Ano ang average na distansya sa pagitan ng mga molecule ng saturated water vapor sa temperatura na 100°C?

Problema Blg. 4.1.65 mula sa "Koleksyon ng mga problema para sa paghahanda para sa mga pagsusulit sa pasukan sa pisika sa USPTU"

Ibinigay:

\(t=100^\circ\) C, \(l-?\)

Ang solusyon sa problema:

Isaalang-alang natin ang singaw ng tubig sa ilang di-makatwirang dami na katumbas ng \(\nu\) mole. Upang matukoy ang volume \(V\) na inookupahan ng isang naibigay na dami ng singaw ng tubig, kailangan mong gamitin ang Clapeyron-Mendeleev equation:

Sa formula na ito, ang \(R\) ay ang universal gas constant na katumbas ng 8.31 J/(mol K). Ang saturated water vapor pressure \(p\) sa temperatura na 100° C ay 100 kPa, ito ay isang kilalang katotohanan at dapat malaman ito ng bawat mag-aaral.

Upang matukoy ang bilang ng mga molekula ng singaw ng tubig \(N\), ginagamit namin ang sumusunod na formula:

Narito ang \(N_A\) ay ang numero ni Avogadro, katumbas ng 6.023·10 23 1/mol.

Pagkatapos para sa bawat molekula mayroong isang kubo ng dami \(V_0\), malinaw na tinutukoy ng formula:

\[(V_0) = \frac(V)(N)\]

\[(V_0) = \frac((\nu RT))((p\nu (N_A))) = \frac((RT))((p(N_A)))\]

Ngayon tingnan ang diagram para sa problema. Ang bawat molekula ay may kondisyon na matatagpuan sa sarili nitong kubo, ang distansya sa pagitan ng dalawang molekula ay maaaring mag-iba mula 0 hanggang \(2d\), kung saan ang \(d\) ay ang haba ng gilid ng kubo. Ang average na distansya \(l\) ay magiging katumbas ng haba ng gilid ng cube \(d\):

Ang haba ng gilid \(d\) ay matatagpuan tulad nito:

Bilang resulta, nakukuha namin ang sumusunod na formula:

I-convert natin ang temperatura sa Kelvin scale at kalkulahin ang sagot:

Sagot: 3.72 nm.

Kung hindi mo naiintindihan ang solusyon at mayroon kang anumang mga katanungan o nakakita ka ng error, huwag mag-atubiling mag-iwan ng komento sa ibaba.

Physics. Molecules. Pag-aayos ng mga molekula sa gas, likido at solid na mga distansya.

1. 
   
   
2. Sa gas na estado, ang mga molekula ay hindi konektado sa isa't isa at matatagpuan sa isang malaking distansya mula sa bawat isa. Kilusang Brownian. Ang gas ay medyo madaling ma-compress.
   Sa isang likido, ang mga molekula ay malapit sa isa't isa at magkakasamang nag-vibrate. Halos imposibleng i-compress.
   Sa isang solid, ang mga molekula ay nakaayos sa isang mahigpit na pagkakasunud-sunod (sa mga kristal na sala-sala), at walang paggalaw ng molekular. Hindi ma-compress.
3. Ang istraktura ng bagay at ang simula ng kimika:
   http://samlib.ru/a/anemow_e_m/aa0.shtml
   (nang walang pagpaparehistro at mga mensaheng SMS, sa isang maginhawang format ng teksto: maaari mong gamitin ang Ctrl+C)
4. Imposibleng sumang-ayon na sa solid state molecules ay hindi gumagalaw.

   Ang paggalaw ng mga molekula sa mga gas

   Sa mga gas, ang distansya sa pagitan ng mga molekula at mga atomo ay karaniwang mas malaki kaysa sa laki ng mga molekula, at ang mga kaakit-akit na puwersa ay napakaliit. Samakatuwid, ang mga gas ay walang sariling hugis at pare-pareho ang dami. Ang mga gas ay madaling ma-compress dahil ang mga salungat na pwersa sa malalaking distansya ay maliit din. Ang mga gas ay may pag-aari ng pagpapalawak nang walang hanggan, na pinupuno ang buong volume na ibinigay sa kanila. Ang mga molekula ng gas ay gumagalaw sa napakataas na bilis, nagbabanggaan sa isa't isa, at tumalbog sa iba't ibang direksyon. Maraming epekto ng mga molekula sa mga dingding ng sisidlan ang lumikha ng presyon ng gas.

   Ang paggalaw ng mga molekula sa mga likido

   Sa mga likido, ang mga molekula ay hindi lamang umiikot sa paligid ng isang posisyon ng balanse, ngunit gumagawa din ng mga pagtalon mula sa isang posisyon ng ekwilibriyo patungo sa susunod. Ang mga pagtalon na ito ay nangyayari nang pana-panahon. Ang tagal ng panahon sa pagitan ng mga naturang pagtalon ay tinatawag na average na oras ng sedentary life (o average relaxation time) at tinutukoy ng titik ?. Sa madaling salita, ang oras ng pagpapahinga ay ang oras ng mga oscillations sa paligid ng isang tiyak na posisyon ng equilibrium. Sa temperatura ng silid, ang oras na ito ay nasa average na 10-11 s. Ang oras ng isang oscillation ay 10-1210-13 s.

