Gazların, sıvıların ve katıların yapısı.

Moleküler kinetik teorinin temel prensipleri:

Bütün maddeler moleküllerden, moleküller ise atomlardan oluşur.

Atomlar ve moleküller sürekli hareket halindedir,

Moleküller arasında çekim ve itme kuvvetleri vardır.

İÇİNDE gazlar moleküller düzensiz hareket eder, moleküller arasındaki mesafeler büyüktür, moleküler kuvvetler küçük olduğundan gaz kendisine sağlanan hacmin tamamını kaplar.

İÇİNDE sıvılar Moleküller yalnızca kısa mesafelerde düzenli bir şekilde düzenlenir ve uzun mesafeler düzenleme sırası (simetri) ihlal edilmiştir – “kısa menzilli düzen”. Moleküler çekim kuvvetleri molekülleri birbirine yakın tutar. Moleküllerin hareketi, bir sabit konumdan diğerine (genellikle bir katman içinde) "sıçraymaktır". Bu hareket, bir sıvının akışkanlığını açıklar. Bir sıvının şekli yoktur, ancak hacmi vardır.

Katılar, kristal ve amorf olarak bölünmüş, şeklini koruyan maddelerdir. Kristal katılar cisimler, düğümlerinde iyonların, moleküllerin veya atomların bulunabileceği bir kristal kafese sahiptirler. Kararlı denge konumlarına göre salınırlar. Kristal kafesler doğru yapı tüm hacim boyunca – “uzun menzilli düzen”.

Amorf cisimlerşeklini korur, ancak sahip değildir kristal kafes ve sonuç olarak belirgin bir erime noktasına sahip değildir. Sıvılar gibi "kısa menzilli" moleküler düzene sahip oldukları için donmuş sıvılar olarak adlandırılırlar.

Moleküler etkileşim kuvvetleri

Bir maddenin tüm molekülleri birbirleriyle çekme ve itme kuvvetleriyle etkileşime girer. Moleküllerin etkileşiminin kanıtı: ıslanma olgusu, sıkıştırma ve gerilmeye karşı direnç, katıların ve gazların düşük sıkıştırılabilirliği, vb. Moleküllerin etkileşiminin nedeni, bir maddedeki yüklü parçacıkların elektromanyetik etkileşimleridir. Bu nasıl açıklanır? Bir atom, pozitif yüklü bir çekirdek ve negatif yüklü bir elektron kabuğundan oluşur. Çekirdeğin yükü tüm elektronların toplam yüküne eşittir, dolayısıyla atom bir bütün olarak elektriksel olarak nötrdür. Bir veya daha fazla atomdan oluşan bir molekül de elektriksel olarak nötrdür. İki sabit molekül örneğini kullanarak moleküller arasındaki etkileşimi ele alalım. Doğada cisimler arasında yer çekimi ve elektromanyetik kuvvetler bulunabilir. Moleküllerin kütleleri son derece küçük olduğundan, moleküller arasındaki yerçekimsel etkileşimin ihmal edilebilir kuvvetleri göz ardı edilebilir. Çok büyük mesafelerde moleküller arasında elektromanyetik etkileşim de yoktur. Ancak moleküller arasındaki mesafe azaldıkça, moleküller, birbirlerine bakan tarafları farklı işaretlere sahip olacak (genel olarak moleküller nötr kalır) ve moleküller arasında çekici kuvvetler ortaya çıkacak şekilde kendilerini yönlendirmeye başlarlar. Moleküller arasındaki mesafenin daha da azalmasıyla birlikte, negatif yüklülerin etkileşimi sonucu itici kuvvetler ortaya çıkar. elektronik kabuklar moleküllerin atomları. Sonuç olarak molekül, çekme ve itme kuvvetlerinin toplamı tarafından etkilenmektedir. Büyük mesafelerde, çekim kuvveti baskındır (molekülün 2-3 çapındaki bir mesafede, çekim maksimumdur), kısa mesafelerde ise itme kuvveti baskındır. Moleküller arasında çekici kuvvetlerin itici kuvvetlere eşit olduğu mesafe vardır. Moleküllerin bu konumuna kararlı denge konumu denir. Birbirinden uzakta bulunan ve elektromanyetik kuvvetlerle bağlanan moleküller potansiyel enerjiye sahiptir. Kararlı bir denge konumunda moleküllerin potansiyel enerjisi minimumdur. Bir maddede her molekül aynı anda birçok komşu molekülle etkileşime girer ve bu aynı zamanda minimumun değerini de etkiler. potansiyel enerji moleküller. Ayrıca bir maddenin tüm molekülleri sürekli hareket halindedir. kinetik enerjiye sahiptir. Böylece, bir maddenin yapısı ve özellikleri (katı, sıvı ve gaz halindeki cisimler), moleküllerin minimum potansiyel etkileşim enerjisi ile rezerv arasındaki ilişki ile belirlenir. kinetik enerji Moleküllerin termal hareketi.

Katı, sıvı ve gaz halindeki cisimlerin yapısı ve özellikleri

Vücutların yapısı, vücut parçacıklarının etkileşimi ve termal hareketlerinin doğası ile açıklanır.

Sağlam

Katıların şekli ve hacmi sabittir ve pratik olarak sıkıştırılamazlar. Moleküllerin minimum potansiyel etkileşim enerjisi, moleküllerin kinetik enerjisinden daha büyüktür. Güçlü parçacık etkileşimi. Bir katıdaki moleküllerin termal hareketi yalnızca parçacıkların (atomlar, moleküller) kararlı bir denge konumu etrafındaki titreşimleriyle ifade edilir.

