Di dunia sekitar kita, ada berbagai macam fenomena fisik yang berhubungan langsung dengan perubahan suhu tubuh. Sejak kecil, kita tahu bahwa air dingin, ketika dipanaskan, pertama-tama menjadi hampir tidak hangat dan hanya setelah waktu tertentu panas.
Dengan kata-kata seperti "dingin", "panas", "hangat", kami mendefinisikan berbagai tingkat "pemanasan" benda, atau, dalam bahasa fisika, suhu benda yang berbeda. Suhu air hangat sedikit lebih tinggi dari suhu air dingin. Jika kita membandingkan suhu udara musim panas dan musim dingin, perbedaan suhu terlihat jelas.
Suhu tubuh diukur dengan termometer dan dinyatakan dalam derajat Celcius (°C).
Seperti diketahui, difusi pada suhu yang lebih tinggi lebih cepat. Dari sini dapat disimpulkan bahwa kecepatan pergerakan molekul dan suhu saling berhubungan secara mendalam. Jika Anda meningkatkan suhu, maka kecepatan pergerakan molekul akan meningkat, jika Anda menurunkannya, itu akan berkurang.
Dengan demikian, kami menyimpulkan: suhu tubuh berhubungan langsung dengan kecepatan pergerakan molekul.
Air panas terdiri dari molekul yang persis sama dengan air dingin. Perbedaan di antara mereka hanya dalam kecepatan pergerakan molekul.
Fenomena yang berhubungan dengan pemanasan atau pendinginan benda, perubahan suhu, disebut termal. Ini termasuk memanaskan atau mendinginkan udara, logam yang meleleh, salju yang mencair.
Molekul atau atom, yang merupakan dasar dari semua benda, berada dalam gerakan kacau tak berujung. Jumlah molekul dan atom seperti itu di dalam benda-benda di sekitar kita sangat banyak. Volume yang sama dengan 1 cm³ air mengandung sekitar 3,34 x 10²² molekul. Setiap molekul memiliki lintasan gerak yang sangat kompleks. Misalnya, partikel gas yang bergerak dengan kecepatan tinggi ke arah yang berbeda dapat bertabrakan satu sama lain dan dengan dinding bejana. Dengan demikian, mereka mengubah kecepatan mereka dan terus bergerak lagi.
Gambar #1 menunjukkan pergerakan acak partikel cat yang terlarut dalam air.
Jadi, kami membuat satu kesimpulan lagi: gerakan kacau partikel yang membentuk benda disebut gerakan termal.
Keacakan adalah fitur paling penting dari gerakan termal. Salah satu bukti terpenting untuk pergerakan molekul adalah difusi dan gerak Brown.(Gerakan Brown adalah pergerakan partikel padat terkecil dalam cairan di bawah pengaruh tumbukan molekul. Seperti yang ditunjukkan oleh pengamatan, gerakan Brown tidak dapat dihentikan).
Dalam cairan, molekul dapat berosilasi, berputar, dan bergerak relatif terhadap molekul lain. Jika kita mengambil padatan, maka di dalamnya molekul dan atom bergetar di sekitar beberapa posisi rata-rata.
Benar-benar semua molekul tubuh berpartisipasi dalam gerakan termal molekul dan atom, itulah sebabnya dengan perubahan gerakan termal, keadaan tubuh itu sendiri, berbagai sifatnya, juga berubah. Jadi, jika Anda meningkatkan suhu es, ia mulai mencair, saat mengambil bentuk yang sama sekali berbeda - es menjadi cair. Sebaliknya, jika suhu, misalnya, merkuri diturunkan, maka ia akan mengubah sifat-sifatnya dan berubah dari cair menjadi padat.
T 
suhu tubuh secara langsung tergantung pada energi kinetik rata-rata molekul. Kami menarik kesimpulan yang jelas: semakin tinggi suhu tubuh, semakin besar energi kinetik rata-rata molekulnya. Sebaliknya, ketika suhu tubuh menurun, energi kinetik rata-rata molekulnya menurun.
Jika Anda memiliki pertanyaan atau ingin mempelajari lebih lanjut tentang gerakan dan suhu termal, daftar di situs web kami dan dapatkan bantuan dari seorang tutor.
Apakah Anda memiliki pertanyaan? Tidak tahu bagaimana melakukan pekerjaan rumah Anda?