   Bumababa ang oras ng sedentary life sa pagtaas ng temperatura. Ang distansya sa pagitan ng mga molekula ng isang likido ay mas maliit kaysa sa laki ng mga molekula, ang mga particle ay matatagpuan malapit sa isa't isa, at ang intermolecular attraction ay malakas. Gayunpaman, ang pag-aayos ng mga likidong molekula ay hindi mahigpit na iniutos sa buong volume.

   Ang mga likido, tulad ng mga solid, ay nagpapanatili ng kanilang dami, ngunit walang sariling hugis. Samakatuwid, kinukuha nila ang hugis ng sisidlan kung saan sila matatagpuan. Ang likido ay may pag-aari ng pagkalikido. Salamat sa ari-arian na ito, ang likido ay hindi lumalaban sa pagbabago ng hugis, bahagyang naka-compress, at ang mga pisikal na katangian nito ay pareho sa lahat ng direksyon sa loob ng likido (isotropy ng mga likido). Ang kalikasan ng molecular motion sa mga likido ay unang itinatag ng Soviet physicist na si Yakov Ilyich Frenkel (1894 1952).

   Ang paggalaw ng mga molekula sa mga solido

   Ang mga molekula at atomo ng isang solid ay nakaayos sa isang tiyak na pagkakasunud-sunod at bumubuo ng isang kristal na sala-sala. Ang ganitong mga solid ay tinatawag na mala-kristal. Ang mga atom ay nagsasagawa ng mga paggalaw ng vibrational sa paligid ng posisyon ng balanse, at ang atraksyon sa pagitan nila ay napakalakas. Samakatuwid, ang mga solid sa ilalim ng normal na mga kondisyon ay nagpapanatili ng kanilang dami at may sariling hugis.

5. Sa gaseous - gumagalaw sila nang random, naka-on sila
   Sa likido - ilipat alinsunod sa bawat isa
   Sa mga solid ay hindi sila gumagalaw.

1. Istraktura ng mga gas, likido at solid na katawan

Ginagawang posible ng molecular kinetic theory na maunawaan kung bakit maaaring umiral ang isang substance sa gaseous, liquid at solid states.
Mga gas. Sa mga gas, ang distansya sa pagitan ng mga atomo o molekula ay sa karaniwan ay maraming beses na mas malaki kaysa sa laki ng mga molekula mismo ( Fig.8.5). Halimbawa, sa presyon ng atmospera ang dami ng isang sisidlan ay sampu-sampung libong beses na mas malaki kaysa sa dami ng mga molekula sa loob nito.

Ang mga gas ay madaling i-compress, at ang average na distansya sa pagitan ng mga molekula ay bumababa, ngunit ang hugis ng molekula ay hindi nagbabago ( Fig.8.6).

Ang mga molekula ay gumagalaw sa napakalaking bilis - daan-daang metro bawat segundo - sa kalawakan. Kapag sila ay nagbanggaan, sila ay tumalbog sa iba't ibang direksyon tulad ng mga bola ng bilyar. Ang mahinang kaakit-akit na puwersa ng mga molekula ng gas ay hindi kayang hawakan ang mga ito malapit sa isa't isa. kaya lang ang mga gas ay maaaring lumawak nang walang limitasyon. Hindi nila pinapanatili ang hugis o dami.
Maraming epekto ng mga molekula sa mga dingding ng sisidlan ang lumikha ng presyon ng gas.

Mga likido. Ang mga molekula ng likido ay matatagpuan halos malapit sa isa't isa ( Fig.8.7), kaya ang isang likidong molekula ay kumikilos nang iba kaysa sa isang molekula ng gas. Sa mga likido, mayroong tinatawag na short-range order, ibig sabihin, ang ordered arrangement ng mga molecule ay pinananatili sa mga distansyang katumbas ng ilang molekular diameters. Ang molekula ay umiikot sa paligid ng posisyon ng balanse nito, na nagbabanggaan sa mga kalapit na molekula. Paminsan-minsan lamang siyang gumagawa ng isa pang "tumalon", na nakapasok sa isang bagong posisyon ng balanse. Sa posisyon ng equilibrium na ito, ang repulsive na puwersa ay katumbas ng kaakit-akit na puwersa, ibig sabihin, ang kabuuang puwersa ng pakikipag-ugnayan ng molekula ay zero. Oras ayos na buhay mga molekula ng tubig, ibig sabihin, ang oras ng mga panginginig ng boses nito sa paligid ng isang tiyak na posisyon ng balanse sa temperatura ng silid, ay nasa average na 10 -11 s. Ang oras ng isang oscillation ay mas kaunti (10 -12 -10 -13 s). Sa pagtaas ng temperatura, bumababa ang oras ng paninirahan ng mga molekula.