Büyük çekim kuvvetleri nedeniyle moleküller madde içindeki konumlarını pratik olarak değiştiremezler; bu, katıların hacminin ve şeklinin değişmezliğini açıklar. Çoğu katı, düzenli bir kristal kafes oluşturan parçacıkların uzaysal olarak düzenli bir düzenlemesine sahiptir. Maddenin parçacıkları (atomlar, moleküller, iyonlar) kristal kafesin köşelerinde - düğümlerinde bulunur. Kristal kafesin düğümleri, parçacıkların kararlı denge konumuyla çakışır. Çok katılar kristal denir.

Sıvı

Sıvıların belirli bir hacmi vardır ancak kendi şekilleri yoktur, bulundukları kabın şeklini alırlar. Moleküller arasındaki etkileşimin minimum potansiyel enerjisi, moleküllerin kinetik enerjisiyle karşılaştırılabilir. Zayıf parçacık etkileşimi. Bir sıvı içindeki moleküllerin termal hareketi, moleküle komşuları tarafından sağlanan hacim içindeki kararlı bir denge konumu etrafındaki titreşimlerle ifade edilir. Moleküller bir maddenin tüm hacmi boyunca serbestçe hareket edemezler ancak moleküllerin komşu yerlere geçişleri mümkündür. Bu, sıvının akışkanlığını ve şeklini değiştirme yeteneğini açıklar.

Sıvılarda moleküller, sıvı hacminin değişmezliğini açıklayan çekim kuvvetleriyle birbirine oldukça sıkı bir şekilde bağlanır. Bir sıvıda moleküller arasındaki mesafe yaklaşık olarak molekülün çapına eşittir. Moleküller arasındaki mesafe azaldığında (sıvının sıkıştırılması), itme kuvvetleri keskin bir şekilde artar, dolayısıyla sıvılar sıkıştırılamaz. Yapıları ve termal hareketin doğası gereği sıvılar, katılar ve gazlar arasında bir ara pozisyonda bulunur. Bir sıvı ile bir gaz arasındaki fark, bir sıvı ile bir katı arasındaki farktan çok daha büyük olmasına rağmen. Örneğin, erime veya kristalleşme sırasında bir cismin hacmi, buharlaşma veya yoğunlaşma sırasında olduğundan çok daha az değişir.

Gazların sabit bir hacmi yoktur ve bulundukları kabın tüm hacmini kaplarlar. Moleküller arasındaki etkileşimin minimum potansiyel enerjisi, moleküllerin kinetik enerjisinden daha azdır. Maddenin parçacıkları pratikte etkileşime girmez. Gazlar, moleküllerin düzenlenmesinde ve hareketinde tam bir bozuklukla karakterize edilir.

Gaz molekülleri arasındaki mesafe, moleküllerin boyutundan birkaç kat daha fazladır. Küçük çekim kuvvetleri molekülleri birbirine yakın tutamaz, dolayısıyla gazlar sınırsızca genişleyebilir. Gazlar dış basıncın etkisi altında kolayca sıkıştırılır, çünkü Moleküller arasındaki mesafeler büyüktür ve etkileşim kuvvetleri ihmal edilebilir düzeydedir. Kabın duvarlarındaki gaz basıncı, hareket eden gaz moleküllerinin etkisiyle oluşur.

Sıvılar. Sıvılarda moleküllerin hareketi.

Sıvı, özelliklerine ve yapısına göre sıralanır ara konum Gazlar ve katılar arasında kristal maddeler. Bu nedenle hem gaz hem de katı madde özelliklerine sahiptir. Moleküler kinetik teorisinde çeşitli toplanma durumları maddeler değişen derecelerde moleküler düzenle ilişkilidir. Katılar için sözde uzun menzilli düzen parçacıkların düzenlenmesinde, yani. büyük mesafelerde tekrarlanan düzenli düzenlemeleri. Sıvılarda sözde bir şey var emri kapat parçacıkların düzenlenmesinde, yani. mesafeler boyunca tekrarlanan sıralı düzenlemeleri, atomlar arası olanlarla karşılaştırılabilir. Kristalleşme sıcaklığına yakın sıcaklıklarda sıvının yapısı katıya yakındır. Şu tarihte: yüksek sıcaklıklar Kaynama noktasına yakın bir yerde, sıvının yapısı gaz durumuna karşılık gelir - neredeyse tüm moleküller kaotik termal harekete katılır.

Sıvılar da katılar gibi belli bir hacme sahiptirler ve gazlar gibi bulundukları kabın şeklini alırlar. Gaz molekülleri pratikte birbirlerine kuvvetlerle bağlanmaz moleküller arası etkileşim ve içinde bu durumda ortalama enerji Gaz moleküllerinin termal hareketi, aralarındaki çekim kuvvetlerinin neden olduğu ortalama potansiyel enerjiden çok daha büyüktür, bu nedenle gaz molekülleri birbirinden uzaklaşır. farklı taraflar ve gaz kendisine sağlanan hacmi kaplar. Katı halde ve sıvı cisimler Moleküller arasındaki çekim kuvvetleri zaten önemlidir ve molekülleri birbirlerinden belirli bir mesafede tutar. Bu durumda moleküllerin ortalama termal hareket enerjisi, moleküller arası etkileşim kuvvetleri nedeniyle ortalama potansiyel enerjiden daha azdır ve moleküller arasındaki çekim kuvvetlerini yenmek için yeterli değildir, dolayısıyla katılar ve sıvılar belirli bir hacme sahiptir.

Sıvılardaki basınç, sıcaklığın artması ve hacmin azalmasıyla çok keskin bir şekilde artar. Hacim genişletme sıvıdaki molekülleri birbirine bağlayan kuvvetler daha önemli olduğundan, buharlardan ve gazlardan çok daha az sıvı vardır; aynı açıklama termal genleşme için de geçerlidir.

Sıvıların ısı kapasiteleri genellikle sıcaklıkla artar (çok az da olsa). Ср/СV oranı pratik olarak birliğe eşittir.

