Взаємне розташування молекул у твердих тілах. Рух молекул у газах, рідинах та твердих тілах. Сили взаємодії молекул
У газах зазвичай відстань між молекулами та атомами значно більша за розміри молекул, а дуже малі. Тому гази не мають власної форми та постійного обсягу. Гази легко стискаються, тому що сили відштовхування на великих відстанях також малі. Гази мають властивість необмежено розширюватися, заповнюючи весь наданий їм обсяг. Молекули газу рухаються з дуже великими швидкостями, зіштовхуються між собою, відскакують одна від одної у різні боки. Численні удари молекул об стінки судини створюють тиск газу.
Рух молекул у рідинах
У рідинах молекули як коливаються біля положення рівноваги, а й роблять перескоки з одного положення рівноваги до сусіднього. Ці перескоки відбуваються періодично. Тимчасовий відрізок між такими перескоками отримав назву середній час осілого життя(або середній час релаксації) та позначається буквою τ. Інакше кажучи, час релаксації – це коливань близько одного певного становища рівноваги. При кімнатній температуріцей час становить середньому 10 -11 з. Час одного коливання становить 10-12 …10-13 с.
Час осілого життя зменшується із підвищенням температури. Відстань між молекулами рідини менша за розміри молекул, частинки розташовані близько одна до одної, а велика. Проте розташування молекул рідини не є строго впорядкованим по всьому об'єму.
Рідина, як і тверді тіла, зберігає свій обсяг, але не має власної форми. Тому вони набувають форми судини, в якій знаходяться. Рідина має таку властивість, як плинність. Завдяки цій властивості рідина не чинить опір зміні форми, мало стискається, а її Фізичні властивостіоднакові в усіх напрямках всередині рідини (ізотропія рідин). Вперше характер молекулярного руху на рідинах встановив радянський фізик Яків Ілліч Френкель (1894 – 1952).
Рух молекул у твердих тілах
Молекули та атоми твердого тіла розташовані у певному порядку і утворюють кристалічні грати. Такі тверді речовини називають кристалічними. Атоми здійснюють коливальні рухи біля положення рівноваги, а тяжіння між ними дуже велике. Тому тверді тіла у звичайних умовах зберігають об'єм та мають власну форму.
Молекулярна фізика – це просто!
Сили взаємодії молекул
Усі молекули речовини взаємодіють між собою силами тяжіння та відштовхування.
Доказ взаємодії молекул: явище змочування, опір стиску та розтягуванню, мала стисливість твердих тіл і газів та ін.
Причина взаємодії молекул – це електромагнітні взаємодії заряджених частинок у речовині.
Як це пояснити?
Атом складається з позитивно зарядженого ядра та негативно зарядженої електронної оболонки. Заряд ядра дорівнює сумарному заряду всіх електронів, тому загалом атом електрично нейтральний.
Молекула, що складається з одного або кількох атомів, теж електрично нейтральна.
Розглянемо взаємодію між молекулами з прикладу двох нерухомих молекул.
Між тілами в природі можуть існувати гравітаційні та електромагнітні сили.
Оскільки маси молекул дуже малі, мізерно малі сили гравітаційного взаємодії між молекулами можна розглядати.
На дуже великих відстанях електромагнітної взаємодії між молекулами також немає.
Але, при зменшенні відстані між молекулами молекули починають орієнтуватися так, що їх звернені одна до одної сторони матимуть різні по знаку заряди (загалом молекули залишаються нейтральними) і між молекулами виникають сили тяжіння.
При ще більшому зменшенні відстані між молекулами виникають сили відштовхування, як наслідок взаємодії негативно заряджених електронних оболонок атомів молекул.
У результаті молекулу діє сума сил тяжіння і відштовхування. На великих відстанях переважає сила тяжіння (на відстані 2-3 діаметрів молекули тяжіння максимально), на малих відстанях сила відштовхування.
Існує така відстань між молекулами, на якій сили тяжіння стають рівними силам відштовхування. Таке положення молекул називається положенням сталої рівноваги.
Знаходяться на відстані один від одного і пов'язані електромагнітними силами молекули мають потенційну енергію.
У положенні сталого рівноваги потенційна енергія молекул мінімальна.
У речовині кожна молекула взаємодіє одночасно з багатьма сусідніми молекулами, що впливає на величину мінімальної потенційної енергії молекул.
З іншого боку, все молекули речовини перебувають у безперервному русі, тобто. мають кінетичну енергію.
Таким чином, структура речовини та її властивості (твердих, рідких та газоподібних тіл) визначаються співвідношенням між мінімальною потенційною енергією взаємодії молекул та запасом кінетичної енергії теплового руху молекул.