Untuk mendapatkan bantuan tutor - daftar.
Pelajaran pertama gratis!
situs, dengan penyalinan materi secara penuh atau sebagian, tautan ke sumber diperlukan.
Jika gas berada dalam kesetimbangan, molekul-molekul bergerak sepenuhnya secara acak, kacau. Semua arah gerak memiliki kemungkinan yang sama, tidak satu pun dari mereka dapat diberikan preferensi atas yang lain. Kecepatan molekul bisa sangat berbeda besarnya. Dengan setiap tumbukan dengan molekul lain, nilai kecepatan molekul tertentu harus, secara umum, berubah, dan dengan probabilitas yang sama dapat meningkat atau menurun.
Perubahan kecepatan molekul selama tumbukan terjadi secara acak. Mungkin saja beberapa molekul dalam sejumlah tumbukan berturut-turut akan menerima energi dari mitranya dalam tumbukan, akibatnya energinya akan secara signifikan melebihi nilai rata-rata (e). Namun, bahkan jika kita membayangkan kasus yang benar-benar fantastis di mana semua molekul gas berhenti, mentransfer energinya ke satu molekul, maka energi molekul ini, dan karenanya kecepatannya, akan terbatas. Dengan demikian, kecepatan molekul gas tidak dapat memiliki nilai sama sekali, mulai dari beberapa hingga
Mengingat bahwa proses yang akan mengarah pada konsentrasi fraksi yang signifikan dari energi total semua molekul pada satu molekul tidak mungkin, dapat dikatakan bahwa tingkat yang terlalu tinggi dibandingkan dengan nilai rata-rata dapat direalisasikan sangat jarang. Dengan cara yang sama, praktis tidak mungkin bahwa, sebagai akibat dari tumbukan, kecepatan molekul akan menjadi tepat nol. Akibatnya, kecepatan yang sangat kecil dan sangat besar dibandingkan dengan nilai rata-rata tidak mungkin, dan probabilitas nilai tertentu v cenderung nol baik pada v 0 maupun pada . Ini mengikuti dari apa yang telah dikatakan bahwa kecepatan molekul terutama dikelompokkan di dekat beberapa nilai yang paling mungkin.
Keacakan pergerakan molekul dapat dibuat visual menggunakan metode berikut. Mari kita kelilingi titik O dengan bola dengan radius sembarang (Gbr. 94.1). Setiap titik A pada bola ini menentukan arah dari O ke A. Oleh karena itu, arah pergerakan molekul gas pada suatu titik waktu tertentu dapat diberikan oleh titik-titik pada bola. Keseimbangan semua arah mengarah pada fakta bahwa titik-titik yang mewakili arah gerakan molekul didistribusikan di atas bola dengan kerapatan konstan yang sama dengan jumlah N molekul yang dipertimbangkan dibagi dengan permukaan bola. arah gerakan molekul, akibatnya posisi titik N pada bola berubah terus menerus . Namun, karena keacakan gerakan, kerapatan titik di sembarang tempat pada bola tetap konstan sepanjang waktu.
Jumlah kemungkinan arah dalam ruang tidak terbatas. Pada setiap momen waktu, sejumlah arah yang terbatas direalisasikan, sama dengan jumlah molekul yang dipertimbangkan. Oleh karena itu, mengajukan pertanyaan tentang jumlah molekul yang memiliki arah gerak tertentu (diwakili oleh titik pada bola) tidak ada artinya. Memang, karena jumlah arah yang mungkin sangat besar, dan jumlah molekul terbatas, probabilitas bahwa setidaknya satu molekul terbang ke arah yang ditentukan secara ketat adalah nol. Adalah sah untuk mengajukan pertanyaan tentang berapa banyak molekul yang bergerak ke arah yang dekat dengan yang diberikan (ditentukan oleh titik A pada bola). Arah ini sesuai dengan semua titik elemen permukaan bola, diambil di sekitar titik A (lihat Gambar 94.1). Karena titik-titik yang mewakili arah gerak molekul terdistribusi secara merata di seluruh bola, jumlah titik sama dengan
Indeks A di menunjukkan bahwa yang kami maksud adalah molekul yang arah geraknya dekat dengan arah yang ditentukan oleh titik A.