Sıvı teorisi henüz tam olarak gelişmemiştir. Bir dizi araştırma probleminin geliştirilmesi karmaşık özellikler sıvı Ya.I'ye aittir. Frenkel (1894–1952). Bir sıvıdaki termal hareketi, her molekülün belirli bir denge konumu etrafında bir süre salınması ve ardından atomlar arası bir mesafede orijinalinden ayrılan yeni bir konuma atlaması gerçeğiyle açıkladı. Böylece sıvının molekülleri, sıvının tüm kütlesi boyunca oldukça yavaş hareket eder. Sıvı sıcaklığı arttıkça frekans salınım hareketi keskin bir şekilde artar ve moleküllerin hareketliliği artar.

Frenkel modeline dayanarak bazı şeyleri açıklamak mümkündür. ayırt edici özellikler sıvının özellikleri. Yani sıvılar bile yakın kritik sıcaklıkçok daha fazlası var viskozite gazlardan daha fazladır ve sıcaklık arttıkça viskozite azalır (ve gazlarda olduğu gibi artmaz). Bu, momentum aktarım sürecinin farklı doğasıyla açıklanmaktadır: birinden sıçrayan moleküller tarafından iletilir. denge durumu ve bu sıçramalar sıcaklığın artmasıyla önemli ölçüde daha sık hale gelir. Difüzyon sıvılarda yalnızca moleküler sıçramalar nedeniyle oluşur ve gazlara göre çok daha yavaş gerçekleşir. Isı iletkenliği sıvılar, denge konumları etrafında farklı genliklerle salınan parçacıklar arasındaki kinetik enerji alışverişinden kaynaklanır; moleküllerin ani sıçramaları gözle görülür bir rol oynamaz. Isı iletkenliğinin mekanizması gazlardaki mekanizmaya benzer. Karakteristik özellik sıvı sahip olma yeteneğidir serbest yüzey (sağlam duvarlarla sınırlı değildir).

Soyut
"Modern doğa biliminin kavramları" disiplininde
Konu: “Sıvıların, gazların ve kristallerin yapısına ilişkin model fikirleri”

Tamamlayan: öğrenci gr. 10E1 A. Antoshkina
Kontrol eden: Doçent G. V. Surovitskaya

Penza 2010

İçerik
giriiş
Bölüm 1. Sıvı
1.1.Sıvı kavramı

1.3.Sıvı özellikler
Bölüm 2. Gaz
2.1 Gaz kavramı
2.2 Moleküler hareket
2.3.Gaz özellikleri
Bölüm 3. Kristaller
3.1.Kristal kavramı
3.2.kristal kafes çeşitleri
3.3. Kristallerin özellikleri, şekli ve sistemi
Çözüm
Referanslar

giriiş
Çeşitli maddelerin (madde kütlelerinin) insan duyularında yarattığı duyumlara göre hepsi üç ana gruba ayrılabilir: gaz, sıvı ve kristal (katı).
Gazların kendilerine ait yüzeyleri ve hacimleri yoktur. Bulundukları gemiyi tamamen işgal ediyorlar. Gazların artan sıcaklık ve azalan basınçla sınırsız bir şekilde genleşme yeteneği vardır. Gazlardaki moleküller arasındaki mesafeler, moleküllerin boyutlarından birçok kez daha büyüktür ve moleküller arası etkileşimler olarak adlandırılan aralarındaki etkileşimler zayıftır ve gazdaki moleküller neredeyse birbirlerinden bağımsız olarak hareket ederler. Bir gazdaki parçacıkların düzeni neredeyse tamamen rastgeledir (kaotik).
Kristaller, tüm katılar gibi, onları diğer katılardan ayıran bir yüzeye ve buna karşılık gelen, yerçekimi alanında değişmeyen (veya daha doğrusu çok az değişen) bir hacme sahiptir. Kristallerdeki parçacıklar arasındaki mesafeler gazlardan çok daha küçüktür ve moleküller arası veya atomlar arası (kristal bir elementin atomlarından yapılmışsa) etkileşimler gazlardan ve sıvılardan çok daha güçlüdür. Bir kristaldeki parçacıklar oldukça katı bir düzenli düzende dağılarak bir kristal kafes oluşturur. Kristal kafesi oluşturan parçacıklar nispeten sıkı bir şekilde yerlerine sabitlenmiştir. Kristallerin ayırt edici özelliği, özelliklerinin farklı yönlerde aynı olmamasıdır. Bu olguya özelliklerin anizotropisi denir.
Sıvılar, gaz ve kristal hallerin birçok özelliğini birleştirir. Yerçekimi alanında sıvı bulunan kabın pozisyonundaki değişikliklerden etkilenen bir yüzeye ve hacme sahiptirler. Yerçekimi alanındaki bir sıvı, bulunduğu kabın alt kısmını kaplar. Sıvı bir maddedeki moleküller, gaza göre çok daha güçlü moleküller arası kuvvetlerle birbirine bağlanır. Parçacıkların düzenindeki düzen sıvı maddeler ayrıca gazlarınkinden çok daha yüksektir. Su gibi bazı sıvılarda çok küçük hacimler, kristallerdekine yakın bir düzene sahiptir.
Raporda maddenin her halinin (sıvı, gaz ve kristal) özünü ortaya çıkarmaya çalıştım. Maddelerin özelliklerini, moleküllerin dizilişini ve kristal kafeslerini anlattı. Şimdi her maddeye daha yakından bakalım, örnek bir şekilde sunalım.