Будова та властивості твердих, рідких та газоподібних тіл
Будова тіл пояснюється взаємодією частинок тіла та характером їх теплового руху.
Тверде тіло
Тверді тіла мають постійну форму та об'єм, практично стисливі.
Мінімальна потенційна енергія взаємодії молекул більша за кінетичну енергію молекул.
Сильна взаємодія частинок.
Тепловий рух молекул на жорсткому тілі виражається тільки коливаннями частинок (атомів, молекул) біля положення стійкого рівноваги.
Через великі сили тяжіння молекули мало можуть змінювати своє становище у речовині, цим пояснюється незмінність обсягу і форми твердих тіл.
Більшість твердих тіл має упорядковане в просторі розташування частинок, які утворюють правильні кристалічні грати. Частинки речовини (атоми, молекули, іони) розташовані у вершинах – вузлах кристалічних ґрат. Вузли кристалічної решітки збігаються зі становищем стійкого рівноваги частинок.
Такі тверді тіла називають кристалічними.
Рідина
Рідини мають певний обсяг, але не мають своєї форми, вони набувають форми судини, в якій знаходяться.
Мінімальна потенційна енергія взаємодії молекул можна порівняти з кінетичною енергією молекул.
Слабка взаємодія частинок.
Тепловий рух молекул у рідині виражений коливаннями при положенні стійкої рівноваги всередині об'єму, наданого молекулі її сусідами.
Молекули що неспроможні вільно переміщатися у всьому об'єму речовини, але можливі переходи молекул на сусідні місця. Цим пояснюється плинність рідини, здатність змінювати свою форму.
У рідинах молекули досить міцно пов'язані один з одним силами тяжіння, що пояснює незмінність обсягу рідини.
У рідині відстань між молекулами дорівнює приблизно діаметру молекули. При зменшенні відстані між молекулами (стисканні рідини) різко збільшуються сили відштовхування, тому рідини не стискаються.
За своєю будовою та характером теплового руху рідини займають проміжне положення між твердими тілами та газами.
Хоча різниця між рідиною та газом значно більша, ніж між рідиною та твердим тілом. Наприклад, при плавленні або кристалізації об'єм тіла змінюється набагато менше, ніж при випаровуванні або конденсації.
Гази не мають постійного обсягу і займають весь обсяг судини, в якій вони знаходяться.
Мінімальна потенційна енергія взаємодії молекул менша від кінетичної енергії молекул.
Частинки речовини практично не взаємодіють.
Гази характеризуються повною безладністю розташування та руху молекул.
Розташування молекул у твердих тілах. У твердих тілах відстані між молекулами дорівнює розмірам молекул, тому тверді тіла зберігають форму. Молекули розташовані у певному порядку, званому кристалічні грати, тому у звичайних умовах тверді тіла зберігають свій обсяг.
Картинка 5 із презентації «3 стани речовини»до уроків фізики на тему «Теплові явища»Розміри: 960 х 720 пікселів, формат: jpg. Щоб безкоштовно скачати картинку уроку фізики, клацніть правою кнопкою миші на зображенні та натисніть «Зберегти зображення як...». Для показу картинок на уроці Ви також можете безкоштовно скачати презентацію «3 стану речовини.ppt» повністю з усіма картинками у zip-архіві. Розмір архіву – 2714 КБ.
Завантажити презентаціюТеплові явища
«Дифузія в природі» – широко використовується в харчовій промисловості при консервуванні овочів та фруктів. При виплавці сталі. Прикладом дифузії може бути перемішування газів чи рідин. Що таке дифузія? Дифузія у диханні. Явище дифузії має важливі прояви у природі, використовується в науці та на виробництві.
"Зміна агрегатних станів речовини" - Агрегатні перетворення речовини. Питома теплота пароутворення. Температура кипіння. Кипіння. Температурний графік зміни агрегатних станів води. Температура плавлення та кристалізації. Умови пароутворення. Агрегатні перетворення. Пароутворення. Розрахунок кількості теплоти. Процес плавлення та затвердіння.
«3 стани речовини» - Виріши кросворд. Кристалізація. Розташування молекул у твердих тілах. Приклади процесів. Стану. Речовина. Властивості газів. Пароутворення. Запитання до кросворду. Властивості рідин. Розташування молекул у рідинах. Лід. Властивості твердих тіл. Конденсація. Характер руху та взаємодії частинок.
«Дифузія речовин» - запашні листочки. Темний колір. Прислів'я. Фалес Мілетський. Геракліт. Розв'язуємо задачі. Вчені Стародавню Грецію. Дифузії у техніці та природі. Завдання любителям біології. Дифузія. Явище дифузії. Демокріт. Спостереження. Дифузія у газах.