Rasio adalah sudut padat berdasarkan platform. Oleh karena itu, rumus (94.1) dapat ditulis sebagai berikut:
Berikut adalah sudut padat di mana arah gerak molekul yang dipertimbangkan tertutup. Ingat itu; adalah sudut total solid (sesuai dengan seluruh permukaan bola).
Arah segmen OA dapat diatur menggunakan sudut kutub 0 dan sudut azimuth (Gbr. 94.2). Akibatnya, arah pergerakan molekul gas dapat dicirikan dengan menetapkan untuk setiap molekul nilai sudut dan diukur dari beberapa arah tetap (misalnya, arah normal ke permukaan bejana tempat gas terkandung) dan bidang yang ditarik melaluinya
Kami mengelilingi asal koordinat O dengan bola berjari-jari dan menemukan elemen bola yang sesuai dengan kenaikan sudut (Gbr. 94.3). Unsur yang dimaksud adalah persegi panjang dengan sisi dan . Lewat sini,
Ekspresi yang dihasilkan memberikan elemen permukaan dalam sistem koordinat bola.
Membagi ekspresi dengan kami menemukan elemen sudut padat yang sesuai dengan interval sudut dari ke dan dari
Topik: Gaya interaksi antarmolekul. Agregat
keadaan materi. Sifat gerak termal molekul dalam zat padat,
benda cair dan gas dan perubahannya dengan meningkatnya suhu.
Ekspansi termal tel. Transisi fase. Fase panas
transisi. Keseimbangan fase.
Interaksi antarmolekul adalah listrik di alam. Diantara mereka
gaya tarik menarik dan gaya tolak menolak, yang dengan cepat berkurang dengan bertambahnya
jarak antar molekul.
Gaya tolak hanya bekerja pada jarak yang sangat kecil.
Dalam praktiknya, perilaku suatu zat dan keadaan agregasinya ditentukan oleh apa yang dominan: gaya tarik menarik atau gerakan termal kacau.
Padatan didominasi oleh gaya interaksi, sehingga mempertahankan bentuknya. Gaya interaksi bergantung pada bentuk dan struktur molekul, sehingga tidak ada hukum tunggal untuk perhitungannya.
Namun, jika kita membayangkan bahwa molekul memiliki bentuk bola, karakter umum ketergantungan gaya interaksi pada jarak antar molekul –r ditunjukkan pada Gambar 1-a. Gambar 1-b menunjukkan ketergantungan energi potensial interaksi molekul pada jarak di antara mereka. Pada jarak tertentu r0 (berbeda untuk zat yang berbeda) Fattract.= Fretract. Energi potensial minimal, pada rr0 gaya tolak mendominasi, dan pada rr0 sebaliknya.
Gambar 1-c menunjukkan transisi energi kinetik molekul menjadi energi potensial selama gerakan termalnya (misalnya, getaran). Dalam semua gambar, asal koordinat sejajar dengan pusat salah satu molekul. Mendekati molekul lain, energi kinetiknya berubah menjadi energi potensial dan mencapai nilai maksimumnya pada jarak r=d. d disebut diameter efektif molekul (jarak minimum yang didekati oleh pusat dua molekul.
Jelas bahwa diameter efektif tergantung, antara lain, pada suhu, karena pada suhu yang lebih tinggi molekul-molekul dapat saling mendekat.
Pada suhu rendah, ketika energi kinetik molekul kecil, mereka tertarik dekat dan menetap dalam urutan tertentu - keadaan agregasi yang solid.
Gerakan termal dalam padatan terutama berosilasi. Pada suhu tinggi, gerakan termal yang intens mencegah molekul saling mendekati - keadaan gas, pergerakan molekul adalah translasi dan rotasi .. Dalam gas, kurang dari 1% volume jatuh pada volume molekul itu sendiri. Pada suhu menengah, molekul akan terus bergerak di ruang angkasa, bertukar tempat, tetapi jarak di antara mereka tidak lebih besar dari d - cair. Sifat pergerakan molekul dalam cairan adalah berosilasi dan translasi (pada saat mereka melompat ke posisi keseimbangan baru).
Gerakan termal molekul menjelaskan fenomena ekspansi termal benda. Ketika dipanaskan, amplitudo gerakan getaran molekul meningkat, yang mengarah pada peningkatan ukuran benda.