Bölüm 1. Sıvı
1.1 Sıvı kavramı
Her birimiz sıvı olarak kabul ettiği birçok maddeyi kolaylıkla hatırlayabiliriz. Ancak maddenin bu halinin kesin bir tanımını vermek o kadar kolay değildir. Sıvı, kendisini oluşturan parçacıkların (iyonlar, atomlar, moleküller) düzenlenmesinde tam bir düzenlilik ile karakterize edilen kristalimsi bir katı ile molekülleri kaotik (düzensiz) bir hareket halinde olan bir gaz arasında bir ara pozisyonda bulunur.
Sıvı cisimlerin şekli tamamen veya kısmen yüzeylerinin elastik bir zar gibi davranmasıyla belirlenebilir. Böylece su damlalar halinde birikebilir. Ancak bir sıvı, sabit yüzeyinin altında bile akma kabiliyetine sahiptir ve bu aynı zamanda formun (sıvı cismin iç kısımlarının) korunmadığı anlamına da gelir.
Sıvı moleküllerin kesin bir konumu yoktur ancak aynı zamanda tam bir hareket özgürlüğüne de sahip değildirler. Aralarında onları yakın tutacak kadar güçlü bir çekim vardır. Sıvı haldeki bir madde belirli bir sıcaklık aralığında bulunur, bunun altında katı bir duruma dönüşür (kristalleşme meydana gelir veya katı hal amorf bir duruma - cam dönüşümü gerçekleşir), üzerinde gaz haline dönüşür (buharlaşma meydana gelir). Bu aralığın sınırları basınca bağlıdır. Kural olarak sıvı haldeki bir maddenin yalnızca bir modifikasyonu vardır. (En önemli istisnalar kuantum sıvıları ve sıvı kristallerdir.) Bu nedenle çoğu durumda sıvı yalnızca bir toplanma durumu değil aynı zamanda termodinamik bir fazdır (sıvı faz). Tüm sıvılar genellikle saf sıvılara ve karışımlara ayrılır. Bazı sıvı karışımları yaşam için büyük öneme sahiptir: kan, deniz suyu vb. Sıvılar çözücü görevi görebilir.
1.2. Bir sıvıdaki moleküllerin dizilişi
Sıvı haldeki bir maddenin molekülleri neredeyse birbirine yakın konumdadır. Moleküllerin kristalin tüm hacmi boyunca düzenli yapılar oluşturduğu ve sabit merkezler etrafında termal titreşimler gerçekleştirebildiği katı kristal cisimlerin aksine, sıvı moleküller daha fazla özgürlüğe sahiptir. Bir sıvının her molekülü, tıpkı bir katıda olduğu gibi, her taraftan komşu moleküller tarafından "sıkıştırılır" ve belirli bir denge konumu etrafında termal titreşimlere maruz kalır. Ancak zaman zaman herhangi bir molekül yakındaki boş bir bölgeye hareket edebilir. Sıvılarda bu tür sıçramalar oldukça sık meydana gelir; bu nedenle moleküller kristallerde olduğu gibi belirli merkezlere bağlı değildir ve sıvının tüm hacmi boyunca hareket edebilirler. Bu, sıvıların akışkanlığını açıklar. Yakın konumdaki moleküller arasındaki güçlü etkileşim nedeniyle, birkaç molekül içeren yerel (kararsız) düzenli gruplar oluşturabilirler. Bu olguya kısa menzilli düzen denir (Şekil 1).

Şekil 1. sıvı moleküllerin kısa menzilli düzenine ve kristalli bir maddenin moleküllerinin uzun menzilli düzenine bir örnek: 1.1 – su; 1. – buz.

Pirinç. 2. su buharı (1) ve su (2). Su molekülleri yaklaşık 5.107 kat büyütülür.
Şekil 2, örnek olarak su kullanılarak gaz halindeki bir madde ile bir sıvı arasındaki farkı göstermektedir. Su molekülü H2O, 104° açıyla konumlanmış bir oksijen atomu ve iki hidrojen atomundan oluşur. Buhar molekülleri arasındaki ortalama mesafe, su molekülleri arasındaki ortalama mesafeden onlarca kat daha fazladır. Su moleküllerinin toplar halinde gösterildiği Şekil 1'den farklı olarak Şekil 2, su molekülünün yapısı hakkında fikir vermektedir. Moleküllerin yoğun paketlenmesi nedeniyle sıvıların sıkıştırılabilirliği, yani basınçtaki değişiklikle hacimdeki değişiklik çok küçüktür; gazlardan onlarca, yüzbinlerce kat daha azdır.