"Теплові явища при розчиненні" - Д.І. Менделєєв. Інструктаж. Розчинення марганцевокислого калію у воді. Екзотермічний процес. Перевір сусіда по парті. Бажаємо успіхів у подальшому пізнанні законів фізики та хімії. Швидкість дифузії. Що називається тепловим рухом. Взаємне проникнення молекул. Значення розчинів. Практичні задачі.
«Взаємодія молекул» - Чи можна поєднати два шматки залізного цвяха? Тяжіння утримує частинки між собою. I варіант До природних сумішей не відносять: а) глину; б) цемент; в) ґрунт. Газоподібні речовини. II варіант Штучною сумішшю є: а) глина; б) цемент; в) ґрунт. Відстань між молекулами газів більша за розміри самих молекул.
Всього у темі 23 презентації
фізика. Молекули. Розташування молекул у газоподібній, рідкій та твердій відстані.
- У газоподібному стані молекули не пов'язані одна з одною, знаходяться на великій відстаніодин від одного. Рух Броунівський. Газ може бути відносно легко стиснутий.
У рідкому молекули близько один до одного, коливаються разом. Стиснення майже не піддаються.
У тврдом - молекули розташовані в строгому порядку (у кристалічних рештках), будь-який рух молекул відсутній. Стиснення не піддається. - Будова речовини та початки хімії:
http://samlib.ru/a/anemow_e_m/aa0.shtml
(без реєстрації та SMS-повідомлень, у зручному текстовому форматі: можна використовувати Ctrl+C) - Не можна погодитися про те, що у твердому стані молекули не рухаються.
Рух молекул у газах
У газах зазвичай відстань між молекулами та атомами значно більша за розміри молекул, а сили тяжіння дуже малі. Тому гази не мають власної форми та постійного об'єму. Гази легко стискаються, тому що сили відштовхування на великих відстанях також малі. Гази мають властивість необмежено розширюватися, заповнюючи весь наданий їм об'єм. Молекули газу рухаються з дуже великими швидкостями, зіштовхуються між собою, відскакують одна від одної у різні боки. Численні удари молекул об стінки судини утворюють тиск газу.
Рух молекул у рідинах
У рідинах молекули як коливаються біля положення рівноваги, а й роблять перескоки з одного положення рівноваги до сусіднього. Ці перескоки відбуваються періодично. Тимчасовий відрізок між такими перескоками отримав назву середній час осілого життя (або середній час релаксації) і позначається буквою? Іншими словами, час релаксації – це час коливань близько одного певного положення рівноваги. За кімнатної температури цей час становить у середньому 10-11 с. Час одного коливання становить 10–1210–13 с.
Час осілого життя зменшується із підвищенням температури. Відстань між молекулами рідини менша за розміри молекул, частинки розташовані близько одна до одної, а міжмолекулярне тяжіння велике. Проте розташування молекул рідини не є строго впорядкованим по всьому об'єму.
Рідини, як і тверді тіла, зберігають свій об'єм, але не мають власної форми. Тому вони набувають форми судини, в якій знаходяться. Рідина має таку властивість, як плинність. Завдяки цій властивості рідина не опирається зміні форми, мало стискається, а фізичні властивості однакові по всіх напрямках всередині рідини (ізотропія рідин). Вперше характер молекулярного руху на рідинах встановив радянський фізик Яків Ілліч Френкель (1894 1952).
Рух молекул у твердих тілах
Молекули та атоми твердого тіла розташовані в певному порядку і утворюють кристалічну рештку. Такі тверді речовини називають кристалічними. Атоми здійснюють коливальні рухи біля положення рівноваги, а тяжіння між ними дуже велике. Тому тверді тіла у звичайних умовах зберігають об'єм і мають власну форму.
- У газоподібному рухаються рандомно, включаються
У рідкому-рухаються відповідно один з одним
У твердому не рухаються.
Російський Державний Інноваційний Університет
технологій та підприємництва
Пензенський філіал
Кафедра природничих дисциплін
Реферат
З дисципліни «Концепції сучасного природознавства»
Тема: «Модельні уявлення про будову рідин, газів та кристалів»
Виконала: студентка гр. 10Е1 А. Антошкіна
Перевірила: доцент Г. В. Суровицька
Пенза 2010
Зміст
Вступ
Глава 1. Рідина
1.1.Поняття рідини
1.3.Властивості рідини
Глава 2. Газ
2.1.Поняття газу
2.2.Рух молекул
2.3.Властивості газу
Глава 3. Кристали
3.1.Поняття кристалів
3.2.типи кристалічних грат
3.3. Властивості кристалів, форма та сингонія
Висновок
Список літератури
Вступ
За відчуттями, які викликають різні речовини (тіла з речовин) в органів чуття людини, всі вони можуть бути розділені на три основні групи: газоподібні, рідкі та кристалічні (тверді).