Ang kalikasan ng molecular motion sa mga likido, na unang itinatag ng Soviet physicist na si Ya.I Frenkel, ay nagpapahintulot sa amin na maunawaan ang mga pangunahing katangian ng mga likido.
Ang mga molekula ng likido ay matatagpuan nang direkta sa tabi ng bawat isa. Habang bumababa ang lakas ng tunog, nagiging napakalaki ng mga puwersang salungat. Nagpapaliwanag ito mababang compressibility ng mga likido.
Sa pagkakaalam, ang mga likido ay likido, iyon ay, hindi nila pinapanatili ang kanilang hugis. Ito ay maaaring ipaliwanag sa ganitong paraan. Ang panlabas na puwersa ay hindi kapansin-pansing nagbabago sa bilang ng mga molecular jumps bawat segundo. Ngunit ang mga pagtalon ng mga molekula mula sa isang nakatigil na posisyon patungo sa isa pa ay nangyayari nang nakararami sa direksyon ng pagkilos ng panlabas na puwersa ( Fig.8.8). Ito ang dahilan kung bakit ang likido ay dumadaloy at kumukuha ng hugis ng lalagyan.

Solids. Ang mga atomo o molekula ng mga solido, hindi katulad ng mga atomo at molekula ng mga likido, ay nag-vibrate sa paligid ng ilang partikular na posisyon ng equilibrium. Para sa kadahilanang ito, solids panatilihin hindi lamang ang lakas ng tunog, kundi pati na rin ang hugis. Ang potensyal na enerhiya ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga molekula ng isang solidong katawan ay higit na malaki kaysa sa kanilang kinetic energy.
May isa pang mahalagang pagkakaiba sa pagitan ng mga likido at solid. Ang isang likido ay maihahambing sa isang pulutong ng mga tao, kung saan ang mga indibidwal na indibidwal ay hindi mapakali na naghahabulan sa kanilang kinalalagyan, at ang isang solidong katawan ay parang isang payat na pangkat ng parehong mga indibidwal na, bagama't hindi sila nakatutok sa pansin, ay nagpapanatili sa karaniwang ilang distansya sa pagitan ng bawat isa. iba pa. Kung ikinonekta mo ang mga sentro ng mga posisyon ng ekwilibriyo ng mga atomo o mga ion ng isang solidong katawan, makakakuha ka ng isang regular na spatial na sala-sala na tinatawag mala-kristal.
Ang mga figure 8.9 at 8.10 ay nagpapakita ng mga kristal na sala-sala ng table salt at brilyante. Ang panloob na pagkakasunud-sunod sa pag-aayos ng mga atomo sa mga kristal ay humahantong sa regular na panlabas na mga geometric na hugis.

Ipinapakita ng Figure 8.11 ang mga diamante ng Yakut.

Sa isang gas, ang distansya l sa pagitan ng mga molekula ay mas malaki kaysa sa laki ng mga molekula 0:" l>>r 0 .
Para sa mga likido at solido l≈r 0. Ang mga molekula ng isang likido ay nakaayos sa kaguluhan at paminsan-minsan ay tumalon mula sa isang nakaayos na posisyon patungo sa isa pa.
Ang mga kristal na solid ay may mga molekula (o mga atomo) na nakaayos sa isang mahigpit na pagkakasunod-sunod na paraan.

2. Ideal na gas sa molecular kinetic theory

Ang pag-aaral ng anumang larangan ng pisika ay palaging nagsisimula sa pagpapakilala ng isang tiyak na modelo, sa loob ng balangkas kung saan nagaganap ang karagdagang pag-aaral. Halimbawa, noong nag-aral tayo ng kinematics, ang modelo ng katawan ay isang materyal na punto, atbp. Tulad ng maaaring nahulaan mo, ang modelo ay hindi kailanman tumutugma sa aktwal na nagaganap na mga proseso, ngunit kadalasan ito ay napakalapit sa sulat na ito.

Ang molecular physics, at sa partikular na MCT, ay walang pagbubukod. Maraming mga siyentipiko ang nagtrabaho sa problema ng paglalarawan ng modelo mula noong ikalabing walong siglo: M. Lomonosov, D. Joule, R. Clausius (Fig. 1). Ang huli, sa katunayan, ay nagpakilala ng perpektong modelo ng gas noong 1857. Ang isang husay na paliwanag ng mga pangunahing katangian ng isang substansiya batay sa molecular kinetic theory ay hindi partikular na mahirap. Gayunpaman, ang teorya na nagtatatag ng mga quantitative na koneksyon sa pagitan ng mga nasusukat na dami ng eksperimento (presyon, temperatura, atbp.) at ang mga katangian ng mga molekula mismo, ang kanilang bilang at bilis ng paggalaw, ay napakasalimuot. Sa isang gas sa normal na presyon, ang distansya sa pagitan ng mga molekula ay maraming beses na mas malaki kaysa sa kanilang mga sukat. Sa kasong ito, ang mga puwersa ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga molekula ay bale-wala at ang kinetic energy ng mga molekula ay mas malaki kaysa sa potensyal na enerhiya ng pakikipag-ugnayan. Ang mga molekula ng gas ay maaaring isipin bilang mga materyal na punto o napakaliit na solidong bola. sa halip na totoong gas, sa pagitan ng mga molekula kung saan kumikilos ang kumplikadong mga puwersa ng pakikipag-ugnayan, isasaalang-alang natin ito Ang modelo ay isang perpektong gas.

Tamang gas– isang modelo ng gas, kung saan ang mga molekula ng gas at mga atomo ay kinakatawan sa anyo ng napakaliit (naglalaho na mga sukat) na nababanat na mga bola na hindi nakikipag-ugnayan sa isa't isa (nang walang direktang kontak), ngunit nagbanggaan lamang (tingnan ang Fig. 2).