1.3 Sıvı özellikleri
Akışkanlık. Sıvıların temel özelliği akışkanlıktır. Sıvının dengede olan bir bölümüne harici bir kuvvet uygulanırsa, bu kuvvetin uygulandığı yönde sıvı parçacıklarının akışı ortaya çıkar: sıvı akar. Böylece, dengesiz dış kuvvetlerin etkisi altında sıvı, şeklini ve parçaların göreceli düzenini korumaz ve bu nedenle içinde bulunduğu kabın şeklini alır. Plastik katıların aksine, bir sıvının akma sınırı yoktur: sıvının akması için keyfi olarak küçük bir dış kuvvetin uygulanması yeterlidir.
Hacmin korunması. Bir sıvının karakteristik özelliklerinden biri, belirli bir hacme sahip olmasıdır (sabit dış koşullar altında). Sıvıların mekanik olarak sıkıştırılması son derece zordur çünkü gazların aksine moleküller arasında çok az boş alan vardır. Kap içindeki bir sıvıya uygulanan basınç, bu sıvının hacmindeki her noktaya değişmeden iletilir (Pascal kanunu gazlar için de geçerlidir). Bu özellik, sıkıştırılabilirliğin çok düşük olmasıyla birlikte hidrolik makinelerde kullanılmaktadır. Sıvılar genellikle ısıtıldıklarında hacimleri artar (genleşir), soğutulduklarında ise hacimleri azalır (daralır). Ancak istisnalar da vardır; örneğin su ısıtıldığında, normal basınçta ve 0 °C ila yaklaşık 4 °C arasındaki sıcaklıklarda büzülür.
Viskozite. Ek olarak sıvılar (gazlar gibi) viskozite ile de karakterize edilir. Bir parçanın diğerine göre hareketine, yani iç sürtünmeye direnme yeteneği olarak tanımlanır. Bitişik sıvı katmanları birbirine göre hareket ettiğinde, termal hareketin neden olduğu çarpışmalara ek olarak kaçınılmaz olarak molekül çarpışmaları da meydana gelir. Düzenli hareketi engelleyen kuvvetler ortaya çıkar. Bu durumda, düzenli hareketin kinetik enerjisi termal enerjiye dönüşür - moleküllerin kaotik hareketinin enerjisi Kaptaki harekete geçirilen ve kendi haline bırakılan sıvı yavaş yavaş duracak, ancak sıcaklığı artacaktır.
Serbest yüzey oluşumu ve yüzey gerilimi. Hacmin korunması nedeniyle sıvı serbest bir yüzey oluşturabilir. Böyle bir yüzey, belirli bir maddenin fazları arasındaki arayüzdür: bir tarafta sıvı faz, diğer tarafta gaz fazı (buhar) ve muhtemelen başka gazlar, örneğin hava vardır. Aynı maddenin sıvı ve gaz fazları temas ederse, arayüz alanını azaltan kuvvetler (yüzey gerilimi kuvvetleri) ortaya çıkar. Arayüz, büzülme eğiliminde olan elastik bir zar gibi davranır. Yüzey gerilimi sıvı moleküller arasındaki çekimle açıklanabilir. Her molekül diğer molekülleri çeker ve kendisini onlarla "çevrelemeye", yani yüzeyi terk etmeye yönelir. Buna göre yüzey azalma eğilimindedir. Bu nedenle, sabun kabarcıkları ve kabarcıklar kaynarken küresel bir şekil alma eğilimindedir: belirli bir hacim için bir küre minimum yüzey alanına sahiptir. Bir sıvıya yalnızca yüzey gerilimi kuvvetleri etki ediyorsa, sıvı mutlaka küresel bir şekil alacaktır - örneğin sıfır yerçekimindeki su damlaları. Yoğunluğu sıvınınkinden daha büyük olan küçük nesneler, yerçekimi kuvveti yüzey alanının artmasını önleyen kuvvetten daha az olduğundan sıvının yüzeyinde "yüzebilir". (Bkz. Yüzey gerilimi.)
Buharlaşma ve yoğunlaşma. Buharlaşma, bir maddenin sıvı halden gaz fazına (buhar) kademeli geçişidir. Termal hareket sırasında bazı moleküller sıvıyı yüzeyinden terk ederek buhar haline gelir. Aynı zamanda bazı moleküller buhardan sıvıya geri döner. Bir sıvıya girenden daha fazla molekül ayrılırsa buharlaşma meydana gelir. Yoğuşma ters bir işlemdir, bir maddenin gaz halindeki durumdan sıvı duruma geçişidir. Bu durumda buhardan sıvıya, sıvıdan buhara olduğundan daha fazla molekül geçer. Buharlaşma ve yoğunlaşma dengesiz süreçlerdir; yerel denge sağlanana kadar (eğer kurulursa) meydana gelirler ve sıvı tamamen buharlaşabilir veya mümkün olduğunca çok molekül geri dönüş olarak sıvıyı terk ettiğinde buharıyla dengeye gelebilir.
Kaynama, bir sıvı içinde buharlaşma işlemidir. Yeterince yüksek bir sıcaklıkta, buhar basıncı, sıvının içindeki basınçtan daha yüksek hale gelir ve orada (yerçekimi koşulları altında) yukarı doğru yüzen buhar kabarcıkları oluşmaya başlar.
Islanma, bir sıvının buhar varlığında, yani üç fazın arayüzlerinde katı bir yüzeyle temas etmesi sonucu ortaya çıkan bir yüzey olgusudur. Islanma, bir sıvının bir yüzeye "yapışmasını" ve onun üzerine yayılmasını (veya tersine itilmesini ve yayılmamasını) karakterize eder. Üç durum vardır: ıslanma yok, sınırlı ıslanma ve tam ıslanma.
Karışabilirlik, sıvıların birbiri içinde çözünebilme yeteneğidir. Karışabilen sıvılara örnek: su ve etil alkol, karışmayan sıvılara örnek: su ve sıvı yağ.
Difüzyon. Bir kapta iki karışık sıvı bulunduğunda, termal hareketin bir sonucu olarak moleküller yavaş yavaş ara yüzeyden geçmeye başlar ve böylece sıvılar yavaş yavaş karışır. Bu olaya difüzyon denir (aynı zamanda diğer toplanma durumlarındaki maddelerde de meydana gelir).
Aşırı ısınma ve hipotermi.
Bir sıvı kaynama noktasının üzerinde ısıtılabilir, böylece kaynama meydana gelmez. Bu, hacim içinde önemli sıcaklık değişiklikleri olmaksızın ve titreşim gibi mekanik etkiler olmadan, eşit bir ısıtma gerektirir. Aşırı ısınmış bir sıvıya bir şey atarsanız anında kaynar. Mikrodalgada aşırı ısıtılmış su kolayca elde edilir. Aşırı soğutma, bir sıvının katı bir toplanma durumuna dönüşmeden donma noktasının altına soğutulmasıdır. Aşırı ısınmada olduğu gibi hipotermi de titreşimin olmamasını ve önemli sıcaklık değişikliklerinin olmasını gerektirir.
Diğer aşamalarla birliktelik. Resmi olarak konuşursak, bir sıvı fazın aynı maddenin diğer fazları (gaz veya kristal) ile dengede bir arada bulunması için kesin olarak tanımlanmış koşullar gereklidir. Dolayısıyla belirli bir basınçta kesin olarak tanımlanmış bir sıcaklığa ihtiyaç vardır. Bununla birlikte, doğada ve teknolojide her yerde sıvı, buharla veya aynı zamanda katı bir toplanma durumuyla bir arada bulunur - örneğin su, buharla ve sıklıkla buzla (buharın havayla birlikte mevcut ayrı bir faz olduğunu düşünürsek). Bunun nedeni aşağıdaki nedenlerden kaynaklanmaktadır:
- Kapalı hacim. Kapalı bir kaptaki sıvı buharlaşmaya başlar, ancak hacim sınırlı olduğundan buhar basıncı artar, miktarı yeterince büyükse, sıvı tamamen buharlaşmadan bile doymuş hale gelir. Doyma durumuna ulaşıldığında buharlaşan sıvı miktarı yoğunlaşan sıvı miktarına eşit olur ve sistem dengeye gelir. Böylece sınırlı bir hacimde sıvı ve buharın dengede bir arada bulunması için gerekli koşullar oluşturulabilir.
- Dünyanın yerçekimi koşullarında bir atmosferin varlığı. Bir sıvı atmosferik basınçtan (hava ve buhar) etkilenirken, buhar için neredeyse yalnızca kısmi basıncının dikkate alınması gerekir. Bu nedenle yüzeyinin üzerindeki sıvı ve buhar, faz diyagramında sırasıyla sıvı fazın var olduğu bölgede ve gaz fazın var olduğu bölgede farklı noktalara karşılık gelir. Bu, buharlaşmayı iptal etmez, ancak buharlaşma, her iki fazın bir arada var olduğu süreyi gerektirir. Bu koşul olmasaydı sıvılar çok çabuk kaynar ve buharlaşırdı.