Гази не мають власної поверхні та власного обсягу. Вони повністю займають ту посудину, в якій знаходяться. Гази мають необмежену здатність до розширення при підвищенні температури і зниженні тиску. Відстані між молекулами в газах у багато разів більші за розміри самих молекул, а взаємодії між ними, так звані міжмолекулярні взаємодії, слабкі, і молекули в газі рухаються практично незалежно один від одного. Розташування частинок у газі майже повністю безладне (хаотичний).
Кристали, як і всі тверді тіла, мають поверхню, що відокремлює їх від інших твердих тіл, і об'єм, що співвідноситься з нею, які не змінюються (точніше, змінюються дуже незначно) в полі тяжіння. Відстані між частинками в кристалах значно менші, ніж у газах, а міжмолекулярні або міжатомні (якщо кристал побудований з атомів одного елемента) взаємодії набагато сильніші, ніж у газах та рідинах. Частки в кристалі розподілені в деякому досить строгому закономірному порядку, утворюючи кристалічну решітку. Частинки, що становлять кристалічні ґрати, порівняно міцно закріплені на своїх місцях. Відмінною рисою кристалів і те, що й властивості неоднакові у різних напрямах. Це називається анізотропією властивостей.
Рідини поєднують багато властивостей газоподібного та кристалічного станів. Вони мають поверхню та об'єм, на які впливають зміни положення судини з рідиною в полі тяжіння. Рідина в полі тяжіння займає нижню частину судини, де вона знаходиться. Молекули в рідкій речовині пов'язані між собою значно міцнішими міжмолекулярними силами, ніж у газі. Упорядкованість у розташуванні частинок у рідких речовин також набагато вища, ніж у газів. У деяких рідинах, наприклад, у воді, окремі дуже невеликі обсяги мають упорядкованість, близьку до впорядкованості в кристалах.
У доповіді я спробувала розкрити сутність кожного стану речовини: рідкого, газоподібного та кристалічного. Описала властивості речовин, розташування молекул та кристалічні ґрати. Зараз детальніше розглянемо кожну речовину, модельно її представляючи.
Глава 1. Рідина
1.1 Поняття рідини
Кожен з нас легко згадає чимало речовин, які він вважає рідинами. Однак дати точне визначення цього стану речовини не так просто. Рідина займає як би проміжне положення між кристалічним твердим тілом, що відрізняється повною впорядкованістю в розташуванні частинок, що утворюють (іонів, атомів, молекул) і газом, молекули якого знаходяться в стані хаотичного (безладного) руху.
Форма рідких тіл може повністю або частково визначатися тим, що їхня поверхня поводиться як пружна мембрана. Так, вода може збиратися у краплі. Але рідина здатна текти навіть під своєю нерухомою поверхнею, і це теж означає не збереження форми (внутрішніх частин рідкого тіла).
Молекули рідини немає певного становища, але водночас їм недоступна повна свобода переміщень. Між ними існує тяжіння, достатньо сильне, щоб утримати їх на близькій відстані. Речовина у рідкому стані існує у певному інтервалі температур, нижче якого перетворюється на жорсткий стан (відбувається кристалізація чи перетворення на твердотільне аморфний стан - скло), вище - в газоподібне (відбувається випаровування). Межі цього інтервалу залежать від тиску. Як правило, речовина в рідкому стані має лише одну модифікацію. (Найважливіші винятки - це квантові рідини та рідкі кристали.) Тому в більшості випадків рідина є не тільки агрегатним станом, а й термодинамічною фазою (рідка фаза). Усі рідини прийнято ділити на чисті рідини та суміші. Деякі суміші рідин мають велике значення для життя: кров, морська вода та ін. Рідини можуть виконувати функцію розчинників.
1.2. Розташування молекул у рідині
Молекули речовини в рідкому стані розташовані майже впритул один до одного. На відміну від твердих кристалічних тіл, в яких молекули утворюють упорядковані структури у всьому обсязі кристала і можуть здійснювати теплові коливання біля фіксованих центрів, молекули рідини мають більшу свободу. Кожна молекула рідини, як і у твердому тілі, «затиснута» з усіх боків сусідніми молекулами і здійснює теплові коливання близько певного положення рівноваги. Однак, іноді будь-яка молекула може переміститися в сусіднє вакантне місце. Такі перескоки у рідинах відбуваються досить часто; тому молекули не прив'язані до певних центрів, як у кристалах, і можуть переміщатися по всьому об'єму рідини. Цим пояснюється плинність рідин. Через сильну взаємодію між близько розташованими молекулами вони можуть утворювати локальні (нестійкі) упорядковані групи, що містять декілька молекул. Це називається ближнім порядком (рис.1).