Dapat pansinin na ang rarefied hydrogen (sa ilalim ng napakababang presyon) ay halos ganap na natutugunan ang perpektong modelo ng gas.

kanin. 2.

Tamang gas ay isang gas kung saan ang interaksyon sa pagitan ng mga molekula ay bale-wala. Naturally, kapag ang mga molekula ng isang perpektong gas ay nagbanggaan, ang isang salungat na puwersa ay kumikilos sa kanila. Dahil maaari nating isaalang-alang ang mga molekula ng gas, ayon sa modelo, bilang mga materyal na punto, pinababayaan natin ang mga sukat ng mga molekula, isinasaalang-alang na ang dami na kanilang sinasakop ay mas mababa kaysa sa dami ng sisidlan.
Alalahanin natin na sa isang pisikal na modelo lamang ang mga katangian ng isang tunay na sistema ay isinasaalang-alang, ang pagsasaalang-alang kung saan ay ganap na kinakailangan upang ipaliwanag ang pinag-aralan na mga pattern ng pag-uugali ng sistemang ito. Walang iisang modelo ang makakapaghatid ng lahat ng katangian ng isang system. Ngayon kailangan nating lutasin ang isang medyo makitid na problema: gamit ang molecular kinetic theory upang kalkulahin ang presyon ng isang perpektong gas sa mga dingding ng isang sisidlan. Para sa problemang ito, ang perpektong modelo ng gas ay lumalabas na medyo kasiya-siya. Ito ay humahantong sa mga resulta na kinumpirma ng karanasan.

3. Gas pressure sa molecular kinetic theory Hayaang nasa saradong lalagyan ang gas. Ang pressure gauge ay nagpapakita ng presyon ng gas p 0. Paano lumalabas ang presyur na ito?
Ang bawat molekula ng gas na tumatama sa dingding ay kumikilos dito nang may tiyak na puwersa sa loob ng maikling panahon. Bilang resulta ng mga random na epekto sa dingding, mabilis na nagbabago ang presyon sa paglipas ng panahon, humigit-kumulang tulad ng ipinapakita sa Figure 8.12. Gayunpaman, ang mga epekto na dulot ng mga epekto ng mga indibidwal na molekula ay napakahina na hindi nakarehistro sa pamamagitan ng isang pressure gauge. Itinatala ng pressure gauge ang time-average na puwersa na kumikilos sa bawat yunit ng surface area ng sensitibong elemento nito - ang lamad. Sa kabila ng maliit na pagbabago sa presyon, ang average na halaga ng presyon p 0 praktikal na lumalabas na isang ganap na tiyak na halaga, dahil maraming mga epekto sa dingding, at ang masa ng mga molekula ay napakaliit.

Ang ideal na gas ay isang modelo ng isang tunay na gas. Ayon sa modelong ito, ang mga molekula ng gas ay maaaring ituring bilang mga materyal na punto na ang pakikipag-ugnayan ay nangyayari lamang kapag sila ay nagbanggaan. Kapag ang mga molekula ng gas ay bumangga sa dingding, pinipilit nila ito.

4. Micro- at macroparameters ng gas

Ngayon ay maaari nating simulan upang ilarawan ang mga parameter ng isang perpektong gas. Nahahati sila sa dalawang grupo:

Mga ideal na parameter ng gas

Ibig sabihin, inilalarawan ng mga microparameter ang estado ng isang particle (microbody), at inilalarawan ng mga macroparameter ang estado ng buong bahagi ng gas (macrobody). Isulat natin ngayon ang relasyon na nag-uugnay sa ilang parameter sa iba, o ang pangunahing equation ng MKT:

Dito: - average na bilis ng paggalaw ng butil;

Kahulugan. – konsentrasyon mga particle ng gas - ang bilang ng mga particle bawat dami ng yunit; ; yunit -.

5. Average na halaga ng parisukat ng bilis ng mga molekula

Upang kalkulahin ang average na presyon, kailangan mong malaman ang average na bilis ng mga molekula (mas tiyak, ang average na halaga ng parisukat ng bilis). Ito ay hindi isang simpleng tanong. Sanay ka na sa katotohanan na ang bawat butil ay may bilis. Ang average na bilis ng mga molekula ay nakasalalay sa paggalaw ng lahat ng mga particle.
Average na mga halaga. Sa simula pa lang, kailangan mong sumuko sa pagsisikap na subaybayan ang paggalaw ng lahat ng mga molekula na bumubuo sa gas. Napakarami sa kanila, at napakahirap nilang kumilos. Hindi natin kailangang malaman kung paano gumagalaw ang bawat molekula. Dapat nating malaman kung ano ang resulta ng paggalaw ng lahat ng mga molekula ng gas.
Ang likas na katangian ng paggalaw ng buong hanay ng mga molekula ng gas ay kilala mula sa karanasan. Ang mga molekula ay nakikibahagi sa random (thermal) na paggalaw. Nangangahulugan ito na ang bilis ng anumang molekula ay maaaring maging napakalaki o napakaliit. Ang direksyon ng paggalaw ng mga molekula ay patuloy na nagbabago habang sila ay nagbabanggaan sa isa't isa.
Gayunpaman, ang bilis ng mga indibidwal na molekula ay maaaring anuman karaniwan ang halaga ng modulus ng mga bilis na ito ay medyo tiyak. Katulad nito, ang taas ng mga mag-aaral sa isang klase ay hindi pareho, ngunit ang average nito ay isang tiyak na bilang. Upang mahanap ang numerong ito, kailangan mong magdagdag ng mga taas ng mga indibidwal na mag-aaral at hatiin ang kabuuan na ito sa bilang ng mga mag-aaral.
Ang average na halaga ng parisukat ng bilis. Sa hinaharap, kakailanganin natin ang average na halaga hindi ng bilis mismo, ngunit ng parisukat ng bilis. Ang average na kinetic energy ng mga molekula ay nakasalalay sa halagang ito. At ang average na kinetic energy ng mga molecule, tulad ng makikita natin sa lalong madaling panahon, ay napakahalaga sa buong molecular kinetic theory.
Tukuyin natin ang mga module ng bilis ng mga indibidwal na molekula ng gas sa pamamagitan ng . Ang average na halaga ng parisukat ng bilis ay tinutukoy ng sumusunod na formula:

saan N- ang bilang ng mga molekula sa gas.
Ngunit ang parisukat ng modulus ng anumang vector ay katumbas ng kabuuan ng mga parisukat ng mga projection nito sa mga coordinate axes OX, OY, OZ. kaya lang

Ang mga average na halaga ng mga dami ay maaaring matukoy gamit ang mga formula na katulad ng formula (8.9). Sa pagitan ng average na halaga at ang average na mga halaga ng mga parisukat ng mga projection ay may parehong relasyon bilang relasyon (8.10):

Sa katunayan, ang pagkakapantay-pantay (8.10) ay may bisa para sa bawat molekula. Pagdaragdag ng mga pagkakapantay-pantay na ito para sa mga indibidwal na molekula at paghahati sa magkabilang panig ng resultang equation sa bilang ng mga molekula N, dumating tayo sa formula (8.11).
Pansin! Dahil ang mga direksyon ng tatlong axes OH, OH At OZ dahil sa random na paggalaw ng mga molekula, pantay sila, ang average na mga halaga ng mga parisukat ng mga projection ng bilis ay katumbas ng bawat isa:

Nakikita mo, isang tiyak na pattern ang lumalabas mula sa kaguluhan. Maaari mo bang malaman ito para sa iyong sarili?
Isinasaalang-alang ang kaugnayan (8.12), pinapalitan namin ang formula (8.11) sa halip na at . Pagkatapos para sa mean square ng velocity projection na nakuha namin:

ibig sabihin, ang mean square ng velocity projection ay katumbas ng 1/3 ng mean square ng velocity mismo. Lumilitaw ang 1/3 factor dahil sa three-dimensionality ng espasyo at, nang naaayon, ang pagkakaroon ng tatlong projection para sa anumang vector.
Ang mga bilis ng mga molekula ay nagbabago nang random, ngunit ang average na parisukat ng bilis ay isang mahusay na tinukoy na halaga.

6. Basic equation ng molecular kinetic theory
Magpatuloy tayo sa derivation ng pangunahing equation ng molecular kinetic theory ng mga gas. Itinatag ng equation na ito ang pag-asa ng presyon ng gas sa average na kinetic energy ng mga molekula nito. Pagkatapos ng derivation ng equation na ito noong ika-19 na siglo. at ang pang-eksperimentong patunay ng bisa nito ay nagsimula sa mabilis na pag-unlad ng quantitative theory, na nagpapatuloy hanggang ngayon.
Ang patunay ng halos anumang pahayag sa pisika, ang derivation ng anumang equation ay maaaring gawin nang may iba't ibang antas ng higpit at kapani-paniwala: napakasimple, higit pa o hindi gaanong mahigpit, o may buong higpit na magagamit sa modernong agham.
Ang isang mahigpit na derivation ng equation ng molecular kinetic theory ng mga gas ay medyo kumplikado. Samakatuwid, lilimitahan natin ang ating sarili sa isang lubos na pinasimple, schematic derivation ng equation. Sa kabila ng lahat ng mga pagpapasimple, magiging tama ang resulta.
Pinagmulan ng pangunahing equation. Kalkulahin natin ang presyon ng gas sa dingding CD sisidlan A B C D lugar S, patayo sa coordinate axis OX (Fig.8.13).

Kapag ang isang molekula ay tumama sa isang pader, ang momentum nito ay nagbabago: . Dahil ang modulus ng bilis ng mga molekula sa epekto ay hindi nagbabago, kung gayon . Ayon sa ikalawang batas ni Newton, ang pagbabago sa momentum ng isang molekula ay katumbas ng impulse ng puwersa na kumikilos dito mula sa dingding ng sisidlan, at ayon sa ikatlong batas ni Newton, ang laki ng impulse ng puwersa kung saan ang Molekyul kumikilos sa pader ay pareho. Dahil dito, bilang isang resulta ng epekto ng molekula, isang puwersa ang ginawa sa dingding, na ang momentum ay katumbas ng .

Ipinapaliwanag ng molecular kinetic theory na ang lahat ng substance ay maaaring umiral sa tatlong estado ng aggregation: solid, liquid at gaseous. Halimbawa, yelo, tubig at singaw ng tubig. Ang plasma ay madalas na itinuturing na pang-apat na estado ng bagay.