Bölüm 2. Gaz
2.1. Gaz konsepti
GAZ, kendisini oluşturan parçacıkların (atomlar, moleküller) birbirinden önemli mesafelerde bulunduğu ve serbest hareket halinde olduğu bir maddenin toplu hallerinden biridir. Moleküllerin yakın mesafelerde olduğu ve önemli çekim ve itme kuvvetleriyle birbirine bağlandığı sıvı ve katıdan farklı olarak, gazdaki moleküllerin etkileşimi, yalnızca yaklaşmalarının (çarpışma) kısa anlarında kendini gösterir. Bu durumda çarpışan parçacıkların hareket hızının büyüklüğünde ve yönünde keskin bir değişiklik olur.
"Gaz" adı, Yunanca "kaos" kelimesinden gelir ve 17. yüzyılın başında Van Helmont tarafından tanıtıldı; tam bir düzensizlik ve kaosla karakterize edilen bir gazdaki parçacıkların hareketinin gerçek doğasını çok iyi yansıtıyor. . Örneğin sıvılardan farklı olarak gazlar serbest bir yüzey oluşturmaz ve kendilerine sunulan hacmin tamamını eşit şekilde doldurur. İyonlaşmış gazları da dahil edersek gaz hali, Evrendeki maddenin en yaygın halidir (gezegensel atmosferler, yıldızlar, bulutsular, yıldızlararası madde vb.).
2.2. Moleküler hareket
Gazlardaki moleküllerin hareketi rastgeledir: Moleküllerin hızları herhangi bir tercih edilen yöne sahip değildir, ancak her yöne kaotik bir şekilde dağılmıştır. Moleküllerin birbirleriyle çarpışması nedeniyle hızları hem yön hem de büyüklük açısından sürekli değişir. Bu nedenle moleküllerin hızları birbirinden çok farklı olabilir. Bir gazın içinde herhangi bir anda son derece hızlı hareket eden moleküller ve nispeten yavaş hareket eden moleküller bulunur. Ancak diğerlerinden çok daha yavaş veya çok daha hızlı hareket eden moleküllerin sayısı azdır. Çoğu molekül, molekül türüne ve vücut sıcaklığına bağlı olarak ortalama hızlardan nispeten çok az farklı olan hızlarda hareket eder. Aşağıda moleküllerin hızından bahsederken ortalama hızlarını kastedeceğiz. Moleküllerin ortalama hızının ölçülmesi ve hesaplanması konusuna daha sonra değineceğiz. Gaz moleküllerinin hareketiyle ilgili birçok tartışmada ortalama serbest yol kavramı önemli bir rol oynar. Ortalama serbest yol, moleküllerin birbirini izleyen iki çarpışma arasında kat ettiği ortalama mesafedir. Gaz yoğunluğu azaldıkça ortalama serbest yol artar. Atmosfer basıncında ve 0°C'de, hava moleküllerinin ortalama serbest yolu yaklaşık 10-8-10-7 m'dir (Şekil 371).