Рис.1. приклад ближнього порядку молекул рідини та далекого порядку молекул кристалічної речовини: 1.1 – вода; 1. – лід.
Мал. 2. водяна пара (1) та вода (2). Молекули води збільшені приблизно 5·107 раз.
Рис.2 ілюструє відмінність газоподібної речовини від рідини з прикладу води. Молекула води H2O складається з одного атома кисню та двох атомів водню, розташованих під кутом 104°. Середня відстань між молекулами пари в десятки разів перевищує середню відстань між молекулами води. На відміну від рис.1 де молекули води зображені у вигляді кульок, рис.2 дає уявлення про структуру молекули води. Внаслідок щільної упаковки молекул стисливість рідин, тобто зміна об'єму при зміні тиску, дуже мала; вона у десятки та сотні тисяч разів менша, ніж у газах.
1.3.Властивості рідини
Плинність. Основною властивістю рідин є плинність. Якщо до ділянки рідини, що у рівновазі, докласти зовнішню силу, виникає потік частинок рідини у тому напрямі, у якому ця сила прикладена: рідина тече. Таким чином, під дією неврівноважених зовнішніх сил рідина не зберігає форму і відносне розташування частин, і тому набуває форми судини, в якій знаходиться. На відміну від пластичних твердих тіл, рідина не має межі плинності: достатньо прикласти як завгодно малу зовнішню силу, щоб рідина потекла.
Збереження обсягу. Однією з характерних властивостей рідини і те, що вона має певний обсяг (за незмінних зовнішніх умов). Рідина надзвичайно важко стиснути механічно, оскільки, на відміну газу, між молекулами дуже мало вільного простору. Тиск, що виробляється на рідину, укладену в посудину, передається без зміни до кожної точки обсягу цієї рідини (закон Паскаля, справедливий також і для газів). Ця особливість поряд з дуже малою стисливістю використовується в гідравлічних машинах. Рідини зазвичай збільшують об'єм (розширюються) при нагріванні та зменшують об'єм (стискаються) при охолодженні. Втім, трапляються і винятки, наприклад, вода стискається при нагріванні, нормальному тиску і температурі від 0 °C до приблизно 4 °C.
В'язкість. Крім того, рідини (як і гази) характеризуються в'язкістю. Вона визначається як здатність чинити опір переміщенню однієї з частин відносно іншої - тобто як внутрішнє тертя. Коли сусідні шари рідини рухаються щодо один одного, неминуче відбувається зіткнення молекул додатково до того, що обумовлено тепловим рухом. Виникають сили, які загальмовують упорядкований рух. При цьому кінетична енергія впорядкованого руху переходить у теплову - енергію хаотичного руху молекул. Рідина в судині, наведена в рух і надана собі, поступово зупиниться, але її температура підвищиться.
Освіта вільної поверхні та поверхневий натяг. Через збереження обсягу рідина здатна утворювати вільну поверхню. Така поверхня є поверхнею розділу фаз даної речовини: з одного боку знаходиться рідка фаза, з іншого - газоподібна (пар), і, можливо, інші гази, наприклад, повітря. Якщо рідка та газоподібна фази однієї й тієї ж речовини стикаються, виникають сили, які прагнуть зменшити площу поверхні розділу – сили поверхневого натягу. Поверхня розділу поводиться як пружна мембрана, яка прагне стягнутися. Поверхневий натяг може пояснюватися тяжінням між молекулами рідини. Кожна молекула притягує інші молекули, прагне «оточити» себе ними, а значить, піти з поверхні. Відповідно, поверхня прагне зменшитися. Тому мильні бульбашки та бульбашки при кипінні прагнуть прийняти сферичну форму: при даному обсязі мінімальної поверхнею має кулю. Якщо на рідину діють лише сили поверхневого натягу, вона обов'язково набуде сферичної форми - наприклад, краплі води в невагомості. Маленькі об'єкти з щільністю, більшої щільності рідини, здатні «плавати» на поверхні рідини, оскільки сила тяжіння менше сили, що перешкоджає збільшенню площі поверхні. (Див. Поверхневий натяг.)