Ekspansi linier benda tegar dijelaskan oleh rumus:
l l 0 (1 t), di mana adalah koefisien ekspansi linier 10-5 K-1. Ekspansi volumetrik benda dijelaskan dengan rumus serupa: V V0 (1 t), adalah koefisien muai volumetrik, dan =3.
Zat tersebut dapat berwujud padat, cair, gas. Keadaan ini disebut keadaan agregat materi. Materi dapat berubah dari satu keadaan ke keadaan lain. Ciri khas dari transformasi suatu zat adalah kemungkinan adanya sistem tidak homogen yang stabil, ketika suatu zat dapat berada dalam beberapa keadaan agregasi sekaligus.
Saat menjelaskan sistem seperti itu, konsep fase materi yang lebih luas digunakan. Misalnya, karbon dalam keadaan agregasi padat dapat berada dalam dua fase berbeda - berlian dan grafit. Fase adalah totalitas dari semua bagian sistem, yang tanpa adanya pengaruh eksternal secara fisik homogen. Jika beberapa fase suatu zat pada suhu dan tekanan tertentu ada, bersentuhan satu sama lain, dan pada saat yang sama massa satu fase tidak bertambah karena penurunan yang lain, maka mereka berbicara tentang kesetimbangan fase.
Transisi suatu zat dari satu fase ke fase lain disebut transisi fase. Selama transisi fase, perubahan kualitatif tiba-tiba (terjadi dalam kisaran suhu yang sempit) dalam sifat-sifat suatu zat. Transisi ini disertai dengan perubahan mendadak dalam energi, densitas, dan parameter lainnya. Ada transisi fase jenis pertama dan kedua. Transisi fase jenis pertama meliputi peleburan, pemadatan (kristalisasi), penguapan, pengembunan, dan sublimasi (penguapan dari permukaan benda padat). Transisi fasa semacam ini selalu dikaitkan dengan pelepasan atau penyerapan panas, yang disebut panas laten transisi fasa.
Selama transisi fase jenis kedua, tidak ada perubahan mendadak dalam energi dan densitas. Panas transisi fase juga sama dengan 0. Transformasi selama transisi tersebut terjadi segera di seluruh volume sebagai akibat dari perubahan kisi kristal pada suhu tertentu, yang disebut titik Curie.
Pertimbangkan transisi jenis pertama. Ketika benda dipanaskan, seperti dicatat, ada ekspansi termal benda dan, sebagai akibatnya, penurunan energi potensial interaksi partikel. Situasi muncul ketika, pada suhu tertentu, hubungan antara energi potensial dan kinetik tidak dapat memastikan keseimbangan keadaan fase lama dan zat masuk ke fase baru.
Mencair adalah transisi dari keadaan kristal ke keadaan cair. Q=m, panas spesifik peleburan, menunjukkan berapa banyak panas yang dibutuhkan untuk mengubah 1 kg padat menjadi cair pada titik leleh, diukur dalam J/kg. Selama kristalisasi, jumlah panas yang dilepaskan dihitung menggunakan rumus yang sama. Pelelehan dan kristalisasi terjadi pada suhu tertentu untuk zat tertentu, yang disebut titik leleh.
Penguapan. Molekul dalam cairan terikat oleh gaya tarik menarik, tetapi beberapa molekul tercepat dapat meninggalkan volume cairan. Dalam hal ini, energi kinetik rata-rata dari molekul yang tersisa berkurang dan cairan mendingin. Untuk mempertahankan penguapan, perlu untuk memasok panas: Q = rm, r adalah panas spesifik penguapan, yang menunjukkan berapa banyak panas yang harus dikeluarkan untuk mentransfer 1 kg cairan ke keadaan gas pada suhu konstan.
Satuan: J/kg. Selama kondensasi, panas dilepaskan.
Nilai kalor bahan bakar dihitung dengan rumus: Q=qm.
Di bawah kondisi kesetimbangan mekanik dan termal, keadaan sistem tidak homogen ditentukan dengan pengaturan tekanan dan suhu, karena parameter ini sama untuk setiap bagian dari sistem. Pengalaman menunjukkan bahwa ketika dua fase berada dalam kesetimbangan, tekanan dan suhu saling berhubungan oleh ketergantungan yang merupakan kurva kesetimbangan fase.
Titik-titik yang terletak pada kurva menggambarkan sistem yang tidak homogen di mana ada dua fase. Titik-titik yang terletak di dalam daerah menggambarkan keadaan materi yang homogen.