Pirinç. 371. Bu yaklaşık olarak normal basınçtaki bir hava molekülünün izlediği yoldur (bir milyon kat arttırılmıştır)
Çok seyrekleştirilmiş gazlarda (örneğin içi boş ampullerin içinde), ortalama serbest yol birkaç santimetreye ve hatta onlarca santimetreye ulaşır. Burada moleküller neredeyse hiç çarpışma olmadan duvardan duvara hareket eder. Katılarda moleküller ortalama konumların etrafında titreşirler. Sıvılarda moleküller ortalama konumların etrafında da titreşirler. Bununla birlikte, zaman zaman her molekül, öncekinden moleküller arası birkaç mesafeyle ayrılan yeni bir ortalama konuma atlar.
2.3. Gaz özellikleri
Gaz halinde parçacıklar arasındaki etkileşimin enerjisi kinetik enerjisinden çok daha azdır: EMMB<< Екин.
Bu nedenle, gaz molekülleri (atomlar) bir arada tutulmaz, ancak parçacıkların hacminden önemli ölçüde daha büyük bir hacimde serbestçe hareket eder. Moleküller birbirine yeterince yaklaştığında moleküller arası etkileşim kuvvetleri ortaya çıkar. Moleküller arası etkileşimin zayıf olması, gazın yoğunluğunun düşük olmasını, sınırsız genişleme isteğini ve bu isteği engelleyen kabın duvarlarına baskı uygulama yeteneğini belirler. Gaz molekülleri rastgele, kaotik bir hareket halindedir ve gazda moleküllerin dizilişinde bir düzen yoktur. Bir gazın durumu sıcaklık - T, basınç - p ve hacim - V ile karakterize edilir. Düşük basınçlarda ve yüksek sıcaklıklarda, tüm tipik gazlar yaklaşık olarak aynı şekilde davranır. Ancak zaten sıradan ve özellikle düşük sıcaklıklarda ve yüksek basınçlarda, gazların bireyselliği ortaya çıkmaya başlar. Dış basıncın artması ve sıcaklığın azalması gaz parçacıklarını birbirine yaklaştırır, böylece moleküller arası etkileşim daha büyük ölçüde kendini göstermeye başlar. Bu tür gazlar için Mendeleev-Clapeyron denklemini uygulamak artık mümkün değildir: ancak van der Waals denklemi kullanılmalıdır:
burada a ve b sırasıyla moleküller arasındaki çekici kuvvetlerin varlığını ve moleküllerin gerçek hacmini hesaba katan sabit terimlerdir.
Gazlar sıkıştırıldığında, yoğunlukları önemli ölçüde arttığında, IMF kuvvetleri giderek daha fazla fark edilir hale gelir, bu da moleküllerden çeşitli bileşenlerin oluşması için koşulların yaratılmasına yol açar. Ortaklar nispeten kararsız molekül gruplarıdır. IMF bileşenlerinin doğasından, evrensel etkileşim kuvvetlerinin artan atom boyutlarıyla birlikte arttığı, polarize edilebilirliğin keskin bir şekilde arttığı, dolayısıyla bir maddenin aynı türdeki parçacıkları (atomlar veya moleküller) ne kadar ağırsa, genellikle derecesi o kadar yüksek olur. Belirli bir sıcaklıkta bunların birleşimi ne kadar düşük olursa, böyle bir madde gazdan sıvıya dönüşür.

Bölüm 3. Kristaller
3.1.Kristal kavramı
Kristallerin dünyası, yaşayan doğanın dünyasından daha az güzel, çeşitli, gelişen ve çoğu zaman daha az gizemli olmayan bir dünyadır. Kristallerin jeoloji bilimleri açısından önemi, yer kabuğunun büyük çoğunluğunun kristal halinde olması gerçeğinde yatmaktadır. Jeolojinin mineraller ve kayalar gibi temel nesnelerinin sınıflandırılmasında kristal kavramı birincil, temeldir, elementlerin periyodik tablosundaki bir atoma veya maddelerin kimyasal sınıflandırmasındaki bir moleküle benzer. Ünlü mineralojistin aforistik ifadesine göre, St. Petersburg Madencilik Enstitüsü profesörü D.P. Grigoriev, "Mineral bir kristaldir." Minerallerin ve kayaların özelliklerinin kristal halinin genel özellikleriyle yakından ilişkili olduğu açıktır.
"Kristal" kelimesi Yunancadır (????????????), orijinal anlamı "buz" dur. Bununla birlikte, eski zamanlarda, bu terim diğer maddelerin (kuvars, kalsit vb.) Şeffaf doğal polihedrasına aktarılmıştı, çünkü bunun aynı zamanda bir nedenden dolayı yüksek sıcaklıklarda stabil hale gelen buz olduğuna inanılıyordu. Rusça'da bu kelimenin iki biçimi vardır: "kristal", doğal olarak oluşan çok yönlü bir gövde anlamına gelir ve "kristal" - yüksek kırılma indisine sahip özel bir cam türü ve ayrıca şeffaf renksiz kuvars ("kaya kristali"). Çoğu Avrupa dili, bu kavramların her ikisi için de aynı kelimeyi kullanır (Londra'daki İngilizce "Crystal Palace" - "Crystal Palace" ve kristal büyümesi üzerine uluslararası bir dergi olan "Crystal Growth" ile karşılaştırın).
İnsanlık kristallerle çok eski çağlarda tanıştı. Bu, her şeyden önce, doğada sıklıkla gerçekleştirilen, yani kendiliğinden şaşırtıcı derecede mükemmel çokyüzlüler biçimini alabilmeleri için kendi kendini kesme yeteneklerinden kaynaklanmaktadır. Modern bir insan bile, doğal kristallerle ilk kez karşılaştığında, çoğu zaman bu çokyüzlülerin yetenekli bir zanaatkarın işi olmadığına inanmaz. Bazı arkeolojik buluntuların da gösterdiği gibi, kristallerin şekline uzun zamandır büyülü bir önem verilmiştir. İncil'de "kristal"den (görünüşe göre hala "kristal"den bahsediyoruz) söz edilmektedir (örneğin bkz. Yuhanna'nın Vahiyi, 21, 11; 32, 1, vb.). Matematikçiler arasında, beş düzenli polihedranın (Platonik katılar) prototiplerinin doğal kristaller olduğuna dair mantıklı bir görüş var. Pek çok Arşimet (yarı düzenli) polihedranın kristal dünyasında tam veya çok yakın analogları da vardır. Ve antik çağın uygulamalı sanatında, kristalin çokyüzlüler bazen rol model olarak kullanıldı ve bunlar açıkça o zamanın bilimi tarafından dikkate alınmadı. Örneğin, Devlet İnziva Yeri, şekli güzel yarı değerli mineral garnet kristallerinin karakteristik şeklini doğru bir şekilde yeniden üreten bir dizi boncuk içerir. Bu boncuklar altından yapılmıştır (muhtemelen MS 1.-5. yüzyıllara ait Orta Doğu işi). Bu nedenle, kristallerin uzun zamandır insanın ana ilgi alanları üzerinde gözle görülür bir etkisi olmuştur: duygusal (din, sanat), ideolojik (din), entelektüel (bilim, sanat).
3.2. Ana kristal kafes türleri
Katılarda atomlar uzayda iki şekilde konumlandırılabilir: 1) Birbirlerine göre belirli bir yeri işgal etmediklerinde atomların rastgele düzenlenmesi. Bu tür cisimlere amorf denir. 2) Atomlar uzayda iyi tanımlanmış yerleri işgal ettiğinde, atomların düzenli bir şekilde düzenlenmesi bu tür maddelere kristal denir.
Atomlar ortalama konumlarına göre yaklaşık 1013 Hz frekansla salınır. Bu salınımların genliği sıcaklıkla orantılıdır. Atomların uzaydaki düzenli dizilimi sayesinde merkezleri hayali düz çizgilerle birbirine bağlanabilmektedir. Bu tür kesişen çizgiler kümesi, kristal kafes adı verilen uzamsal bir kafesi temsil eder.
Atomların dış elektron yörüngeleri birbirine temas eder, dolayısıyla kristal kafesteki atomların paketlenme yoğunluğu çok yüksektir. Kristal katılar kristal tanelerden - kristalitlerden oluşur. Komşu tanelerde kristal kafesler birbirlerine göre belirli bir açıyla döndürülür. Kristalitlerde kısa ve uzun menzilli düzenler gözlenir. Bu, hem belirli bir atomu çevreleyen en yakın komşularının (kısa menzilli düzen) hem de ondan tane sınırlarına kadar (uzun menzilli düzen) önemli mesafelerde bulunan atomların düzenli bir düzenlemesinin ve stabilitesinin varlığı anlamına gelir.