Випаровування та конденсація. Випаровування - поступовий перехід речовини з рідини в газоподібну фазу (пар). При тепловому русі деякі молекули залишають рідину через її поверхню і переходять у пару. Разом з тим частина молекул переходить назад з пари в рідину. Якщо з рідини йде більше молекул, ніж приходить, має місце випаровування. Конденсація - зворотний процес, перехід речовини із газоподібного стану в рідкий. При цьому рідина переходить з пари більше молекул, ніж пар з рідини. Випаровування і конденсація - нерівноважні процеси, вони відбуваються до тих пір, поки не встановиться локальна рівновага (якщо встановиться), причому рідина може повністю випаруватися, або прийти в рівновагу зі своєю парою, коли з рідини виходить стільки ж молекул, скільки повертається.
Кипіння – процес пароутворення всередині рідини. При досить високій температурі тиск пари стає вищим за тиск усередині рідини, і там починають утворюватися бульбашки пари, які (в умовах земного тяжіння) спливають нагору.
Змочування - поверхневе явище, що виникає при контакті рідини з твердою поверхнею в присутності пари, тобто межі розділу трьох фаз. Змочування характеризує «прилипання» рідини до поверхні та розтікання по ній (або, навпаки, відштовхування та не розтікання). Розрізняють три випадки: не змочування, обмежене змочування та повне змочування.
Змішуваність - здатність рідин розчинятися одна в одній. Приклад змішуваних рідин: вода та етиловий спирт, приклад не змішуваних: вода та рідка олія.
Дифузія. При знаходженні в посудині двох рідин, що змішуються молекули в результаті теплового руху починають поступово проходити через поверхню розділу, і таким чином рідини поступово змішуються. Це називається дифузією (відбувається й у речовинах, що у інших агрегатних станах).
Перегрів та переохолодження. Рідина можна нагріти вище точки кипіння таким чином, що кипіння не відбувається. Для цього необхідне рівномірне нагрівання, без значних перепадів температури в межах об'єму і без механічних впливів, таких, як вібрація. Якщо в перегріту рідину кинути щось, вона миттєво закипає. Перегріту воду легко отримати у мікрохвильовій печі. Переохолодження - охолодження рідини нижче точки замерзання без перетворення на твердий агрегатний стан. Як і для перегріву, для переохолодження потрібна відсутність вібрації та значних перепадів температури.
Співіснування коїться з іншими фазами. Формально кажучи, для рівноважного співіснування рідкої фази коїться з іншими фазами тієї ж речовини - газоподібної чи кристалічної - потрібні строго певні умови. Так, при цьому тиску потрібна строго певна температура. Тим не менш, у природі та в техніці повсюдно рідина співіснує з парою, або також і з твердим агрегатним станом - наприклад, вода з водяною парою і часто з льодом (якщо вважати пару окремою фазою, яка присутня поряд з повітрям). Це пояснюється такими причинами:
- Нерівноважний стан. Для випаровування рідини потрібен час, поки рідина не випарувалася повністю, вона співіснує з парою. У природі постійно відбувається випаровування води, як і зворотний процес - конденсація.
- Замкнений об'єм. Рідина в закритому посудині починає випаровуватися, але оскільки обсяг обмежений, тиск пари підвищується, він стає насиченим ще до повного випаровування рідини, якщо її кількість була досить велика. При досягненні стану насичення кількість рідини, що випаровується, дорівнює кількості конденсованої рідини, система приходить в рівновагу. Таким чином, в обмеженому обсязі можуть встановити умови, необхідні для рівноважного співіснування рідини та пари.
- наявність атмосфери в умовах земної гравітації. На рідину діє атмосферний тиск (повітря та пара), тоді як для пари має враховуватися практично тільки його парціальний тиск. Тому рідини та пару над її поверхнею відповідають різні точки на фазовій діаграмі, в області існування рідкої фази та в області існування газоподібної відповідно. Це не скасовує випаровування, але на випаровування потрібен час, протягом якого обидві фази співіснують. Без цього умови рідини скипали б і випаровувалися дуже швидко.
Глава 2. Газ
2.1. Поняття газу
ГАЗ - один з агрегатних станів речовини, в якому складові його частинки (атоми, молекули) знаходяться на значних відстанях один від одного і знаходяться у вільному русі. На відміну від рідини та твердого тіла, де молекули знаходяться на близьких відстанях і пов'язані один з одним значними за величиною силами тяжіння та відштовхування, взаємодія молекул у газі проявляється лише у короткі моменти їх зближення (зіткнення). При цьому відбувається різка зміна величини і напрямки швидкості руху частинок, що стикаються.
Назва «газ» походить від грецького слова «haos» і було запроваджено Ван Гельмонтом ще на початку 17 ст., воно добре відбиває справжній характер руху частинок у газі, що відрізняється повною безладністю, хаотичності. На відміну, наприклад, від рідини гази не утворюють вільної поверхні та рівномірно заповнюють весь доступний їм обсяг. Газоподібний стан, якщо зараховувати до нього та іонізовані гази, є найпоширенішим станом речовини у Всесвіті (атмосфери планет, зірки, туманності, міжзоряна речовина тощо).