Pinagsama-samang estado ng bagay(mula sa Latin aggrego– ilakip, kumonekta) – mga estado ng parehong sangkap, ang mga paglipat sa pagitan ng kung saan ay sinamahan ng pagbabago sa mga pisikal na katangian nito. Ito ang pagbabago sa pinagsama-samang estado ng bagay.

Sa lahat ng tatlong estado, ang mga molekula ng parehong sangkap ay hindi naiiba sa bawat isa, tanging ang kanilang lokasyon, ang likas na katangian ng thermal motion at ang mga puwersa ng intermolecular na pakikipag-ugnayan ay nagbabago.

Ang paggalaw ng mga molekula sa mga gas

Sa mga gas, ang distansya sa pagitan ng mga molekula at mga atomo ay karaniwang mas malaki kaysa sa laki ng mga molekula, at ang mga kaakit-akit na puwersa ay napakaliit. Samakatuwid, ang mga gas ay walang sariling hugis at pare-pareho ang dami. Ang mga gas ay madaling ma-compress dahil ang mga salungat na pwersa sa malalaking distansya ay maliit din. Ang mga gas ay may pag-aari ng pagpapalawak nang walang hanggan, na pinupuno ang buong volume na ibinigay sa kanila. Ang mga molekula ng gas ay gumagalaw sa napakataas na bilis, nagbabanggaan sa isa't isa, at tumalbog sa iba't ibang direksyon. Lumilikha ng maraming epekto ng mga molekula sa mga dingding ng sisidlan presyon ng gas.

Ang paggalaw ng mga molekula sa mga likido

Sa mga likido, ang mga molekula ay hindi lamang umiikot sa paligid ng isang posisyon ng balanse, ngunit gumagawa din ng mga pagtalon mula sa isang posisyon ng ekwilibriyo patungo sa susunod. Ang mga pagtalon na ito ay nangyayari nang pana-panahon. Ang agwat ng oras sa pagitan ng mga naturang pagtalon ay tinatawag average na oras ng ayos na buhay(o average na oras ng pagpapahinga) at itinalaga ng titik ?. Sa madaling salita, ang oras ng pagpapahinga ay ang oras ng mga oscillations sa paligid ng isang tiyak na posisyon ng equilibrium. Sa temperatura ng kuwarto sa oras na ito ay nasa average na 10 -11 s. Ang oras ng isang oscillation ay 10 -12 ... 10 -13 s.

Bumababa ang oras ng sedentary life sa pagtaas ng temperatura. Ang distansya sa pagitan ng mga molekula ng isang likido ay mas maliit kaysa sa laki ng mga molekula, ang mga particle ay matatagpuan malapit sa isa't isa, at ang intermolecular attraction ay malakas. Gayunpaman, ang pag-aayos ng mga likidong molekula ay hindi mahigpit na iniutos sa buong volume.

Ang mga likido, tulad ng mga solid, ay nagpapanatili ng kanilang dami, ngunit walang sariling hugis. Samakatuwid, kinukuha nila ang hugis ng sisidlan kung saan sila matatagpuan. Ang likido ay may mga sumusunod na katangian: pagkalikido. Salamat sa ari-arian na ito, ang likido ay hindi lumalaban sa pagbabago ng hugis, bahagyang naka-compress, at ang mga pisikal na katangian nito ay pareho sa lahat ng direksyon sa loob ng likido (isotropy ng mga likido). Ang kalikasan ng molecular motion sa mga likido ay unang itinatag ng Soviet physicist na si Yakov Ilyich Frenkel (1894 - 1952).

Ang paggalaw ng mga molekula sa mga solido

Ang mga molekula at atomo ng isang solid ay nakaayos sa isang tiyak na pagkakasunud-sunod at anyo kristal na sala-sala. Ang ganitong mga solid ay tinatawag na mala-kristal. Ang mga atom ay nagsasagawa ng mga paggalaw ng vibrational sa paligid ng posisyon ng balanse, at ang atraksyon sa pagitan nila ay napakalakas. Samakatuwid, ang mga solid sa ilalim ng normal na mga kondisyon ay nagpapanatili ng kanilang dami at may sariling hugis.

Physics

Pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga atomo at mga molekula ng bagay. Istraktura ng solid, likido at gas na katawan

Sa pagitan ng mga molekula ng isang substansiya, sabay-sabay na kumikilos ang mga kaakit-akit at nakakasuklam na pwersa. Ang mga puwersang ito ay higit na nakasalalay sa mga distansya sa pagitan ng mga molekula.

Ayon sa eksperimental at teoretikal na pag-aaral, ang mga puwersa ng intermolecular na interaksyon ay inversely proportional sa ika-n na kapangyarihan ng distansya sa pagitan ng mga molekula:

kung saan para sa mga kaakit-akit na pwersa n = 7, at para sa mga salungat na pwersa .

Ang pakikipag-ugnayan ng dalawang molekula ay maaaring ilarawan gamit ang isang graph ng projection ng mga resultang pwersa ng pagkahumaling at pagtanggi ng mga molekula sa distansya r sa pagitan ng kanilang mga sentro. Idirekta natin ang r axis mula sa molekula 1, na ang sentro ay tumutugma sa pinagmulan ng mga coordinate, sa gitna ng molekula 2 na matatagpuan sa layo mula dito (Fig. 1).