a) b)
Pirinç. 1.1. Kristal (a) ve amorf (b) maddedeki atomların düzenlenmesi
Difüzyon nedeniyle, tek tek atomlar kristal kafesin düğümlerindeki yerlerini bırakabilirler, ancak bir bütün olarak kristal yapının düzeni bozulmaz.
Tüm metaller, aralarında serbest elektronların (elektron gazı olarak adlandırılan) hareket ettiği, düşük hareketli pozitif yüklü iyonlardan oluşan belirli bir kristal kafes tipine sahip kristal gövdelerdir. Bu tip yapıya metalik bağ denir. Kafesin türü, üç uzamsal eksen boyunca tekrarlanan tekrarı belirli bir kristalin gövdenin kafesini oluşturan temel geometrik gövdenin şekli ile belirlenir.

A) B)

C) D)
Pirinç. 1.2. Ana metal kristal kafes türleri:
A) kübik (hücre başına 1 atom)
B) vücut merkezli kübik (bcc) (hücre başına 2 atom)
vesaire.............

Gazlarda moleküller ve atomlar arasındaki mesafe genellikle moleküllerin boyutundan çok daha büyüktür, ancak çok küçüktür. Bu nedenle gazların kendilerine ait şekilleri ve sabit hacimleri yoktur. Büyük mesafelerdeki itme kuvvetleri de küçük olduğundan gazlar kolayca sıkıştırılır. Gazlar, kendilerine sağlanan hacmin tamamını doldurarak süresiz olarak genleşme özelliğine sahiptir. Gaz molekülleri çok yüksek hızlarda hareket eder, birbirleriyle çarpışır ve farklı yönlere sıçrar. Moleküllerin damar duvarlarına çok sayıda etkisi vardır. gaz basıncı.

Sıvılarda moleküllerin hareketi

Sıvılarda moleküller yalnızca bir denge konumu etrafında salınmakla kalmaz, aynı zamanda bir denge konumundan diğerine sıçramalar da yapar. Bu sıçramalar periyodik olarak meydana gelir. Bu tür sıçramalar arasındaki zaman aralığına denir yerleşik yaşamın ortalama süresi(veya ortalama dinlenme süresi) ve τ harfiyle gösterilir. Başka bir deyişle gevşeme süresi, belirli bir denge konumu etrafındaki salınımların süresidir. Oda sıcaklığında bu süre ortalama 10-11 saniyedir. Bir salınımın süresi 10 -12 ... 10 -13 saniyedir.

Sıcaklığın artmasıyla hareketsiz yaşam süresi azalır. Bir sıvının molekülleri arasındaki mesafe molekül boyutundan daha küçüktür, parçacıklar birbirine yakın ve büyüktür. Bununla birlikte, sıvı moleküllerin dizilimi hacim boyunca kesin bir şekilde sıralanmamıştır.

Sıvılar da katılar gibi hacimlerini korurlar ancak kendi şekilleri yoktur. Bu nedenle bulundukları kabın şeklini alırlar. Sıvı aşağıdaki özelliklere sahiptir: akışkanlık. Bu özelliği sayesinde sıvı şekil değiştirmeye karşı direnç göstermez, hafif sıkıştırılır ve sıvının içindeki fiziksel özellikleri her yönde aynıdır (sıvıların izotropisi). Sıvılarda moleküler hareketin doğası ilk olarak Sovyet fizikçi Yakov Ilyich Frenkel (1894 - 1952) tarafından belirlendi.

Katılarda moleküllerin hareketi

Bir katının molekülleri ve atomları belirli bir düzen ve biçimde düzenlenmiştir. kristal kafes. Bu tür katılara kristal denir. Atomlar denge konumu etrafında titreşim hareketleri yaparlar ve aralarındaki çekim çok güçlüdür. Bu nedenle normal koşullar altında katılar hacimlerini korur ve kendi şekillerine sahiptirler.