2.2. Рух молекул
Рух молекул у газах має безладний характер: швидкості молекул немає якогось переважного напрями, а розподілені хаотично у всіх напрямах. Внаслідок зіткнень молекул між собою швидкості їх постійно змінюються як у напрямку, і по модулю. Тому швидкості молекул можуть відрізнятися між собою. У будь-який момент у газі є і молекули, що рухаються надзвичайно швидко, і молекули, що рухаються порівняно повільно. Однак число молекул, що рухаються значно повільніше або значно швидше, ніж інші, мало. Більшість молекул рухається зі швидкостями, що порівняно мало відрізняються від деякої середньої швидкості, яка залежить від роду молекул і температури тіла. Надалі, говорячи про швидкість молекул, ми матимемо на увазі їхню середню швидкість. До питання про вимірювання та розрахунок середньої швидкості молекул ми звернемося пізніше. У багатьох міркуваннях щодо руху молекул газу відіграє поняття середньої довжини вільного пробігу. Середньою довжиною вільного пробігу називають середню відстань, що пробігається молекулами між двома послідовними зіткненнями. Зі зменшенням густини газу середня довжина вільного пробігу збільшується. При атмосферному тиску та 0°С середня довжина вільного пробігу молекул повітря дорівнює приблизно 10-8-10-7 м (рис. 371).
Мал. 371. Таким приблизно представляється шлях молекули повітря при нормальному тиску (збільшено у мільйон разів)
У дуже розріджених газах (наприклад, усередині пустотних електричних лампочок) – середня довжина вільного пробігу сягає кількох сантиметрів і навіть десятків сантиметрів. Тут молекули рухаються від стіни до стіни майже без зіткнень. У твердих тілах молекули коливаються у середніх положень. У рідин молекули також коливаються біля середніх положень. Однак іноді кожна молекула переходить стрибком у нове середнє положення, яке віддаляється від попереднього на кілька міжмолекулярних відстаней.
2.3. Властивості газу
У газовому стані енергія взаємодії частинок між собою набагато менша від їх кінетичної енергії: ЕММВ<< Екин.
Тому молекули (атоми) газу не утримуються разом, а вільно переміщуються в об'ємі, що значно перевищує обсяг самих частинок. Сили міжмолекулярної взаємодії проявляються, коли молекули підходять одна до одної на досить близьку відстань. Слабка міжмолекулярна взаємодія обумовлює малу щільність газу, прагнення до безмежного розширення, здатність чинити тиск на стінки судини, що перешкоджають цьому прагненню. Молекули газу знаходяться в хаотичному безладному русі, і в газі відсутній будь-який порядок щодо розташування молекул. Стан газу характеризують: температурою - T, тиском - р та об'ємом - V. При малих тисках і високих температурах всі типові гази поводяться приблизно однаково. Але вже при нормальних і, особливо, знижених температурах і високих тисках починають проявлятися особливості газів. Підвищення зовнішнього тиску і зниження температури зближує частки газу, тому міжмолекулярна взаємодія починає проявлятися більшою мірою. Для таких газів вже не можна застосовувати рівняння Менделєєва-Клапейрона: а слід застосовувати рівняння Ван-дер-Ваальса:
де a і b - постійні члени, що враховують наявність сил тяжіння між молекулами та власний обсяг молекул відповідно.
При стисканні газів, коли відбувається значне збільшення їх щільності, сили ММВ стають все більш відчутними, що призводить до створення умов для утворення молекул різних асоціатів. Асоціати щодо нестійкі групи молекул. З природи складових ММВ слід, що універсальні сили взаємодії збільшуються зі збільшенням розмірів атомів різко зростає поляризуемость, тому, що важче однотипні частинки (атоми чи молекули) речовини, тим більше ступінь їх асоціації за даної температурі, тим за нижчих температурах така речовина переходить із газу в рідину.
Глава 3. Кристали
3.1.Поняття кристалів
Світ кристалів - світ не менш красивий, різноманітний, що розвивається, найчастіше не менш загадковий, ніж світ живої природи. Важливість кристалів для геологічних наук у тому, що переважна частина земної кори перебуває у кристалічному стані. У класифікації таких фундаментальних об'єктів геології, як мінерал та гірська порода, поняття кристала є первинним, елементарним, аналогічно атому в періодичній системі елементів або молекулі у хімічній класифікації речовин. За афористичним висловом відомого мінералогу, професора Санкт-Петербурзького гірничого інституту Д.П. Григор'єва, "мінерал – це кристал". Зрозуміло, що властивості мінералів і гірських порід тісно пов'язані із загальними властивостями кристалічного стану.