Jika kurva semua fase kesetimbangan dari satu zat dibangun di atas bidang, maka mereka akan membaginya menjadi daerah yang terpisah, dan mereka sendiri akan bertemu pada satu titik, yang disebut titik rangkap. Poin ini menggambarkan keadaan materi di mana ketiga fase dapat hidup berdampingan. Pada Gambar 2, diagram keadaan air dibangun.
Atom dan molekul yang membentuk berbagai zat berada dalam keadaan gerakan termal terus menerus.
Fitur pertama dari gerakan termal adalah keacakannya; tidak ada arah gerakan molekul yang dibedakan dari arah lain. Mari kita jelaskan ini: jika kita mengikuti pergerakan satu molekul, maka seiring waktu, karena tumbukan dengan molekul lain, besarnya kecepatan dan arah pergerakan molekul ini berubah sepenuhnya secara acak; lebih lanjut, jika pada suatu titik waktu kita menetapkan kecepatan pergerakan semua molekul, maka kecepatan ini ternyata tersebar secara seragam di ruang dalam arah, dan besarnya mereka memiliki berbagai nilai.
Fitur kedua dari gerak termal adalah adanya pertukaran energi antar molekul, serta antara berbagai jenis gerak; energi gerak translasi molekul dapat diubah menjadi energi gerak rotasi atau getarannya dan sebaliknya.
Pertukaran energi antar molekul, serta antara berbagai jenis gerakan termal mereka, terjadi karena interaksi molekul (tumbukan di antara mereka). Pada jarak yang jauh, gaya interaksi antar molekul sangat kecil dan dapat diabaikan; pada jarak kecil, kekuatan ini memiliki efek yang nyata. Dalam gas, molekul menghabiskan sebagian besar waktunya pada jarak yang relatif jauh satu sama lain; hanya untuk waktu yang sangat singkat, karena cukup dekat satu sama lain, mereka berinteraksi satu sama lain, mengubah kecepatan gerakan mereka dan bertukar energi. Interaksi molekul jangka pendek seperti itu disebut tumbukan. Ada dua jenis tumbukan antar molekul:
1) tumbukan, atau tumbukan, jenis pertama, sebagai akibatnya hanya kecepatan dan energi kinetik dari partikel yang bertabrakan yang berubah; komposisi atau struktur molekul itu sendiri tidak mengalami perubahan apapun;
2) tumbukan, atau tumbukan, jenis kedua, sebagai akibat dari perubahan yang terjadi di dalam molekul, misalnya, komposisinya atau susunan relatif atom di dalam molekul ini berubah. Selama tumbukan ini, sebagian energi kinetik molekul dihabiskan untuk melakukan kerja melawan gaya yang bekerja di dalam molekul. Dalam beberapa kasus, sebaliknya, sejumlah energi dapat dilepaskan karena penurunan energi potensial internal molekul.
Berikut ini, kita hanya akan mengingat tumbukan jenis pertama yang terjadi antara molekul gas. Pertukaran energi selama gerakan termal dalam benda padat dan cair adalah proses yang lebih kompleks dan dipertimbangkan dalam bagian khusus fisika. Tabrakan jenis kedua digunakan untuk menjelaskan konduktivitas listrik gas dan cairan, serta radiasi termal benda.
