На главную v-garant.ru
Основы термодинамики Молекулярная физика Второе начало термодинамики Структура твердых тел Лабораторная работа Изучение термодинамики поверхностного натяжения

Молекулярная физика и основы термодинамики Лабораторные работы

Характер теплового движения молекул в разных состояниях. Средние энергии молекул в разных фазах. Распределение молекул по скоростям.

 Как известно молекулы и атомы в веществе постоянно находятся в движении, которое имеет случайный, хаотический характер. Тем не менее в каждом агрегатном состоянии имеются характерные особенности этого движения, которые во многом определяют свойства различных состояний. Это связано с тем, что межмолекулярные силы взаимодействия стремятся сблизить молекулы, а тепловое хаотичное движение препятствует этому и такие две тенденции в разных агрегатных состояниях дают, значительно отличающиеся, вклады в характер движения молекул. Для количественного анализа влияния различных вкладов, обычно рассматривают величину полной средней энергии молекулы и вклад в эту энергию кинетической и потенциальной составляющих.

В газах среднее расстояние между молекулами больше их размеров, силы притяжения малы, а интенсивность движения значительна, что не позволяет молекулам объединиться на длительное время, а при отсутствии сосуда молекулы стремятся заполнить все доступное пространство. В газах потенциальная энергия взаимодействия отрицательна, кинетическая энергия имеет большую величину, поэтому полная энергия молекулы положительна и при расширении молекулярная система может совершать работу над внешними системами. Вследствие этого, молекулы распределены в пространстве равномерно, большее время находятся на больших расстояниях (Рис.4а) и двигаются равномерно и прямолинейно без взаимодействия. Взаимодейтвие молекул имеет кратковременный характер и происходит только при их столкновении, что приводит к значительному изменению траектории движения (Рис.5).

В твердых телах среднее расстояние между молекулами сравнимо с их размерами, поэтому силы притяжения очень велики и даже сравнительно большая интенсивность движения не позволяет молекулам разойтись на большие расстояния. В данном случае отрицательная потенциальная энергия взаимодействия много больше кинетической энергии, поэтому полная энергия молекулы также отрицательна и для разрушения твердого тела необходимо совершать значительную работу. Молекулы в твердом теле располагаются на строго определенных расстояниях друг от друга (Рис.4г) и совершают колебательные движения около некоторых средних положений, называемых узлами кристаллической решетки (Рис.5).

В жидкостях расстояние между молекулами сравнимо с их размерами, силы притяжения велики, но интенсивность теплового движения тоже большая, что позволяет молекулам по истечении некоторого времени отойти друг от друга на большие расстояния. В жидкостях отрицательная потенциальная энергия взаимодействия сравнима по величине с кинетической энергией, поэтому полная энергия молекулы близка к нулю, что позволяет жидкости легко деформироваться и без разъединения занимать доступный объем под действием даже слабых внешних сил. Молекулы в жидкости, находятся в среднем на определенных, близких друг от друга расстояниях и совершают, похожие на колебания, движения около средних положений, которые также перемещаются хаотически в пространстве (Рис.5).

 


Рис. 5. Характер движения молекул в газах, жидкостях и твердых телах

 В результате взаимодействия между молекулами молекулярная система через некоторое время, называемым временем релаксации, приходит в равновесное состояние, характеризуемое: 1- определенным уравнением состояния, связывающим термодинамические параметры вещества; 2- определенной радиальной функцией, характеризующей распределения молекул в пространстве; 3- функцией Максвелла, характеризующей распределения молекул по скоростям (Рис.6).

 При каждом акте взаимодействия молекул друг с другом их скорости меняются и в результате через некоторое время устанавливается равновесное состояние, при котором число молекул dN, имеющих скорость в определенном диапазоне значений dVсохраняется постоянным и определяется функцией Максвелла F(V) согласно соотношениям

dN = N F(V)DV, F(V)=4pV2(m/2pkT)3/2 exp(-mV2/2kT). (8)

Вид этой функции показан на Рис.6, она существенно зависит от температуры Т и характеризуется наличием максимума, который указывает на наличие наиболее вероятной скорости Vвер. Как видно из графиков (Рис.6), в веществе имеются молекулы с любыми скоростями, но число молекул со скоростями в диапозоне dV около наивероятнейшей будет наибольшим. Максвелловское распределение молекул по скоростям характерно для всех агрегатных состояний, но время релаксации к такому распределению у них разное, это связано с различием времени взаимодействия молекул в разных фазах.


Рис. 6. Максвелловское распределение молекул по скоростям.

Взаимодействие между молекулами. Потенциал взаимодействия. Силы, действующие между электрически нейтральными молекулами или атомами, называют межмолекулярными силами. По своему происхождению они имеют электрический природу и объясняются неоднородным распределением электронов внутри молекулы, что приводит к возникновению электрических дипольных моментов молекул. Электрический дипольный момент можно представить как два разноименных, но одинаковых по величине заряда, расположенных на близком расстоянии друг от друга.

Агрегатные состояния вещества. Фазовая диаграмма. Радиальная функция распределения. Известно что, любое вещество  может находиться в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Под агрегатным состоянием понимают такое состояние вещества, когда оно однородно по своим физическим и химическим свойствам. Агрегатное состояние также называют фазой вещества.

Процессы перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое называют фазовыми переходами. Эти процессы широко используются в химических технологиях. Фазовые диаграммы позволяют рассматривать особенности фазовых переходов в конкретных веществах с помощью различных процессов.


Характер теплового движения молекул в разных состояниях