Слово "кристал" - грецьке (??????????), вихідне його значення - "лід". Однак уже в античний час цей термін був перенесений на прозорі природні багатогранники інших речовин (кварцу, кальциту тощо), оскільки вважалося, що це теж лід, який отримав через якісь причини стійкість при високій температурі. У російській мові це слово має дві форми: власне "кристал", що означає природним шляхом багатогранне тіло, і "кришталь" - особливий сорт скла з високим показником заломлення, а також прозорий безбарвний кварц ("гірський кришталь"). У більшості європейських мов для обох цих понять використовується одне слово (порівняйте англійські "Crystal Palace" - "Кришталевий палац" у Лондоні та "Crystal Growth" - міжнародний журнал зростання кристалів).
З кристалами людство познайомилося у давнину. Пов'язано це, в першу чергу, з їхньою здатністю, що часто реалізується в природі, самообмежуватися, тобто мимоволі приймати форму дивовижних за досконалістю поліедрів. Навіть сучасна людина, вперше зіткнувшись із природними кристалами, найчастіше не вірить, що ці багатогранники не є справою рук майстерного майстра. Формі кристалів здавна надавалося магічне значення, про що свідчать деякі археологічні знахідки. Згадки про "кристал" (мабуть, все-таки йдеться про "кришталь") неодноразово зустрічаються в Біблії (див., напр.: Об'явлення Іоанна, 21, 11; 32, 1, та ін). Серед математиків існує аргументована думка, що прототипами п'яти правильних багатогранників (тіл Платона) послужили природні кристали. Багатьом архімедовим (напівправильним) багатогранникам також є точні або дуже близькі аналоги у світі кристалів. А в прикладному мистецтві давнини іноді як зразки для наслідування використовувалися кристалічні багатогранники, причому й такі, які свідомо не розглядалися тодішньою наукою. Наприклад, у Державному Ермітажі зберігається нитка намиста, форма яких з високою точністю відтворює характерну форму кристалів красивого напівдорогоцінного мінералу гранату. Бусини ці виготовлені із золота (імовірно, близькосхідна робота І-V ст. н. е.). Таким чином, кристали з давніх-давен надавали помітний вплив на основні сфери інтересів людини: емоційну (релігія, мистецтво), ідеологічну (релігія), інтелектуальну (наука, мистецтво).
3.2. Основні типи кристалічних грат
У твердих тілах атоми можуть розміщуватися у просторі двома способами: 1) Безладне розташування атомів, коли вони не займають певного місця один щодо одного. Такі тіла називаються аморфними.2) Упорядковане розташування атомів, коли атоми займають у просторі цілком певні місця, такі речовини називаються кристалічними.
Атоми здійснюють щодо свого середнього становища коливання із частотою близько 1013 Гц. Амплітуда цих коливань пропорційна температурі. Завдяки впорядкованому розташуванню атомів у просторі, їх центри можна з'єднати уявними прямими лініями. Сукупність таких ліній, що перетинаються, представляє просторову решітку, яку називають кристалічною решіткою.
Зовнішні електронні орбіти атомів стикаються, отже щільність упаковки атомів у кристалічній решітці дуже велика. Кристалічні тверді тіла складаються із кристалічних зерен - кристаллітів. У сусідніх зернах кристалічні ґрати повернуті щодо один одного на деякий кут. У кристаллітах дотримуються ближній та дальній порядки. Це означає наявність упорядкованого розташування та стабільності як навколишніх атом найближчих його сусідів (ближній порядок), так і атомів, що знаходяться від нього на значних відстанях аж до меж зерен (далекий порядок).
а) б)
Мал. 1.1. Розташування атомів у кристалічній (а) та аморфній (б) речовині
Внаслідок дифузії окремі атоми можуть залишати свої місця у вузлах кристалічних ґрат, проте при цьому впорядкованість кристалічної будови в цілому не порушується.
Всі метали є кристалічними тілами, що мають певний тип кристалічних ґрат, що складається з малорухливих позитивно заряджених іонів, між якими рухаються вільні електрони (так званий електронний газ). Такий тип структури називається металевим зв'язком. Тип грат визначається формою елементарного геометричного тіла, багаторазове повторення якого по трьох просторових осях утворює грати даного кристалічного тіла.
А) Б)
В) Г)
Мал. 1.2. Основні типи кристалічних грат металів:
А) кубічна (1 атом на комірку)
Б) об'ємно-центрована кубічна (ОЦК) (2 атоми на комірку)
і т.д.................