Untuk menggambarkan setiap jenis gerak termal molekul (translasi, rotasi atau vibrasi), perlu ditetapkan sejumlah besaran. Misalnya, untuk gerak translasi suatu molekul, perlu diketahui besar dan arah kecepatannya. Untuk tujuan ini, cukup untuk menunjukkan tiga besaran: nilai kecepatan dan dua sudut dan antara arah kecepatan dan bidang koordinat, atau tiga proyeksi kecepatan pada sumbu koordinat: (Gbr. 11.1, a) . Perhatikan bahwa ketiga kuantitas ini independen: untuk sudut tertentu dan dapat memiliki nilai apa pun, dan sebaliknya, untuk sudut tertentu, nilai dan dapat berupa apa saja. Demikian pula, menetapkan nilai tertentu tidak memberlakukan batasan apa pun pada nilai secara terbalik. Jadi, untuk menggambarkan gerak translasi molekul di ruang angkasa, perlu ditetapkan tiga besaran yang saling bebas: dan atau Energi gerak translasi molekul akan terdiri dari tiga komponen bebas:
Untuk menggambarkan gerakan rotasi molekul di sekitar sumbunya, perlu untuk menunjukkan besar dan arah kecepatan sudut rotasi, yaitu, sekali lagi, tiga kuantitas independen satu sama lain: dan c atau (Gbr. II. 1, b ). Energi gerak rotasi molekul juga akan terdiri dari tiga komponen independen:
di mana adalah momen inersia molekul terhadap tiga sumbu koordinat yang saling tegak lurus. Untuk molekul monoatomik, semua momen inersia ini sangat kecil, sehingga energi gerak rotasinya diabaikan. Untuk molekul diatomik (Gbr. II.1, c), energi gerak rotasi terhadap sumbu yang melalui pusat atom diabaikan, oleh karena itu, misalnya,
Untuk menggambarkan gerakan vibrasi atom dalam molekul, pertama-tama kita harus membagi gerakan ini menjadi vibrasi sederhana yang terjadi sepanjang arah tertentu. Lebih mudah untuk menguraikan osilasi kompleks menjadi osilasi bujursangkar sederhana yang terjadi dalam tiga arah yang saling tegak lurus. Osilasi ini tidak tergantung satu sama lain, yaitu frekuensi dan amplitudo osilasi di salah satu arah ini dapat sesuai dengan frekuensi dan amplitudo osilasi di arah lain. Jika masing-masing getaran bujursangkar ini harmonis, maka dapat dijelaskan dengan menggunakan rumus:
Jadi, untuk menggambarkan osilasi bujursangkar individu atom, perlu untuk menetapkan dua kuantitas: frekuensi osilasi dan amplitudo osilasi.Kedua kuantitas ini juga independen satu sama lain: pada frekuensi tertentu, amplitudo osilasi tidak terikat oleh kondisi apapun, dan sebaliknya. Oleh karena itu, untuk menggambarkan gerakan vibrasi kompleks dari suatu molekul di sekitar suatu titik (yaitu, posisi kesetimbangannya), perlu untuk menetapkan enam besaran yang tidak bergantung satu sama lain: tiga frekuensi dan amplitudo getaran dalam tiga arah yang saling tegak lurus.
Kuantitas yang tidak bergantung satu sama lain yang menentukan keadaan sistem fisik tertentu disebut derajat kebebasan sistem ini. Saat mempelajari gerak termal dalam benda (untuk menghitung energi gerak ini), jumlah derajat kebebasan setiap molekul benda ini ditentukan. Dalam hal ini, hanya derajat kebebasan di mana terjadi pertukaran energi yang dihitung. Sebuah molekul gas monoatomik memiliki tiga derajat kebebasan gerak translasi; molekul diatomik memiliki tiga derajat kebebasan translasi dan dua derajat kebebasan gerak rotasi (derajat kebebasan ketiga, yang sesuai dengan rotasi di sekitar sumbu yang melewati pusat atom, tidak diperhitungkan). Molekul yang mengandung tiga
atom dan lebih, memiliki tiga derajat kebebasan translasi dan tiga rotasi. Jika gerakan osilasi juga berpartisipasi dalam pertukaran energi, maka dua derajat kebebasan ditambahkan untuk setiap getaran bujursangkar yang independen.
Mempertimbangkan secara terpisah gerakan translasi, rotasi dan vibrasi molekul, seseorang dapat menemukan energi rata-rata yang jatuh pada setiap derajat kebebasan dari jenis gerakan ini. Pertama-tama mari kita perhatikan gerak translasi molekul: mari kita asumsikan bahwa sebuah molekul memiliki energi kinetik (massa molekul). Jumlahnya adalah energi gerak translasi semua molekul. Membagi dengan derajat kebebasan, kita memperoleh energi rata-rata per satu derajat kebebasan dari gerakan translasi molekul:
Dimungkinkan juga untuk menghitung energi rata-rata per satu derajat kebebasan dari gerakan rotasi dan osilasi. Jika setiap molekul memiliki derajat kebebasan translasi, derajat kebebasan rotasi, dan derajat kebebasan vibrasi, maka energi total gerak termal semua molekul akan sama dengan
Baca juga:
|
Salah satu parameter terpenting yang mencirikan molekul adalah energi potensial interaksi minimum Gaya tarik menarik yang bekerja antar molekul cenderung mengembunkan suatu zat, yaitu, mendekatkan molekulnya ke jarak r 0 ketika energi potensial interaksinya minimal dan sama, tetapi pendekatan ini terhalang oleh gerakan termal molekul yang kacau. Intensitas gerakan ini ditentukan oleh energi kinetik rata-rata molekul, yang berorde kT, di mana k adalah konstanta Boltzmann. Keadaan agregat materi pada dasarnya bergantung pada rasio jumlah dan kT.