Pagkatapos ay magiging positibo ang projection ng puwersa ng repulsion ng molekula 2 mula sa molekula 1 papunta sa r axis. Ang projection ng puwersa ng pagkahumaling ng molekula 2 sa molekula 1 ay magiging negatibo.

Ang mga puwersang salungat (Larawan 2) ay higit na malaki kaysa sa mga kaakit-akit na puwersa sa mga malalayong distansya, ngunit mas mabilis na bumababa sa pagtaas ng r. Ang mga kaakit-akit na pwersa ay mabilis ding bumababa sa pagtaas ng r, upang, simula sa isang tiyak na distansya, ang pakikipag-ugnayan ng mga molekula ay maaaring mapabayaan. Ang pinakamalaking distansya rm kung saan nakikipag-ugnayan pa rin ang mga molekula ay tinatawag na radius ng molecular action .

Ang mga salungat na pwersa ay katumbas ng magnitude sa mga kaakit-akit na pwersa.

Ang distansya ay tumutugma sa matatag na equilibrium na kamag-anak na posisyon ng mga molekula.

Sa iba't ibang mga estado ng pagsasama-sama ng isang sangkap, ang distansya sa pagitan ng mga molekula nito ay iba. Samakatuwid ang pagkakaiba sa puwersa ng pakikipag-ugnayan ng mga molekula at isang makabuluhang pagkakaiba sa likas na katangian ng paggalaw ng mga molekula ng mga gas, likido at solido.

Sa mga gas, ang mga distansya sa pagitan ng mga molekula ay ilang beses na mas malaki kaysa sa mga sukat ng mga molekula mismo. Bilang isang resulta, ang mga puwersa ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga molekula ng gas ay maliit at ang kinetic energy ng thermal motion ng mga molekula ay higit na lumampas sa potensyal na enerhiya ng kanilang pakikipag-ugnayan. Ang bawat molekula ay malayang gumagalaw mula sa iba pang mga molekula sa napakalaking bilis (daan-daang metro bawat segundo), nagbabago ng direksyon at velocity module kapag bumabangga sa ibang mga molekula. Ang libreng landas ng mga molekula ng gas ay nakasalalay sa presyon at temperatura ng gas. Sa ilalim ng normal na kondisyon.

Sa mga likido, ang distansya sa pagitan ng mga molekula ay mas maliit kaysa sa mga gas. Ang mga puwersa ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga molekula ay malaki, at ang kinetic energy ng paggalaw ng mga molekula ay naaayon sa potensyal na enerhiya ng kanilang pakikipag-ugnayan, bilang isang resulta kung saan ang mga molekula ng likido ay umiikot sa paligid ng isang tiyak na posisyon ng balanse, pagkatapos ay biglang tumalon sa bago mga posisyon ng equilibrium pagkatapos ng napakaikling panahon, na humahantong sa pagkalikido ng likido. Kaya, sa isang likido, ang mga molekula ay pangunahing gumaganap ng vibrational at translational na paggalaw. Sa mga solido, ang mga puwersa ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga molekula ay napakalakas na ang kinetic energy ng paggalaw ng mga molekula ay mas mababa kaysa sa potensyal na enerhiya ng kanilang pakikipag-ugnayan. Ang mga molekula ay nagsasagawa lamang ng mga vibrations na may maliit na amplitude sa paligid ng isang tiyak na pare-parehong posisyon ng balanse - isang node ng kristal na sala-sala.

Ang distansya na ito ay maaaring matantya sa pamamagitan ng pag-alam sa density ng substance at molar mass. Konsentrasyon - ang bilang ng mga particle sa bawat yunit ng volume ay nauugnay sa density, molar mass at bilang ni Avogadro sa pamamagitan ng kaugnayan.

Mga batas at batayan ng gas ng ICT.

