступательного движения всех молекул. Разделив на степеней свободы, получим среднюю энергию, приходящуюся на одну степень свободы поступательного движения молекул:
Так же можно рассчитать средние энергии, приходящиеся на одну степень свободы вращательного евращ и колебательного еколеб движений. Если каждая молекула обладает степенями свободы поступательного, степенями свободы вращательного и степенями свободы колебательного движений, то полная энергия теплового движения всех молекул будет равна
Читайте также:
|
Одним из важнейших параметров, характеризующих молекулу, является минимальная потенциальная энергия взаимодействия Силы притяжения, действующие между молекулами стремятся сконденсировать вещество, т. е. сблизить его молекулы до расстояния r 0 , когда их потенциальная энергия взаимодействия минимальна и равна но этому сближению препятствует хаотическое тепловое движение молекул. Интенсивность этого движения определяется средней кинетической энергией молекулы, которая имеет порядок kT , где k – постоянная Больцмана. Агрегатные состояния вещества существенным образом зависят от соотношения величин и kT .
Предположим, что температура рассматриваемой системы молекул столь высока, что
kT >> В этом случае интенсивное хаотическое тепловое движение мешает силам притяжения соединить молекулы в агрегаты из нескольких частиц, сблизившихся до расстояния r 0: при соударениях большая кинетическая энергия молекул будет легко разбивать эти агрегаты на составляющие молекулы и, таким образом, вероятность образования устойчивых агрегатов будет как угодно малой. В этих обстоятельствах рассматриваемые молекулы, очевидно, будут находиться в газообразном состоянии.
Если температура системы частиц очень низкая, т. е. kT << молекулам, действующими силами притяжения, тепловое движение не может помешать приблизиться друг к другу на расстояние близкое к r 0 в определенном порядке. При этом система частиц будет находиться в твердом состоянии, а небольшая кинетическая энергия теплового движения вынудить молекулы совершать беспорядочные малые колебания около определенных положений равновесия (узлов кристаллической решетки).
Наконец, при температуре системы частиц, определяемой из приближенного равенства kT ≈ кинетическая энергия теплового движения молекул, величина которой примерно равна потенциальной энергии притяжения, не сможет переместить молекулу на расстояние, существенно превышающее r 0 . В этих условиях вещество будет находиться в жидком агрегатном состоянии.
Таким образом, вещество, в зависимости от своей температуры и величины присущей данному сорту составляющих его молекул, будет находиться в газообразном, твердом или жидком состоянии.
При нормальных условиях расстояние между молекулами в газе в десятки раз (см. пример 1.1) превышают их размеры; большую часть времени они движутся прямолинейно без взаимодействия и только значительно меньшую часть времени, когда находятся на близких расстояниях от других молекул, взаимодействуют с ними, меняя направление своего движения. Таким образом, в газообразном состоянии движение молекулы выглядит так, как схематично показано на рис.7, а.
В твердом состоянии каждая молекула (атом) вещества находится в равновесном положении (узел кристаллической решетки), возле которого она совершает малые колебания, причем направление (к примеру, аа" на рис. 7, б ) и амплитуда этих колебаний случайно изменяются (к примеру, на направление bb" ) через время, значительно большее периода этих колебаний; частоты колебаний молекул в общем случае неодинаковы. Колебания отдельной молекулы твердого тела в общих чертах представлена на рис. 7, б .
Молекулы твердого тела упакованы так плотно, что расстояние между ними примерно равно их диаметру, т.е. расстоянию r 0 на рис. 3. Известно, что плотность жидкого состояния примерно на 10 % меньше плотности твердого, при прочих равных условиях. Поэтому расстояние между молекулами жидкого состояния несколько больше r 0 . Учитывая, что в жидком состоянии молекулы обладают еще и большей кинетической энергией теплового движения, следует ожидать, что, в отличие от твердого состояния, они могут, совершая колебательное движение, достаточно легко менять свое местоположение, перемещаясь на расстояние, существенно не превышающее диаметр молекулы. Траектория движения молекулы жидкости приблизительно выглядит так, как схематически показано на рис. 7, в . Таким образом, движение молекулы в жидкости сочетает в себе поступательное движение, как это имеет место в газе, с колебательным, что наблюдается в твердом теле.