Mari kita asumsikan bahwa suhu sistem molekul yang dipertimbangkan sangat tinggi sehingga
kT>> Dalam hal ini, gerakan termal kacau yang intens mencegah gaya tarik menarik menghubungkan molekul-molekul menjadi kumpulan beberapa partikel yang datang dari jarak dekat r 0: selama tumbukan, energi kinetik molekul yang besar akan dengan mudah memecah agregat ini menjadi molekul penyusunnya dan, dengan demikian, kemungkinan pembentukan agregat yang stabil akan sangat kecil. Dalam keadaan ini, molekul yang bersangkutan jelas akan berada dalam keadaan gas.
Jika suhu sistem partikel sangat rendah, mis. kT << молекулам, действующими силами притяжения, тепловое движение не может помешать приблизиться друг к другу на расстояние близкое к r 0 dalam urutan tertentu. Dalam hal ini, sistem partikel akan berada dalam keadaan padat, dan energi kinetik kecil dari gerakan termal akan memaksa molekul untuk membuat getaran kecil acak di sekitar posisi kesetimbangan tertentu (simpul kisi kristal).
Akhirnya, pada suhu sistem partikel ditentukan dari persamaan perkiraan kT energi kinetik dari gerakan termal molekul, yang nilainya kira-kira sama dengan energi potensial tarik-menarik, tidak akan dapat memindahkan molekul ke jarak yang jauh melebihi r 0 . Dalam kondisi ini, zat akan berada dalam keadaan cair agregasi.
Dengan demikian, suatu zat, tergantung pada suhu dan ukuran molekul penyusunnya, akan berada dalam keadaan gas, padat atau cair.
Dalam kondisi normal, jarak antar molekul dalam gas adalah puluhan kali (lihat Contoh 1.1) lebih besar dari ukurannya; sebagian besar waktu mereka bergerak dalam garis lurus tanpa interaksi, dan hanya sebagian kecil dari waktu, ketika mereka berada pada jarak dekat dari molekul lain, berinteraksi dengan mereka, mengubah arah gerakan mereka. Jadi, dalam keadaan gas, pergerakan molekul terlihat seperti yang secara skematis ditunjukkan pada Gambar. 7, sebuah.
Dalam keadaan padat, setiap molekul (atom) suatu zat berada dalam posisi kesetimbangan (simpul kisi kristal), di dekatnya membuat getaran kecil, dan arahnya (misalnya, A A" dalam gambar. 7, b) dan amplitudo osilasi ini berubah secara acak (misalnya, dalam arah bb") setelah waktu yang lebih lama dari periode osilasi ini; frekuensi getaran molekul dalam kasus umum tidak sama. Getaran molekul individu dari benda padat ditunjukkan secara umum dalam gambar. 7, b.
Molekul-molekul padatan dikemas begitu rapat sehingga jarak di antara mereka kira-kira sama dengan diameternya, mis. jarak r 0 dalam gambar. 3. Diketahui bahwa kerapatan wujud cair kira-kira 10% lebih kecil dari kerapatan wujud padat, semua hal lain dianggap sama. Oleh karena itu, jarak antara molekul-molekul dalam keadaan cair agak lebih besar r 0 . Mempertimbangkan bahwa, dalam keadaan cair, molekul juga memiliki energi kinetik gerak termal yang lebih besar, seharusnya diharapkan bahwa, tidak seperti keadaan padat, mereka dapat dengan mudah mengubah lokasinya dengan membuat gerakan osilasi, bergerak pada jarak yang tidak melebihi jarak yang signifikan. diameter molekul. Lintasan pergerakan molekul cair kira-kira terlihat seperti yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar. 7, di. Dengan demikian, gerakan molekul dalam cairan menggabungkan gerakan translasi, seperti yang terjadi pada gas, dengan gerakan osilasi, yang diamati dalam padatan.