Kung ang gas ay sapat na rarefied (at ito ay isang pangkaraniwang bagay; madalas na kailangan nating harapin ang mga rarefied na gas), kung gayon halos anumang pagkalkula ay ginawa gamit ang isang formula sa pagkonekta ng presyon P, dami ng V, halaga ng gas ν at temperatura T - ito ay ang sikat na "equation state ng isang ideal na gas" P·V= ν·R·T. Paano mahahanap ang isa sa mga dami na ito kung ang lahat ng iba ay ibinigay ay medyo simple at naiintindihan. Ngunit ang problema ay maaaring mabuo sa paraang ang tanong ay tungkol sa ilang iba pang dami - halimbawa, tungkol sa density ng isang gas. Kaya, ang gawain: hanapin ang density ng nitrogen sa temperatura na 300K at isang presyon ng 0.2 atm. Solusyonan natin ito. Sa paghusga sa kondisyon, ang gas ay medyo bihira (ang hangin na binubuo ng 80% nitrogen at sa makabuluhang mas mataas na presyon ay maaaring ituring na bihira, malaya at madaling malalanghap natin ito), at kung hindi ito ganoon, wala tayong anumang iba pang mga formula hindi - ginagamit namin ang paboritong isa. Ang kundisyon ay hindi tumutukoy sa dami ng anumang bahagi ng gas; Kumuha tayo ng 1 cubic meter ng nitrogen at hanapin ang dami ng gas sa volume na ito. Alam ang molar mass ng nitrogen M = 0.028 kg/mol, nakita natin ang masa ng bahaging ito - at nalutas ang problema. Dami ng gas ν= P·V/R·T, mass m = ν·М = М·P·V/R·T, kaya ang density ρ= m/V = М·P/R·T = 0.028·20000/ ( 8.3·300) ≈ 0.2 kg/m3. Ang volume na pinili namin ay hindi kasama sa sagot; pinili namin ito para sa pagiging tiyak - mas madaling mangatuwiran sa ganitong paraan, dahil hindi mo agad na napagtanto na ang volume ay maaaring maging anuman, ngunit ang density ay magiging pareho. Gayunpaman, maaaring malaman ng isang tao: "sa pamamagitan ng pagkuha ng isang volume, sabihin nating, limang beses na mas malaki, tataas natin ang dami ng gas nang eksakto limang beses, samakatuwid, kahit na anong dami ang kinuha natin, ang density ay magiging pareho." Maaari mo lamang isulat muli ang iyong paboritong formula, palitan dito ang expression para sa dami ng gas sa pamamagitan ng masa ng isang bahagi ng gas at ang molar mass nito: ν = m/M, pagkatapos ay agad na ipinahayag ang ratio m/V = M P/R T , at ito ang density . Posible na kumuha ng isang nunal ng gas at hanapin ang dami na sinasakop nito, pagkatapos ay agad na natagpuan ang density, dahil ang masa ng nunal ay kilala. Sa pangkalahatan, mas simple ang problema, mas katumbas at magagandang paraan upang malutas ito...
Narito ang isa pang problema kung saan ang tanong ay maaaring mukhang hindi inaasahan: hanapin ang pagkakaiba sa presyon ng hangin sa taas na 20 m at sa taas na 50 m sa ibabaw ng lupa. Temperatura 00C, presyon 1 atm. Solusyon: kung nakita natin ang densidad ng hangin ρ sa ilalim ng mga kondisyong ito, kung gayon ang pagkakaiba ng presyon ∆P = ρ·g·∆H. Nahanap namin ang density sa parehong paraan tulad ng sa nakaraang problema, ang tanging kahirapan ay ang hangin ay isang halo ng mga gas. Ipagpalagay na ito ay binubuo ng 80% nitrogen at 20% oxygen, nakita namin ang masa ng isang nunal ng pinaghalong: m = 0.8 0.028 + 0.2 0.032 ≈ 0.029 kg. Ang volume na inookupahan ng mole na ito ay V= R·T/P at ang density ay makikita bilang ratio ng dalawang dami na ito. Kung gayon ang lahat ay malinaw, ang sagot ay humigit-kumulang 35 Pa.
Ang densidad ng gas ay kailangan ding kalkulahin kapag nahanap, halimbawa, ang puwersa ng pag-aangat ng isang lobo ng isang naibigay na dami, kapag kinakalkula ang dami ng hangin sa mga scuba cylinder na kinakailangan para sa paghinga sa ilalim ng tubig sa isang tiyak na oras, kapag kinakalkula ang bilang ng kinakailangan ng mga asno na magdala ng isang tiyak na halaga ng singaw ng mercury sa disyerto at sa maraming iba pang mga kaso.
Ngunit ang gawain ay mas kumplikado: ang isang electric kettle ay kumukulo nang maingay sa mesa, ang paggamit ng kuryente ay 1000 W, kahusayan. pampainit 75% (ang natitira ay "pumupunta" sa nakapalibot na espasyo). Ang isang jet ng singaw ay lumilipad palabas sa spout - ang lugar ng "spout" ay 1 cm2 Tantyahin ang bilis ng gas sa jet na ito. Kunin ang lahat ng kinakailangang data mula sa mga talahanayan.
Solusyon. Ipagpalagay natin na ang saturated steam ay nabuo sa itaas ng tubig sa kettle, pagkatapos ay isang stream ng saturated water vapor ay lumilipad palabas sa spout sa +1000C. Ang presyon ng naturang singaw ay 1 atm, madaling mahanap ang density nito. Ang pag-alam sa kapangyarihan na ginamit para sa pagsingaw Р= 0.75·Р0 = 750 W at ang tiyak na init ng vaporization (pagsingaw) r = 2300 kJ/kg, makikita natin ang masa ng singaw na nabuo sa panahon τ: m= 0.75Р0·τ/r . Alam namin ang densidad, kung gayon madaling mahanap ang dami ng dami ng singaw na ito. Ang natitira ay malinaw na - isipin ang volume na ito sa anyo ng isang haligi na may isang cross-sectional na lugar na 1 cm2, ang haba ng haligi na ito na hinati ng τ ay magbibigay sa amin ng bilis ng pag-alis (ang haba na ito ay aalis sa isang segundo ). Kaya, ang bilis ng jet na umaalis sa spout ng kettle ay V = m/(ρ S τ) = 0.75 P0 τ/(r ρ S τ) = 0.75 P0 R T/(r P M ·S) = 750·8.3· 373/(2.3·106·1·105·0.018·1·10-4) ≈ 5 m/s.
(c) Zilberman A. R.